固定化Acinetobacter sp.T1細(xì)菌處理河道氨氮污染的研究

肖 堯,吳晨捷,蔣慶肯,藍(lán)際榮,鄔建勛,孫 燕,杜冬云

(中南民族大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院,湖北 武漢 430074)

城市生活污水中大量有機(jī)物、氨氮、硝酸鹽等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的長(zhǎng)期匯入是導(dǎo)致我國(guó)城市河道水質(zhì)惡化的主要原因[1]。進(jìn)入水體的有機(jī)物和氨氮等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)大部分會(huì)經(jīng)過(guò)一系列物理、化學(xué)和生物作用富集于底泥中,成為內(nèi)源污染物[2],因此,對(duì)城市河道及底泥中氨氮的控制與去除受到廣泛關(guān)注。微生物法被認(rèn)為是高效且最經(jīng)濟(jì)的處理方法,部分學(xué)者利用固定化微生物法取得了較好的修復(fù)效果[3-4],但部分固定化方法較為復(fù)雜[5],或需要用特制的裝置來(lái)達(dá)到修復(fù)目的[6],所以開(kāi)發(fā)具有經(jīng)濟(jì)性、生物負(fù)載量高、穩(wěn)定性高、保存和使用方便的固定化微生物方法具有重要的實(shí)際意義。

異養(yǎng)硝化-好氧反硝化(HN-AD)細(xì)菌生長(zhǎng)快速,能將NH4+-N直接轉(zhuǎn)化為N的氣態(tài)產(chǎn)物排出[7],極具應(yīng)用前景。吸附固定化微生物法過(guò)程簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)，反應(yīng)溫和，不會(huì)破壞微生物的細(xì)胞結(jié)構(gòu)[8]。吸附法固定微生物細(xì)胞時(shí)pH值、載體的性質(zhì)等均影響細(xì)胞與載體之間的相互作用。只有當(dāng)載體的特征、細(xì)胞的性質(zhì)及細(xì)胞與載體間的相互作用等參數(shù)配合恰當(dāng)時(shí)才能形成穩(wěn)定的固定化微生物[9]。目前部分學(xué)者使用吸附法對(duì)生物量進(jìn)行固定化時(shí)先將菌懸液離心,去其培養(yǎng)基,用蒸餾水再懸浮后,加入載體進(jìn)行吸附。該方法僅研究了載體對(duì)微生物的吸附作用,并未考慮微生物的繁殖生長(zhǎng)過(guò)程,鮮有固定化過(guò)程中環(huán)境因素對(duì)固定化效果影響的報(bào)道。

從經(jīng)濟(jì)、環(huán)保的角度考慮,通過(guò)優(yōu)化吸附法,對(duì)1株已經(jīng)篩選分離出的具有高效異養(yǎng)硝化和好氧反硝化(HN-AD)能力的細(xì)菌Acinetobactersp. T1進(jìn)行固定化,該細(xì)菌能以銨、硝酸鹽或亞硝酸鹽為唯一氮源,具有高效的異養(yǎng)硝化和好氧反硝化能力。優(yōu)化吸附法考慮了微生物吸附在載體后生長(zhǎng)繁殖的過(guò)程以及環(huán)境因素對(duì)于此微生物固定化效果的影響,從活性炭、硅藻土、沸石中篩選出合適的固定化載體,探究最優(yōu)的微生物固定工藝參數(shù)(溫度、搖床轉(zhuǎn)速、pH值、固定時(shí)間),提高載體上固定的細(xì)菌數(shù)量。并利用固定化細(xì)菌T1進(jìn)行模擬修復(fù)實(shí)驗(yàn),探究固定化細(xì)菌T1對(duì)受污染的城市河道及底泥的修復(fù)效果,為HN-AD細(xì)菌Acinetobactersp. T1在環(huán)境污染治理中的應(yīng)用提供新的途徑和技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 培養(yǎng)基

1.1.1富集培養(yǎng)基

用于富集細(xì)菌的培養(yǎng)基包含以下部分:2.042 g·L-1二水合檸檬酸三鈉,0.236 g·L-1硫酸銨,1 g·L-1磷酸二氫鉀,1.31 g·L-1三水合磷酸氫二鉀,0.2 g·L-1無(wú)水硫酸鎂,0.043 6 g·L-1七水合硫酸亞鐵,pH=7.5,高溫高壓滅菌后用于培養(yǎng)細(xì)菌。

