耦合微生物型生態(tài)袋的凈水效果

李秋紅，楊小麗，宋海亮

（1.東南大學土木工程學院，江蘇南京 210096；2.東南大學能源與環(huán)境學院，江蘇南京 210096）

隨著經(jīng)濟建設(shè)與護坡工程技術(shù)的快速發(fā)展，人們對于生態(tài)環(huán)境的修復(fù)意識不斷加強，傳統(tǒng)硬質(zhì)化河道、湖岸及裸露山體護坡技術(shù)正逐漸被柔性生態(tài)護坡所取代［1］。所謂生態(tài)護坡，是依靠植物根莖與土壤間的錨固作用來加固邊坡穩(wěn)定性，同時營造出很好的邊坡景觀效果［2］。傳統(tǒng)生態(tài)袋護坡技術(shù)大多停留在山體、河道及湖岸岸坡穩(wěn)定性及景觀效果營造研究層面，對雨水徑流、河道及湖岸水體的凈化效果研究較少［3］。當前，微生物對水體中污染物降解的研究不斷深入，且在許多河道水體治理工程中取得了很好的效果［4］。為了強化生態(tài)袋護坡技術(shù)的凈水功效，本文將微生物與生態(tài)袋護坡技術(shù)相結(jié)合，研究人工強化微生物耦合型生態(tài)袋的凈水效果。

菌體菌群選擇和加載菌種長期穩(wěn)定性是生態(tài)袋耦合微生物凈水護坡技術(shù)的難點之一［5］。首先，引進菌體群落不能破壞原有微生物平衡系統(tǒng)，以免造成工程建設(shè)地外來物種入侵現(xiàn)象，破壞當?shù)氐乃w生境平衡［6］；其次，菌體投加方式要具備“穩(wěn)定性”，避免加載菌種在水力條件下快速流失，造成后續(xù)處理效果不佳的現(xiàn)象［7］。基于上述考慮，本研究采用菌種載體固定法作為加載菌種與生態(tài)袋的耦合方式，強化生態(tài)袋內(nèi)微生物菌群的構(gòu)建與增殖。將固定化技術(shù)引入到微生物修復(fù)工藝，聯(lián)合生態(tài)袋護坡技術(shù)，強化耦合微生物型生態(tài)袋的凈水效能，打造鄉(xiāng)村景觀型岸水一體生態(tài)駁岸。

1 試驗材料與方法

耦合微生物型生態(tài)袋凈水試驗以固定化微生物活性小球作為加載菌體的耦合方法，微生物活性小球采用沸石載體掛膜脫氮菌群與包埋法相結(jié)合的制作方式，在生態(tài)袋內(nèi)投加耦合脫氮菌群的生物活性小球，研究耦合脫氮菌群生態(tài)袋的凈水效果。

1.1 斜發(fā)沸石的活化

沸石作為污水處理常用材料，內(nèi)部孔隙吸附的有機物可以為附著在其表面的微生物提供營養(yǎng)物質(zhì)，同時微生物將大顆粒有機物分解繼而再次打通沸石內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)，從而形成沸石吸附—微生物降解的良性循環(huán)［8］，試驗采用沸石載體聯(lián)合微生物的固定化方法。

取2 000 mL的天然斜發(fā)沸石，粒徑為1.00～2.00 mm，用去離子水洗滌3遍以去除沸石表面的可溶性無機物，洗滌后的沸石自然晾干，分裝于250 mL小燒杯，置于馬弗爐中，在450℃條件下密閉灼燒2.5 h。天然斜發(fā)沸石經(jīng)過活化，可以去除沸石孔隙中的有機物，增加沸石內(nèi)部孔徑，提高吸附性能、離子交換性能及交換量等［9］。

1.2 脫氮菌群富集培養(yǎng)與沸石掛膜

將取自南京江心洲污水處理廠污泥池的活性污泥，按1%的接種量接種到1 000 mL的脫氮菌富集無菌培養(yǎng)基中進行馴化培養(yǎng)，在恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)3 d，培養(yǎng)溫度為30℃，待培養(yǎng)基液體出現(xiàn)渾濁，即在波長600 nm下吸光度值達到最大，光度值約為0.1，培養(yǎng)完畢。秤取5 g活化后的斜發(fā)沸石，投入完成培養(yǎng)的脫氮富集培養(yǎng)基中，隨后將其放置在搖床上進行沸石的吸附掛膜（25℃），48 h后沸石由之前的米灰色變?yōu)樽睾稚?，即視為掛膜完畢。在每次掛膜前，用微生物接種環(huán)將前次富集培養(yǎng)菌液接種到新的培養(yǎng)基中，如此重復(fù)3次［10-11］。

