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固定生物膜技术处理黑臭河水的研究 * 董甜甜1吴昊2任松洁2陈建军1 1. 杭州电子科技大学环境科学与工程研究所， 杭州 310018; 2. 杭州一清环保工程有限公司， 杭州 310018 摘要 以生物陶粒作为载体， 利用枯草芽孢杆菌固定生物膜技术开展黑臭河水净化研究。在预处理实验中首先论证了 曝气条件对该技术的影响。实验结果显示 在曝气条件下固定生物膜参与处理 10 d 后， 对黑臭河水中 COD、 浊度、 NH3－N 和 TP 的去除率分别达 75. 79、 93. 97、 99. 02和 79. 20; 未曝气条件下， 固定生物膜处理 20 d 对 COD、 浊 度、 NH3－N 和 TP 去除率分别为 42. 36、 79. 29、 96. 44和 85. 04。仿照工程实际连续补充黑臭河水， 进行曝气条 件、 无曝气条件、 及无任何处理的对照条件下， 连续处理 30 d。实验结果表明 在曝气条件下， COD 和浊度去除率远大 于对照组， 水质达 GB 38382002地表水环境质量标准 Ⅳ类水要求。由此说明 枯草芽孢杆菌固定生物膜技术处 理黑臭河水效果显著。 关键词 黑臭河水; 枯草芽孢杆菌; 生物膜技术 DOI 10. 13205/j． hjgc． 201406008 STUDY ON PＲE- TＲEATING BLACK- ODOＲ WASTEWATEＲ BY B． SUBTILIS FIXED BIOLOGICAL MEMBＲANE Dong Tiantian1Wu Hao2Ｒen Songjie2Chen Jianjun1 1. Institute of Environmental Science and Engineering，Hangzhou Dianzi University，Hangzhou 310018， China; 2. Hangzhou Yiqing Environmental Engineering Co． ，Ltd，Hangzhou 310018， China AbstractUsing B． subtilis fixed biological membrane，with bio- ceramicite as carrier，a research on black- odor water purification was done． In the preprocessing experiments had proofed that aeration had an influence on the technology． The results showed that after treating the water by the biological membrane with aeration for 10 d，removal rates of COD，turbidity， NH3－N and TP were 75. 79， 93. 97， 99. 02 and 79. 20． After treating it without aeration for 20 d，the removal rates were 42. 36， 79. 29， 96. 44 and 85. 04． According to engineering practice，continuously supply black- odor water， with the aeration conditions，without aeration condition，and without any treatment，it was treated for 30 d． The test results indicate that the aerated removal rate of COD and turbidity were much higher than the control group． Water quality was up to the Ⅳ water in“Surface Water Environment Quality Standard” GB 38382002 ． Which shows that using B． subtilis fixed biological membrane has a significant effect to treat black- odor water． Keywordsblack- odor water;B． subtili;biological membrane * 国家自然科学基金资助项目 41101213 。 