張?zhí)m河 ,田 宇 ,郭靜波 ,趙 可 ,唐同同 ,王立剛,馬 放
(1 東北電力大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院,吉林 吉林 132012;2 東北電力大學(xué)建筑工程學(xué)院,吉林 吉林 132012;3 哈爾濱工業(yè)大學(xué)城市水資源與水環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,黑龍江 哈爾濱 150090)
生物強(qiáng)化技術(shù)[1](bioaugmentation)通過向廢水處理系統(tǒng)中投加具有特殊功能的優(yōu)勢(shì)菌種或采用基因重組技術(shù)產(chǎn)生的高效菌種,使其與自然菌群協(xié)同作用,可提高系統(tǒng)對(duì)污染物和有害物質(zhì)的去除能力,優(yōu)化系統(tǒng)的性能,近年來得到了廣泛的研究與應(yīng)用。Britt等[2]研究發(fā)現(xiàn),生物強(qiáng)化技術(shù)的實(shí)施使系統(tǒng)對(duì)生活污水中有機(jī)物的去除效率提高了36%。Wang等[3]采用高效混合菌群處理造紙廢水時(shí)發(fā)現(xiàn),經(jīng)過生物強(qiáng)化的SBR 系統(tǒng)比未經(jīng)生物強(qiáng)化的系統(tǒng)所能承受的有機(jī)負(fù)荷高出30%。張文藝等[4]利用曝氣生物濾池生物強(qiáng)化技術(shù)考察重污染河水中的COD、NH4+-N等指標(biāo)的情況,結(jié)果發(fā)現(xiàn)其去除率均達(dá)到85%以上,出水濁度大大降低,出水水質(zhì)達(dá)到了地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。肖學(xué)梅等[5]采用生物強(qiáng)化技術(shù)對(duì)石油化工業(yè)堿渣廢水中主要污染物(如COD、揮發(fā)酚等)的去除率都高于98%,大幅度提高了有機(jī)物的處理負(fù)荷,且無二次污染。由此可見,通過投加優(yōu)勢(shì)菌種的生物強(qiáng)化技術(shù)可實(shí)現(xiàn)污染物的高效降解、提高有機(jī)負(fù)荷、縮短污泥馴化時(shí)間。生物強(qiáng)化技術(shù)結(jié)合其它生物治理技術(shù)已成為發(fā)展廢水生物治理技術(shù)的一種有效途徑[6]。
為了進(jìn)一步提高污水處理的效果,本研究通過對(duì)吉林市污水廠活性污泥中的微生物進(jìn)行了富集、分離和純化,篩選分離功能菌株,構(gòu)建微生物菌劑。在此基礎(chǔ)上,考察了投加微生物菌劑的SBR 反應(yīng)器處理實(shí)際城市污水的效能,并對(duì)SBR 中微生物的代謝活性和功能多樣性進(jìn)行了分析。
分別利用葡萄糖、可溶性淀粉、乙酸鈉、食用油、甘氨酸和牛血清白蛋白作為微生物的唯一碳源和能源,篩選分離功能菌,構(gòu)建微生物菌劑。富集、分離功能菌株的基礎(chǔ)液體培養(yǎng)基成分為:KH2PO4,1 g/L;MgSO4,1 g/L;NaCl,1 g/L;(NH4)2SO4,2 g/L;微量元素液,1 mL。在液體培養(yǎng)基中添加15~20 g 瓊脂即制成基礎(chǔ)固體培養(yǎng)基。其中,單一碳源的投加量分別為:葡萄糖,10 g/L;可溶性淀粉,10 g/L;乙酸鈉,10 g/L;食用油,10 mL;牛血清白蛋白,2 g/L;甘氨酸,10 g/L。微量元素液的成分為:FeSO4?7H2O,0.3 g/L;CuSO4?5H2O,0.038 g/L;MnSO4?H2O,0.169 g/L;ZnSO4?7H2O,0.115 g/L,H3BO3,0.116 g/L,CoCl2?6H2O,0.024 g/L;NaMo4?2H2O,0.017 g/L。所有培養(yǎng)基均采用高壓蒸汽滅菌,其中含有葡萄糖的培養(yǎng)基滅菌條件為115℃、15 min,其它培養(yǎng)基滅菌條件均為121℃、20 min。