由圖1可知，沸石經(jīng)過活化掛膜后，表面孔徑碎屑狀顆粒有機物質(zhì)明顯減少，內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，比表面積明顯增大；同時，掛膜后的沸石表面更加平整光亮，顏色變淡，有半透型生物膜狀物質(zhì)覆蓋現(xiàn)象，表明活化沸石在脫氮微生物菌群富集培養(yǎng)液中掛膜成功。

圖1 沸石掛膜前后表面SEM圖像Fig.1 SEM Images of Zeolite Surface before and after Biofilm Culturing

1.3 固定化微生物小球的制作

沸石經(jīng)過活化掛膜后，聚集成團，在生態(tài)袋中添加掛膜沸石，難以均勻投加。考慮到實際岸坡水流沖刷力較大，為延緩前期袋體內(nèi)微生物在生長繁殖階段因受外界水力條件擾動引起的菌種流失，將活化掛膜的沸石制成固定化微生物小球［12-13］，強化加載微生物的穩(wěn)定性。

在微生物小球的制作過程發(fā)現(xiàn)，凝膠劑的配比對小球制作的難易度以及后期的小球成型及強度有很大影響。通過試驗對比，微生物小球成球效果最佳配比為：聚乙烯醇（PVA）6 g、海藻酸鈉 0.75 g、碳酸鈣0.6 g、二氧化硅3.5 g，該配方比例成球制作簡單，小球不易出現(xiàn)拖尾現(xiàn)象，且有較高的強度。

1.4 生態(tài)袋的填裝及袋體植物生長狀況

將制得的微生物活性小球與空白小球以相同比例分別添加到四組生態(tài)袋內(nèi)，活性微球的最佳投加量為 2.0～2.4 kg／m3［14］，每個袋體內(nèi)添加小球視體積約為150 mL（重量為60 g），裝填后生態(tài)袋重約為30 kg。試驗水箱中放置兩個生態(tài)袋體，水位恰好沒過下層沙袋。為提高上層土袋的透水性能，添加河沙，沙土混合比例為 2 ∶8～3 ∶7［15］，均勻拌制后，沙土手感酥軟、不易黏結(jié)結(jié)塊，透水性能高于自然種植土。

袋體種植植物為狗牙根與蘆葦，取狗牙根種子于燒杯中，加水浸泡3 h，均勻涂抹在生態(tài)袋表面；對于袋體側(cè)立面，將種子、木纖維、鋸末黏合劑混合攪拌均勻［16-17］，形成附著力強的混合物進行涂抹，木屑粉為植物的生長提供了營養(yǎng)物質(zhì)。

當生態(tài)袋表面狗牙根生長高度達到5 cm左右時，將蘆葦幼苗插種在生態(tài)袋中，每個生態(tài)袋種植兩株蘆葦，蘆葦幼苗株高約為25 cm。試驗中后期，植物長勢繁茂，狗牙根生長面積達0.1 m2左右，生長密度為4～6株／cm2。狗牙根由于長勢過快葉體下垂，部分草體枝葉浸泡在水體中，為避免因枝葉腐敗污染處理水體，將四組狗牙根進行統(tǒng)一修剪，修剪后高度為8～12 cm，如圖2所示。

圖2 生態(tài)袋植物修剪前后對比圖Fig.2 Photos of Eco-Bags before and after Cutting Plant

1.5 試驗運行條件及水質(zhì)測試指標

試驗過程中，水泵運行條件為間歇運行，每天運行時長為 7 h（9∶30～16∶30），累計運行 35 次。高位水箱中水體通過重力流流入低位水箱，小型潛水泵將低位水箱中水體抽吸至高位水箱，形成水體對流。試驗溫度為20～25℃，水質(zhì)采樣時間為上午9∶00，采樣時使用50 mL移液管進行采樣，采樣水量為200 mL，水質(zhì)采樣點位于底位水箱常水位5 cm以下水體，測樣前對采樣水體進行過濾處理，以便去除水體中懸浮物質(zhì)。

表1 試驗裝置材料規(guī)格Tab.1 Material Specification of Experimental Installation

圖3 試驗裝置流程圖Fig.3 Flow Chart of Experimental Apparatus

耦合微生物型生態(tài)袋凈水試驗設(shè)置四組，三組裝填不同馴化富集培養(yǎng)次數(shù)的脫氮菌掛膜沸石小球（分別為1＃三次馴化富集、2＃二次馴化富集、3＃一次馴化富集）與沸石小球空白對照組4＃未添加菌種，試驗用水取自東南大學護校河（表1和圖3）?？疾斓乃|(zhì)指標包括有機物、氨氮、總氮、總磷，測試方法參考《水和廢水監(jiān)測分析方法（第四版）》，進水水質(zhì)如表2所示。

