微生物技术治理城市黑臭水体的实验研究
石小峰 宫政 王晓佩 邹稳
摘要：本文研究了投加量、曝气量以及水温对微生物菌剂治理黑臭水体效果的影响，开展了微生物菌剂治理黑臭水体的现场实验。结果表明，本实验条件下微生物菌剂的最适投加量为1.5‰，DO以2～3mg/L为宜，当水温低于一定程度时，微生物菌剂的处理效果会受到抑制。在河道现场实验中，增氧曝气加微生物菌剂能够显著改善水体SD、DO、ORP、COD和NH3-N，该型微生物菌剂要应用于实际工程中，还需要对其进行更深入的研究和改进。
关键词：微生物菌剂；黑臭水体；增氧曝气；现场实验
中图分类号：X829 文献标识码：A 文章编号：2095-672X（2018）06-0107-02
DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2018.06.062
Abstract： In this paper， the effect of dosage， aeration volume and water temperature on the treatment effect of microbial inoculants on black and odorless water bodies was studied. In-situ experiments were carried out to treat black and odorous water bodies with microbial inoculants. The results showed that the optimal dosage of microbial inoculants was 1.5‰ and DO was 2～3mg/L under the experimental conditions. When the water temperature was lower than a certain level， the treatment effect of microbial inocula was inhibited. In river field experiments， aeration aeration plus microbial inoculants can significantly improve the water body SD， DO， ORP， COD and NH3-N. This type of microbial inoculum should be applied in practical engineering， but also need to be more in-depth Research and improvement.
Key words： Microbial agent； Black and odor water body； Oxygen aeration； Field experiment
随着城市发展与人口增长，城市河道生态环境遭到严重破坏，水质急剧恶化（吴霞，2014）。化学絮凝、重金属的化学固定等方法治理黑臭水体时，需要大量投加化学药剂，容易引起二次污染，其成本也很高昂，且化学法治理不具有可持续性。微生物修复技术是利用微生物降解河道污染物，具有效果好、效果持久、环境友好、无二次污染等优点，日益成为研究的热点。
本文针对北方某城市黑臭水体水质特性，采用微生物菌剂在好氧条件下对黑臭水体进行处理，通过实验室研究与工程实例相结合的方式，验证微生物菌剂治理黑臭水体的效果，以期为其在北方某城市黑臭水体治理工程化应用中提供科学依据与技术参数。
1 实验部分
1.1 实验材料
本实验采用的微生物菌剂为淡紫色粉状产品，其中含有多種微生物和酶，如乳酸片球菌、粪肠球菌、解淀粉芽孢杆菌、粉末毕赤酵母等[1]。
1.2 实验仪器和分析方法
水质检测项目及方法如下表所示。CODCr采用重铬酸盐法（GB11914-89），NH3-N采用纳氏药剂比色法（GB7479-87），TN采用碱性过硫酸钾紫外分光光度计法（GB11894-89），pH、ORP采用便携式pH计法，透明度采用塞氏盘法，DO采用便携式DO测定仪法。
1.3 实验水质
实验用水取自阜阳某黑臭河道水系治理项目，COD为121mg/L；NH3-N为26.95mg/L；TN为32.6mg/L；pH为8.03。
2 结果与讨论
2.1 影响微生物环保剂对黑臭水体处理效果的因素
2.1.1 投加量
在常温条件下向10 L水中分别投加不同质量比的微生物菌剂，采用曝气泵曝气，控制水体DO为4～5mg/L，每隔12h定时取样，考察水体中主要污染物COD、NH3-N、TN的变化，结果见表 1。
