光合細(xì)菌RP-1人造生物膜處理污水脫氮除磷效果

李勤生，王若雪，王業(yè)勤

(武漢益生泉生物科技開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司，湖北武漢 430072)

光合細(xì)菌是水生態(tài)系統(tǒng)中的重要微生物類(lèi)群[1]。它們既是初級(jí)生產(chǎn)者，居于食物鏈的底層，又是其他生物的天然餌料；它們作為消費(fèi)者和分解者，在生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)和能量轉(zhuǎn)換中發(fā)揮著重要作用；光合細(xì)菌還具有根據(jù)水生態(tài)環(huán)境變化而靈活改變其代謝類(lèi)型的特點(diǎn)，可以轉(zhuǎn)化多種有害物質(zhì)，凈化環(huán)境；許多光合細(xì)菌兼有光合和固氮能力，細(xì)胞富含色素和多種特殊生理活性物質(zhì)，因而也是工業(yè)、農(nóng)業(yè)、保健等高附加值產(chǎn)品和能源開(kāi)發(fā)的對(duì)象，有關(guān)光合細(xì)菌的研究具有重要的理論和應(yīng)用價(jià)值[2-3]。

光合細(xì)菌在水產(chǎn)養(yǎng)殖水體凈化、黑臭水體生態(tài)修復(fù)，以及高濃度有機(jī)廢水處理等方面已廣泛應(yīng)用[4-7]，但是，光合細(xì)菌水劑和其他微生物制劑一樣，在水體中存在易流失或被其他生物吞噬的缺陷，影響其應(yīng)用效果，還需要不斷投加，增加應(yīng)用成本。

生物膜是微生物以聚集態(tài)、不同于浮游狀態(tài)的一種生存方式，在自然界中廣泛存在，驅(qū)動(dòng)著地球生物化學(xué)過(guò)程[8]。但它們是自然形成的，生物膜中的微生物種類(lèi)是隨機(jī)的，無(wú)法控制其中的有效菌數(shù)量，其形成也受多種環(huán)境因素的影響，應(yīng)用于污水處理時(shí)需要掛膜時(shí)間。人造生物膜是以生態(tài)學(xué)原理為指導(dǎo)、模擬天然生物膜，將選育的應(yīng)用菌株高密度地固定在適宜的載體上制備而成的仿生產(chǎn)品，具有在水體中不流失、啟動(dòng)快、高效、長(zhǎng)效、可重復(fù)使用等特點(diǎn)，還可以根據(jù)污染物的性質(zhì)選用針對(duì)性的應(yīng)用菌株，應(yīng)用范圍廣泛[9]。人造生物膜在黑臭和富營(yíng)養(yǎng)化水體原位生態(tài)修復(fù)、水產(chǎn)養(yǎng)殖水體凈化、高濃度畜禽養(yǎng)殖和屠宰廢水等不同類(lèi)型污水處理應(yīng)用實(shí)踐中取得了良好效果，有效去除污染物，除磷脫氮、除臭，而且可以從源頭上削減污泥產(chǎn)量，降低污水處理成本[10-12]。

綜上，采用光合細(xì)菌沼澤紅假單胞菌RP-1菌株制備了人造生物膜，其在不同條件下處理污水的應(yīng)用試驗(yàn)效果如下。

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 應(yīng)用菌株及培養(yǎng)

光合細(xì)菌沼澤紅假單胞菌RP-1菌株，是由天然水體分離、純化，優(yōu)選后獲得的應(yīng)用菌株，在治理水環(huán)境污染中已廣泛應(yīng)用。

1.2 RP-1菌株人造生物膜制備

將濃縮的RP-1菌液按人造生物膜專(zhuān)利技術(shù)方法制備成人造生物膜膜片型[13]。本試驗(yàn)用膜片規(guī)格為每條20 cm×5 cm×0.1 cm,3 g。

