魏 巍， 袁浩铭， 刘 洋， 张金月

(吉林师范大学环境科学与工程学院，吉林四平136000)

生物脱氮菌剂净化富营养化水源水研究

魏 巍， 袁浩铭， 刘 洋， 张金月

(吉林师范大学环境科学与工程学院，吉林四平136000)

采用实验室模拟方法，将生物脱氮菌剂直接投加到富营养化原水中，研究了生物菌剂的最佳投加量及其对原水水质的净化效果。结果表明，当菌剂投加量为0.1 mg/L时，生物菌剂对富营养化水源水的脱氮效果最好，增加或降低投加量均会影响生物菌剂的脱氮效果；当菌剂投加量为0.1 mg/L时，运行期间生物投菌系统对硝氮和总氮的最大去除率分别达到61.6%和51.6%， CODMn和TOC的去除率分别为8.71%～32.57%和10.92%～36.80%。生物投菌系统因为投加了脱氮能力较好的高效菌种，使系统内菌群竞争优势发生变化，从而提高了整个系统的脱氮能力。

生物菌剂； 富营养化； 水源水； 脱氮

随着工农业污染和水土流失的加剧，饮用水水源受到严重污染。据调查，我国七大水系、主要水库、湖泊及部分地下水均受到不同程度的污染，其中湖泊、水库以富营养化为特征，主要污染指数为总氮、总磷及高锰酸盐指数。寻求一种高效的富营养化水源水体的治理技术具有一定的现实意义。

在富营养化水源水体处理技术中，菌剂投加技术因其价格低廉、高效节能等优点而被广泛应用。生物制剂的组成可以概括为微生物、酶及一些保持微生物活性的物质。微生物制剂具有很多优点：对特定污染物降解能力强，能缩短微生物培养驯化的时间，迅速提高生物处理系统中微生物的浓度，从而提高工作效率；不会造成二次污染；使用安全，操作简单方便，基本不需要添加设备或者工程，节省能源及资金投入。在农业、工业、医药、食品等各个领域均有广泛应用，但是应用于富营养化湖泊、水库水体的还不多。

对于生物投菌技术，国内已有关于光合细菌、硝化细菌、芽孢杆菌等以及它们组成的复合微生物改善富营养化水体的研究报道[1]。但大多停留在实现不同形式氮素的转换上，对于如何将多余的氮素从水体环境中彻底脱除则研究不多。因此，没有从根本上解决水环境氮素污染负荷日益增高的问题[2]。

笔者针对富营养化湖泊、水库水体氮源和有机污染问题，在实验室驯化并筛分出高效脱氮菌种，通过复配实验得到对氮源及有机物去除效果较好且对

环境安全的生物菌剂。向富营养化水体投加该生物菌剂，强化对污染物的生物降解作用，探索其对富营养化水体的脱氮效果，可为生物脱氮菌剂实际应用于富营养化湖泊、水库水体提供一些理论依据。

1 材料及方法

1.1 试验材料

生物脱氮菌剂：由3株从水库底泥中筛分的高效脱氮菌种组成。将各菌株在适宜的条件下进行活化培养，培养时间根据菌体生长情况而定，然后将上述处于对数生长期的活化菌悬液按照相同比例混合制备得到生物脱氮菌剂[3-4]。

试验用水：取自某富营养化水源水体，相关水质指标见表1。

表1 用水水质

1.2 试验仪器

HZQ-F200立式空气恒温振荡培养箱；DR 5000紫外可见分光光度计。

1.3 试验装置及方法

采用非连续流方式模拟自然条件下水源水体的原位生物修复过程。系统主体为密闭式圆柱形有机玻璃容器，有效容积为50 L。采用2组试验装置，其中一组作为空白对照试验(不投加生物脱氮菌剂)，另外一组投加生物脱氮菌剂。整个试验共运行30天，试验期间定期测定水中的总氮、硝酸盐氮、氨氮、TOC和CODMn。

