燕可翀

(太原城市职业技术学院，山西 太原 030027)

0 引言

黑臭水体的形成是由于水环境纳入的有机污染超过自净能力，有机物分解消耗溶解氧，产生H2S和NH3等气体，同时产生FeS和MnS等黑色物质，从而造成的一种极端污染水体。水体发黑并伴有臭味，水中的浮游生物基本消失，水生植物严重退化，环境中的食物链断裂，水体生态平衡遭到破坏，水体功能丧失[1]。黑臭水体不仅影响环境景观，还对人体产生健康危害。黑臭水体的治理方法主要有物理处理、化学处理和生物处理3大类。由于生物法具有处理量大、成本较低和无二次污染等优点而被广泛用于黑臭水体的治理[2]。

生物处理主要包括微生物强化净化和植物净化两类。而投加菌剂是黑臭水体治理中最常用的微生物强化法。通过投加选育的菌剂可以使水体中微生物多样性和生物量提高，从而加快微生物对污染物的降解过程。投放的菌剂一般为土著菌剂及工程菌剂两大类[3]。黄彬等[4]从活性污泥中筛选出高效反硝化菌株B8，用于A/O生物反应器强化去除总氮(total nitrogen，TN)和总磷(total phosphorus，TP)，去除率达到70.72%和73.03%。王海珊等[5]使用土著菌剂在摇瓶中进行黑臭水净化试验，结果显示对氨氮(NH3-N)、TP和化学需氧量(chemical oxygen demand，COD)的去除率分别达到92.39%、89.29%和62.93%。尹莉等[6]研究了使用工程菌强化黑臭水体的净化，结果显示，在最佳试验条件下，COD、NH3-N、TP浓度分别由800、37和2.44 mg/L降到53、0和1.33 mg/L，去除率分别达到了93.38%、100%和45.49%。

微生物菌剂强化虽然具有较好的水体净化作用，但是外加菌剂容易流失，水体净化持续时间短，或者需要不断添加菌剂，从而抬高工程化成本。为了提高并完善游离微生物净化的持续效果，微生物固定化技术从20世纪60年代开始迅速发展起来。通过筛选微生物的载体，避免菌体流失，提高菌体利用率与处理效率，从而降低工程成本[7]。

此外，针对污水处理过程中存在脱氮效率低的问题，发展出了向缺氧区投加外碳源提高反硝化脱氮效率的工艺。TONG J等[8]利用回收氮磷后的剩余污泥水解酸化液作为外加碳源，TN和TP的去除率分别为83.2%和92.9%。木质纤维素类生物质主要成分为纤维素、半纤维素和木质素等，其碳氮比比剩余污泥高，更适合作为外加碳源[9]。邵留等[10]选择稻草作为碳源直接投加到含硝酸盐的污水中，孙雅丽等[11]以刨花、玉米芯和腐朽木为碳源物质，对污水中硝酸盐氮的去除效果进行了研究，均取得了较好的结果。

通过上述文献分析，结合对菌剂的吸附固定材料筛选，提出使用汽爆玉米秸秆作为菌剂吸附固定材料的设想，经过汽爆预处理的秸秆使吸附面积大幅增加，通过汽爆预处理也使秸秆中的纤维素和半纤维组方分离，更易于被微生物降解，从而也可以作为废水处理过程的外加碳源[12]。

1 材料和方法

1.1 试验材料

试验所需水样取自河北省邢台市某村污水河道，该河道流速低，污染较重，水体黑臭，河道两岸有较多居民和各种中小企业，是较为典型的农村黑臭水体。将该黑臭河道的水样静置2 h后，测定水样的主要参数，结果如表1所示。

表1 试验用水水质主要参数

1.2 试验方法

1.2.1 复合微生物菌剂的制备

将黑臭水样置于25 ℃培养箱中，以160 r/min振荡培养3 d，将振荡培养后的污水与原污水以体积比1∶10的比例混合，并置于培养箱中，以相同的条件振荡培养2 d，重复上述步骤，共传代4次，富集培养得到复合微生物菌剂。

1.2.2 汽爆玉米秸秆的制备

玉米秸秆使用粉碎机粉碎为长度<1 cm的小段，喷入50%(W/W)的自来水，混匀后装入汽爆反应器中进行汽爆预处理，预处理条件为蒸汽压力1.2 MPa，停留时间5 min[13]。汽爆预处理完成后，在60 ℃下烘干并粉碎到60目以下，制得汽爆玉米秸秆粉。

1.2.3 固定复合微生物菌剂的制备

将汽爆玉米秸秆粉和复合微生物菌剂以质量体积比为1∶50进行混合，然后置于培养箱中，以25 ℃和200 r/min振荡培养3 d，使汽爆玉米秸秆粉和复合菌剂充分混合固定，最后离心分离得到固定化复合微生物菌剂。

1.2.4 黑臭水净化能力测定

取10 L河道黑臭水体置于体积为15 L的塑料桶中，添加一定量的固定化复合菌剂(另设对照组，添加游离菌剂或者汽爆玉米秸秆粉或者不加菌剂)，在常温下以曝气好氧的方式进行污水净化反应，通过控制曝气流速，使水体中溶氧控制在(2±0.5)mg/L。每隔一定时间取样测定CODCr、NH3-N、TP，通过污水净化速率和污染物去除率来考察固定化复合菌对河道黑臭水体的净化效果和净化速率。所有的试验设置3个平行，试验结果以平均值±SD的方式报告。

