環(huán)保酵素對水中污染物的去除效果研究

王 婷，趙仕沛，孫志華，劉 馳，兗少鋒

(河南省生態(tài)環(huán)境科學(xué)研究院，河南 鄭州 450001)

近年來，我國經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展加大了城市化進(jìn)程，在城市化發(fā)展過程中，人員越來越密集，工業(yè)生產(chǎn)廠家越來越多，導(dǎo)致其排放的生活污水、工業(yè)廢水成倍增加[1-3]，使人們賴以生存的水環(huán)境受到了嚴(yán)重污染。受污染的水體內(nèi)滋生大量病原微生物、細(xì)菌等，其不僅嚴(yán)重威脅水生物生長，還可導(dǎo)致人類傳染病發(fā)生，因此去除水中污染物是水體污染治理的必要措施。環(huán)保酵素也稱酶，其是具備生物大分子[4-5]，可使反應(yīng)質(zhì)反應(yīng)方向和產(chǎn)物發(fā)生變化，且可加速反應(yīng)質(zhì)的反應(yīng)速度。環(huán)保酵素是利用糖水和廚余垃圾經(jīng)過發(fā)酵制作而成，其可有效消除廚余垃圾，將其應(yīng)用到水環(huán)境治理過程中可有效提升水環(huán)境質(zhì)量[6-7]。目前研究環(huán)保酵素對水環(huán)境治理方法有很多，如王洋等[8]從環(huán)保酵素對水病原抑菌角度展開研究，其通過采集水樣本后，將自制的環(huán)保酵素加入其中，然后使用比濁法和平板劃線方法分析其對水內(nèi)病原微生物的抑制效果。但該方法僅從其抑菌角度展開，并未對污水內(nèi)氮、磷等化合物進(jìn)行分析，其研究角度不夠?qū)挿骸６G秀艷等[9]從環(huán)保酵素對生活廢水治理進(jìn)行了分析，其利用廚余垃圾制備酵素后，對生活污水樣本進(jìn)行了批量測試，雖然取得一定研究成果，但其采集的生活污水樣本較少，使其得出的結(jié)論較為片面，無說服性。為補(bǔ)充環(huán)保酵素對水污染治理效果，本文在此研究環(huán)保酵素對污水因子的去除效果。

1 環(huán)保酵素對水中污染物的去除效果

1.1 環(huán)保酵素用于污水處理的原理

環(huán)保酵素在去除水中污染物的過程中，水環(huán)境的微生物會(huì)從其生存環(huán)境中吸取有機(jī)污染物，此時(shí)環(huán)保酵素內(nèi)的透膜酶對有機(jī)污染物進(jìn)行催化，使其穿過細(xì)胞壁進(jìn)入到微生物體內(nèi)，微生物將有機(jī)污染物作為能量吸收[10]。但有機(jī)污染物存在小分子和大分子情況，小分子可直接被吸收，淀粉酶、蛋白質(zhì)等則需水解酶對其分解成小分子后再被吸收。進(jìn)入微生物細(xì)胞內(nèi)的有機(jī)污染物一部分被脫氫酶、氧化酶等催化后發(fā)生代謝反應(yīng)，最終生成二氧化碳和水。另一部分則被微生物合成了新的細(xì)胞。有機(jī)污染物經(jīng)過環(huán)保酵素內(nèi)微生物的兩種作用下[11-12]，可有效被去除，從而實(shí)現(xiàn)了環(huán)保酵素污水因子去除效果。將上述過程使用圖形來描述其數(shù)量關(guān)系，如圖1所示。

圖1 環(huán)保酵素內(nèi)微生物代謝水中污染物的活動(dòng)數(shù)量關(guān)系Fig.1 Activity quantity relationship of microorganisms in environmental protection enzymes metabolizing pollutants in water