功能菌的培養(yǎng)條件:培養(yǎng)基pH值為7.0,培養(yǎng)溫度為28℃,搖床轉(zhuǎn)速為140 r/min。利用COD去除率和微生物生長(zhǎng)量作為指標(biāo)篩選能夠高效降解有機(jī)底物的功能菌株,將篩選得到的功能菌群進(jìn)行復(fù)配,構(gòu)建高效微生物菌劑。
水質(zhì)指標(biāo)的測(cè)定均參照《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》[7]中標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)定。COD 采用重鉻酸鉀法;TOC采用燃燒氧化-非色散紅外吸收法;TN 采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法;NH4+-N 采用納氏試劑分光光度法;MLSS、MLVSS 采用濾紙重量法;DO采用德國(guó)WTW 公司生產(chǎn)Oxi3310 型測(cè)定儀測(cè)定;pH值采用梅特勒-托利多公司生產(chǎn)的實(shí)驗(yàn)室FE20pH 計(jì)測(cè)定。
好氧呼吸速率(oxygen uptake rate,OUR)是指單位量的活性污泥在單位時(shí)間里所消耗的氧氣的量,是鑒定廢水可生化性的重要指標(biāo);脫氫酶的活性 (triphenyltetrazolium chloride-dehydrogenase activity,TTC-DHA)在很大程度上能夠反映生物體的活性狀態(tài),是考察污泥活性的一項(xiàng)重要指標(biāo)。二者的測(cè)定方法均參照文獻(xiàn)[8]。
Biolog 法是一種根據(jù)不同類型微生物利用碳源情況不同的原理,反映微生物群落代謝功能的有效方法,能夠比較分析微生物群落水平的多樣性及群落特征的差異[9]。Biolog 分析方法參見文獻(xiàn)[10]。本研究通過考察活性污泥樣品對(duì)Biolog 公司ECO 板上31 種碳源的利用情況,對(duì)比了投加微生物菌劑的活性污泥系統(tǒng)與只投加活性污泥的系統(tǒng)中微生物群落在代謝及功能方面的差異。
圖1 SBR 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖
采用3 套平行運(yùn)行的SBR 反應(yīng)器(SBR1、SBR2和SBR3)進(jìn)行對(duì)比研究。SBR 采用透明有機(jī)玻璃制成,內(nèi)徑15 cm,有效高度30 cm,有效工作容積2.5 L,實(shí)際工作容積0.5 L,利用硼砂曝氣頭作為微孔曝氣器,采用ACO-003 電磁式空氣泵曝氣,通過氣體流量計(jì)控制曝氣泵的進(jìn)氣流量,攪拌速度140 r/min。pH 電極、DO 電極置于反應(yīng)器內(nèi),實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各項(xiàng)指標(biāo)的變化。采用KG316T時(shí)間繼電器控制每個(gè)運(yùn)行周期反應(yīng)時(shí)間。為了分析和取樣方便,反應(yīng)器設(shè)置3個(gè)取樣口,底部設(shè)有排泥口。SBR 運(yùn)行周期為8 h,瞬間進(jìn)水→曝氣6 h→靜置2 h→瞬間排水,進(jìn)出水為城市污水,通過換水量的增減調(diào)整進(jìn)水負(fù)荷。反應(yīng)器溫度控制在28℃左右,pH值在7.0~7.2 之間,DO 在3~5 mg/L 之間,污泥停留時(shí)間為20 天。其中,SBR1 只投加微生物菌劑(投加量0.03 g/L);SBR2 只投加活性污泥(投加量0.6 g/L);SBR3 同時(shí)投加活性污泥和所構(gòu)建的微生物菌劑。
分別利用葡萄糖、可溶性淀粉、乙酸鈉、食用油、甘氨酸和牛血清白蛋白作為微生物的唯一碳源和能源,分離篩選得到23 株功能菌。其中,葡萄糖代謝功能菌5 株,分別記作P1、P2、P3、P4和P5;可溶性淀粉代謝功能菌5 株,分別記作K1、K2、K3、K4和K5;乙酸鈉代謝功能菌3 株,分別記作C1、C2和C3;食用油代謝功能菌3 株,分別記作Z1、Z2和Z3;甘氨酸代謝功能菌4 株,分別記作G1、G2、G3和G4;牛血清白蛋白代謝功能菌3株,分別記作N1、N2和N3。