收稿日期 2013 －09 －02 0引言 近年来， 随着社会经济的快速发展， 河流水污染 现象加剧， 尤其是在人口密集的区域， 出现了严重的 河道黑臭现象 ［1 ］。河流黑臭不但影响城市容貌、 破 坏生态环境， 更是影响居民生活、 危害人体健康， 且仍 有加剧的趋势， 因此成为我国城市目前亟待解决的水 环境问题 ［2- 4 ］。 单靠传统修复技术 物理法和化学法耗资巨 大， 效果不理想， 也未能从根本上消除污染物， 并且容 易产生二次污染。生物修复 Bioremediation 成为黑 臭河流整治不可或缺的技术措施， 利用特定的生物实 现环境净化、 生态效应恢复， 其包括微生物修复、 植物 修复和动物修复 ［5- 6 ］。植物修复是一种应用广泛、 环 境友好的修复方法， 但水生植物修复污染水体的速度 相对较慢， 并且水生植物有着自身的承受极限， 水质 恶化超过极限则不能生存［7- 8 ］。水生动物修复则可能 92 水污染防治 Water Pollution Control 导致污染物在动物组织中积累富集， 放养外来动物可 能导致生态平衡破坏［9 ］。随着环保要求的提高和现 代微生物技术的发展，微生物修复以其环境友好、 生 态节能且运行管理方便的优点逐渐发展并应用到实 践中 ［10 ］。综合国内外的工程实例来看， 生物膜技术 在中小河流净化方面具有净化效果好、 便于管理等优 点。针对我国目前环保设施建设资金短缺、 技术落 后， 废水处理率低， 大部分城市地区的污水还是有散 流、 漫流、 渗入或汇入周围水体的现状， 生物膜技术在 我国中小河流黑臭的综合整治中具有广阔的应用 前景 ［11 ］。 枯草芽孢杆菌 B． subtilis 在水中大量繁殖时分 泌胞外酶可分解、 吸收水及底泥中有机物， 降低水体 营养化和清除底泥， 增强清底细菌的活性及繁殖能力 的作用 ［12 ］。采用此方法， 水中氨氮和硝基氨可去除 80 ～90［12 ］。利用该特性， 枯草杆菌被广泛应用 于水产养殖废水中［13 ］。日本佐贺县外津渔场的养鱼 池和水库养殖了 25 年未清淤， 引入枯草菌后 2 个月， 污泥平均深度减少 10 ～20 cm， 将污泥分解为土壤粒 状。枯草杆菌还能从水中吸收 Ag 、 La3 、 Cu2 、 Cd3 等重金属离子［14 ］。刘丽艳等将石英砂、 枯草芽 孢杆菌两者复合作吸附剂，吸附废水中 Cu2 、 Zn2 和 Cd2 离子， 研究表明对 3 种重金属的吸附是快速 且高效的 ［15 ］。 本文将枯草杆菌固定到生物陶粒的载体中， 研究 其对黑臭河水的净化效果及运行特性， 以期为该技术 的运行调控提供一定的理论及数字依据。 1实验部分 1. 1实验材料 1. 1. 1微生物菌种 从养殖底泥中分离净化水体作用较强的枯草芽 孢杆菌。 培养基 1 液体培养基 蛋白胨、 牛肉膏、 NaCl 质 量分数分别为 1、 0. 5、 0. 5， pH 7. 6 ～ 7. 8。 2 高盐琼脂培养基 在液体培养基中加入质量分数 2的琼脂， NaCl 质量分数提高到 7。培养基均经 过高压 0. 11 MPa 灭菌 20 min， 无菌分装备用。 从养殖水体中采集底泥样品， 底泥干燥后加入普 通液体培养基中， 37 ℃、 18 ～ 24 h 增殖培养后， 于 75 ～80 ℃水浴热处理 10 ～15 min。将热处理后的培 养物用平板画线分离法涂布于高盐琼脂平板， 37 ℃、 18 ～24 h 培养。选取生长良好的菌落反复接种， 经数 次高盐琼脂培养基培养筛选， 挑选培养平板上火山口 状的菌落进行纯培养［16 ］。 1. 1. 2曝气装置 曝气装置如图 1 所示。 图 1曝气装置示意 Fig．1Diagram of aeration device 1. 2实验原水 取自滨江高教园区生活区内的一段河道。原水 黑臭， 不断有气泡溢出， 实测溶解氧为零， 原水水质见 表 1。 表 1黑臭河水原水水质 Table 1Ｒaw water quality of black- odor water pH 值 ρ COD / mg L －1 浊度/ NTU ρ NH3－N / mg L －1 ρ TP / mg L －1 7. 9693. 8830. 6620. 72. 24 1. 3实验方法 4 个 PE 桶分别装入 1 t 左右的原河水。1 号桶 作为对照组; 2 号、 4 号桶内只放固定生物膜块体; 3 号桶放入固定生物膜块体， 并设置曝气条件。1 号 ～ 3 号桶每天换水， 以模拟实际河道有新污染物排入。 每天换水量为10 L， 占总体积的1。实验前10 d 不 进行换水， 进行菌种的活化与培养。4 号桶不换水， 用来研究固定生物膜块的降解动力学实验， 实验进行 30 d。 2结果与讨论 2. 1固定生物膜块对黑臭河水中 COD 含量的处理 效果 由图 2 可知 2 号 ～4 号桶 COD 呈先上升后下降 至趋于平行趋势。