河湖生態(tài)治理用微生物菌劑篩選與投加量研究

摘要：為了解不同市售菌種對污染河湖水體的凈化效果及最佳投加量，特在室內(nèi)進行試驗，篩選出凈化效果較好的市售微生物菌劑，確定最佳投加量，將其作為工程化應(yīng)用培養(yǎng)菌種。試驗結(jié)果表明，總體來看，光合細(xì)菌1#、硝化細(xì)菌3#和芽孢桿菌8#對污染河水中氨氮（NH3-N）、總磷（Total Phosphorus，TP）及化學(xué)需氧量（Chemical Oxygen Demand，CODCr）的去除效果均最好，40 h后對NH3-N與TP的去除率均可超過50%，對CODCr的去除率也可超過40%。光合細(xì)菌1#的菌液投加量為2 g/L，硝化細(xì)菌3#和芽孢桿菌8#的菌粉投加量為0.02 g/L時，NH3-N、CODCr及TP的去除率均最高。在實際工程中，綜合考慮成本和效果，可采用上述投加量混合投加微生物菌劑。

關(guān)鍵詞：污染水體；生態(tài)治理；微生物菌劑；篩選；投加量；光合細(xì)菌；硝化細(xì)菌；芽孢桿菌

中圖分類號：X52 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1008-9500（2024）05-000-05

DOI：10.3969/j.issn.1008-9500.2024.05.003

Study on Selection and Dosage of Microbial Agents for Ecological Treatment of Rivers and Lakes

ZHANG Huajun， YAO Xing， ZHANG Wenlei

（School of Tourism and Resource Environment， Qiannan Normal University for Nationalities， Duyun 558000， China）

Abstract： In order to understand the purification effect and optimal dosage of different commercially available microbial strains on polluted river and lake water bodies， indoor experiments are conducted to select commercially available microbial agents with better purification effects， determine the optimal dosage， and use them as engineering application cultivation bacterial strains. The experimental results show that overall， photosynthetic bacteria 1#， nitrifying bacteria 3#， and bacillus 8#

have the best removal effects on ammonia nitrogen （NH3-N）， total phosphorus （TP）， and chemical oxygen demand （CODCr） in polluted river water， after 40 h， the removal rates of NH3-N and TP can all exceed 50%， and the removal rate of CODCr can also exceed 40%. The removal rates of NH3-N， CODCr， and TP are the highest when the bacterial liquid dosage of photosynthetic bacteria 1# is 2 g/L， and the bacterial powder dosage of nitrifying bacteria 3# and bacillus 8# is 0.02 g/L. In practical engineering， considering both cost and effectiveness， the above dosage can be mixed with microbial agents.

Keywords： polluted water bodies; ecological treatment; microbial agents; selection; dosage; photosynthetic bacteria; nitrifying bacteria; bacillus

生物技術(shù)具有能耗少、易操作、無二次污染等優(yōu)點，已成為污染河湖治理的研究熱點[1]。在眾多生物技術(shù)中，微生物技術(shù)是較具有發(fā)展前景的技術(shù)[2]。河水的凈化作用主要依靠微生物降解污染物來實現(xiàn)，當(dāng)污染閾值超過河湖自凈能力時，僅靠河湖土著微生物已無法維持生態(tài)系統(tǒng)平衡，這時投加微生物菌種是一種重要的治理方法[3]。實踐表明，直接將菌種投加在重污染河湖中，在無徹底截污和清除內(nèi)源的情況下，可初步消除黑臭，提升水質(zhì)[4]。微生物菌劑是由篩選擴培的優(yōu)勢土著微生物及市售的具有廣譜降污能力的菌種復(fù)配而成[5]，向污染河湖中投加適量菌劑可促進水中污染物生物降解，有效菌種主要有光合細(xì)菌、硝化菌、芽孢桿菌、酵母菌、乳酸菌及雙歧桿菌等[6-8]。下面結(jié)合工程應(yīng)用，分析同等條件下多種市售微生物菌劑的處理效果，篩選出處理效果較優(yōu)的工程應(yīng)用菌劑，確定最佳投加量，以期掌握微生物在水體凈化中的作用，為生物法治理污染水體提供實踐參考。