1.1.2固定化培養(yǎng)基

用于固定細(xì)菌的培養(yǎng)基包含以下部分:4.084 g·L-1二水合檸檬酸三鈉,0.472 g·L-1硫酸銨,1 g·L-1磷酸二氫鉀,1.31 g·L-1三水合磷酸氫二鉀,0.2 g·L-1無(wú)水硫酸鎂,0.043 6 g·L-1七水合硫酸亞鐵。根據(jù)后續(xù)需要調(diào)節(jié)pH值及滅菌。

1.2 實(shí)驗(yàn)分析儀器及方法

固定化載體比表面積、孔徑、孔容采用比表面積與孔徑分布測(cè)試儀(精微高博JW-BK132F)測(cè)定;載體表面Zeta電位采用納米粒度及電位分析儀(馬爾文ZEN3690)測(cè)定。固定化載體的生物量是評(píng)價(jià)固定化微生物最直接、有效的指標(biāo)，一般以1 g載體中所附著的細(xì)胞個(gè)數(shù)來(lái)表示。該研究中載體上的生物量根據(jù)文獻(xiàn)[10](磷脂法)測(cè)定,結(jié)果以nmol·g-1(以P計(jì))載體材料表示,1 nmol P相當(dāng)于108個(gè)大腸桿菌(Escherichiacoli)大小的細(xì)胞。

1.3 固定化細(xì)菌的制備

1.3.1最適載體的選擇

將硅藻土、沸石、活性炭用蒸餾水浸泡洗去雜質(zhì),風(fēng)干后研磨過(guò)425 μm孔徑篩,滅菌后加入固定化培養(yǎng)基待用,篩選出最合適的固定化載體。將凍存管中細(xì)菌T1以φ=1%的接種量接種于富集培養(yǎng)基,放置于35 ℃、120 r·min-1的恒溫振蕩器，24 h后細(xì)菌生長(zhǎng)至對(duì)數(shù)期,再以φ=10%的接種量接種于加有10 g載體的100 mL固定化培養(yǎng)基,調(diào)節(jié)pH值為7后進(jìn)行固定化。固定化結(jié)束后,抽濾使載體與培養(yǎng)基固液分離,取固體風(fēng)干后置于4 ℃條件下存放,即為固定化細(xì)菌。

分別取活化菌懸液和以硅藻土、活性炭、沸石為載體制備的固定化細(xì)菌以及未進(jìn)行固定化的硅藻土、活性炭、沸石各0.1 g用以測(cè)得初始生物量;同時(shí)再各取1 g加入100 mL固定化培養(yǎng)基,于35 ℃、120 r·min-1條件下反應(yīng)24 h,反應(yīng)結(jié)束后取液體離心測(cè)量計(jì)算各材料對(duì)固定化培養(yǎng)基中氨氮的去除率,實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次。

1.3.2固定條件的優(yōu)化

通過(guò)單因素實(shí)驗(yàn),探究不同溫度(20、25、30、35、40 ℃)、pH值(5、6、7、8、9)、搖床轉(zhuǎn)速(60、90、120、150、180 r·min-1)、固定化時(shí)間(6、12、18、24、30 h)對(duì)固定化效果的影響。

取0.1 g固定化細(xì)菌測(cè)其單位質(zhì)量上固定的生物量;取1 g固定化細(xì)菌加入100 mL固定化培養(yǎng)基,于35 ℃、120 r·min-1條件下反應(yīng)24 h,將液體于7 060 r·min-1(離心半徑為10 cm)離心15 min后計(jì)算氨氮去除率,實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次。

1.4 固定化細(xì)菌T1的循環(huán)使用實(shí)驗(yàn)

取1 g最佳條件下制備的固定化細(xì)菌T1加入100 mL固定化培養(yǎng)基,于35 ℃、120 r·min-1的條件下反應(yīng)24 h,反應(yīng)結(jié)束后將固定化細(xì)菌與培養(yǎng)基分離,再次加入新的100 mL固定化培養(yǎng)基,以相同的條件重復(fù)5次。氨氮去除率計(jì)算方法同上,設(shè)置3組平行實(shí)驗(yàn)同時(shí)進(jìn)行。