其中 3 号桶 COD 下降最快且幅度 最大 第 11 天下降至 20 mg/L 左右， 其后一直水平波 动， 作用效果较佳且稳定; 2 号、 4 号桶的 ρ COD 为 20 ～40 mg/L。对照组1 号桶 ρ COD 为60 ～80 mg/L， 高于其余3 个桶的COD。至第30 天3 号桶的ρ COD 03 环境工程 Environmental Engineering 降至 24. 91 mg/L， 达到 GB 38382002地表水环境 质量标准 Ⅳ类水的要求。2 号、 4 号桶分别降至 30. 66， 34. 49 mg/L， 达 GB 38382002 Ⅴ类水的要 求。实验结果表明， 固定生物膜块对黑臭河道 COD 去除具有显著效果。其中 3 号桶的去除率最大， 效果 最佳， 说明固定生物膜块在曝气条件下效果最佳。 图 2水样中 COD 含量的变化 Fig．2The changes of COD content in water samples 2. 2固定生物膜块对黑臭河水中浊度处理效果 图 3 中， 2 号 ～4 号桶浊度均呈先上升后下降至 趋于平行的趋势， 3 号桶的浊度下降最快且幅度大。 3 号桶至第 10 天变得澄清透明， 且能见底， 2 号桶从 第 19 天开始变得清澈， 可见度增大， 但效果略逊于 3 号桶。实验至第 20 天， 2 号、 3 号桶浊度趋于 0， 4 号 桶至第 26 天浊度降至 10 NUT。2 号 ～4 号桶的浊度 均低于 1 号桶。表明固定生物膜块对河道水质的净 化起到一定的作用。3 号桶处理效果最佳， 表明固定 生物膜块在曝气条件下效果最佳。 图 3水样浊度的变化 Fig．3The changes of turbidity in water samples 2. 3固定生物膜块对黑臭河水中 NH3－N 处理效果 由于客观原因， NH3－N 的数据从第 11 天开始进 行测定。由图 4 可知 4 个桶的 NH3－N 大致呈波浪 形下降。其中， 3 号桶的 NH3－N 最快降至0. 2 mg/L， 达到 GB 38382002 中Ⅱ类水的要求。实验第 30 天， 2 号、 4 号桶NH3－N 含量分别降至0.239， 0.231 mg/L， 达 GB 38382002 中Ⅱ类水的要求。 图 4水样 NH3 －N 含量的变化 Fig．4The changes of NH3－N content in water samples 1 号桶实验后期 NH3－N 含量降至 0. 5 mg/L。分 析原因 实验桶露天放置， 1 号桶放置处受到光照时 间较长， 水中浮游植物进行光合作用较强， 藻类生长， 氮是必需营养元素， 蓝藻等吸收水体中的氮， 从而导 致 NH3－N 含量降低。 2. 4固定生物膜块对黑臭河水中 TP 的处理效果 由图 5 可知 4 个桶的 TP 呈直线下降趋势。到 第30 天， 2 号 ～4 号桶 ρ TP 分别降至0. 215， 0. 208， 0. 217 mg/L， 达 GB 38382002 中Ⅳ类水的要求， 桶 1的总磷降至 0. 305 mg/L， 达 GB 38382002Ⅴ类 水的要求。 图 5水样 TP 含量的变化 Fig．5The changes of TP content in water samples 分析 1 号桶 TP 下降原因 1 实验桶是露天放 置， 天气的变化对实验结果有一定影响， 如雨水天气， 将稀释桶里的水; 2 与桶里的蓝藻等浮游植物有关， 1 号桶中有大量蓝藻等浮游植物， 磷是植物生长发育 的营养元素之一， 许多藻类都可以利用不同形式的磷 作为生长发育来源， 蓝藻等浮游植物吸收水体中的磷 等物质进行生长; 3 与放置的位置有关， 1 号桶放在 最外面， 每天受到光照时间最长， 桶中蓝藻等浮游植 物进行光合作用相对较强。 13 水污染防治 Water Pollution Control 2. 5固定生物膜块对水样 pH 值的影响 由图 6 可知 3 号桶 pH 最为稳定， 为 8. 0 ～9. 0， 在地表水环境质量标准限值内， 属于达标。2 号、 4 号 桶的 pH 值在8. 0 ～10. 0， 对照组1 号桶 pH 值普遍高 于其余 3 个桶， 最高达 10. 07。 图 6水样 pH 值的变化 Fig． 6The changes of pH in water samples 2. 6固定生物膜块对黑臭河水的净化效果 固定生物膜块作用10 d 后， 3 号桶水质已达到净 化效果， 但其余 3 个桶水质指标仍在变化。固定生物 膜块作用 17 d 后， 4 个桶水样水质均稳定， 因此选用 第 18 天所测数据计算去除率， 结果见表 2。 表 2黑臭河水污染物去除率 Table 2Ｒemoval rate of black- odor water pollutant 编号COD浊度 NH3－NTP 桶 1 21. 