曝气及生物制剂对营养化湖水净化实验研究

陈舒蕾，唐 雨，刘冬妹，覃雪云，温新颖，丘海峰，莫德清

(桂林电子科技大学生命与环境科学学院，广西 桂林 541004)

水体富营养化是目前全球关注的热点问题，水体富营养化会引起水体发生水华和严重危害人类健康，治理水体富营养化成为当下热点研究领域[1-3]。由于微生物修复法具有操作简单、处理成本低，具有维护水体生态平衡和二次污染小等特点。利用微生物修复技术等生物方法治理富营养化水体成为学术界广泛关注的问题[4]。曾冠军[5]在研究在处理景观富营养化水体中发现：增加曝气能够对景观水体中TN、TP的去除效果有明显的增加；Tang Van Tai[6]通过生物工程菌与曝气相结合，对去除COD、NH3-N与增加微生物群落效果明显。本研究针对富营养化湖水通过实验探究利用微生物与曝气模拟构建微生态环境，以促进水体的自净化能力的提升。

1 实验部分

1.1 实验材料

(1)生物制剂：生物制剂(SEM菌)，来源于武汉施普瑞环保工程有限公司，SEM由光合细菌、乳酸菌、酵母菌、曲菌、放线菌等的微生物构成。其中，可分为SEM-W菌与SEM-D菌，SEM-W菌多含光合细菌、曲菌、放线菌等微生物，SEM-D菌多含光合细菌、乳酸菌、酵母菌等微生物。

(2)试验用水：为某景观湖湖水，收纳了附近污水处理设施排水作为景观用水，由于污水处理设施因各种原因使污水未能达标排放，致使湖水具轻微腥臭味，湖水呈富营养化状态。基本水质指标氨氮、总磷、COD浓度分别为21.83～50.70mg/L、2.286～5.10 mg/L、24.16～48.11 mg/L。

1.2 试验方法

实验所使用的装置由玻璃水箱、曝气系统(气泵、导管、简易的气体流量控制阀及曝气头)组成，在水箱中注入湖水，按实验要求进行生物制剂和底泥添加，并辅以曝气。每2天定期对水体的氨氮、总磷、COD水体指标进行监测，了解水体净化效果。

1.3 检测方法

氨氮采用纳氏试剂分光光度法；总磷采用钼酸铵分光光度法；COD采用快速消解分光光度法。

2 结果与分析

2.1 曝气对富营养化湖水净化的影响

图1 水中氨氮浓度的变化情况Fig.1 Changes of Ammonia Nitrogen Concentration in Water

图1 为湖水以及湖水和底泥共存物在曝气和非曝气条件下氨氮浓度的变化情况。由图1可知，湖水在不曝气的情况下，氨氮浓度随放置时间的有所下降，15天下降了约29.4%，这可能与氨氮的自然挥发或水中的少量硝化菌的作用有关。湖水在曝气条件下与非曝气下氨氮的变化趋势相似，15天下降的量也较为接近，说明单一湖水中硝化菌的量甚微，可见，在微生物缺乏时采用曝气方式来降低氨氮较难起到效果。湖水和底泥共存时，放置过程其氨氮的几乎变化不大；而在曝气条件下，5 天后氨氮的下降趋势则较为明显，这可能是泥中存在较为丰富的微生物，当有氧条件下逐渐发挥其作用促进了氨氮的降解。

图2 为湖水以及湖水和底泥共存物在曝气和非曝气条件下水中总磷浓度的变化情况。由图2可知，湖水在放置过程和曝气过程其总磷浓度变化甚微，这与水中微生物较少有关。湖水和底泥共存时，放置过程水中总磷含量呈现增加的趋势，这可能是泥中的磷向水中释放的结果。对湖水和底泥进行曝气，总磷浓度随之下降，15天可降低86.1%，说明曝气可激活泥中微生物的作用。

图3为湖水以及湖水和底泥共存物在曝气和非曝气条件下水中COD浓度的变化情况。由图3可知，湖水在放置过程COD会出现波动并有所升高，特别放置5～10天上升较大，最高时增加57.1%，说明富营养化水如不进行治理可能会造成恶化。对湖水进行曝气COD浓度有所下降，但下降量非常有限。湖水和底泥共存时，放置过程水中COD含量呈先上升后下的趋势，15天下降了66.9%，这是泥中的微生物慢慢适应环境并进行繁殖利用了碳源的结果。对湖水和底泥曝气，COD下降速度增加，15天COD下降了94.7%，体现较好的净化效果。