表2 進水水質(zhì)Tab.2 Inflow Water Quality

2 水質(zhì)凈化效果分析

2.1 有機物去除效果分析

圖4 有機物濃度歷時變化曲線Fig.4 Variation Curve of Organic Matter Concentration with Time

耦合微生物型生態(tài)袋對有機物（高錳酸鹽指數(shù)）的去除效果如圖4所示。由圖4可知，四組試驗中，3＃生態(tài)袋有機物去除效果最好，試驗運行到28 d時，3＃生態(tài)袋有機物去除率達到 52.9%，而 1＃、2＃及4＃生態(tài)袋有機物的去除率在31.3%～45.5%。

由圖4可知，四組生態(tài)袋有機物含量在整個凈水試驗過程均呈現(xiàn)暫時上升隨后降低的趨勢；試驗運行7 d時，3＃袋體有機物含量迅速下降，有機物降解效率明顯高于同時期其他三組試驗。結(jié)合四組生態(tài)袋植物生長狀況來看，3＃生態(tài)袋植物生長狀況最好，蘆葦及狗尾草根系穿透上層生態(tài)袋。發(fā)達的根系結(jié)構(gòu)為生態(tài)袋體內(nèi)復(fù)氧提供了充分條件，生長于植物根系富氧區(qū)的好氧菌通過新陳代謝作用，吸收利用水體中有機物，作為自身繁殖的碳源補充，去除水體中的有機污染物；此外，在植物的吸收、同化，根系環(huán)境基質(zhì)的吸附、過濾和沉淀等共同作用下，水體中的有機物也得到部分去除。

2.2 氨氮去除效果分析

耦合微生物型生態(tài)袋對水體中氨氮的去除效果如圖5所示。由圖5可知，四組試驗氨氮去除率由高到低依次為 1＃＞2＃＞3＃＞4＃，1＃氨氮平均去除率為53.4%，4＃菌種空白對照組氨氮平均去除率僅為27.9%，三組耦合微生物型生態(tài)袋對氨氮去除率明顯高于4＃菌種空白對照組，生態(tài)袋耦合脫氮菌群后，氨氮的降解率提升了10.5%～25.5%，即耦合微生物型生態(tài)袋對氨氮的去除率高于傳統(tǒng)生態(tài)袋。

圖5 氨氮濃度歷時變化曲線Fig.5 Variation Curve of Ammonia Nitrogen Concentration with Time

三組耦合脫氮菌群生態(tài)袋組內(nèi)比較發(fā)現(xiàn)，1＃生態(tài)袋氨氮降解效果最好（加載三次馴化富集脫氮菌群），1＃生態(tài)袋氨氮去除率高于3＃生態(tài)袋15%，試驗結(jié)果表明脫氮菌群馴化富集次數(shù)越高，氨氮的降解效果越好。

由圖5可知，試驗運行2 d時，四組試驗出水氨氮濃度均有所升高。分析認為，這可能是試驗啟動初期袋體中土壤向水體釋放氨氮；隨后，氨氮濃度下降明顯，分析認為與固定生物小球內(nèi)活化沸石的吸附有很大聯(lián)系，活化沸石對水體中氨氮有快速吸附的效果［18］。試驗啟動10 d左右，氨氮濃度持續(xù)下降并趨于穩(wěn)定。分析認為，生態(tài)袋內(nèi)加載脫氮菌群不斷增殖且活性恢復(fù)，氨氮降解能力增強。同時植物根系泌氧又促進了脫氮菌群硝化作用及其生長繁殖，沸石孔隙所吸附的氨氮在脫氮菌群的作用下進行硝化反硝化系列反應(yīng)，沸石內(nèi)部孔道進一步打開［19］，形成了植物根系泌氧—脫氮菌群硝化反硝化—沸石載體吸附的良性循環(huán)。

2.3 總氮去除效果分析

由圖6可知，總氮濃度變化趨勢與氨氮相似，即先增加隨后降低。運行初期，總氮降解效果不佳，主要是由于脫氮菌群需要一定時間適應(yīng)生態(tài)袋體環(huán)境，生物活性不足，微生物生物量較小，硝化菌及反硝化菌數(shù)量較小，加上初期袋體中土壤向水體釋放總氮。隨著脫氮菌群的擴增繁殖，袋體內(nèi)進行硝化反硝化反應(yīng)，總氮濃度逐漸降低。

