光合细菌RP-1人造生物膜处理污水脱氮除磷效果

李勤生，王若雪，王业勤

(武汉益生泉生物科技开发有限责任公司，湖北武汉 430072)

光合细菌是水生态系统中的重要微生物类群[1]。它们既是初级生产者，居于食物链的底层，又是其他生物的天然饵料；它们作为消费者和分解者，在生态系统物质循环和能量转换中发挥着重要作用；光合细菌还具有根据水生态环境变化而灵活改变其代谢类型的特点，可以转化多种有害物质，净化环境；许多光合细菌兼有光合和固氮能力，细胞富含色素和多种特殊生理活性物质，因而也是工业、农业、保健等高附加值产品和能源开发的对象，有关光合细菌的研究具有重要的理论和应用价值[2-3]。

光合细菌在水产养殖水体净化、黑臭水体生态修复，以及高浓度有机废水处理等方面已广泛应用[4-7]，但是，光合细菌水剂和其他微生物制剂一样，在水体中存在易流失或被其他生物吞噬的缺陷，影响其应用效果，还需要不断投加，增加应用成本。

生物膜是微生物以聚集态、不同于浮游状态的一种生存方式，在自然界中广泛存在，驱动着地球生物化学过程[8]。但它们是自然形成的，生物膜中的微生物种类是随机的，无法控制其中的有效菌数量，其形成也受多种环境因素的影响，应用于污水处理时需要挂膜时间。人造生物膜是以生态学原理为指导、模拟天然生物膜，将选育的应用菌株高密度地固定在适宜的载体上制备而成的仿生产品，具有在水体中不流失、启动快、高效、长效、可重复使用等特点，还可以根据污染物的性质选用针对性的应用菌株，应用范围广泛[9]。人造生物膜在黑臭和富营养化水体原位生态修复、水产养殖水体净化、高浓度畜禽养殖和屠宰废水等不同类型污水处理应用实践中取得了良好效果，有效去除污染物，除磷脱氮、除臭，而且可以从源头上削减污泥产量，降低污水处理成本[10-12]。

综上，采用光合细菌沼泽红假单胞菌RP-1菌株制备了人造生物膜，其在不同条件下处理污水的应用试验效果如下。

1 试验材料和方法

1.1 应用菌株及培养

光合细菌沼泽红假单胞菌RP-1菌株，是由天然水体分离、纯化，优选后获得的应用菌株，在治理水环境污染中已广泛应用。

1.2 RP-1菌株人造生物膜制备

将浓缩的RP-1菌液按人造生物膜专利技术方法制备成人造生物膜膜片型[13]。本试验用膜片规格为每条20 cm×5 cm×0.1 cm,3 g。

1.3 污水来源

模拟污水：参照阮文权等[14]模拟污水成分：NaAC(COD)、NH4Cl(NH3-N)、KH2PO4(TP)、NaNO2(NO2-N)、MgCl2、CaCl2、酵母膏、微量元素，用碳酸盐调节pH。本文试验中按内容增加了用量。

垃圾渗滤液污染的天然湖水水质：CODCr=858 mg/L，氨氮=232.1 mg/L，TP=7.42 mg/L，pH值=7.0。

1.4 试验方法

用量：在1 L三角瓶中加入l L试验污水，加入RP-1人造生物膜片(RP-1 ABF)3 g，与污水的重量比为0.3%。

试验条件：用微型水族箱增氧泵连续曝气或曝气3 h、停止1 h的间歇曝气方式曝气，28 ℃恒温箱中进行。

检测方法：按试验设计取样分析，分析方法按国标进行。氨氮检测按GB 7479—1989 纳氏比色法；亚硝态氮按GB 7493—1 987分光光度法；CODCr按GB 11914—1989重铬酸钾法；TP按GB 11893—1989 钼酸铵分光光度法。

2 试验结果与讨论

2.1 RP-1 ABF 与RP-1菌泥脱氮除磷活性的比较

本试验中所用膜片20 cm×5 cm×0.1 cm,3 g，其中载体重2 g，膜中菌泥重1 g，计算每g膜片和每g菌泥去除CODCr的量，如表1所示。

表1 RP-1 ABF A、B、C组膜片和菌泥对CODCr去除量和降解速率的比较Tab.1 Removal Amount and Reaction Rate of CODCr Based on RP-1 ABF and Bacterial Slime