由表1可以看出，微生物菌剂投加量对水体中COD、NH3-N、TN去除率的影响很大，特别是NH3-N。当反应时间经过72h后，投加量为1.5‰～3.0‰的NH3-N去除率分别为92.43%、93.76%、95.83%，说明该型微生物菌剂具有快速响应能力，适合应急项目，特别是高NH3-N受污水体应急项目的快速达标净化。COD、NH3-N、TN去除率随着投加量的增大呈先增加后趋稳的趋势，投加量为0‰时水体COD、NH3-N去除率不高，说明只有曝气的条件下是不能大量去除水体中的COD、NH3-N。结合处理效果与成本，该型微生物菌剂最适投加量为1.5‰。
2.1.2 曝气量
在常温条件下向10L水中投加1.5‰的微生物菌剂，以不同微生物菌剂投加量（简称投加量）和DO条件进行反应，投加量分别为：0‰+DO1mg/L（不曝气）、1.5‰+DO1mg/L（不曝气）、0‰+DO2 mg/L、1.5‰+DO2 mg/L、0‰ +DO4mg/L、1.5‰+DO4 mg/L（依次编号为#1～#6），每隔12h定时取样，整个实验过程历时5d，结果见表2。
由表2可知，COD和NH3-N的去除率由高至低为#6>#4>#2>#5>#3>#1；TN的去除率高至低为#2>#6>#4>#5>#1>#3。曝气对NH3-N的去除效果具有一定的促进作用，但单纯曝气不能满足NH3-N的降解需求；同时曝气对水中微生物的繁殖有促进作用，因此COD的降解效果逐步得到提升。综合考虑技术处理要求及经济成本，选取适宜的DO为2～3 mg/L。
2.1.3 水温
于2017年10月与2018年2月开展了两次相同的实验，在DO为3mg/L条件下，向10L的水中投加0‰、1.5‰的微生物菌剂，2017年10月平均水温为12.6℃，2018年2月平均水温则为3.3℃。结果如表4所示。
由表3可以看出，温度对微生物菌剂的治理效果影响很大。当温度从温度段1降到温度段2，微生物菌剂投加量为1.5‰时对NH3-N去除率从95.82%骤降至38.74%。温度影响了微生物的生长繁殖，导致水体中菌群数量减少；此外温度降低，影响微生物酶的活性，进而影响微生物分解污染物的速率。通过微生物菌剂投加量0‰与1.5‰污染物去除率的对比，说明在低温条件下，在水体中投加微生物菌剂对去除水体污染物有促进作用[2-3]。
2.2 微生物环保剂治理城市黑臭水体工程实例
为了研究微生物菌剂在自然水体中的治理效果，特选取黑臭河道进行现场实验。从河道截取一段，两端用围堰封堵，实验段长约50m，宽约7m，水深1.1m，水容量385m3。实验水质：COD 120mg/L，NH3-N 28.02mg/L，TN 30.15mg/L，SD 21cm，DO 0.54mg/L，ORP -217mV，pH 7.92。原水作为0h水质，投加药剂之后每隔24h取样一次。现场实验进度计划如表4所示。
由图1可知，微生物菌剂投加后第1～2d水体透明度有所降低，第2天后水体透明度逐渐改善，至第7天水体透明度达43cm。由图1-2可知，在河道架设曝气机后，水体溶解氧从0.54mg/L增至最高时的7.48mg/L；随着水体溶解氧的增加，水体ORP也迅速上升，从最初的-213mV升至163mV。由圖1-3、图1-4可知，前期水体中的COD与NH3-N均略有升高，随着处理时间的推移COD和NH3-N含量逐渐降低，其中COD浓度从120mg/L降至67mg/L，去除率为44.17%；NH3-N浓度从28.02mg/L减至10.94mg/L，去除率为60.96%。
3 结论
本实验研究结果表明，微生物菌剂对城市黑臭水体治理具有一定的效果，主要试验结论如下：
（1）微生物菌剂的投加量、曝气量以及水温均对其治理黑臭水体有影响，本实验条件下微生物菌剂的最适投加量为1.5‰，DO以2～3mg/L为宜；低温时微生物菌剂的处理效果会受到抑制，在实际工程应用中应避免在冬季投撒菌剂；
（2）在河道现场实验中发现，增氧曝气加微生物菌剂能够显著改善水体SD、DO以及ORP，使SD从21cm提升至43cm，DO从0.54mg/L增至7.48mg/L，ORP从-213mV增至163mV；虽然降解大量的COD、NH3-N，但NH3-N指标仍处于轻度黑臭范围；
（3）该型微生物菌剂要应用于实际工程中，还需要对其进行更深入的研究和改进[4-6]。
参考文献
[1]吴霞，谢悦波.直接投菌法在城市重污染河流治理中的应用研究[J].环境工程学报，2014，808：3331-3336.
[2]尹莉，张鹏昊，陈伟燕，乔丽丽，耿翠玉，仲惠川.固定化微生物技术对坑塘黑臭水体的净化研究[J].水处理技术，2018，4402：105-108.
[3]姚宸朕，徐志嫱，杨杰，刘荣荣，周爱朝.固定化微生物技术原位削减河道黑臭底泥的中试研究[J].灌溉排水学报，2018，03：122-128.
[4]蒋瑶，夏品华，薛飞，林陶.贵州百花湖水库水体透明度的时空变化及影响因子[J].贵州农业科学，2013，4101：199-202.
[5]邸攀攀，张力，王岩，张振华，严少华，易能，高岩.微生物固定化技术对污水中微生物丰度变化的影响[J].生态与农村环境学报，2015，3106：942-949.
