司晓光， 张晓青， 成玉， 杜瑾， 曹军瑞

（自然资源部天津海水淡化与综合利用研究所， 天津 300192）

EM 菌剂即有效微生物菌群（Effective Microorganism）的简称， 是由日本琉球大学农学部教授比嘉照夫于20 世纪80 年代开发出来的， 其中含有多科多属的不同微生物， 多种好氧微生物和兼氧微生物共存， 如光合细菌、 乳酸菌、 酵母菌、 放线菌、真菌等［1－3］。 经过近几十年的试验和应用研究， EM菌剂已成功地应用于农业、 畜牧业、 保健、 环境治理以及河湖、 池塘的净化等方面［4－5］。

EM 菌剂中有效微生物菌群组成复杂， 结构稳定， 功能广泛， 能充分发挥彼此间的共生、 互生以及竞争关系， 通过生物降解代谢去除黑臭水体中污染物［6－8］。 与传统的人工曝气、 截污引流、 底泥疏竣和投加化学药剂方法相比， 利用微生物的修复作用进行黑臭水体处理具有很多优点， 如可快速修复水体中的有机污染物， 水质净化效果显著， 成本低， 操作简单， 无二次污染等［9－10］。 然而， EM 菌剂的使用条件较严格， 水流、 温度等的变化会产生菌体流失以及稳定性差等问题， 并且EM 菌剂对磷的去除效果较差。 基于此， 本团队开发出了藻基EM 菌剂， 利用硅藻土具有的多孔骨架和吸附性能， 作为EM 菌剂中微生物的载体， 减少使用过程中菌体的流失， 并吸附部分污染物［11－13］。

本研究通过比较藻基EM 菌剂和EM 菌剂对黑臭水体中COD、 NH3－N、 TN 和TP 的去除效果，验证藻基EM 菌剂在黑臭水体治理中的优势。

1 材料与方法

1.1 试验材料

EM 菌剂： 实验室制备所得， 由芽孢杆菌、 酵母菌、 光合细菌、 放线菌、 硝化细菌、 亚硝化细菌、 乳酸菌、 絮凝剂产生菌等有益微生物菌群复配而成。

藻基EM 菌剂： 实验室制备所得， 由芽孢杆菌、 酵母菌、 光合细菌、 放线菌、 硝化细菌、 亚硝化细菌、 乳酸菌、 絮凝剂产生菌等有益微生物菌群经特殊工艺负载于硅藻土表面而成。

1.2 废水水质

为保证黑臭水体的稳定性和试验结果的可重复性， 采用人工配制黑臭水， 其水质指标如表1 所示。 称取蛋白胨5.00 g， 尿素0.85 g， NaCl 2.30 g，KCl 0.40 g， CaCl20.30 g， MgSO40.30 g， K2HPO411.50 g， KH2PO41.50 g， 黄胺酸0.10 g， 柠檬酸铁0.10 g， 加水稀释至15 L。 分装于含50 mL 黑臭水的1 L 广口试剂瓶中至瓶颈， 加盖。 置于32 ℃培养箱中， 5 d 后水体开始变黑。

表1 人工黑臭水的水质指标Tab. 1 Quality indexes of artificial black and odorous water

1.3 试验装置

采用有机玻璃板自制的A2O 工艺菌剂验证平台， 原水与人工黑臭水分别进入厌氧池（50 L）， 溢流到兼氧池（30 L）， 再溢流到好氧池（25 L）， 好氧池通过人工曝气增氧后， 进入沉淀池， 沉淀池底泥排出， 部分回流到厌氧池， 沉淀池出水检测COD、NH3－N、 TN 和TP 等污染指标。 装置流程如图1。

图1 试验装置流程Fig. 1 Flow of experimental device

1.4 试验方法

藻基EM 菌剂对黑臭水处理效果的试验在菌剂验证平台进行， 室温（20 ～25 ℃）下， 好氧池溶解氧浓度通过曝气控制， 藻基EM 菌剂投加到好氧池后， 好氧池采用间歇曝气方式， 曝气时间2 h， 间隔2 h。

分别验证EM 菌剂和藻基EM 菌剂去除黑臭水污染要素的效果， 进水流量均为1 L／h， 待厌氧池、兼氧池、 好氧池内水满后分别添加EM 菌剂和藻基EM 菌剂到好氧池中， 添加量均为100 mg／L， 每隔3 d 添加1 次， 每天分别监测2 组系统出水中的COD、 NH3－N、 TN 和TP 的进出水浓度， 并计算相应去除率， 连续监测30 d。

1.5 分析方法

COD 采用GB／T 5750.7—2006《生活饮用水标准检验方法 有机物综合指标》， NH3－N 采用GB／T 5750.5—2006《生活饮用水标准检验方法 无机非金属指标》， TN 采用HJ 636—2012《水质 总氮的测定 碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法》， TP 采用GB 11893—1989《水质 总磷的测定 钼酸铵分光光度法》［14］。