2.2 不同曝气条件下RP-1 ABF除磷脱氮活性的比较

模拟污水水质指标为：CODCr=1 913 mg/L，氨氮=289.8 mg/L，NO2-N=67.6 mg/L，TP=19 mg/L。试验分为A、B、C这3组：A组，间歇曝气，3∶1方式；B组，连续曝气；C组，不曝气。28 ℃处理24 h后取样分析结果如图1所示。

图1 不同曝气条件下RP-1 ABF脱氮除磷活性的比较Fig.1 Comparison of Removal Efficiency of N and Pby RP-1 ABF under Different Aeration Condition

检测结果表明，RP-1 ABF对CODCr、氨氮和TP的去除量与曝气量有关。CODCr在连续曝气组去除量最高，间歇曝气的去除量仅是连续曝气的76.9%，而不曝气的C组CODCr去除量只有连续曝气组的22.5%。氨氮的去除量以连续曝气组最高，去除率为22.7%，间歇曝气组为16.6%，不曝气组最低，仅相当于连续曝气组的2%，去除率仅为0.48%。但NO2-N的去除与曝气量无关。67.6 mg/L NO2-N在不同曝气条件下，24 h均全部被去除，说明RP-1 ABF有很强的脱氮能力。在连续曝气条件下，TP的去除量高于间歇曝气组，但去除率分别为14.7%和13.7%，两者差别不大，而不曝气的C组仅为2%，显著低于曝气的A组和B组。这些表现可能与此菌株的特性以及人造生物膜膜片内外的氧压不同有关。

2.3 不同碳氮比条件下RP-1 ABF除磷脱氮活性的比较

试验分为两组：A组CODCr为1 046 mg/L，B组为2 045 mg/L，两组中的氨氮、NO2-N和TP量基本相似，A组C/N=9，B组C/N=18。反应温度为28 ℃，连续曝气24 h，取样检测结果如图2所示。

图2 不同碳氮比条件下RP-1 ABF脱氮除磷活性的比较Fig.2 Comparison of Removal Efficiency of N and P by RP-1 ABF under Different C/N Ratios

试验结果表明，B组CODCr量比A组高约一倍，连续曝气24 h后，CODCr的去除量为1 436 mg/L也高于A组的一倍，但两组的去除率相近，分别是69%和70%；B组氨氮的去除量为70.8 mg/L，去除率为62.5%，A组则是42.8 mg/L，去除率为37%，B组去除率高于A组。可见，氨氮的去除除了与氧有关(图1)外，也与可利用的CODCr量有关；B组TP的去除量与去除率均较A组低一些，反映了氨氮氧化与除磷存在对碳源的竞争，高氨氮去除抑制了TP的去除，这与以往的试验和工程应用的表现是一致的。

重复试验中对氨氮和NO2-N的浓度作了调整。试验分为3组，起始的CODCr一样，而氨氮量分别为104.4、308、519.2 mg/L；CODCr/NH3-N分别是18.32、6.19、3.68；连续曝气24 h后，取样分析，结果如表2所示。

表2 高氨氮条件下RP-1 ABF 脱氮除磷活性比较Tab.2 Comparison of Removal Efficiency of N and P by RP-1 ABF under High NH3-N Concentration

结果表明，不同氨氮浓度条件下，3组CODCr去除量和去除率相距不大，均达到80%以上，以C’组最高为87.8%，CODCr去除量为1 678.8 mg/L，TN去除量为113.2+38.3=151.5 mg/L。去除1 mg/L TN消耗的CODCr质量浓度：A’组为16.8 mg/L，B’组为13.5 mg/L，C’组为11.1 mg/L。由此可见，高氨氮对脱氮没有抑制，而且在C/N为3.6时，RP-1 ABF也能有效脱氮。氨氮去除量与起始浓度有关，但去除率相反，A’、B’、C’这3组分别为57.1%、24.9%、21.8%。3组中的NO2-N全部被去除，说明RP-1 ABF有很强的反硝化功能。TP的去除量受高氨氮去除量的影响，C/N最低的C’组TP仅去除6.2%，而A’、B’两组均达到14.9%。