1 材料與方法

1.1 微生物菌劑篩選試驗

試驗用水取自某污染河流，水體渾濁，呈墨綠色，略帶臭味。經(jīng)檢測，水樣pH為7.4，溶解氧（Dissolved Oxygen，DO）含量為3 mg/L，氨氮（NH3-N）含量為8.0 mg/L，化學(xué)需氧量（Chemical Oxygen Demand，CODCr）為67 mg/L，總磷（Total Phosphorus，TP）含量為2.738 mg/L。首先將污染河水混合均勻，然后均分，將水樣置于10個塑料桶（容積10 L）中，接入不同品種的市售菌種。基于知識產(chǎn)權(quán)保護，菌種命名為光合細(xì)菌（編號1#和2#）、硝化細(xì)菌（3#、4#、5#和6#）和芽孢桿菌（7#、8#、9#和10#）。同時，以不接種菌種作為空白對照組。其中，光合細(xì)菌投加菌液2 g，硝化細(xì)菌和芽孢桿菌各投加菌粉1 g，每個塑料桶持續(xù)曝氣，使水體DO含量維持在4～6 mg/L，每隔8 h取樣，檢測水樣的NH3-N、CODCr和TP含量。

1.2 微生物菌劑投加量比選試驗

試驗用水取自同一河流，水體渾濁，呈墨綠色，略帶臭味。經(jīng)檢測，水樣pH為7.8，DO含量為4 mg/L，NH3-N含量為15.3 mg/L，CODCr含量為103 mg/L，TP含量為4.091 mg/L。首先將污染河水混合均勻，然后均分，將水樣置于12個塑料桶中（容積10 L）。根據(jù)菌種篩選試驗結(jié)果，接入不同梯度含量的篩選菌種，菌種為光合細(xì)菌（1#）、硝化細(xì)菌（3#）和芽孢桿菌（8#）。根據(jù)工程經(jīng)驗，光合細(xì)菌1#的菌液投加量分別為20 g、30 g、40 g和50 g，硝化細(xì)菌3#的菌粉投加量分別為0.1 g、0.2 g、0.5 g和1.0 g，芽孢桿菌8#的菌粉投加量分別為0.1 g、0.2 g、0.5 g和1.0 g。每個塑料桶連續(xù)曝氣，使水體DO含量維持4～6 mg/L。每隔8 h取樣，檢測水樣的NH3-N、CODCr和TP含量。水質(zhì)化學(xué)指標(biāo)采用哈希水質(zhì)快速分析儀測定；DO采用便攜式溶氧儀測定。作圖采用Origin 17.0軟件。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同菌劑的污水處理效果對比

不同光合細(xì)菌對河水污染物的處理效果如圖1所示。由圖1可知，投加光合細(xì)菌后的處理效果均相對于空白組差，原因可能是菌劑的投加增加試驗用水的總污染物，菌劑投加等同于向水中投入有機污染物。微生物馴化前期，微生物增長導(dǎo)致的水體污染物增加速率大于微生物對有機物的降解速率，故有些污染物含量上升，空白處理效果好[3]。但從比較來看，光合細(xì)菌1#對各污染物的去除效果均優(yōu)于光合細(xì)菌2#。不同硝化細(xì)菌對河水污染物的處理效果如圖2所示。由圖2可知，硝化細(xì)菌3#對各污染物的去除效果均優(yōu)于其余3組。不同芽孢桿菌對河水污染物的處理效果如圖3所示。由圖3可知，綜合來看，芽孢桿菌8#對河水污染物的去除效果優(yōu)于其余3組。

分別比較不同光合細(xì)菌、硝化細(xì)菌和芽孢桿菌對河流污染物的去除效果，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，硝化細(xì)菌3#對河水中NH3-N、CODCr及TP的去除效果均最好，48 h后對NH3-N和TP的去除率均超過50%，CODCr去除率超過40%，其次是硝化細(xì)菌6#，對NH3-N和TP的去除率也超過30%，芽孢桿菌對NH3-N和TP的去除率在48 h后也能達(dá)到20%。相比硝化細(xì)菌和芽孢桿菌，光合細(xì)菌對NH3-N的去除效果較差，但對CODCr和TP的去除效果較好，能達(dá)到30%。

2.2 不同篩選菌劑投加量的處理效果對比

不同光合細(xì)菌投加量對河水污染物的影響如圖4所示。在投加光合細(xì)菌1#后的前32 h，隨著時間的增加，NH3-N去除率基本保持不變，之后去除率顯著提高?？傮w來看，光合細(xì)菌1#投加后，CODCr和TP的去除率逐漸提高。不同硝化細(xì)菌投加量對河水污染物的影響如圖5所示。在投加硝化細(xì)菌3#后的前8 h，隨著時間的增加，NH3-N去除率基本保持不變，之后去除率逐漸提高，CODCr及TP的去除率均呈逐漸增加趨勢。不同芽孢桿菌投加量對污染物的影響如圖6所示。芽孢桿菌8#對NH3-N的去除率與光合細(xì)菌基本一致，隨著時間的增加，各污染物去除率增加。