1.5 去除城市河道及底泥中氨氮的模擬實(shí)驗(yàn)

水樣和底泥取自鄭州市如意湖(位于河南省鄭州市鄭東新區(qū)如意湖景區(qū)文化廣場(chǎng)),采樣方法按照HJ 474—2009《水質(zhì)采樣技術(shù)指導(dǎo)》,選取湖面以及河道共8個(gè)具有代表性的取樣點(diǎn)。水樣使用有機(jī)玻璃采樣器于水深1.5 m處采集,泥樣采用柱狀取泥器于水深3 m處采集,分別混合均勻后用聚四氟乙烯瓶避光冷藏。

由于河道上游排污的間歇性和不確定性以及降水因素的影響,導(dǎo)致水體污染物濃度波動(dòng)較大。調(diào)查發(fā)現(xiàn)河道水體的主要污染物來(lái)自于城市生活污水,為了保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可重復(fù)性,采用人工配置污水代替實(shí)際污水進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。根據(jù)文獻(xiàn)[6，11-12],微污染的城市水體COD約為42～58 mg·L-1,ρ(氨氮)約為8～20 mg·L-1,而生活污水COD約為125～280 mg·L-1,ρ(氨氮)約為52～79 mg·L-1。為了應(yīng)對(duì)生活污水大量排入城市河道,導(dǎo)致河道內(nèi)水質(zhì)進(jìn)一步惡化等情況,向?qū)嶋H水體中加入葡萄糖、氯化銨、硝酸鉀、亞硝酸鈉,將水體COD、ρ(NH4+-N)、ρ(NO3--N)、ρ(NO2--N)分別調(diào)節(jié)至100、40、10 和0.5 mg·L-1,將底泥加入實(shí)驗(yàn)裝置,再緩緩加入上覆水體,靜置后采用分光光度法測(cè)得水體COD、ρ(NH4+-N)、ρ(NO3--N)、ρ(NO2--N)、ρ(TN)的初始值分別為100.92、36.78、12.30、0.53和55.34 mg·L-1,采用燃燒氧化-非分散紅外吸收法測(cè)得底泥初始w(TOC)為21.94 g·kg-1,采用凱氏法測(cè)得底泥初始w(TN)為3.30 g·kg-1。

采用室內(nèi)模擬方法,設(shè)置3組平行實(shí)驗(yàn)同時(shí)進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)裝置參照文獻(xiàn)[13],為高0.15 m、半徑0.06 m的圓柱形玻璃缸,有效體積為1 L。裝置表面具有刻度標(biāo)記,底部裝填0.2 L底泥及0.6 L上覆水,控制氣泵曝氣流量為0.28 L·min-1以避免底泥擾動(dòng),實(shí)驗(yàn)期間水溫保持在24～26 ℃。

裝置放于靠窗位置,保證通風(fēng)、光照等,實(shí)驗(yàn)開(kāi)始后用黑色塑料袋包裹在裝置底部,盡可能模擬城市河道的自然條件。實(shí)驗(yàn)組分為空白組、曝氣組、曝氣輔助菌懸液組、曝氣輔助固定化細(xì)菌組。實(shí)驗(yàn)開(kāi)始后投加相同質(zhì)量(5 g)的固定化細(xì)菌及菌懸液,間隔1 d測(cè)上覆水體各項(xiàng)指標(biāo),共取8次;間隔3 d取底泥測(cè)量TOC、TN含量等指標(biāo),共取4次,16 d后測(cè)量底泥體積的變化。

2 結(jié)果與討論

2.1 載體的物理性質(zhì)

一般來(lái)說(shuō),吸附法固定細(xì)菌主要是載體與細(xì)菌間產(chǎn)生物理吸附的結(jié)果,主要受到載體比表面積、孔徑、孔容、表面電位等因素的影響[14]。儀器測(cè)得活性炭、硅藻土和沸石的比表面積、平均孔徑及總孔體積數(shù)據(jù)(表1)。

表1 載體的比表面積、平均孔徑和總孔體積

Table 1 Carrier specific surface area, average pore size and total pore volume

載體BET比表面積/(m2·g-1)吸附平均孔徑/nm吸附總孔體積/(cm3·g-1) 活性炭127.146.280.04 硅藻土83.635.320.11 沸石 34.7817.020.15