水環(huán)境內(nèi)微生物代謝污染物時(shí)，其合成無機(jī)物和能量的占比為2/3，氧化成新細(xì)胞為1/3。而新細(xì)胞又將80%的污染物再次轉(zhuǎn)化為無機(jī)物和能量，將剩余20%的殘留物質(zhì)進(jìn)行新陳代謝。環(huán)保酵素內(nèi)存在多種微生物、酶和活性物，其去除污水因子機(jī)制如下：①環(huán)保酵素內(nèi)的活性物對水環(huán)境微生物生長起到了促進(jìn)作用。環(huán)保酵素內(nèi)的活性物提升了水環(huán)境內(nèi)的有效生物活性，其水環(huán)境內(nèi)的微生物數(shù)量得到增加[13]。水環(huán)境內(nèi)生物鏈得到延長后，使其微生物去除污染物的效果得到增加。而污染物經(jīng)過微生物作用后，水環(huán)境內(nèi)的有機(jī)物結(jié)構(gòu)得到了重構(gòu)[14-15]，從而達(dá)到去除污水因子效果。②環(huán)保酵素內(nèi)的酶類促進(jìn)水環(huán)境內(nèi)微生物的代謝速度。環(huán)保酵素內(nèi)的酶類有蛋白質(zhì)分解酶、氧化還原酶等，其均具備催化作用。酶類活性發(fā)生作用時(shí)，可增加氧化傳遞速度[16-17]，使水環(huán)境內(nèi)微生物菌群得到快速生長，增加微生物凈化水環(huán)境能力。③環(huán)保酵素可降低水環(huán)境內(nèi)污泥的形成率。環(huán)保酵素在促進(jìn)水環(huán)境內(nèi)微生物生長的過程中[18]，使水環(huán)境內(nèi)微生物群落結(jié)構(gòu)得到了優(yōu)化，其有效延長了水環(huán)境內(nèi)污泥消化時(shí)間[19-20]，降低了水環(huán)境內(nèi)的污泥濃度，實(shí)現(xiàn)了降低污泥形成率的目的。

1.2 材料與方法

(1)環(huán)保酵素制備。以泰國樂素昆·普潘翁博士研發(fā)的配方和制作方法為準(zhǔn)，完成環(huán)保酵素的制備。將紅糖、水、蘋果按照1∶10∶3的比例配制好后，將其放置于密封罐內(nèi)發(fā)酵3個(gè)月，得到單一環(huán)保酵素。將紅糖、梨、蘋果、橙子、水按照1∶3∶3∶3∶10的比例配制好后，放置于密封罐內(nèi)發(fā)酵3個(gè)月，得到混合環(huán)保酵素。使用紗布將制作好的單一酵素和混合酵素進(jìn)行過濾，得到酵素液。將單一酵素液和混合酵素液放置在密閉容器內(nèi)，置于恒溫環(huán)境中保存?zhèn)溆谩?/p>

(2)水體樣本采集。以某排放生活用水和工業(yè)廢水河流作為研究區(qū)域，在該區(qū)域內(nèi)于某天16：00時(shí)采集若干份水體樣本，該水體樣本的化學(xué)背景值見表1。

表1 水體樣本化學(xué)背景值Tab.1 Chemical background values of water samples mg/L

(3)實(shí)驗(yàn)方法。將采集好的污水樣本放置在容量為10 L的透明玻璃桶內(nèi)，抽取5 L的水體樣本作為對照組，其余按照5 L/份，分別向水體樣本內(nèi)加入含量為3%、6%和12%的單一環(huán)保酵素液和混合環(huán)保酵素液，并使其均勻混合。然后將水體樣本置于陰涼通風(fēng)環(huán)境內(nèi)靜置，每隔3 h對實(shí)體樣本進(jìn)行采樣檢測，當(dāng)水體樣本指標(biāo)數(shù)據(jù)曲線變化極其微小時(shí)停止實(shí)驗(yàn)。

(4)檢測方法。使用納氏試劑分光光度法檢測水體樣本的氨氮變化情況，使用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法檢測水體樣本內(nèi)總氨變化情況。

2 實(shí)驗(yàn)分析

測試添加量不同的單一環(huán)保酵素液和混合環(huán)保酵素液在不同時(shí)間段內(nèi)對污染物中氨氮去除效果，結(jié)果見表2、表3。

表2 單一環(huán)保酵素對污染物中氨氮去除率Tab.2 Removal rate of ammonia nitrogen in pollutants by a single environmental enzyme

