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。
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。
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
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
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。
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]。
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
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
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
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
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。