圖6 總氮濃度歷時變化曲線Fig.6 Variation Curve of Total Nitrogen Concentration with Time

經(jīng)過15 d左右的凈化處理后，水體中總氮趨于穩(wěn)定。此時植物得到充分生長，植物的生長對光照有一定的遮蔽作用，而硝化細菌對光線厭惡，亞硝酸菌對紫外線的可見光也非常敏感，紫外線會使硝化細菌死亡，脫氮菌的不斷生長繁殖表明微生物與植物處于良好的協(xié)同共生狀態(tài)［20］。植物生長給生態(tài)袋體植物根系部土壤帶來增氧作用，同時又進一步減弱紫外線照射，為硝化細菌的生長營造了良好的環(huán)境，脫氮菌群與植物的協(xié)同共生體系對總氮含量的削減起到了很大的貢獻。

由四組試驗組內(nèi)比較結(jié)果可知，三組耦合脫氮菌群生態(tài)袋總氮平均降解率比空白組高13.1%～20.5%，表明脫氮菌群添加有利于提升總氮降解效果；三組耦合脫氮菌群生態(tài)袋組內(nèi)比較發(fā)現(xiàn)，1＃生態(tài)袋總氮降解效果最優(yōu)，表明脫氮菌群馴化富集次數(shù)越高，總氮的降解效果越好。

2.4 總磷去除效果分析

由圖7可知，3＃生態(tài)袋總磷去除效果最好，平均降解率為 58.2%，其他三組總磷平均降解率為48.7%～52.9%，利用 SPSS的 t檢驗法對四組數(shù)據(jù)進行分析，自由度 t所得概率 P＝0.025（＜0.05），表明四組數(shù)據(jù)差異顯著。通過考察植物生物量（植物生長密度、蘆葦株高），對每組生態(tài)袋表面草本植物進行3組抽樣檢測發(fā)現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)3＃生態(tài)袋植物生長狀況最好，狗牙根生長密度達到6株／cm2，兩株蘆葦生長高度達到88 cm，狗尾草根系穿透上層生態(tài)袋，其他幾組生態(tài)袋蘆葦平均株高為50 cm左右，1＃生態(tài)袋狗牙根生長密度僅為4株／cm2，表明植物在總磷的削減中貢獻比較大。

圖7 總磷濃度歷時變化曲線Fig.7 Variation Curve of Total Phosphorus Concentration with Time

試驗運行4 d后，水體中總磷含量開始迅速下降，前期植物生長遲緩，根系生長不發(fā)達，總磷濃度的降低與下層沙袋的“砂濾效果”密不可分［21］；當裝置運行18 d時，水體中總磷濃度再次升高，有資料表明沙土對磷的吸附飽和量為300 mg／kg，計算得知沙土中磷含量未達到吸附飽和，所取沙土未進行篩洗，原有磷含量較高，繼而引起磷的二次釋放；隨后，總磷濃度穩(wěn)定下降趨于穩(wěn)定，狗牙根長勢比較茂密，根系也已完全扎入生態(tài)袋體內(nèi)，蘆葦枝葉繁茂，表明植物在試驗系統(tǒng)穩(wěn)定后對總磷的吸收去除起到了很大的貢獻作用。綜合總磷的降解曲線來看，試驗前期，沙袋的砂濾效果起重要作用，試驗后期，植物根系的吸收固磷效果顯著。

3 結(jié)論

在植物的吸收、同化，好氧微生物吸收降解，根系環(huán)境基質(zhì)的吸附、過濾和沉淀等共同作用下，水體中的有機物得到有效去除。生長于植物根系富氧區(qū)的好氧菌群通過新陳代謝作用，吸收利用水體中有機物，作為自身繁殖的碳源補充，去除水體中有機污染物的效果明顯。

耦合微生物型生態(tài)袋在人工強化脫氮菌群的降解作用下，氨氮及總氮平均降解率分別較傳統(tǒng)型生態(tài)袋提高了 10.5% ～25.5%、13.1% ～20.5%，且耦合微生物型生態(tài)袋加載脫氮菌群馴化富集次數(shù)越高，氨氮及總氮去除率越高；耦合微生物型生態(tài)袋植物的生長對促進脫氮菌群的生長有很大幫助，兩者保持良好的協(xié)同共生狀態(tài)。

植物生物量越大，總磷的降解效果越顯著，在植物根莖納污固磷及沙土袋的吸附過濾的共同作用下，總磷的去除效果顯著；植物的生長狀況及生態(tài)袋沙袋的砂濾效果對水體中總磷的削減去除都發(fā)揮了巨大作用，作用機理先后順序為砂濾吸附作用在前，植物根莖納污固磷效果在后。

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