4种载体固定化菌藻对景观水体的脱氮效果

齐 丹，沙风路，张 魏，公维洁

(海南热带海洋学院 a.生态环境学院;b.海洋科学技术学院，海南 三亚 572022)

0 引言

细菌与藻类对维持水环境中的物质循环与生态平衡具有重要作用[1-2].藻菌共生系统是利用藻类和菌类两类生物之间的生理功能协同作用来净化污水的生态系统[3].在菌藻共生系统中，藻类的光合作用和微生物的代谢及呼吸作用能协同降解污水中的有机物，并能实现同步脱氮除磷及抗生素、重金属的去除[4].真菌和好氧细菌等微生物消耗水体中O2，将含碳大分子有机物降解为CO2、水或小分子有机物；藻类以太阳能作为初始能源动力，通过光合作用，将CO2和小分子有机物作为碳源同化吸收，合成为自身细胞物质，同时放出O2；硝化细菌、氨化细菌等好氧菌类对含氮有机物进行氧化，生成藻类可以利用的硝酸盐和氨氮，从而促进藻类光合作用和生长繁殖[5]；同时，藻类因放出O2，增加了水体的溶解氧浓度，促进好氧微生物生长繁殖.此外，在菌藻共生系统中，细菌和微藻都能分泌多种酶类、糖肽类以及维生素等胞外产物，促进菌藻的生长[6].因此，二者形成了互利共生关系，虽在数量上呈竞争性负相关[7]，但在削减污染负荷方面比单一种类更加高效[8].

微生物处理污染水体技术具有微生物密度高、代谢增殖快、反应效率高的优点，但同时也具有微生物流失量大、产物不易分离、反应过程控制困难等缺点[9]，因此，近年来，微生物固定化技术研究逐渐受到人们的重视.着生藻类-生物膜系统是菌藻共生系统固定化技术中的一种，是利用生物填料具有良好的附着表面和比表面积大的特点，提供载体附着生长，形成生物膜，提高菌藻的生物量，能有效减少其流失，强化微生物降解污染物[10].本实验采用着生藻类-生物膜系统固定菌藻，选取4种生物填料，对城市景观水体进行水质净化，旨在了解不同填料组建的菌藻共生系统对景观水体中氮的生物净化效果.

1 材料与方法

1.1材料

购置4种生物填料(表1和图1).将生物填料放入富营养化程度较高的天然湖泊(海南省三亚市海南热带海洋学院景观湖)中，挂膜稳定2个月，使其表面着生大量菌类和藻类，形成纤维状缠绕结构.

表1 4种生物填料及其组成部分

图1 4种生物填料图

1.2供试水质

供试水体取自海南省三亚市海南热带海洋学院景观湖，水质状况详见表2.

表2 供试水质 单位：mg·L-1

注:GB12941《景观娱乐用水水质标准》，GB3838—2002《表水环境质量标准》.

1.3实验装置

实验装置由PVC材料加工制作的小型模拟平流反应池，反应池有效容积为0.24 m3，储水池有效容积为0.14 m3.反应池内放入填料框架，填料框架中安装挂膜后的生物填料(图2).

图2 实验装置

1.4运行管理

供试水体共300 L.将供试水体样通入实验装置，保持平流反应池实际储水量为200 L，流速为12.5 L·h-1，水力停留时间为16 h，在室外自然日光照射环境中循环处理.实验进行28 d，每天早晚各供气1次，供气流速约为6 L·min-1，每次1 h，每7天固定时间取样，连续取样4次，分析总氮、氨氮、硝态氮和亚硝态氮的含量.

1.5水质测定方法

实验中水质各项指标测定方法见表3.

表3 各项指标测定的方法

2 结果与分析

2.1不同生物填料对总氮去除效果

水体中氮元素主要以有机氮和无机氮两类形态存在.总氮是指水样中溶解态氮及悬浮物中氮的总和，包括亚硝酸盐氮、硝酸盐氮、无机铵盐、溶解态氨及大部分有机含氮化合物中的氮[11].在相同运行条件下，4种填料对水体中总氮的去除情况如图3所示.

图3 不同生物填料对总氮的去除效果

从图3中可知，4种挂膜后填料对水体中总氮的累积去除率均随着时间的增加而增加，即水体中总氮含量随着时间的增加而降低.经过28 d的处理，总氮的累积去除率均超过60%.其中，组合式双环填料对总氮的去除效果最佳，总氮累积去除率达到84.65%，其次为弹性立体填料总氮累积去除率为78.95%，西瓜瓤悬浮球填料总氮累积去除率为70.49%和弹性丝悬浮球填料总氮累积去除率为67.59%.