1.3 污水來(lái)源

模擬污水：參照阮文權(quán)等[14]模擬污水成分：NaAC(COD)、NH4Cl(NH3-N)、KH2PO4(TP)、NaNO2(NO2-N)、MgCl2、CaCl2、酵母膏、微量元素，用碳酸鹽調(diào)節(jié)pH。本文試驗(yàn)中按內(nèi)容增加了用量。

垃圾滲濾液污染的天然湖水水質(zhì)：CODCr=858 mg/L，氨氮=232.1 mg/L，TP=7.42 mg/L，pH值=7.0。

1.4 試驗(yàn)方法

用量：在1 L三角瓶中加入l L試驗(yàn)污水，加入RP-1人造生物膜片(RP-1 ABF)3 g，與污水的重量比為0.3%。

試驗(yàn)條件：用微型水族箱增氧泵連續(xù)曝氣或曝氣3 h、停止1 h的間歇曝氣方式曝氣，28 ℃恒溫箱中進(jìn)行。

檢測(cè)方法：按試驗(yàn)設(shè)計(jì)取樣分析，分析方法按國(guó)標(biāo)進(jìn)行。氨氮檢測(cè)按GB 7479—1989 納氏比色法；亞硝態(tài)氮按GB 7493—1 987分光光度法；CODCr按GB 11914—1989重鉻酸鉀法；TP按GB 11893—1989 鉬酸銨分光光度法。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 RP-1 ABF 與RP-1菌泥脫氮除磷活性的比較

本試驗(yàn)中所用膜片20 cm×5 cm×0.1 cm,3 g，其中載體重2 g，膜中菌泥重1 g，計(jì)算每g膜片和每g菌泥去除CODCr的量，如表1所示。

表1 RP-1 ABF A、B、C組膜片和菌泥對(duì)CODCr去除量和降解速率的比較Tab.1 Removal Amount and Reaction Rate of CODCr Based on RP-1 ABF and Bacterial Slime

2.2 不同曝氣條件下RP-1 ABF除磷脫氮活性的比較

模擬污水水質(zhì)指標(biāo)為：CODCr=1 913 mg/L，氨氮=289.8 mg/L，NO2-N=67.6 mg/L，TP=19 mg/L。試驗(yàn)分為A、B、C這3組：A組，間歇曝氣，3∶1方式；B組，連續(xù)曝氣；C組，不曝氣。28 ℃處理24 h后取樣分析結(jié)果如圖1所示。

圖1 不同曝氣條件下RP-1 ABF脫氮除磷活性的比較Fig.1 Comparison of Removal Efficiency of N and Pby RP-1 ABF under Different Aeration Condition

檢測(cè)結(jié)果表明，RP-1 ABF對(duì)CODCr、氨氮和TP的去除量與曝氣量有關(guān)。CODCr在連續(xù)曝氣組去除量最高，間歇曝氣的去除量?jī)H是連續(xù)曝氣的76.9%，而不曝氣的C組CODCr去除量只有連續(xù)曝氣組的22.5%。氨氮的去除量以連續(xù)曝氣組最高，去除率為22.7%，間歇曝氣組為16.6%，不曝氣組最低，僅相當(dāng)于連續(xù)曝氣組的2%，去除率僅為0.48%。但NO2-N的去除與曝氣量無(wú)關(guān)。67.6 mg/L NO2-N在不同曝氣條件下，24 h均全部被去除，說(shuō)明RP-1 ABF有很強(qiáng)的脫氮能力。在連續(xù)曝氣條件下，TP的去除量高于間歇曝氣組，但去除率分別為14.7%和13.7%，兩者差別不大，而不曝氣的C組僅為2%，顯著低于曝氣的A組和B組。這些表現(xiàn)可能與此菌株的特性以及人造生物膜膜片內(nèi)外的氧壓不同有關(guān)。

2.3 不同碳氮比條件下RP-1 ABF除磷脫氮活性的比較

試驗(yàn)分為兩組：A組CODCr為1 046 mg/L，B組為2 045 mg/L，兩組中的氨氮、NO2-N和TP量基本相似，A組C/N=9，B組C/N=18。反應(yīng)溫度為28 ℃，連續(xù)曝氣24 h，取樣檢測(cè)結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同碳氮比條件下RP-1 ABF脫氮除磷活性的比較Fig.2 Comparison of Removal Efficiency of N and P by RP-1 ABF under Different C/N Ratios

