曝氣及生物制劑對(duì)營(yíng)養(yǎng)化湖水凈化實(shí)驗(yàn)研究

陳舒蕾，唐 雨，劉冬妹，覃雪云，溫新穎，丘海峰，莫德清

(桂林電子科技大學(xué)生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，廣西 桂林 541004)

水體富營(yíng)養(yǎng)化是目前全球關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題，水體富營(yíng)養(yǎng)化會(huì)引起水體發(fā)生水華和嚴(yán)重危害人類健康，治理水體富營(yíng)養(yǎng)化成為當(dāng)下熱點(diǎn)研究領(lǐng)域[1-3]。由于微生物修復(fù)法具有操作簡(jiǎn)單、處理成本低，具有維護(hù)水體生態(tài)平衡和二次污染小等特點(diǎn)。利用微生物修復(fù)技術(shù)等生物方法治理富營(yíng)養(yǎng)化水體成為學(xué)術(shù)界廣泛關(guān)注的問(wèn)題[4]。曾冠軍[5]在研究在處理景觀富營(yíng)養(yǎng)化水體中發(fā)現(xiàn)：增加曝氣能夠?qū)坝^水體中TN、TP的去除效果有明顯的增加；Tang Van Tai[6]通過(guò)生物工程菌與曝氣相結(jié)合，對(duì)去除COD、NH3-N與增加微生物群落效果明顯。本研究針對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化湖水通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究利用微生物與曝氣模擬構(gòu)建微生態(tài)環(huán)境，以促進(jìn)水體的自凈化能力的提升。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

(1)生物制劑：生物制劑(SEM菌)，來(lái)源于武漢施普瑞環(huán)保工程有限公司，SEM由光合細(xì)菌、乳酸菌、酵母菌、曲菌、放線菌等的微生物構(gòu)成。其中，可分為SEM-W菌與SEM-D菌，SEM-W菌多含光合細(xì)菌、曲菌、放線菌等微生物，SEM-D菌多含光合細(xì)菌、乳酸菌、酵母菌等微生物。

(2)試驗(yàn)用水：為某景觀湖湖水，收納了附近污水處理設(shè)施排水作為景觀用水，由于污水處理設(shè)施因各種原因使污水未能達(dá)標(biāo)排放，致使湖水具輕微腥臭味，湖水呈富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)?；舅|(zhì)指標(biāo)氨氮、總磷、COD濃度分別為21.83～50.70mg/L、2.286～5.10 mg/L、24.16～48.11 mg/L。

1.2 試驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)所使用的裝置由玻璃水箱、曝氣系統(tǒng)(氣泵、導(dǎo)管、簡(jiǎn)易的氣體流量控制閥及曝氣頭)組成，在水箱中注入湖水，按實(shí)驗(yàn)要求進(jìn)行生物制劑和底泥添加，并輔以曝氣。每2天定期對(duì)水體的氨氮、總磷、COD水體指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，了解水體凈化效果。

1.3 檢測(cè)方法

氨氮采用納氏試劑分光光度法；總磷采用鉬酸銨分光光度法；COD采用快速消解分光光度法。

2 結(jié)果與分析

2.1 曝氣對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化湖水凈化的影響

圖1 水中氨氮濃度的變化情況Fig.1 Changes of Ammonia Nitrogen Concentration in Water

圖1 為湖水以及湖水和底泥共存物在曝氣和非曝氣條件下氨氮濃度的變化情況。由圖1可知，湖水在不曝氣的情況下，氨氮濃度隨放置時(shí)間的有所下降，15天下降了約29.4%，這可能與氨氮的自然揮發(fā)或水中的少量硝化菌的作用有關(guān)。湖水在曝氣條件下與非曝氣下氨氮的變化趨勢(shì)相似，15天下降的量也較為接近，說(shuō)明單一湖水中硝化菌的量甚微，可見(jiàn)，在微生物缺乏時(shí)采用曝氣方式來(lái)降低氨氮較難起到效果。湖水和底泥共存時(shí)，放置過(guò)程其氨氮的幾乎變化不大；而在曝氣條件下，5 天后氨氮的下降趨勢(shì)則較為明顯，這可能是泥中存在較為豐富的微生物，當(dāng)有氧條件下逐漸發(fā)揮其作用促進(jìn)了氨氮的降解。

圖2 為湖水以及湖水和底泥共存物在曝氣和非曝氣條件下水中總磷濃度的變化情況。由圖2可知，湖水在放置過(guò)程和曝氣過(guò)程其總磷濃度變化甚微，這與水中微生物較少有關(guān)。湖水和底泥共存時(shí)，放置過(guò)程水中總磷含量呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，這可能是泥中的磷向水中釋放的結(jié)果。對(duì)湖水和底泥進(jìn)行曝氣，總磷濃度隨之下降，15天可降低86.1%，說(shuō)明曝氣可激活泥中微生物的作用。

圖3為湖水以及湖水和底泥共存物在曝氣和非曝氣條件下水中COD濃度的變化情況。由圖3可知，湖水在放置過(guò)程COD會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)并有所升高，特別放置5～10天上升較大，最高時(shí)增加57.1%，說(shuō)明富營(yíng)養(yǎng)化水如不進(jìn)行治理可能會(huì)造成惡化。對(duì)湖水進(jìn)行曝氣COD濃度有所下降，但下降量非常有限。湖水和底泥共存時(shí)，放置過(guò)程水中COD含量呈先上升后下的趨勢(shì)，15天下降了66.9%，這是泥中的微生物慢慢適應(yīng)環(huán)境并進(jìn)行繁殖利用了碳源的結(jié)果。對(duì)湖水和底泥曝氣，COD下降速度增加，15天COD下降了94.7%，體現(xiàn)較好的凈化效果。

