固定化硝化细菌与聚磷菌对南昌市内河流水污染物降解的研究

周跃龙， 胡美丹， 汪新强， 汪怀建

(1.江西农业大学 国土资源与环境学院， 江西 南昌 330045; 2.江西省婺源市饶河源国家湿地公园， 江西 婺源 333200)

1 研究背景

随着南昌市经济的不断发展，水体污染加重，由氮磷污染物所引起的水体富营养化现象也不断发生，危害内河流水质[1]。相关研究表明造成南昌市水污染的因素很多[2]，其中主要原因是城市发展带来的污水排放量迅速增长，包括未经处理的工业废水和大量居民生活污水的随意排放[3-4]。如何有效地处理污水中的氮磷污染一直是国内外研究的热点。一般而言，生产生活中经常会使用一些物理、化学方法来降低水中的氮磷含量，如添加絮凝剂、高级氧化等[5-6]，但这些方法都或多或少存在一些缺陷，如能耗大、产生二次污染等，从而进一步导致各种环境问题[7]。而通过生物法对水体进行净化具有效果好，稳定性强、二次污染少等优点[8]，尤其是利用当地现有水环境资源，通过筛选出的优势菌种制备固定化生物试剂用于水污染治理具有突出的效果。目前，国内外对于固定化生物试剂用于治理内河流水体中氮磷污染问题的研究鲜见报道。

固定化生物试剂通常会使用硝化细菌、聚磷菌、反硝化细菌作为菌种硝化细菌和聚磷菌生长缓慢，对环境变化也比较敏感，在原位生物处理技术中很容易流失，因而限制了其在废水处理中的应用[9-10]。而利用微生物固定化技术能很好地解决菌体在河流中易流失的问题[11]。杨连栋等[12]用聚丙烯酰胺溶液来处理微生物固定化颗粒。Tramper等[13]、Schipper等[14]也曾以角叉菜胶和海藻酸钠为载体固定硝化菌，并进行一系列硝化处理的研究。Zhou Lincheng等[15]通过微生物固定化技术，使用复合聚氨酯泡沫塑料作为介质，成功研发去除水中铜(II)的生物吸收剂。赵兴利等[16]以PVA为载体，釆用硼酸法，包埋经驯化后的硝化污泥，制成固定化硝化菌颗粒，采用SBR运行方式在流化床上对模拟含氨氮废水进行处理，实验结果显示，废水中氨氮的去除率达到99%以上，而且有机物对硝化作用的影响不明显。

本文根据南昌市内主要河流抚河故道和玉带河的水质现状特点，从中对硝化细菌与聚磷菌进行筛选，在菌株最佳配比的基础上固定优势菌株，研究其对实际内河流中氨氮、总磷的降解率。为改善水环境污染状况、消除水体黑臭、恢复其生态景观及泄洪防涝功能提供重要依据。

2 材料与方法

2.1 试验材料

在南昌市内主要河流抚河故道和玉带河进行采样(采样时间为2013年12月21日，天气晴)，所采的样品为南昌市内河流5个监测点中的底泥以及少量水体，采集样品时将采样点的环境因素、日期、时间以及瓶号进行记录，采集到的样品于4 ℃冰箱中保存备用。

5个监测点分别位于抚河故道的清水湾M1、将军渡M2、中山西桥M3以及玉带河的玉带桥M4、南京东路桥M5。

2.2 试验设计

(1)利用采集回来样品进行富集培养硝化细菌、聚磷菌，并从中筛选出优势菌株，即对培养基中氨氮、总磷降解效果较好的菌株。

(2)选取出的硝化菌XH3、亚硝化菌YH3、聚磷菌JP2按照1∶1∶2、1∶1∶1、2∶2∶1的质量比分别接入事先配置好并已灭菌的液体培养基中，每个梯度做3个平行，并同时设置未加任何菌株的对照组。在30℃下培养2～3 d后测定总磷的降解率，培养6 d后测定氨氮的降解率，从而选取出3种菌的最佳配比。

(3)基于先前的监测结果以及综合考虑，选取南京东路桥监测点位进行采样，采的样品为南昌市主要内河流中的少量底泥以及大量水体。取回来的水样置于反应器，放入PVA+添加剂固定化得到的固定化颗粒进行曝气，以8 h为一个周期，对水样中氨氮、总磷的降解效果进行3个周期的监测，同时设置未放固定化颗粒的水样对照组。然后根据实验效果进行后续实验。研究PVA+添加剂固定法固定载体下优势菌株对南昌实际内河流污水的氨氮、总磷的降解效果。

2.3 测定项目与方法

亚硝酸盐的测定：分光光度法(GB 7493-1987)；氨氮的测定：纳氏试剂分光光度法(HJ 535-2009)；总磷的测定：钼酸铵分光光度法(GB11893-1989)。