2.2不同生物填料对氨氮去除率的影响

水体中的氨氮是指水中以游离氨和铵离子形式存在的氮，是可以被生物直接吸收的营养素，同时也是水体中的耗氧污染物.从图4中可知，4种挂膜后填料对水体中氨氮的去除率均随着时间先增后减，即水体中氨氮含量在第1次测定时(第7天)最低，然后逐渐升高.经过28 d的处理，弹性丝悬浮球填料对氨氮的去除率最佳，可达36.26%，西瓜瓤悬浮球填料和组合式双环填料对氨氮的去除率分别为33.29%和26.80%，弹性立体填料对氨氮去除效果最差，只有9.90%.

图4 不同生物填料对氨氮的去除效果

水中的氨氮去除途径主要有生物吸收、硝化作用等，氨氮的生成途径主要有氨化细菌将有机氮转化为氨氮(氨化作用).本实验前期，水体中氨氮迅速降低，即菌藻对氨氮吸收同化、好氧的氨氧化细菌和古菌等将氨氮氧化(硝化作用).由于氨化作用和硝化作用一样均需要氧气，会产生竞争[12].后期随着菌藻的数量的增加，氨化作用逐渐增强，致使氨氮含量有所回升.

2.3不同生物填料对硝态氮去除率的影响

硝态氮是水体中无机形态的硝酸氮，是生物可以直接摄取的营养盐，因此，其主要去除途径有生物吸收同化和反硝化作用，而其产生途径主要有硝化作用.在相同运行条件下，4种填料对水体中硝态氮的去除情况如图5所示.

图5 不同生物填料对硝态氮的去除效果

从图5中可知，西瓜瓤悬浮球填料对水体中硝态氮的去除率随着时间先减后增，即水体中硝态氮的含量在第1次测定时(第7天)最高，然后逐渐降低。弹性立体填料对水体中硝态氮的含量在第1次测定时(第7天)基本不变，然后去除率均随着时间逐渐增高.组合双环填料和弹性立体填料对水体中硝态氮的去除率均随着时间稳定增加。经过28 d的处理，4种填料对水体中硝态氮的累积去除率均超过69%，其中，组合双环式填料对硝态氮去除率最佳，累积去除率达到88.90%.

2.4不同生物填料对亚硝态氮去除率的影响

图6 不同生物填料对亚硝态氮的去除效果

亚硝态氮是氨氮和含氮有机物硝化作用的中间产物.从图6中可知，4种填料对水体中亚硝态氮的去除率都超过70%，其中，组合双环填料对亚硝态氮的去除效果最好，去除率在85.35%～92.06%之间.其次为弹性立体填料和弹性丝悬浮球填料，对亚硝态氮的去除率分别为71.95%～88.47%和77.83%～84.90%.西瓜瓤悬浮球填料对水体中亚硝态氮的去除率均随着时间先增后降，即水体中亚硝态氮的含量在第1次测定时(第7天)最低，然后缓慢增加，亚硝态氮去除率由79.98%降低到64.18%.

3 结论

(1)弹性立体填料对总氮、氨氮、硝态氮和亚硝态氮的累积去除率分别为78.95%，9.90%，84.06%，83.10%；组合式双环填料对总氮、氨氮、硝态氮和亚硝态氮的累积去除率分别为84.65%，26.80%，88.90%，88.47%；弹性丝悬浮球填料对总氮、氨氮、硝态氮和亚硝态氮的累积去除率分别为67.59%，36.26%，69.36%，77.83%；西瓜瓤悬浮球填料对总氮、氨氮、硝态氮和亚硝态氮的累积去除率分别为70.49%，33.29%，73.80%，64.18%.

(2)4种填料对总氮的去除率呈上升趋势，均超过了60%，其中，组合双环填料对总氮的累积去除率最高；对氨氮的去除效果不是很理想，均是先升后降，累积去除率均低于40%，其中弹性丝悬浮球填料对氨氮的累积去除率最高；对硝态氮的去除率呈上升趋势，均超过了65%，其中，组合双环填料对硝态氮的累积去除率最高；对亚硝态氮的去除率呈上升至平稳幅度趋势，均超过了65%，其中，组合双环填料对总亚硝态氮的累积去除率最高.因此，总体上组合式双环填料组建的菌藻共生系统对水体的脱氮效果优于其他3种填料.

(3)供试水体原水质中总氮为3.913 3 mg·L-1、氨氮含量为0.893 9 mg·L-1、硝态氮含量为0.447 9 mg·L-1、亚硝态氮含量为0.285 1 mg·L-1.无机态氮(氨氮、硝态氮、亚硝态氮)占总氮含量小于42%，原水中有机氮含量较高.本实验中,4种填料组建的菌藻共生系统对无机态氮的累积处理率分别为:氨氮累积处理率低于40%，硝态氮累积处理率在69.36%～88.90%之间，亚硝态氮的累积处理率在64.18%～88.47%.而菌藻共生系统对总氮的去除率达到67.59%～84.65%.因此，菌藻共生系统对有机物态氮含量较高的景观水体具有较好的净化效果.