利用COD和菌濁作為主要指標(biāo),考察了不同功能菌在單一底物條件下,在SBR 反應(yīng)器中連續(xù)接種培養(yǎng)3 次的底物利用和菌株生長(zhǎng)的情況。3 次培養(yǎng)的平均結(jié)果如表1所示。由表1 可以看出,葡萄糖代謝功能菌的降解效能優(yōu)劣順序?yàn)镻1>P3>P5>P4>P2;可溶性淀粉代謝功能菌的降解效能優(yōu)劣順序?yàn)镵2>K4>K5>K3>K1;乙酸鈉代謝功能菌的降解效能的優(yōu)劣順序?yàn)镃3>C2>C1;食用油代謝功能菌的降解效能的優(yōu)劣順序?yàn)閆2>Z1>Z3;牛血清白蛋白代謝功能菌的降解效能的優(yōu)劣順序?yàn)镹1>N3>N2;甘氨酸代謝功能菌降解效能的優(yōu)劣順序?yàn)镚4>G1>G3>G2。因此,初步確定用于微生物菌劑構(gòu)建的菌株為P1、P3、K2、K4、C3、C2、Z2、Z1、N1、N3、G4和G1,并在功能菌群的復(fù)配中進(jìn)一步驗(yàn)證其效能及生長(zhǎng)情況。
表1 功能菌株的污染物代謝能力及生長(zhǎng)情況
表2 優(yōu)勢(shì)菌的篩選結(jié)果
通過同類功能菌混合正交實(shí)驗(yàn),考察功能菌對(duì)不同底物的代謝能力,其主因子順序及最佳配比如表2所示。正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,每類功能菌群中起關(guān)鍵主導(dǎo)作用的菌株分別為P1、P3、K2、K4、C2、C3、Z1、Z2、G1、G4、N1和N3,與6 類功能菌株的污染物代謝能力研究結(jié)果相一致。通過考察不同配比條件下功能菌群對(duì)相應(yīng)底物的降解和生長(zhǎng)情況,獲得同類功能菌群的最佳質(zhì)量配比為P3∶P1=1∶1,K4∶K2=1∶1,C2∶C3=1∶1,G1∶G4=1∶1,Z2∶Z1=2∶1,N3∶N1=1∶1。
圖2 不同功能菌群配比下微生物菌劑對(duì)城市污水的處理效果
利用城市污水作為底物,采用正交實(shí)驗(yàn)L25(56),考察了不同功能菌群組合比例下微生物菌劑對(duì)TP、TN、TOC等污染物指標(biāo)的去除效果,結(jié)果如圖2所示。由圖2 可知,當(dāng)功能菌群配比為Z∶P∶G∶K∶N∶C=2∶3∶5∶1∶4∶2時(shí),活性污泥對(duì)實(shí)際污水中TP、TN、TOC的去除率達(dá)到最高,分別為93.82%、96.00%和82.57%,且極差分析結(jié)果表明各類功能菌群的降解能力大小排序?yàn)閆>P>G>K>N>C。在TP、TN和TOC 三個(gè)指標(biāo)的處理效果上,食用油代謝菌對(duì)其去除率最高,乙酸鈉代謝菌對(duì)其去除率最低;甘氨酸代謝菌對(duì)污水中TOC的去除率相對(duì)較低,則在復(fù)配中所需投加量增加;可溶性淀粉代謝菌對(duì)TOC的去除率較高,則在復(fù)配中所需投加量較少。由此可見,由6 類功能菌構(gòu)建的微生物菌劑對(duì)污水中有機(jī)污染物具有良好的降解效能,并在極短的適應(yīng)期后使整個(gè)處理系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行,最后將功能菌群最佳復(fù)配比例確定為Z∶P∶G∶K∶N∶C=2∶3∶5∶1∶4∶2。
COD 作為衡量水體有機(jī)污染物污染程度的重要指標(biāo),只能將部分有機(jī)物質(zhì)氧化;TOC 采用燃燒法測(cè)定,能將水中有機(jī)物全部氧化,因此,采用COD和TOC 作為主要指標(biāo),考察微生物菌劑對(duì)城市污水中有機(jī)污染物的去除效果。