2.4 pH对RP-1 ABF 脱氮除磷活性的影响

试验按以下方式进行，用人工模拟污水1 L，分别调pH值至6、7、8这3组，各加入RP-1 ABF 3 g，28 ℃连续曝气24 h后取样检测，结果如表3所示和图3。

表3 不同pH值条件下RP-1 ABF脱氮除磷效果Tab.3 Removal Efficiency of N and P by RP-1 ABF under Different pH Value Condition

图3 不同起始pH条件下RP-1 ABF脱氮除磷活性的比较Fig.3 Comparation of Removal Efficiency of N and P by RP-1 ABF under Different initial pH Value Condition

试验结果表明，起始pH值虽分别为6、7、8，但24 h后，各组pH值均在8左右，说明RP-1 ABF具有调节pH的能力。比较各组去除污染物数据可知，起始pH值为8中，CODCr、NO2-N和TP的去除量和去除率都是最低的，氨氮则是在起始pH值为6中去除量和去除率最低，而起始pH 值为6的TP去除量和去除率高于pH值为7、8两组。综合几项指标，以起始pH值为7条件下，对RP-1 ABF去除CODCr、氨氮、NO2-N和TP均有较好的效果，因此，中性环境对RP-1 ABF的去污活性较适宜，这也是RP-1菌株最适的pH环境。

2.5 RP-1 ABF的处理黑臭水体的效果

黑臭水样来源垃圾渗滤液污染的湖水。垃圾渗滤液是高浓度污染源，其原液CODCr为3 982 mg/L，氨氮为1 786 mg/L，TP 为26.5 mg/L。被污染的湖水水样检测结果显示CODCr为858.9 mg/L，氨氮为232.1 mg/L，TP 为7.42 mg/L。取污染湖泊上游湖水1 L，加入RP-1 ABF 3 g，28 ℃，连续曝气处理96 h，水质检测结果如表4所示。

表4 RP-1 ABF处理黑臭水样效果Tab.4 Efficiency of RP-1 ABF for Polluted Lake Water Treatment

由表4可知，仅用光合细菌处理垃圾渗滤液污染湖水时，CODCr去除率低，经过96 h处理，其中的CODCr仅去除了218.6 mg/L，去除率仅为25.5%，经过添加碳源后再曝气24 h，仍然有601 mg/L CODCr，说明污染湖水中存在来自垃圾渗滤液的难降解CODCr；与此同时，氨氮的去除率可高达95%，从232.1 mg/L降低至11.1 mg/L。由于碳源难以利用，去除的221 mg/L 氨氮中有84.2 mg/L亚硝态氮积累。补充碳源葡萄糖后，CODCr虽下降了39.3 mg/L，氨氮却反弹至23.3 mg/L，从这些变化可以看出该水体中存在难降解的含氮有机物。但NO2-N却被完全去除，表明RP-1 ABF 的脱氮效果很好。此外，经过96 h处理后，TP减少了1/3，延长处理时间将达到更好的效果。

3 结语

(1)光合细菌RP-1菌株是以水剂应用于养殖水体净化的优选应用菌株。将其固定在适宜载体上制备的人造生物膜，不仅避免了其在水体中易流失和被其他生物所吞噬的缺陷，还保持了在好氧黑暗条件下同时降解有机污染物、去除氨氮、NO2-N和TP的性能。

(2)RP-1 ABF 具有很强的脱氮能力，在不同曝气和C/N条件下对污水中存在的亚硝酸盐都有良好的反硝化脱氮作用。pH对其性能的影响也比较小，可能与此菌株具有调节pH的特性有关。

(3)试验中RP-1 ABF 对氨氮的去除量与曝气量、氨氮的浓度和碳源量有关。能耐受500 mg/L高浓度氨氮环境，其对氨的氧化未被抑制。利用RP-1 ABF处理被垃圾渗滤液污染的黑臭湖水，在短时间内净化效果明显，为拓展其应用范围提供了依据。

(4)光合细菌处理高浓度有机污水之前，一般均需要异养细菌先行处理，将大分子污染物降解为小分子后，再用光合细菌转化。基于上述RP-1 ABF的优势，如将RP-1 ABF与其他菌株或物化措施配合处理垃圾渗滤液一类高浓度难处理的污水，可获得更好效果，相关应用研究仍在继续进行中。