31－22. 0896. 9286. 92 桶 2 57. 6479. 2996. 4485. 04 桶 3 75. 7995. 2198. 6683. 71 桶 4 59. 6520. 1298. 0881. 25 3结论 从以上分析可知， 放置了固定生物膜块的水样均 比对照组 1 号桶有较好的改善， COD、 浊度、 氨氮、 总 磷都有不同程度的下降， 说明固定生物膜块对黑臭河 水的净化效果好。其中加入曝气装置的 3 号桶净化 效果尤为明显， 各指标的下降速度更快， 作用10 d后， 水质变得澄清透明可见底， pH 值在 8. 0 ～ 9. 0， 符合 GB 38382002 达标要求， ρ COD 降至24. 91 mg/L， 达 GB 38382002 中Ⅳ类水的要求， ρ NH3－N 降至 0. 203 mg/L， 达 GB 38382002 中Ⅱ类水的要求， ρ TP 降至 0. 208 mg/L， 达 GB 38382002 中Ⅳ类水 的要求。2 号桶在只有固定生物膜块作用 20 d 后， 水质也开始变得澄清透明可见底， 效果略逊于 3 号 桶， ρ COD 降至 30. 66 mg/L， 达 GB 38382002 中 Ⅴ 类 水 要 求，ρ NH3－N降 至 0. 239 mg/L，达 GB 38382002 中 Ⅱ 类 水 的 要 求，ρ TP降 至 0. 215 mg/L， 达 GB 38382002 中Ⅳ类水的要求。 参考文献 ［1］金鹏飞， 张列宇， 熊瑛， 等． 上海外浜黑臭河道治理与生态修复 工程［ J］． 给水排水， 2008， 34 2 62- 65. ［2］许巍， 袁斌， 孙水裕， 等． 城镇污染河流修复技术研究进展［J］． 广东工业大学学报， 2004， 21 4 85- 90. ［3］王英才， 刘永定． 上海市几条黑臭河流治理效果的比较与分析 ［J］． 水生生物学报， 2009， 33 2 355- 359. ［4］武涛， 刘彬彬． 上海市黑臭河道治理技术应用研究［J］ ． 工业安 全与环保， 2010， 36 3 27- 29. ［5］钱嫦萍， 王东启， 陈振楼， 等． 生物修复技术在黑臭河道治理中 的应用［ J］ ． 水处理技术， 2009， 35 4 13- 17. ［6］罗义， 毛大庆． 生物修复概述及国内外研究进展［J］． 辽宁大学 学报， 2003， 30 4 298- 302. ［7］Meijer M L． Biomanipulation in the Netherlands 215 Years of Experience［ D ］ ．Wageningen Wageningen University， 2000 1- 208. ［8］李相力， 张鹏程， 于洪存． 沈阳市卫工河黑臭现象分析［J］． 环 境保护科学， 2003， 119 29 27- 28. ［9］邹小兵， 陈丽娟， 邓泽根， 等． POPs 在湖泊水生动物中的积累及 其危害［ J］ ． 重庆大学学报， 2002， 26 1 87- 95. ［ 10］郝桂玉， 黄民生， 徐亚同． 生物修复原理及其在黑臭水体治理中 的应用［ J］ ． 净水技术， 2004， 23 2 39- 41. ［ 11］王耘， 程江， 黄民生． 上海城区中小河道黑臭水体修复关键技术 初探［ J］． 净水技术， 2006， 25 2 6- 10. ［ 12］李明， 双宝， 李海涛， 等． 枯草芽孢杆菌的研究与应用［J］ ． 东北 农业大学学报， 2009， 40 9 111- 114. ［ 13］仇丽． 枯草芽孢杆菌在养殖中的应用［J］ ． 渔业现代化， 2002 4 26- 28. ［ 14］刘清， 徐伟昌， 招国栋， 等． 铀和铅对枯草杆菌毒性的研究 ［OL］． ［ 2007- 04- 05］． 中国科技论文在线， http / /www． paper． edu． cn/index． php/default/releasepaper/content/200704- 146. ［ 15］刘丽艳， 孙津生， 李鑫钢． 复合吸附剂吸附废水中的重金属离子 的动力学研究［J］． 化工机械， 2005， 32 5 267- 270. ［ 16］雷爱莹， 彭敏， 李咏梅． 枯草芽孢杆菌的分离及其净化水质的研 究［ J］ ． 水利渔业， 2007， 27 6 55- 56. 第一作者 董甜甜 1987 － ， 女， 硕士， 主要研究方向为水资源保护与 管理。11700858057 qq． com 通讯作者 陈建军 1971 － ， 男， 副教授， 主要研究方向为水土环境保 护与修复。jjchen hdu． edu． cn 23 环境工程 Environmental Engineering