SBR1、SBR2、SBR3的進(jìn)水容積負(fù)荷及出水水質(zhì)情況如圖3所示。從圖3 可知,隨著反應(yīng)器的運(yùn)行,在進(jìn)水容積負(fù)荷從0.57 kgCOD/(m3·d)增加到1.01 kgCOD/(m3·d)的過程中,SBR1的出水中COD濃度波動(dòng)較大,進(jìn)水負(fù)荷對(duì)出水效果影響顯著;SBR2的出水中COD 及TOC 濃度相對(duì)穩(wěn)定,但均大于SBR3;SBR3的出水效果最好,耐沖擊負(fù)荷能力最強(qiáng),系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。其原因可能是:①SBR3中投加的活性污泥本身活性較高,適應(yīng)城市污水環(huán)境能力強(qiáng),同時(shí)為微生物菌劑的生長(zhǎng)提供良好的載體,使微生物菌劑在污水中的適應(yīng)期相對(duì)縮短[11];②微生物菌劑與活性污泥同時(shí)投加有利于各菌群協(xié)同共生,形成微生物群落結(jié)構(gòu)穩(wěn)定且多樣性較高的生態(tài)系統(tǒng)[12],從而增加了系統(tǒng)對(duì)有機(jī)物的降解效能。傳統(tǒng)的脫氮工藝基于硝化作用和反硝化作用的結(jié)合,由有機(jī)氨氮化、硝化、反硝化及微生物同化4個(gè)過程共同作用完成。本研究考察了SBR1、SBR2、SBR3 出水NH4+-N 與TN 濃度的變化,結(jié)果如圖4所示。從圖4 可以看出,隨著反應(yīng)器的運(yùn)行,在進(jìn)水容積負(fù)荷從0.57 kgCOD/(m3·d)增加到1.01 kgCOD/(m3·d)的過程中,SBR1、SBR2、SBR3三個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行期間出水NH4+-N 及TN 濃度均下降,但是SBR3 出水效果最好,優(yōu)于SBR1和SBR2。
這可能是由于:①在SBR 反應(yīng)器中,運(yùn)行初期微生物膠團(tuán)外表面含有較高濃度的溶解氧,與異養(yǎng)菌相比,氨化菌和硝化菌在系統(tǒng)中占有優(yōu)勢(shì);隨著反應(yīng)的進(jìn)行及溶解氧的消耗,反硝化菌逐漸占優(yōu)勢(shì),異養(yǎng)菌經(jīng)過適應(yīng)期與系統(tǒng)中微生物群落產(chǎn)生協(xié)同作用,因此對(duì)污水中有機(jī)物及氮的去除效果越來越好[13];②在SBR2和SBR3 中投加的活性污泥本身活性較高,對(duì)污水環(huán)境有較強(qiáng)的適應(yīng)能力,能夠與微生物菌劑形成復(fù)雜而穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng),從而提高脫氮效果;③從構(gòu)建微生物菌劑的正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,微生物菌劑本身對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)有較高的降解利用能力,但單獨(dú)投加微生物菌劑的系統(tǒng)中缺乏微生物附著場(chǎng)所,所以微生物生長(zhǎng)繁殖受到限制,同時(shí),進(jìn)水負(fù)荷的增加使水流剪切力增大,因此SBR1 中微生物流失嚴(yán)重,脫氮效果不佳[14]。
OUR 通過測(cè)定污泥的呼吸速率能夠間接表征活性污泥的生理狀況和代謝活性,脫氫酶是微生物降解有機(jī)污染物和獲得能量的必需酶[15],TTC-DHA直接關(guān)系到有機(jī)物降解速度及生物處理設(shè)施的運(yùn)行效果[16]。因此,采用OUR和TTC-DHA 表征污泥生物活性的大小。
好氧呼吸速率計(jì)算公式如式(1)。
式中,OUR為單位質(zhì)量污泥在單位時(shí)間內(nèi)利用的氧量,mgO2/(gMLVSS·h);t1為初始時(shí)間;t2為末時(shí)間;DO1為t1時(shí)刻溶解氧濃度,mgO2/L;DO2為t2時(shí)刻溶解氧濃度,mgO2/L;MLVSS為污泥濃度,mg/L。
脫氫酶的活性(TTC-DHA)的計(jì)算如式(2)。
式中,X為脫氫酶活性,TFμg/(gMLVSS·h);A為在已知標(biāo)準(zhǔn)曲線中根據(jù)吸光度(OD)值算得的TF 含量;B為實(shí)際反應(yīng)時(shí)間,h;C為測(cè)OD時(shí)試樣所稀釋的倍數(shù)。