1.4 分析方法

总氮：过硫酸钾氧化-紫外分光光度法；硝酸盐氮：酚二磺酸光度法；氨氮：纳氏试剂光度法；总磷：钼锑抗分光光度法；高锰酸盐指数：酸性法。

2 结果与分析

2.1 最佳投加量的确定

原水中的总氮主要由有机氮、硝氮、氨氮和亚硝氮组成，且总氮主要表现为硝态氮，占总氮浓度的80%以上，因此硝氮去除率直接影响总氮的去除效果。由于原水中氨氮浓度较低，故试验考察了生物脱氮菌剂在不同投加量条件下对水中总氮和硝氮的去除效果，根据对氮源污染物质的去除效果确定生物菌剂的最佳投加量，试验结果如表2所示。由表2可以看出，当投加量为0.1 mg/L时，生物菌剂对水中总氮和硝氮的去除效果最好，最大去除率分别达到72.1%和73.8%。当投加量增至1.0 mg/L时，生物菌剂对原水的脱氮效果反而下降，这是由于水源水中营养物浓度相对较低，当细菌的数量超过一定限度时，相互之间产生竞争，共同争夺碳源、氮源等营养物质，一部分细菌在竞争中处于劣势，生长受到抑制，从而降低了细菌生长的数量，最终导致对脱氮效率的影响。当投加量降低至0.05 mg/L时，脱氮效果下降，这是由于投加的微生物量过低，在与土著细菌共同争夺碳源、氮源等营养物质时处于劣势，生长繁殖缓慢，降低了细菌生长的数量，使生物修复过程受到限制，从而影响氮源污染物质的去除效果[2]。综上所述，采用生物脱氮菌剂净化富营养化水源水体时，应加入适量的微生物菌剂，该试验选择0.1 mg/L作为生物脱氮菌剂的最佳投加量。

表2 不同投加量下生物脱氮菌剂对氮源污染物的去除效果

2.2 水源水氮源污染物去除效果

当投加量为0.1 mg/L时，考察了生物菌剂对富营养化水源水氮源污染物的去除效果，结果如表3所示。由表3可以看出，试验运行期间，在原水土著微生物和生物脱氮菌剂的共同作用下，空白对照系统及生物投菌系统对原水氨氮均有较好的处理效果，系统运行至第12天已基本检测不出氨氮。投菌系统比空白对照系统氨氮降解速率更快，运行至第6天已检测不出氨氮。系统运行后期，氨氮浓度略有升高，可能是由于部分菌体死亡分解导致。

表3 运行期间生物脱氮菌剂对氮源污染物的去除效果

由表3可以看出，投加适量生物脱氮菌剂后，在土著微生物和脱氮菌种的共同作用下，生物投菌系统中的硝氮和总氮浓度不断降低，系统运行期间硝氮和总氮浓度可由初始的1.38 和1.55 mg/L分别降至0.53和0.75 mg/L，最大去除率分别为61.6%和51.6%。而空白对照系统在运行过程中对硝氮和总氮的去除效果不明显，硝氮和总氮最大去除率仅为8.7%和14.0%，且去除效果不稳定。运行初期硝氮浓度升高，这是由于氨氮在硝化过程中产生硝氮所致。随着运行时间的延长，投加的生物脱氮菌剂逐渐适应原水环境条件，硝氮和总氮去除率不断提高。综上所述，与空白对照系统相比，生物投菌系统因为投加了脱氮能力较好的高效菌种，使系统内菌群竞争优势发生变化，从而提高了整个系统的脱氮能力。

2.3 水源水有机污染物去除效果

当菌剂投加量为0.1 mg/L时，原水中CODMn和TOC含量的变化见表4。由表4可以看出，随着运行时间的增加，生物脱氮菌剂逐渐适应原水水质条件，因此有机物浓度不断降低，在运行过程中CODMn和TOC的去除率分别为8.71%～32.57%和10.92%～36.80%，CODMn和TOC含量分别由初始的4.82和5.68 mg/L降至3.25和3.59 mg/L。水体中去除有机物的菌类主要是异养菌，异养菌的存在使可生物降解的有机物发生氧化反应，从而使有机物中的碳被氧化为二氧化碳，有机氮氧化为氨态氮。此外，投加的脱氮菌种利用原水中的有机物作为电子供体进行反硝化反应，这在一定程度上也影响着对有机物的降解效果。