試驗(yàn)結(jié)果表明，B組CODCr量比A組高約一倍，連續(xù)曝氣24 h后，CODCr的去除量為1 436 mg/L也高于A組的一倍，但兩組的去除率相近，分別是69%和70%；B組氨氮的去除量為70.8 mg/L，去除率為62.5%，A組則是42.8 mg/L，去除率為37%，B組去除率高于A組。可見(jiàn)，氨氮的去除除了與氧有關(guān)(圖1)外，也與可利用的CODCr量有關(guān)；B組TP的去除量與去除率均較A組低一些，反映了氨氮氧化與除磷存在對(duì)碳源的競(jìng)爭(zhēng)，高氨氮去除抑制了TP的去除，這與以往的試驗(yàn)和工程應(yīng)用的表現(xiàn)是一致的。

重復(fù)試驗(yàn)中對(duì)氨氮和NO2-N的濃度作了調(diào)整。試驗(yàn)分為3組，起始的CODCr一樣，而氨氮量分別為104.4、308、519.2 mg/L；CODCr/NH3-N分別是18.32、6.19、3.68；連續(xù)曝氣24 h后，取樣分析，結(jié)果如表2所示。

表2 高氨氮條件下RP-1 ABF 脫氮除磷活性比較Tab.2 Comparison of Removal Efficiency of N and P by RP-1 ABF under High NH3-N Concentration

結(jié)果表明，不同氨氮濃度條件下，3組CODCr去除量和去除率相距不大，均達(dá)到80%以上，以C’組最高為87.8%，CODCr去除量為1 678.8 mg/L，TN去除量為113.2+38.3=151.5 mg/L。去除1 mg/L TN消耗的CODCr質(zhì)量濃度：A’組為16.8 mg/L，B’組為13.5 mg/L，C’組為11.1 mg/L。由此可見(jiàn)，高氨氮對(duì)脫氮沒(méi)有抑制，而且在C/N為3.6時(shí)，RP-1 ABF也能有效脫氮。氨氮去除量與起始濃度有關(guān)，但去除率相反，A’、B’、C’這3組分別為57.1%、24.9%、21.8%。3組中的NO2-N全部被去除，說(shuō)明RP-1 ABF有很強(qiáng)的反硝化功能。TP的去除量受高氨氮去除量的影響，C/N最低的C’組TP僅去除6.2%，而A’、B’兩組均達(dá)到14.9%。

2.4 pH對(duì)RP-1 ABF 脫氮除磷活性的影響

試驗(yàn)按以下方式進(jìn)行，用人工模擬污水1 L，分別調(diào)pH值至6、7、8這3組，各加入RP-1 ABF 3 g，28 ℃連續(xù)曝氣24 h后取樣檢測(cè)，結(jié)果如表3所示和圖3。

表3 不同pH值條件下RP-1 ABF脫氮除磷效果Tab.3 Removal Efficiency of N and P by RP-1 ABF under Different pH Value Condition

圖3 不同起始pH條件下RP-1 ABF脫氮除磷活性的比較Fig.3 Comparation of Removal Efficiency of N and P by RP-1 ABF under Different initial pH Value Condition

試驗(yàn)結(jié)果表明，起始pH值雖分別為6、7、8，但24 h后，各組pH值均在8左右，說(shuō)明RP-1 ABF具有調(diào)節(jié)pH的能力。比較各組去除污染物數(shù)據(jù)可知，起始pH值為8中，CODCr、NO2-N和TP的去除量和去除率都是最低的，氨氮?jiǎng)t是在起始pH值為6中去除量和去除率最低，而起始pH 值為6的TP去除量和去除率高于pH值為7、8兩組。綜合幾項(xiàng)指標(biāo)，以起始pH值為7條件下，對(duì)RP-1 ABF去除CODCr、氨氮、NO2-N和TP均有較好的效果，因此，中性環(huán)境對(duì)RP-1 ABF的去污活性較適宜，這也是RP-1菌株最適的pH環(huán)境。