SBR 中污泥生物活性的對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。由表3 可知,SBR3 中表征污泥生物活性的OUR和TTC-DHA 數(shù)值均高于SBR2。閆怡新等[17]研究了利用低強(qiáng)度超聲波強(qiáng)化污水生物處理中超聲處理污泥比例的影響,發(fā)現(xiàn)在污泥比例為10%的條件下,OUR 提高了12%,OUR 最大值為9.0mgO2/(gMLVSS·h)時(shí),SBR 反應(yīng)器對(duì)有機(jī)物的去除率提高了5%。張良等[18]對(duì)太原市第二焦化廠曝氣池活性污泥中篩選出的優(yōu)勢(shì)菌株進(jìn)行了TTC-DHA 測(cè)定,發(fā)現(xiàn)經(jīng)固化后投入活性污泥和優(yōu)勢(shì)混合菌的反應(yīng)器中TTC-DHA的平均值為26.715 TFμg/(gMLVSS·h),有機(jī)物去除效果最好,COD 去除率最大可提高22.6%。本研究與閆怡新、張良等的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相似,SBR3的OUR 及TTC-DHA值預(yù)期研究結(jié)果相近,實(shí)現(xiàn)了對(duì)有機(jī)污染物的高效去除。SBR3 中微生物生長(zhǎng)能力強(qiáng)、代謝活性高、降解有機(jī)物的能力強(qiáng)[19],SBR3 運(yùn)行效果優(yōu)于SBR2。
利用Biolog比較分析微生物群落水平的多樣性及群落特征的差異,AWCD 可以評(píng)判微生物群落的碳源利用能力,指示微生物代謝活性;Shannon 指數(shù)可以表征微生物群落豐富度,Simpson 指數(shù)評(píng)估微生物群落優(yōu)勢(shì)度,McIntosh 指數(shù)反映微生物群落均勻度[20]。Biolog 分析結(jié)果如表4所示,SBR3 中微生物群落的Shannon 指數(shù)、Simpson 指數(shù)及McIntosh 指數(shù)都大于傳統(tǒng)未經(jīng)生物強(qiáng)化的SBR2,且標(biāo)準(zhǔn)差較小。因此,經(jīng)生物強(qiáng)化的SBR3 中活性污泥的代謝活性優(yōu)于未經(jīng)生物強(qiáng)化的SBR2 中的活性污泥[21],SBR3 中微生物群落比SBR2 有較高的生物群落多樣性和碳源利用能力[22],即SBR3 中能利用有關(guān)碳底物的微生物數(shù)量較多,且微生物群落反應(yīng)速度均優(yōu)于SBR2,有較好的群落物種均一性[23]。
表3 SBR2和SBR3 中污泥生物活性對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果
表4 SBR2和SBR3 中微生物群落功能多樣性的變化
本研究中構(gòu)成微生物菌劑的高效菌株均來源于受污染環(huán)境,該菌劑的環(huán)境安全性較好。通過SBR 運(yùn)行效果及微生物代謝活性和菌群結(jié)構(gòu)分析,投加生物菌劑的生物強(qiáng)化系統(tǒng)處理能力高且代謝活性強(qiáng),在提高系統(tǒng)處理效率的同時(shí)降低了處理費(fèi)用。因此,通過微生物菌劑的投加實(shí)施生物強(qiáng)化,為城市污水處理提供了新的研究思路。主要結(jié)論如下。
(1)通過對(duì)篩選到的6 類優(yōu)勢(shì)功能菌株的正交實(shí)驗(yàn)分析,得出對(duì)城市污水有機(jī)物降解效率高、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)的微生物菌劑的最佳配比為Z∶P∶G∶K∶N∶C=2∶3∶5∶1∶4∶2。
(2)微生物菌劑與活性污泥的結(jié)合可實(shí)現(xiàn)其效能的有效發(fā)揮,生物強(qiáng)化提高了系統(tǒng)對(duì)有機(jī)物的處理效果、抗沖擊負(fù)荷能力、微生物生長(zhǎng)能力和代謝活性,優(yōu)化了微生物群落結(jié)構(gòu)。
(3)采用人工復(fù)配的方法,從環(huán)境中篩選功能菌株,構(gòu)建微生物菌劑,實(shí)施生物強(qiáng)化技術(shù)提高城市污水處理廠的綜合處理能力在理論及實(shí)踐上是可行的。
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