綜合分析表2和表3可知，對照水體樣本、添加不同含量的單一環(huán)保酵素和混合環(huán)保酵素的水體中氨氮去除率均隨著時(shí)間的增加而增加。其中對照水體樣本，氨氮去除率增加幅度較小，其原因在于該水體樣本內(nèi)微生物含量較少，其對污水因子內(nèi)氨氮代謝能力稍差。而單一環(huán)保酵素和混合環(huán)保酵素添加到水體樣本內(nèi)后，隨著時(shí)間的增加，二者對氨氮的去除率均呈現(xiàn)上升趨勢，但單一環(huán)保酵素對污水因子內(nèi)氨氮的去除率略低于混合環(huán)保酵素，且同一種環(huán)保酵素的添加含量越多，去除污水內(nèi)的氨氮因子效果越好。其中單一酵素和混合酵素的添加量均為12%時(shí)，對照樣本污水因子內(nèi)氨氮去除率分別高出16.49%和18.6%。上述結(jié)果表明，單一環(huán)保酵素和混合環(huán)保酵素對水中污染物氨氮的去除效果均較好，且其添加含量越高，去除效果越佳。

表3 混合環(huán)保酵素對污染物中氨氮去除率Tab.3 Removal rate of ammonia nitrogen in pollutants by mixed environmental protection enzymes

測試2種環(huán)保酵素在添加量不同情況下對污水中氮元素和磷元素的去除效果，結(jié)果如圖2、圖3所示。

分析圖2可知，對照水體樣本、單一環(huán)保酵素和混合環(huán)保酵素在不同添加量、不同實(shí)驗(yàn)時(shí)間時(shí)，污水中總氮數(shù)值均隨著時(shí)間的增加而降低。其中，對照樣本中總氮含量下降幅度最小，而單一環(huán)保酵素去除后的總氮含量下降幅度稍遜于混合環(huán)保酵素，其原因在于單一環(huán)保酵素內(nèi)酶類數(shù)量和種類均較少，其活性較混合環(huán)保酵素差，導(dǎo)致其氮元素去除效果不佳。而混合環(huán)保酵素的活性較好，可促進(jìn)水體樣本內(nèi)微生物數(shù)量提升，使污水中氮代謝速度加快，因此其去除氮元素效果最為顯著。

圖2 2種環(huán)保酵素在不同添加量條件下去除污水中氮元素的情況Fig.2 Removal of nitrogen in sewage by two kinds of environmental enzymes under different dosage conditions

分析圖3可知，對照樣本、添加不同含量的單一環(huán)保酵素和混合環(huán)保酵素時(shí)，污水中的總磷含量均與實(shí)驗(yàn)時(shí)間呈反比。在實(shí)驗(yàn)時(shí)間為30 h之前時(shí)，對照樣本、添加不同含量的單一環(huán)保酵素和混合環(huán)保酵素的污水中總磷含量呈稍大幅度下降趨勢；當(dāng)實(shí)驗(yàn)時(shí)間超過30 h后，污水因子內(nèi)總磷含量呈平緩下降趨勢，說明此時(shí)水體樣本內(nèi)磷元素代謝已達(dá)到平衡狀態(tài)。而相對于對照樣本來說，添加不同含量單一環(huán)保酵素和混合環(huán)保酵素的污水中總磷含量均較低。上述結(jié)果表明，不同種類的環(huán)保酵素對污水中磷元素的去除效果均較好。

圖3 2種環(huán)保酵素在不同添加量條件下去除污水中磷元素的情況Fig.3 Removal of phosphorus in sewage by two environmental enzymes with different additions

污水中固體懸浮濃度是衡量水體樣本內(nèi)活性污泥微生物的指標(biāo)。由于添加含量為12%的單一環(huán)保酵素和混合環(huán)保酵素對污水因子去除效果最好，以該添加含量的2種酵素和對照樣本為實(shí)驗(yàn)對象，測試在不同時(shí)間情況下，2種環(huán)保酵素作用下對污水中懸浮固體濃度影響。結(jié)果如圖4所示。