一般來(lái)說(shuō),載體比表面積越大,越有利于微生物的附著。硅藻土、沸石、活性炭在比表面積、孔徑、孔體積等方面差異較大,硅藻土和活性炭的比表面積明顯大于沸石。沸石和硅藻土的總孔體積相差不大,分別為0.15和0.11 cm3·g-1;活性炭總孔體積最小,僅為0.04 cm3·g-1。沸石的平均孔徑為17.02 nm,大于活性炭與硅藻土。載體材料表面的細(xì)孔可分為3類(lèi):微孔(<2 nm)、介孔(2～50 nm)、大孔(>50 nm),3種載體材料的平均孔徑均在2～50 nm之間,其表面均以介孔結(jié)構(gòu)為主?？紫督Y(jié)構(gòu)有助于細(xì)菌附著,一般細(xì)菌的長(zhǎng)度為1～5 μm,雖無(wú)法進(jìn)入載體的介孔,但細(xì)菌分泌的酶能進(jìn)入載體材料的孔隙結(jié)構(gòu)。

從圖1可以看出,3種載體材料表面都呈負(fù)電性。由于一般細(xì)菌表面也呈負(fù)電荷,載體與細(xì)菌間的靜電力作用呈相互排斥的效果;3種材料的表面電荷隨著pH值的升高而降低,當(dāng)固定化培養(yǎng)基的pH值調(diào)為8時(shí)最適于細(xì)菌T1的生長(zhǎng),此時(shí)硅藻土表面電位為-26.80 mV,大于活性炭和沸石的表面電位。由于pH=8時(shí)硅藻土的表面電位負(fù)值較小,細(xì)菌與載體間的靜電排斥力較低,更容易使細(xì)菌附著。

圖1 不同pH值條件下各載體的Zeta電位Fig.1 Zeta potential of different carriers under different pH values

2.2 最佳載體的選擇

不同載體固定化實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2。未檢測(cè)到活性炭、硅藻土、沸石的初始生物量,但活性炭、硅藻土、沸石均對(duì)氨氮有一定的吸附作用,其氨氮去除率分別為1.83%、73.92%和31.72%,經(jīng)固定化后活性炭、硅藻土、沸石的初始生物量分別為1.47×109、1.93×109和4.00×105g-1,氨氮去除率提高至84.31%、98.17%和33.10%。菌懸液的初始生物量為1.72×109g-1,氨氮去除率為86.52%。以硅藻土為載體的固定化細(xì)菌與菌懸液相比,前者生物量更大,處理24 h后氨氮去除率增加了11.65%;以硅藻土為載體的固定化細(xì)菌與未經(jīng)過(guò)固定化的硅藻土相比,處理24 h后氨氮去除率增加了24.25%。以活性炭為載體的固定化細(xì)菌生物量和氨氮去除率與投加菌懸液相比差別不大,但與未經(jīng)過(guò)固定化的活性炭相比有較大提升。以沸石作為載體的固定化細(xì)菌生物量較小,且固定化后氨氮去除率僅為33.10%,與未固定化的沸石相比去除率變化不大。這是由于硅藻土具有較大的比表面積和較高的Zeta電位,有利于細(xì)菌的吸附固定。以硅藻土為載體的固定化細(xì)菌具有較高的生物量與氨氮去除率，由此可見(jiàn)硅藻土是最適合細(xì)菌T1的固定化載體。

A—菌液;B—活性炭;C—以活性炭為載體的固定化細(xì)菌T1;D—硅藻土; E—以硅藻土為載體的固定化細(xì)菌T1;F—沸石;G—以沸石為載體的固定化細(xì)菌T1。圖2 不同載體對(duì)固定化的影響Fig.2 Effect of different carriers on immobilization

2.3 最佳固定化條件

2.3.1溫度對(duì)固定化的影響

固定化過(guò)程中溫度對(duì)固定化的影響如圖3所示?？梢钥闯鰷囟葘?duì)固定化效果的影響很大,當(dāng)溫度為35 ℃時(shí)載體上固定的細(xì)菌數(shù)量最多,達(dá)到1.93×109g-1,是20 ℃時(shí)的13.40倍;35 ℃時(shí)所制備的固定化細(xì)菌的氨氮去除效率為94.60%,是20 ℃時(shí)的1.76倍。這是因?yàn)樵谧钸m溫度下細(xì)菌的生長(zhǎng)速率最高,代謝穩(wěn)定,活力較好,更容易附著在載體上。因此,固定化過(guò)程中最佳的溫度為35 ℃。