图2 水中总磷浓度的变化情况Fig.2 Changes of Total Phosphorus Concentration in Water

图3 水中COD浓度的变化情况Fig.3 Changes of COD Concentration in Water

由图1至图3可见，当微生物存在条件下进行曝气有利于富营养化湖水的净化。

2.2 生物制剂对富营养化湖水净化的影响

图4 生物制剂添加对氨氮的净化效果Fig.4 Purification of Ammonia Nitrogen by Adding Biological Agents

图4、图5和图6分别为在湖水中按3ppm浓度添加生物制剂进行曝气处理过程氨氮、总磷和COD的的变化情况。初始加入生物制剂，水中氨氮、总磷和COD有所提升，随着曝气进行，氨氮、总磷和COD浓度下降。图4显示，曝气7天，氨氮的去除效果开始明显，至18天时氨氮基本净化完全，其中投加SEM-W的净化速率优于SEM-D。图5 显示，投加SEM-W曝气4天，投加SEM-D曝气7天，总磷的净化效果开始明显，至18天时两者总磷的去除率分别为93.2%和92.3%。图6显示，投加SEM-W曝气第2天COD明显降低，18天时COD降至2.24mg/L；投加SEM-D曝气7天显现较好效果，18天时COD降至6.47mg/L。

图5 生物制剂添加对总磷的净化效果Fig.5 Purification of Total Phosphorus by Adding Biological Agents

图6 生物制剂添加对COD的净化效果Fig.6 Purification of COD by Adding Biological Agents

2.3 不同生物制剂配比对富营养化湖水净化的影响

图7 不同生物制剂配比氨氮的净化效果Fig.7 Purification Effect of Ammonia Nitrogen with Different Ratios of Biological Agents

图8 不同生物制剂配比总磷的净化效果Fig.8 Purification Effect of Total Phosphorus with Different Ratios of Biological Agent

考虑水中微生物的丰富度，将SEM-W与SEM-D进行配合使用进行曝气，分别按3∶1、1∶1和1∶3进行了尝试，结果见图7、图8和图9。对比图4至图6可以看出，SEM-W与SEM-D配合使用较单一生物制剂降解速度更快，曝气6天时即达到较好的效果。按SEM-W：SEM-D为 3∶1、1∶1和1∶3，曝气6天，氨氮的降解率分别为90.5%、96.4%和78.2%，总磷的降解率分别为68.5%、75.8%和22.5%，COD的降解率分别为79.1%、84.5%和79.0%；曝气14天，氨氮的降解率分别为95.4%、98.1%和93.1%，总磷的降解率分别为67.8%、83.9%和66.9%，COD的降解率分别为86.7%、92.9%和88.9%。图7、图8和图9都表明， SEM-W与SEM-D比例为1∶1效果最好。

图9 不同生物制剂配比COD的净化效果Fig.9 Purification Effect of COD with Different Ratios of Biological Agent

2.4 自净能力分析

在对营养化湖水通过添加生物制剂进行曝气22天后停止曝气，持续监测，水质依然保持较好的净化效果；通过物相分析发现，出现了轮虫、喇叭虫、刀口虫、钟虫、漫游虫等生存在环境较好水体的指示微生物(见图10)，表明经过一段时间的处理，营养化湖水的水质状况有了较好的改善。可见，曝气和生物制剂配合可改善微生物的生长环境，对水质的自净化能力有一定的提升。

图10 微生物图片Fig.10 Pictures of microorganisms

3 结论

(1)当水中微生物微少的情况下对富营养化湖水进行曝气净化效果甚微，通过曝气与添加生物制剂共同作用，可促进营养化湖水的净化。

(2)SEM-W和SEM-D两种制剂分别进行使用时，SEM-W效果好于SEM-D。

(3)将SEM-W和SEM-D两种制剂混合使用比单一制剂效果更好，其中SEM-W和SEM-D按1∶1配比对湖水的净化效果相对较好。

(4)通过曝气和生物制剂结合，可改善水质环境，提升水体自净化能力。