圖4 2種環(huán)保酵素對污水中懸浮固體濃度的影響Fig.4 Effects of two environmental enzymes on suspended solid concentration in sewage

分析圖4可知，隨著實(shí)驗(yàn)時(shí)間的增加，添加含量為12%的單一環(huán)保酵素和混合環(huán)保酵素以及對照樣本中的污水懸浮固體濃度均呈上升趨勢，且其上升到一定程度后呈輕微浮動(dòng)狀態(tài)。而添加相同含量混合環(huán)保酵素的污水懸浮固體濃度均高于單一環(huán)保酵素，其原因在于混合環(huán)保酵素在發(fā)酵過程中微生物菌群較單一環(huán)保酵素多，其使大量微生物菌群不斷繁殖，因此其懸浮固體濃度數(shù)值較高。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，添加不同種類的環(huán)保酵素可有效提升污水中的懸浮固體濃度，使水環(huán)境內(nèi)的微生物數(shù)量增加，提升污水因子被消耗代謝能力。

從活性污泥絮體角度，對添加含量為12%的單一環(huán)保酵素和混合環(huán)保酵素的水體樣本進(jìn)行測試，結(jié)果如圖5所示。

圖5 2種環(huán)保酵素對污水中活性污泥絮體的影響Fig.5 Effects of two environmental enzymes on activated sludge flocs in sewage

分析圖5可知，從水體樣本活性污泥絮體表面來看，對照演變的活性污泥絮體表面較為粗糙，而添加含量為12%的單一環(huán)境酵素和混合環(huán)保酵素水體樣本中的活性污泥絮體則表現(xiàn)為較光滑狀態(tài)。上述原因在于，活性污泥絮體是由微生物菌群及較大的懸浮物等構(gòu)成的聚集體，而環(huán)保酵素加入其中后，水體樣本內(nèi)微生物菌群結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，使水體樣本中生成大量氣泡，對污泥絮體形成一定的破壞作用。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在水體樣本內(nèi)添加環(huán)保酵素可破壞其污泥形成，達(dá)到去除污水因子目的。

以溶氧量(DO)作為衡量指標(biāo)，測試添加含量為12%的單一環(huán)保酵素和混合環(huán)保酵素對污水中溶氧量的影響，結(jié)果如圖6所示。

圖6 2種環(huán)保酵素對污水中溶氧量的影響Fig.6 Effects of two environmental enzymes on dissolved oxygen in sewage

分析圖6可知，對照樣本的溶氧量隨著時(shí)間的增加呈現(xiàn)緩慢降低趨勢，而添加單一環(huán)保酵素和混合環(huán)保酵素的污水中溶氧量呈平衡略有上升狀態(tài)。上述原因在于對照樣本內(nèi)微生物數(shù)量較少，無法經(jīng)過新陳代謝生出大量氧氣。添加單一環(huán)保酵素和混合環(huán)保酵素的污水因子內(nèi)溶氧量出現(xiàn)上升是因?yàn)榻退鼐龠M(jìn)了水體內(nèi)微生物繁殖，微生物數(shù)量增多后其在活動(dòng)中會(huì)產(chǎn)生一定氧氣，從而提升水體內(nèi)的溶氧量，使水環(huán)境中形成良性循環(huán)狀態(tài)，進(jìn)一步去除了水環(huán)境內(nèi)的污染物。

3 結(jié)論

本文研究了環(huán)保酵素去除水中污染物的效果，通過大量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表明，不同果蔬配比情況下生成的環(huán)保酵素應(yīng)用效果也不盡相同，其配比水果種類越多，在去除水中污染物時(shí)的效果越好，且其在水體內(nèi)添加含量越多，水環(huán)境內(nèi)催生的微生物菌群和結(jié)構(gòu)越多，污染物被消耗代謝速度越快。在相同添加量情況下，混合環(huán)保酵素去除污染物能力略高于單一環(huán)保酵素。