3 结果与分析

3.1 硝化菌、亚硝化菌的筛选结果

硝化菌和亚硝化菌的筛选结果见表1、2。

表1 硝化菌筛选试验结果

由表1、2的试验结果可以看出，硝化菌XH1、XH2、XH3这3种菌株对亚硝酸盐氮都有很好的降解效果，亚硝化菌YH1、YH2、YH3这3种菌株对氨氮有较好的降解效果，其中YH3降解效果最好，能达到82.75%。因此在后面的试验任选一株菌株(后期试验选择菌株XH3)作为优势菌株。

表2 亚硝化菌筛选试验结果

3.2 聚磷菌的筛选结果

筛选出处理效果最好的菌株。聚磷菌的筛选结果见表3。

表3 聚磷菌筛选试验结果

由表3可知，聚磷菌JP1、JP2、JP3三株菌株对总磷均有去除效果，其中JP2去除效果最好，达到58.57%。

3.3 菌株最佳配比结果

硝化菌XH3、亚硝化菌YH3、聚磷菌JP2按照1∶1∶2、1∶1∶1、2∶2∶1的质量比分别接入事先配置好并已灭菌的模拟污水中，在30℃下培养2～3 d后测定总磷的降解率，培养6 d后测定氨氮的降解率，试验结果如表4、5。

表4 不同配比对总磷的降解效果

表5 不同配比对氨氮的降解效果

由表4、5的试验结果分析可以得出，当硝化菌XH3、亚硝化菌YH3、聚磷菌JP2按照1∶1∶2、1∶1∶1、2∶2∶1的比例混合时，1∶1∶1的质量比对氨氮以及总磷的降解效果最好，氨氮降解率为85.26%，总磷的降解率为22.86%。在后期实验中就以1∶1∶1的配比制作固定化颗粒来处理污染河水。

3.4 PVA+添加剂固定化颗粒对南昌市内河流水样降解效果模拟研究

1∶1∶1配比下的优势菌株进行PVA+添加剂固定，固定化颗粒于反应器常温下对南昌市南京东路监测点水样进行降解处理，试验结果如表图1。

图1 PVA+添加剂固定化颗粒对反应器

由图1的试验结果可得知，在曝气的条件下，反应器中以PVA+添加剂为载体的固定化颗粒对反应器中氨氮的降解率在1个周期后达到34.59%，两周期后达到58.92%，3个周期后能达到82.70%，净降解率达到74.05%，氨氮浓度从1.85 mg/L降低到0.32 mg/L，能达到《地面水环境质量标准》(GB 3838-2002)中Ⅲ类水水质标准。同时，在曝气的条件下，以PVA+添加剂为载体的固定化颗粒对反应器中总磷的降解率在1个周期后达到36.59%，两周期后达到57.32%，3个周期后能达到79.27%，净降解率达到73.17%，总磷浓度从0.82 mg/L降低至0.17 mg/L，能达到《地面水环境质量标准》(GB 3838-2002)中Ⅲ类水水质标准。

在之前试验的基础上，监测PVA+添加剂固定化颗粒15 d内每天对反应器实际污水中氨氮、总磷的降解效果。监测结果如图2所示。

图2 固定化颗粒对反应器中污水的降解效果

由图2可以看出，固定化颗粒在连续15 d的运行时间内，出水氨氮降解率的最高值为反应器运行的第9 d，达到82.8%，其余时间内氨氮去除率基本维持在82%左右，出水水质皆能达到地面水环境质量Ⅲ类水水质标准；总磷降解率的最高值为反应器运行的第5 d，达到79.71%，而15 d内的处理效果同样没有较大的起伏。综上所述，固定化颗粒在较长的时间内具有较为稳定的脱氮及除磷能力，具有用于后期南昌市内河流污水治理的潜质。

4 结 论

利用固定化微生物修复技术治理城市河流水体是当前国内外治理和修复受污染水体的研究热点。本文主要通过研究南昌市主要内河流水质，从内河流及底泥中培养筛选高效降解氨氮和高效聚磷的微生物，从中各选取一株处理效果最好的菌株进行分子生物学的鉴定，然后进行菌株间最佳配比的确定，通过不同固定化方法下颗粒对模拟污水的降解效果选择较好的固定化载体进行菌株的包埋，在曝气反应器条件下，利用固定化颗粒对南昌市内河流水质进行模拟试验。通过试验得出以下结论：

(1)从南昌市主要内河流抚河故道、玉带河水样及底泥中分离筛选出的硝化菌菌株XH3对亚硝酸盐氮的降解最高达到100%，亚硝化菌YH3对氨氮的降解最高达到82.75%，聚磷菌JP2对总磷的降解最高达到58.57%；

(2)硝化菌XH3、亚硝化菌YH3与聚磷菌JP2的质量比为1∶1∶1时，混合菌对模拟污水中氨氮、总磷的处理效果最好；

(3)在曝气的条件下，反应器中PVA+添加剂固定化颗粒在24 h曝气条件下对南昌市模拟河流中氨氮、总磷的降解效果分别能达到82.70%、79.27%。

本次试验筛选出的高效微生物菌株对模拟污水、实际河流的氨氮和总磷的处理中表现出优良的降解效果，对南昌市内河流的整治又提供了一个可行的有效途径。

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