李勤生，王若雪，王業(yè)勤

(武漢益生泉生物科技開發(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)中的重要微生物類群[1]。它們既是初級生產(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型的特點，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)品和能源開發(fā)的對象，有關(guān)光合細(xì)菌的研究具有重要的理論和應(yīng)用價值[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)動著地球生物化學(xué)過程[8]。但它們是自然形成的，生物膜中的微生物種類是隨機(jī)的，無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)用于污水處理時需要掛膜時間。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、啟動快、高效、長效、可重復(fù)使用等特點，還可以根據(jù)污染物的性質(zhì)選用針對性的應(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型污水處理應(yīng)用實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)用試驗效果如下。

1 試驗材料和方法

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利技術(shù)方法制備成人造生物膜膜片型[13]。本試驗用膜片規(guī)格為每條20 cm×5 cm×0.1 cm,3 g。

1.3 污水來源

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 試驗方法

用量：在1 L三角瓶中加入l L試驗污水，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。

檢測方法：按試驗設(shè)計取樣分析，分析方法按國標(biāo)進(jìn)行。氨氮檢測按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

檢測結(jié)果表明，RP-1 ABF對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，間歇曝氣的去除量僅是連續(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?？梢?，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碳源的競爭，高氨氮去除抑制了TP的去除，這與以往的試驗和工程應(yīng)用的表現(xiàn)是一致的。

重復(fù)試驗中對氨氮和NO2-N的濃度作了調(diào)整。試驗分為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，高氨氮對脫氮沒有抑制，而且在C/N為3.6時，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RP-1 ABF 脫氮除磷活性的影響

試驗按以下方式進(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，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，氨氮則是在起始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。綜合幾項指標(biāo)，以起始pH值為7條件下，對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，CODCr去除率低，經(jīng)過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)過添加碳源后再曝氣24 h，仍然有601 mg/L CODCr，說明污染湖水中存在來自垃圾滲濾液的難降解CODCr；與此同時，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96 h處理后，TP減少了1/3，延長處理時間將達(dá)到更好的效果。

3 結(jié)語

(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條件下對污水中存在的亞硝酸鹽都有良好的反硝化脫氮作用。pH對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)試驗中RP-1 ABF 對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?；谏鲜鯮P-1 ABF的優(yōu)勢，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。