表4 有机污染物去除效果

2.4 生物相变化分析

生物脱氮系统中微生物的种类及生物活性是决定原水净化效果的关键。试验通过投加高效脱氮菌剂，形成了对原水环境条件适应性强的优势菌群，表现出良好的去除氮源污染物的效果。试验运行过程中，对生物脱氮系统中的反硝化细菌进行计数，结果表明反硝化细菌的数量随着运行时间的延长逐渐降低。原因可能是：随着原水中氮、磷及有机物等基质浓度的逐渐降低，微生物合成代谢受到限制，影响细菌的生长繁殖，导致反硝化细菌数量降低。此外，运行后期镜检可见原生动物，原生动物与细菌之间存在着制约关系，原生动物吞噬细菌抑制细菌群体的蔓延，而细菌被破坏后又不断繁殖生长，这就需要以原水中的有机物为食料，从而达到净化水质的目的[5]。

3 结论

① 采用从水库底泥中筛分的高效脱氮菌种作为菌源制成生物菌剂，当菌剂投加量为0.1 mg/L时，生物菌剂对富营养化水源水的脱氮效果最好，投加量增加或降低均会影响生物菌剂的脱氮效果。在实际应用中应加入适量的微生物菌剂为宜。

② 当菌剂投加量为0.1 mg/L时，运行期间生物投菌系统硝氮和总氮可由初始的1.38 和1.55 mg/L分别降至0.53和0.75 mg/L，最大去除率分别达到61.6%和51.6%。而空白对照系统脱氮效果不明显，硝氮和总氮最大去除率仅为8.7%和14.0%。在运行过程中CODMn和TOC的去除率分别为8.71%～32.57%和10.92%～36.80%。

③ 与空白对照系统相比，生物投菌系统因为投加了脱氮能力较好的高效菌种，使系统内菌群竞争优势发生变化，从而提高了整个系统的脱氮能力。与现有大多研究中需另外投加碳源的方法比较，该技术成本低、操作简单。

④ 生物脱氮菌种是从水库底泥中筛分的内源微生物，因此容易适应原水水质环境，且可以在不使体系发生较大变化的情况下获得理想的净化效果，不存在生物风险问题。

[1] 曹式芳, 庞金钊, 杨宗政, 等. 生物技术治理富营养化景观水体的研究[J]. 天津轻工业学院学报,2002,12(4):1-3.

[2] 魏巍. 微污染水源扬水曝气强化原位生物脱氮特性与试验研究[D]. 西安: 西安建筑科技大学,2011.

[3] 魏巍, 黄廷林, 苏俊峰, 等. 1株贫营养好氧反硝化菌的分离鉴定及其脱氮特性[J]. 生态环境学报, 2010,19(9): 2 166-2 171.

[4] 魏巍, 黄廷林. 低温好氧反硝化菌的分离鉴定及脱氮特性研究[J]. 供水技术,2012,6(6): 12-16.

[5] 李伟英. 给水生物预处理工艺中生物相变迁规律及作用[J]. 环境与开发, 2000,15(2):6-8.

Study on purification of eutrophicated water source by biological denitrifier agents

Wei Wei, Yuan Haoming, Liu Yang, Zhang Jinyue

(SchoolofEnvironmentalScienceandEngineering,JilinNormalUniversity,Siping136000,China)

The optimum dosage and purification effect on eutrophicated water source was investigated by directly adding biological denitrifier agents in the water under laboratory simulation conditions. The results showed that the nitrogen removal effect of the agents in water was the most desirable when the dosage was 0.1 mg/L, and if increasing or decreasing the dosage would affect the denitrification efficiency. When the dosage was 0.1 mg/L, the maximum removal rates of nitrate nitrogen and total nitrogen reached 61.6% and 51.6% respectively, and the removal rate ranges of TOC and CODMnwere 8.71% to 32.57% and 10.92% to 36.80% during the operation in the agents inoculation system. The high efficiency denitrification bacteria could improve the bacteria group competitiveness and optimization in the whole system, so as to improve the ability of nitrogen removal.

biological agents； eutrophication； water source； denitrification

TU991

A

1673-9353(2016)06-0015-04

10.3969/j.issn.1673-9353.2016.06.004

魏 巍(1976- )， 女， 博士， 主要研究方向是水处理与水质微污染控制。E⁃mail：651430136@qq．com

2016-09-30