1.2.5 水质测定方法

主要分析项目及分析方法下：pH，HANNA HI98129型pH计；溶解氧(DO，mg/L)，HACHHQ30D溶氧仪；COD采用重铬酸盐法测定，并标记为CODCr；TN，mg/L，碱性过硫酸钾氧化-紫外分光光度法；NH3-N，ml/L，纳氏试剂分光光度法；TP，mg/L，过硫酸钾氧化-钼锑抗分光光度法[13]。

1.2.6 统计分析

采用Microsoft 365中的Excel和OriginPro 2016(64Bit)对数据进行整理和作图，采用Minitab®19.1(64-bit)对数据进行差异显著统计分析。

2 结果和讨论

2.1 菌剂类型对于污染物去除效果的影响

通过COD去除率考察了不同菌剂的添加对于污水净化的效果。试验中菌剂的添加量为每升污水添加50 mL菌剂摇瓶制备的固定化复合菌剂，对照组则分别添加1 g玉米秸秆或者50 mL摇瓶培养复合菌液。从图1可以看出，固定菌剂的添加具有最佳的效果，当添加游离菌剂时，5 d后COD从最初的612 mg/L降低到了(122±28)mg/L，COD的去除率为80.06%±4.58%；当使用固定菌剂时，从1 d后COD的去除速率就显著快于游离菌剂，到5 d时，COD的去除率达到了91.99%±2.78%，较游离菌剂提高了11.49个百分点。统计学分析显示，固定菌剂的去除率极显著地高于无添加组(T=13.03，P=0.001)和汽爆秸秆粉组(T=8.42，P=0.004)，显著高于游离菌剂组(T=3.86，P=0.031)。这说明经过汽爆秸秆粉的固定化后，复合微生物菌剂对于外界冲击因素的抵抗性更强，活性更高，繁殖能力更强，处理效果更好。

图1 不同菌剂对于黑臭河水COD的去除效果Fig.1 Removal efficiency of COD from black and odorous water by different microbial agents

2.2 菌剂用量对污染物去除效果的影响

在污水处理过程中，菌剂的生产成本较高，菌剂用量是影响工程造价的关键因素[14]。为了获得最佳的菌剂用量，考察了菌剂用量对于黑臭水体中COD、NH3-N和TP的去除效果。菌剂用量在前期试验优化的基础上，分别考察了1∶20、1∶50和1∶100共3个比例，即相当于每升污水中添加50、20和10 mL菌剂液获得的固定复合菌剂。

如图2和表2所示，添加量为1倍剂量(10 mL/L)的COD的去除效果和2倍添加量(20 mL/L)的去除效果有显著的差别(T=4.46，P=0.011)，而2倍添加量和5倍添加量(50 mL/L)的去除效果在5 d后则没有明显的区别(T=0.74，P=0.514)。通过上述分析可知，使用2倍添加量的菌剂，既能达到一定的效果，又能在一定程度上降低实际工程中的造价，可能是最佳的选择。

图2 固定化复合菌剂用量对于黑臭水COD净化效果的影响Fig.2 Effect of immobilized compound microbial inoculant amount on COD purification of black and odorous water

表2 菌剂用量对于黑臭水中污染物去除率的影响

图3和表2对比了不同菌剂用量对于氨氮的去除效果。相对于1倍添加量，2倍和5倍添加量可以显著增加氨氮的去除速率，这在处理过程的前4 d表现明显，但也观察到，随着时间延长到第5天，最后的氨氮去除率并没有显著的差别(1倍添加量和2倍添加量的第5天数据进行比较，T=1.29，P=0.326)。

图3 固定化复合菌剂用量对于黑臭水中氨氮去除效果的影响Fig.3 Effect of immobilized microbial inoculant amount on removal efficiency of ammonia nitrogen in black and odorous water

图4和表2比较了固定化复合菌剂用量对于污水中TP的去除效率。总的来看，随着添加量的增加，去除效率有所增加，但是比较可以看出，去除率未能和剂量成正比。随着菌剂用量的增加，净化效果逐渐趋同，这也说明，在污水净化过程中，微生物的增殖受到多方面参数的限制并且随着条件的变化而变化。

图4 固定化复合菌剂用量对于黑臭水中TP去除效果的影响Fig.4 Effect of immobilized microbial inoculant amount on removal efficiency of total phosphorus(TP)in black and odorous water

2.3 固定化复合菌剂的使用周期

为了考察菌剂的耐用性，在每次完成5 d的污水净化后，通过滤膜将反应器中的固定菌剂过滤后用于下一批次的污水处理，以考察菌剂的耐用性。对试验数据进行统计分析，由图5可知，前3批之间没有显著差异，第4批开始效果下降，到第5批时，和不添加菌剂的差别不太显著。这可能和菌剂在使用过程中与秸秆粉中纤维素、木质素的降解有关系，污水中菌株会产生纤维素酶和其他木质素降解酶类，将秸秆粉转化为碳源，菌剂的固定化效果逐渐消失[9]。

图5 固定化复合菌剂使用次数对于黑臭水中COD去除效果的影响Fig.5 Effect of usage times of immobilized microbial inoculant on removal efficiency of COD in black and odorous water

3 结论

本研究提出了使用汽爆玉米秸秆粉固定化土著复合微生物菌剂同时作为外加碳源来强化黑臭水体的处理，结果显示，使用固定化复合微生物菌剂相对于普通的游离菌剂可以更有效地去除黑臭水体中的COD、NH3-N和TP等污染物。在添加量为1∶50(20 ml/L)的条件下，固定化符合微生物菌剂可以重复使用3次(15 d)以上。对于实验黑臭水体，COD，NH3-N和TP的去除率可以达到90.85%、92.64%和90.23%。