圖2 水中總磷濃度的變化情況Fig.2 Changes of Total Phosphorus Concentration in Water

圖3 水中COD濃度的變化情況Fig.3 Changes of COD Concentration in Water

由圖1至圖3可見(jiàn)，當(dāng)微生物存在條件下進(jìn)行曝氣有利于富營(yíng)養(yǎng)化湖水的凈化。

2.2 生物制劑對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化湖水凈化的影響

圖4 生物制劑添加對(duì)氨氮的凈化效果Fig.4 Purification of Ammonia Nitrogen by Adding Biological Agents

圖4、圖5和圖6分別為在湖水中按3ppm濃度添加生物制劑進(jìn)行曝氣處理過(guò)程氨氮、總磷和COD的的變化情況。初始加入生物制劑，水中氨氮、總磷和COD有所提升，隨著曝氣進(jìn)行，氨氮、總磷和COD濃度下降。圖4顯示，曝氣7天，氨氮的去除效果開(kāi)始明顯，至18天時(shí)氨氮基本凈化完全，其中投加SEM-W的凈化速率優(yōu)于SEM-D。圖5 顯示，投加SEM-W曝氣4天，投加SEM-D曝氣7天，總磷的凈化效果開(kāi)始明顯，至18天時(shí)兩者總磷的去除率分別為93.2%和92.3%。圖6顯示，投加SEM-W曝氣第2天COD明顯降低，18天時(shí)COD降至2.24mg/L；投加SEM-D曝氣7天顯現(xiàn)較好效果，18天時(shí)COD降至6.47mg/L。

圖5 生物制劑添加對(duì)總磷的凈化效果Fig.5 Purification of Total Phosphorus by Adding Biological Agents

圖6 生物制劑添加對(duì)COD的凈化效果Fig.6 Purification of COD by Adding Biological Agents

2.3 不同生物制劑配比對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化湖水凈化的影響

圖7 不同生物制劑配比氨氮的凈化效果Fig.7 Purification Effect of Ammonia Nitrogen with Different Ratios of Biological Agents

圖8 不同生物制劑配比總磷的凈化效果Fig.8 Purification Effect of Total Phosphorus with Different Ratios of Biological Agent

考慮水中微生物的豐富度，將SEM-W與SEM-D進(jìn)行配合使用進(jìn)行曝氣，分別按3∶1、1∶1和1∶3進(jìn)行了嘗試，結(jié)果見(jiàn)圖7、圖8和圖9。對(duì)比圖4至圖6可以看出，SEM-W與SEM-D配合使用較單一生物制劑降解速度更快，曝氣6天時(shí)即達(dá)到較好的效果。按SEM-W：SEM-D為 3∶1、1∶1和1∶3，曝氣6天，氨氮的降解率分別為90.5%、96.4%和78.2%，總磷的降解率分別為68.5%、75.8%和22.5%，COD的降解率分別為79.1%、84.5%和79.0%；曝氣14天，氨氮的降解率分別為95.4%、98.1%和93.1%，總磷的降解率分別為67.8%、83.9%和66.9%，COD的降解率分別為86.7%、92.9%和88.9%。圖7、圖8和圖9都表明， SEM-W與SEM-D比例為1∶1效果最好。

圖9 不同生物制劑配比COD的凈化效果Fig.9 Purification Effect of COD with Different Ratios of Biological Agent

2.4 自凈能力分析

在對(duì)營(yíng)養(yǎng)化湖水通過(guò)添加生物制劑進(jìn)行曝氣22天后停止曝氣，持續(xù)監(jiān)測(cè)，水質(zhì)依然保持較好的凈化效果；通過(guò)物相分析發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)了輪蟲、喇叭蟲、刀口蟲、鐘蟲、漫游蟲等生存在環(huán)境較好水體的指示微生物(見(jiàn)圖10)，表明經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的處理，營(yíng)養(yǎng)化湖水的水質(zhì)狀況有了較好的改善。可見(jiàn)，曝氣和生物制劑配合可改善微生物的生長(zhǎng)環(huán)境，對(duì)水質(zhì)的自凈化能力有一定的提升。

圖10 微生物圖片F(xiàn)ig.10 Pictures of microorganisms

3 結(jié)論

(1)當(dāng)水中微生物微少的情況下對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化湖水進(jìn)行曝氣凈化效果甚微，通過(guò)曝氣與添加生物制劑共同作用，可促進(jìn)營(yíng)養(yǎng)化湖水的凈化。

(2)SEM-W和SEM-D兩種制劑分別進(jìn)行使用時(shí)，SEM-W效果好于SEM-D。

(3)將SEM-W和SEM-D兩種制劑混合使用比單一制劑效果更好，其中SEM-W和SEM-D按1∶1配比對(duì)湖水的凈化效果相對(duì)較好。

(4)通過(guò)曝氣和生物制劑結(jié)合，可改善水質(zhì)環(huán)境，提升水體自凈化能力。