實際工程中，當(dāng)微生物菌劑投加量過高時，水體污染物去除率沒有明顯提高，有的反而降低，故選擇合適的微生物投加量是非常重要的，投加量過多不但不會顯著提升處理效果，反而會增加運行成本。微生物菌劑投加量比選必須兼顧實際處理效果和運行成本。當(dāng)投放單一菌種，光合細(xì)菌1#的菌液投加量為20 g/L時，NH3-N、CODCr及TP的去除率均最高；硝化細(xì)菌3#和芽孢桿菌8#的菌粉投加量均為0.2 g/L時，NH3-N、CODCr及TP的去除率均最高。

3 討論

光合細(xì)菌以光為能源，在厭氧光照下利用有機物、硫化物、氨等作為供氫體兼碳源進行光合作用，降低水體NH3-N、CODCr及TP含量，改善水體菌落環(huán)境，提升水體溶氧量[9-11]。研究表明，光合細(xì)菌對水體NH3-N的去除率可達(dá)95%，并能吸收利用水中的亞硝酸鹽和H2S等[12]。從光合細(xì)菌去除污染物的影響因素來看，pH的影響強于水力停留時間和菌液投加量，水力停留時間的影響強于菌液投加量[9]。在實際工程應(yīng)用中，一般可將光合細(xì)菌與水生植物結(jié)合，污水處理效果更好。水生植物及其根系可為光合細(xì)菌的生長、繁殖提供適宜環(huán)境，直接或間接促進N、P吸收和污染物去除。光合細(xì)菌把亞硝基氮和有機氮轉(zhuǎn)化成水生植物能吸收的硝基氮和氨氮，形成一個氮轉(zhuǎn)化的通路，不斷降低水中污染物含量[10]。硝化細(xì)菌屬化能自養(yǎng)菌，大多數(shù)為專性無機營養(yǎng)菌，均為專性好氧菌，O2為最終電子受體，在污水生物脫氮與NH3-N去除方面有重要作用。將硝化細(xì)菌投放于水體，能改善污水脫氮效果。研究表明，固定化硝化細(xì)菌膠球處理人工污水，NH3-N去除率可達(dá)90%左右[13]。需要注意的是，硝化過程必須在好氧環(huán)境下進行，如果溶氧不足，硝化細(xì)菌得不到充足的氧，活性將受到影響，新陳代謝能力降低，使NH3-N去除率下降[14]。芽孢桿菌是一類好氣性細(xì)菌，能分泌多種酶類，在其生命過程中能以孢子體形式存在，易于生產(chǎn)和保存，作為水體生態(tài)治理劑，有廣闊應(yīng)用前景[15]。芽孢桿菌可產(chǎn)生蛋白酶、淀粉酶，把水中及底泥中的蛋白質(zhì)有機物分解、吸收，降解水體污染物，它還可通過消滅病原體或減少病原體的影響來改善水質(zhì)，該菌產(chǎn)生的細(xì)菌素能抑制一些致病菌的生長[15]。

菌劑直接投加在河流中，并沒有完全流失，而是在河底淤泥上生長、繁殖，并隨著水流及河底淤泥的移動充滿整條河流，但限制范圍內(nèi)的處理效果會降低。固定化技術(shù)可以將游離微生物固定于載體空間內(nèi)，使其保持活性，降低流失，保證限定區(qū)域內(nèi)處理效果穩(wěn)定[14]。同時，打破凈水過程中溶解氧對微生物的限制，減少微生物使用量，延長微生物作用期限，有助于完善微生物凈水技術(shù)，拓展應(yīng)用空間[15-16]。

4 結(jié)論

總體來看，光合細(xì)菌1#、硝化細(xì)菌3#和芽孢桿菌8#對污染河水中NH3-N、CODCr、TP的去除效果最好，投加40 h后，NH3-N和TP的去除率均超過50%，CODCr去除率可超過40%，實際工程可使用這幾類菌劑。各微生物處理組中，NH3-N去除率前期較小，處理32 h后快速增加，而CODCr和TP的去除率則隨時間增加而增加。光合細(xì)菌1#的菌液投加量為20 g/L，硝化細(xì)菌3#和芽孢桿菌8#的菌粉投加量為

0.2 g/L時，NH3-N、CODCr及TP的去除率均最高。在實際應(yīng)用中，綜合考慮成本和效果，可采用上述投加量投加微生物菌劑。復(fù)合微生物菌劑對污染河湖具有較好的凈化效果，綜合運用各類微生物，結(jié)合植物凈化、固定化及曝氣等，可取得更好的治理效果。其間，要加強水體監(jiān)測，及時投加復(fù)合微生物菌劑，從而保證治理效果的持續(xù)性。

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