2 结果与讨论

2.1 藻基EM 菌剂对COD 的去除效果

藻基EM 菌剂对黑臭水中COD 的去除效果如图2 所示。 在采用A2O 工艺的菌剂验证系统中，通过投加EM 菌剂， 系统逐渐达到稳定运行状态；通过监测出水COD 发现， 投加EM 菌剂20 d 后，出水COD 浓度基本达到稳定， 系统对COD 的去除率为62.4%。 监测投加藻基EM 菌剂系统中的出水水质可发现， COD 去除率逐渐提高， 10 d 后达到最高值， 为90.9%。 结果表明， 与传统EM 菌剂相比， 藻基EM 菌剂对黑臭水中COD 的去除具有很好的强化效果。 在投加藻基EM 菌剂的系统中， 硅藻土为微生物提供了载体支撑， 系统中的微生物浓度稳定， 大大提高了人工黑臭水中COD 的去除率，强化了COD 的去除效果［15］。

图2 藻基EM 菌剂对黑臭水中COD 的去除效果Fig. 2 Effect of algae-based EM microbial agent on COD removal removal in black and odorous water

2.2 藻基EM 菌剂对NH3－N 的去除效果

藻基EM 菌剂对黑臭水中NH3-N 的去除效果如图3 所示。 系统添加EM 菌剂稳定运行20 d 后，NH3-N 的去除率为51.9%， 而投加藻基EM 菌剂后， NH3-N 去除率有大幅提高， 最终稳定在68.0%左右。 从图3 可以发现， 添加EM 菌剂后系统达到稳定需要20 d 的时间， 而藻基EM 菌剂的强化效果使得系统达到稳定仅需15 d， 因此添加藻基EM菌剂的系统启动更迅速， 对黑臭水中NH3-N 的去除具有更好的强化效果。 相比传统EM 菌剂， 藻基EM 菌剂同时具备了硅藻土的特性， 具有大量多级、有序排列的孔隙结构， 微生物可以附着其上生长，形成微生物－藻基矿物体系， 从而提高了NH3-N 等污染物的去除效果［16］。

图3 藻基EM 菌剂对黑臭水中NH3-N 的去除效果Fig. 3 Effect of algae-based EM microbial agent on NH3-N removal in black and odorous water

2.3 藻基EM 菌剂对TN 的去除效果

藻基EM 菌剂对黑臭水中TN 的去除效果如图4 所示。 添加EM 菌剂20 d 后， 系统达到稳定运行状态， TN 的去除率为43.7%， 而添加藻基EM 菌剂后， TN 去除率有大幅提高， 经过15 d 左右达到稳定运行状态， TN 去除率最终稳定在52.5%左右。相比传统EM 菌剂， 藻基EM 菌剂不仅能显著提高TN 的去除率， 而且还具有快速响应的优势。 微生物负载至硅藻土后， 生存环境由原来的气、 液两相转变为了气、 液、 固三相， 形成了更为复杂的微生态系统， 系统由外到内溶解氧浓度逐渐降低， 具备了生化系统中的好氧、 兼氧、 厌氧环境， 对污染物的去除更具优势［17－18］。

图4 藻基EM 菌剂对黑臭水中NH3-N 的去除效果Fig. 4 Effect of algae-based EM microbial agent on TN removal in black and odorous water

2.4 藻基EM 菌剂对TP 的去除效果

藻基EM 菌剂对TP 的去除效果如图5 所示。 添加EM 菌剂18 d 后， 系统达到稳定运行状态， TP 的去除率为53.8%， 而添加藻基EM 菌剂后， TP 去除率有显著提高， 经过10 d 左右达到稳定运行状态，此时TP 去除率在87.6%左右。 在生化处理系统中，TP 的去除主要依靠化学吸附和生物转化2 种方式，与传统EM 菌剂相比， 藻基EM 菌剂具有硅藻土的吸附、 絮凝作用， 能快速吸附水体中的磷酸盐， 形成紧密的聚集体并随污泥排出［19－20］。

图5 藻基EM 菌剂对黑臭水中TP 的去除效果Fig. 5 Effect of algae-based EM microbial agent on TP removal in black and odorous water

3 结论

采用A2O 工艺菌剂验证平台进行人工黑臭水处理试验， 投加藻基EM 菌剂具有良好的强化作用， 室温（20 ～25 ℃）下， 在进水流量为1 L／h， 间歇曝气（2 h ∶2 h）的条件下， 通过添加藻基EM 菌剂，黑臭水中COD 去除率由62.4%上升到90.9%， NH3－N 去除率由51.9% 上升到68.0%， TN 去除率由43.7% 上 升 到52.5%， TP 去 除 率 由53.8% 上 升 到87.6%。

研究结果表明， 该藻基EM 菌剂较传统EM 菌剂的优势主要有启动时间更短， 系统稳定性更高，抗冲击能力更强， 同时提高了活性微生物的数量，从而显著增强了生化系统的稳定性和处理效率。