圖3 溫度對(duì)固定化的影響Fig.3 Effect of temperature on immobilization

2.3.2pH值對(duì)固定化的影響

固定化培養(yǎng)基的初始pH值對(duì)固定化的影響如圖4所示。pH值對(duì)固定化有較大影響,堿性環(huán)境下載體上固定的細(xì)菌數(shù)量較多,所制備的固定化細(xì)菌對(duì)氨氮的去除率較高。當(dāng)pH值為8時(shí)載體所固定的細(xì)菌數(shù)量最多,為1.86×109g-1,是pH值為5時(shí)的5.54倍,且該條件下制備的固定化細(xì)菌的氨氮去除率最高,是pH為5時(shí)的1.81倍。這是因?yàn)閜H值影響細(xì)菌的酶促反應(yīng)、代謝速率和生長(zhǎng)速率,且環(huán)境pH值的改變也會(huì)影響載體表面Zeta電位(圖1)。隨著pH值升高,固定化環(huán)境逐漸變?yōu)閴A性,更適合T1細(xì)菌生長(zhǎng)。此時(shí)細(xì)菌的活性較高,代謝較旺盛,有利于吸附固定于載體上。但pH值過(guò)高時(shí)又會(huì)對(duì)固定化產(chǎn)生負(fù)面作用。因此固定化過(guò)程中最佳的pH值為8。

圖4 pH值對(duì)固定化的影響Fig.4 Effect of pH value on immobilization

2.3.3搖床轉(zhuǎn)速對(duì)固定化的影響

固定化過(guò)程中,搖床轉(zhuǎn)速對(duì)固定化的影響如圖5所示。當(dāng)搖床轉(zhuǎn)速為90 r·min-1時(shí)載體固定的細(xì)菌數(shù)量較多,為1.74×109g-1;且制備出的固定化細(xì)菌對(duì)氨氮的去除率較高,為82.47%。搖床轉(zhuǎn)速太低,溶解氧不足,影響細(xì)菌的生長(zhǎng)發(fā)育,固定化微生物量也較低;搖床轉(zhuǎn)速太高,雖有充足的溶解氧,但加大了細(xì)菌與載體間的摩擦,不利于固定,因此固定化過(guò)程中最佳的搖床轉(zhuǎn)速為90 r·min-1。

圖5 搖床轉(zhuǎn)速對(duì)固定化的影響Fig.5 Effect of rotation speed on immobilization

2.3.4時(shí)間對(duì)固定化的影響

固定化時(shí)間對(duì)固定化的影響如圖6所示。固定化時(shí)間較短時(shí)只有接種時(shí)吸附的細(xì)菌,隨著時(shí)間的增加細(xì)菌開(kāi)始大量繁殖,達(dá)到對(duì)數(shù)期時(shí)載體固定的細(xì)菌數(shù)量與所制備的固定化細(xì)菌對(duì)氨氮的去除率均達(dá)到較高水平。當(dāng)固定化時(shí)間為24 h,固定細(xì)菌數(shù)量為1.90×109g-1時(shí)氨氮去除率為92.41%。

圖6 時(shí)間對(duì)固定化的影響Fig.6 Effect of time on immobilization

當(dāng)固定化時(shí)間超過(guò)24 h,細(xì)菌進(jìn)入衰亡期,活性較差,不利于固定,細(xì)菌數(shù)量與固定化細(xì)菌的氨氮去除率有所減少。因此,固定化過(guò)程中最佳的時(shí)間為24 h。

由此可見(jiàn),固定化細(xì)菌制備過(guò)程中溫度、pH值等環(huán)境的變化影響著載體上固定細(xì)菌的數(shù)量,進(jìn)而影響所制備出的固定化細(xì)菌對(duì)模擬廢水中氨氮的去除效果。當(dāng)細(xì)菌處于最適易生長(zhǎng)條件時(shí)大量繁殖,代謝旺盛,分泌大量胞外物質(zhì),有利于粘附在載體表面[15],此時(shí)載體上固定的細(xì)菌數(shù)量最多,所制備出的固定化細(xì)菌對(duì)氨氮的去除率最大。最佳條件下制備出的固定化細(xì)菌T1循環(huán)使用5次后仍具有較高的氨氮去除率(93.46%),初步表明該固定化細(xì)菌穩(wěn)定性較好,使用壽命較長(zhǎng)。