2.5 RP-1 ABF的處理黑臭水體的效果

黑臭水樣來(lái)源垃圾滲濾液污染的湖水。垃圾滲濾液是高濃度污染源，其原液CODCr為3 982 mg/L，氨氮為1 786 mg/L，TP 為26.5 mg/L。被污染的湖水水樣檢測(cè)結(jié)果顯示CODCr為858.9 mg/L，氨氮為232.1 mg/L，TP 為7.42 mg/L。取污染湖泊上游湖水1 L，加入RP-1 ABF 3 g，28 ℃，連續(xù)曝氣處理96 h，水質(zhì)檢測(cè)結(jié)果如表4所示。

表4 RP-1 ABF處理黑臭水樣效果Tab.4 Efficiency of RP-1 ABF for Polluted Lake Water Treatment

由表4可知，僅用光合細(xì)菌處理垃圾滲濾液污染湖水時(shí)，CODCr去除率低，經(jīng)過(guò)96 h處理，其中的CODCr僅去除了218.6 mg/L，去除率僅為25.5%，經(jīng)過(guò)添加碳源后再曝氣24 h，仍然有601 mg/L CODCr，說(shuō)明污染湖水中存在來(lái)自垃圾滲濾液的難降解CODCr；與此同時(shí)，氨氮的去除率可高達(dá)95%，從232.1 mg/L降低至11.1 mg/L。由于碳源難以利用，去除的221 mg/L 氨氮中有84.2 mg/L亞硝態(tài)氮積累。補(bǔ)充碳源葡萄糖后，CODCr雖下降了39.3 mg/L，氨氮卻反彈至23.3 mg/L，從這些變化可以看出該水體中存在難降解的含氮有機(jī)物。但NO2-N卻被完全去除，表明RP-1 ABF 的脫氮效果很好。此外，經(jīng)過(guò)96 h處理后，TP減少了1/3，延長(zhǎng)處理時(shí)間將達(dá)到更好的效果。

3 結(jié)語(yǔ)

(1)光合細(xì)菌RP-1菌株是以水劑應(yīng)用于養(yǎng)殖水體凈化的優(yōu)選應(yīng)用菌株。將其固定在適宜載體上制備的人造生物膜，不僅避免了其在水體中易流失和被其他生物所吞噬的缺陷，還保持了在好氧黑暗條件下同時(shí)降解有機(jī)污染物、去除氨氮、NO2-N和TP的性能。

(2)RP-1 ABF 具有很強(qiáng)的脫氮能力，在不同曝氣和C/N條件下對(duì)污水中存在的亞硝酸鹽都有良好的反硝化脫氮作用。pH對(duì)其性能的影響也比較小，可能與此菌株具有調(diào)節(jié)pH的特性有關(guān)。

(3)試驗(yàn)中RP-1 ABF 對(duì)氨氮的去除量與曝氣量、氨氮的濃度和碳源量有關(guān)。能耐受500 mg/L高濃度氨氮環(huán)境，其對(duì)氨的氧化未被抑制。利用RP-1 ABF處理被垃圾滲濾液污染的黑臭湖水，在短時(shí)間內(nèi)凈化效果明顯，為拓展其應(yīng)用范圍提供了依據(jù)。

(4)光合細(xì)菌處理高濃度有機(jī)污水之前，一般均需要異養(yǎng)細(xì)菌先行處理，將大分子污染物降解為小分子后，再用光合細(xì)菌轉(zhuǎn)化。基于上述RP-1 ABF的優(yōu)勢(shì)，如將RP-1 ABF與其他菌株或物化措施配合處理垃圾滲濾液一類(lèi)高濃度難處理的污水，可獲得更好效果，相關(guān)應(yīng)用研究仍在繼續(xù)進(jìn)行中。