2.4 模擬實(shí)驗(yàn)中的氨氮去除效果

為模擬固定化細(xì)菌T1去除河道及底泥中氨氮的效果,對(duì)比了空白組(A)、曝氣組(B)、曝氣輔助菌懸液組(C)和曝氣輔助固定化細(xì)菌組(D)的修復(fù)效果,所用的固定化細(xì)菌為以下條件制得:硅藻土為載體,溫度為35 ℃,pH=8,轉(zhuǎn)速為90 r·min-1,時(shí)間為24 h。

2.4.1模擬實(shí)驗(yàn)中水體的變化情況

圖7為上覆水體COD、NH4+-N、NO2--N、NO3--N、TN濃度的變化情況。

圖7 上覆水中COD、NH4+-N、NO2--N、NO3--N和TN濃度的變化情況Fig.7 Changes of COD, NH4+-N, NO2--N, NO3--N and TN concentrations in overlying water

4組COD、NH4+-N、TN濃度均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。不同的是進(jìn)行曝氣的B、C、D組均出現(xiàn)了NO2--N和NO3--N的積累。隨著反應(yīng)的進(jìn)行,水體中的NO2--N逐漸增加,而NO3--N則呈現(xiàn)先下降后增加的變化,NO2--N和NO3--N的增加是由于曝氣激活了底泥中的土著微生物,加強(qiáng)了硝化過(guò)程,NH4+-N被氧化為NO2--N或NO3--N。投加細(xì)菌T1的C、D組NO2--N、NO3--N少量積累后快速下降,推測(cè)發(fā)生了反硝化反應(yīng)。而B(niǎo)組中NO2--N、NO3--N的量變化較小,表明曝氣可能抑制了土著微生物的厭氧反硝化作用。C、D組觀(guān)察到的反硝化現(xiàn)象是由于TI菌株具有好氧反硝化的能力,而土著微生物沒(méi)有好氧反硝化的能力。從TN的變化也可以看出,投加細(xì)菌T1的C、D組的TN去除率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于A(yíng)、B組,細(xì)菌T1可以將NH4+-N轉(zhuǎn)化為N的氣態(tài)產(chǎn)物排出,且根據(jù)細(xì)菌T1的特性推測(cè)其脫氮途徑為NH3→NH2OH→N2。相比較而言,雖然C組和D組各指標(biāo)總體去除效果相差不大,但D組的去除效率明顯較快,且D組在去除COD、NH4+-N、NO2--N、NO3--N、TN方面均具有顯著的修復(fù)效果,反應(yīng)16 d后D組上覆水體中COD由100.92 mg·L-1下降至24.24 mg·L-1,去除率為75.98%;ρ(NH4+-N)由36.78 mg·L-1下降至0.25 mg·L-1,去除率為99.32%;ρ(TN)由55.24 mg·L-1降至5.87 mg·L-1,去除率為89.36%。

2.4.2模擬實(shí)驗(yàn)中底泥的變化情況

圖8為底泥TOC和TN含量的變化情況,B、C、D組對(duì)上覆水體和底泥均具有較好的修復(fù)效果。D組對(duì)底泥TOC、TN以及底泥體積的修復(fù)均較為顯著,16 d底泥中w(TOC)由21.94降為9.97 g·kg-1,去除率為54.56%;w(TN)由3.30降為1.82 g·kg-1,去除率為44.84%。投加固定化細(xì)菌 T1的D組在底泥TOC、TN的去除方面均表現(xiàn)為8 d前去除效果比8 d后慢,這可能是由于8 d前上覆水體中碳源、氮源較為豐富,且細(xì)菌會(huì)優(yōu)先利用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的物質(zhì)。此階段細(xì)菌生長(zhǎng)代謝所需要的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)大部分來(lái)源于上覆水體,少部分來(lái)源于底泥。隨著上覆水體中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的消耗,細(xì)菌生長(zhǎng)代謝所需要的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)開(kāi)始轉(zhuǎn)變?yōu)橐缘啄嘀械臓I(yíng)養(yǎng)物質(zhì)為主。第12天C組也觀(guān)察到類(lèi)似的現(xiàn)象,表明投加相同質(zhì)量的固定化細(xì)菌比菌懸液能更快達(dá)到修復(fù)目的。

隨著反應(yīng)的進(jìn)行,底泥上部分出現(xiàn)淺色氧化層且總體積減少,為了便于讀數(shù)和減少多次取樣造成的誤差,僅考查了初始和末尾的變化情況,16 d后統(tǒng)計(jì)各點(diǎn)刻度以計(jì)算平均數(shù)的方式記錄(表3)。

圖8 底泥中TOC和TN含量的變化情況Fig.8 Changes of TOC and TN contents in the sediment

表3 底泥體積的變化情況

Table 3 Changes in sediment volume

組別初始總體積/cm3氧化層體積增加量/cm3總體積減少量/cm3總體積去除率/% 空白200 曝氣輔助菌20039.56±1.0524.87±0.7512.43 曝氣20042.50±1.2128.26±0.5614.13 曝氣輔助固定化細(xì)菌20043.75±1.1229.86±0.6314.93

A組底泥總體積與氧化層體積均無(wú)明顯變化,氧化層增加表明底泥中有機(jī)物質(zhì)逐漸減少,底泥逐漸無(wú)機(jī)化。從底泥氧化層變化的情況可以看出,D組氧化層增加43.75 cm3,與C組相差不大,但均大于B組。對(duì)底泥總體積的去除顯示出類(lèi)似的規(guī)律,C、D組相差不大,總體積去除率分別為14.13%和14.93%,均大于B組,表明投加細(xì)菌T1對(duì)底泥的減量化有積極作用。

對(duì)照?qǐng)D7和圖8可以看出, A組水體中的COD、NH4+-N、NO2--N、NO3--N、TN濃度的下降導(dǎo)致底泥中TOC、TN含量增加,表明在一定限度內(nèi)底泥可以對(duì)上覆水體富營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的污染起到緩沖作用,但會(huì)加劇底泥自身的污染,可以推測(cè)也是由于此原因各組上覆水體中NO3--N濃度在0～4 d呈下降趨勢(shì)。對(duì)比未做處理的空白組,曝氣激活土著微生物產(chǎn)生硝化作用,對(duì)上覆水體COD、NH4+-N和底泥中TOC、TN有較良好的去除效果,但由于缺乏反硝化作用,上覆水體中會(huì)產(chǎn)生NO2--N和NO3--N的積累,NO2--N和NO3--N又會(huì)轉(zhuǎn)移到底泥中,使得上覆水體和底泥中TN去除效果并不明顯,而投加細(xì)菌T1可以彌補(bǔ)這一不足,使上覆水體中COD、NH4+-N、NO2--N、NO3--N、TN濃度及底泥中TOC、TN含量顯著下降,固定化細(xì)菌則可以更快達(dá)到修復(fù)目的。

3 結(jié)論

(1)硅藻土因比表面積較大、空隙結(jié)構(gòu)豐富,Zeta電位較高,有利于細(xì)菌T1的附著;同時(shí)硅藻土本身對(duì)氨氮具有一定吸附作用,經(jīng)過(guò)固定化細(xì)菌T1后,構(gòu)成細(xì)菌與載體的協(xié)同作用,加強(qiáng)了對(duì)氨氮的去除能力。

(2)細(xì)菌T1固定化的最佳條件:溫度為35 ℃、pH值為8、搖床轉(zhuǎn)速為90 r·min-1、固定時(shí)間為24 h;此時(shí)載體上吸附固定的細(xì)菌數(shù)量最多,所制備的固定化細(xì)菌對(duì)氨氮的去除率最高,且穩(wěn)定性好,使用壽命長(zhǎng)。

(3)模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明曝氣輔助固定化細(xì)菌T1對(duì)水體及底泥中氨氮具有最好的去除效果:對(duì)水體COD去除率為75.98%、NH4+-N去除率為99.32%、TN去除率為89.36%；對(duì)底泥TOC去除率為54.56%、TN去除率為44.84%,底泥體積減少14.93%。