[6]黄茜，宋敬霞，汪思华，杨波萍.火电厂反渗透进水ORP测量的影响因素[J].工业水处理，2015，3506：75-78.
收稿日期：2018-04-16
作者简介：石小峰（1975-），男，工学学士，高级工程师，研究方向为区域水环境综合治理、村镇污水联片整治、市政污水提标改造。
摘要：本文研究了投加量、曝气量以及水温对微生物菌剂治理黑臭水体效果的影响，开展了微生物菌剂治理黑臭水体的现场实验。结果表明，本实验条件下微生物菌剂的最适投加量为1.5‰，DO以2～3mg/L为宜，当水温低于一定程度时，微生物菌剂的处理效果会受到抑制。在河道现场实验中，增氧曝气加微生物菌剂能够显著改善水体SD、DO、ORP、COD和NH3-N，该型微生物菌剂要应用于实际工程中，还需要对其进行更深入的研究和改进。
关键词：微生物菌剂；黑臭水体；增氧曝气；现场实验
中图分类号：X829 文献标识码：A 文章编号：2095-672X（2018）06-0107-02
DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2018.06.062
Abstract： In this paper， the effect of dosage， aeration volume and water temperature on the treatment effect of microbial inoculants on black and odorless water bodies was studied. In-situ experiments were carried out to treat black and odorous water bodies with microbial inoculants. The results showed that the optimal dosage of microbial inoculants was 1.5‰ and DO was 2～3mg/L under the experimental conditions. When the water temperature was lower than a certain level， the treatment effect of microbial inocula was inhibited. In river field experiments， aeration aeration plus microbial inoculants can significantly improve the water body SD， DO， ORP， COD and NH3-N. This type of microbial inoculum should be applied in practical engineering， but also need to be more in-depth Research and improvement.
Key words： Microbial agent； Black and odor water body； Oxygen aeration； Field experiment
随着城市发展与人口增长，城市河道生态环境遭到严重破坏，水质急剧恶化（吴霞，2014）。化学絮凝、重金属的化学固定等方法治理黑臭水体时，需要大量投加化学药剂，容易引起二次污染，其成本也很高昂，且化学法治理不具有可持续性。微生物修复技术是利用微生物降解河道污染物，具有效果好、效果持久、环境友好、无二次污染等优点，日益成为研究的热点。
本文针对北方某城市黑臭水体水质特性，采用微生物菌剂在好氧条件下对黑臭水体进行处理，通过实验室研究与工程实例相结合的方式，验证微生物菌剂治理黑臭水体的效果，以期为其在北方某城市黑臭水体治理工程化应用中提供科学依据与技术参数。
1 实验部分
1.1 实验材料
本实验采用的微生物菌剂为淡紫色粉状产品，其中含有多種微生物和酶，如乳酸片球菌、粪肠球菌、解淀粉芽孢杆菌、粉末毕赤酵母等[1]。
1.2 实验仪器和分析方法
水质检测项目及方法如下表所示。CODCr采用重铬酸盐法（GB11914-89），NH3-N采用纳氏药剂比色法（GB7479-87），TN采用碱性过硫酸钾紫外分光光度计法（GB11894-89），pH、ORP采用便携式pH计法，透明度采用塞氏盘法，DO采用便携式DO测定仪法。
1.3 实验水质
实验用水取自阜阳某黑臭河道水系治理项目，COD为121mg/L；NH3-N为26.95mg/L；TN为32.6mg/L；pH为8.03。
2 结果与讨论
2.1 影响微生物环保剂对黑臭水体处理效果的因素
2.1.1 投加量
在常温条件下向10 L水中分别投加不同质量比的微生物菌剂，采用曝气泵曝气，控制水体DO为4～5mg/L，每隔12h定时取样，考察水体中主要污染物COD、NH3-N、TN的变化，结果见表 1。
由表1可以看出，微生物菌剂投加量对水体中COD、NH3-N、TN去除率的影响很大，特别是NH3-N。当反应时间经过72h后，投加量为1.5‰～3.0‰的NH3-N去除率分别为92.43%、93.76%、95.83%，说明该型微生物菌剂具有快速响应能力，适合应急项目，特别是高NH3-N受污水体应急项目的快速达标净化。COD、NH3-N、TN去除率随着投加量的增大呈先增加后趋稳的趋势，投加量为0‰时水体COD、NH3-N去除率不高，说明只有曝气的条件下是不能大量去除水体中的COD、NH3-N。结合处理效果与成本，该型微生物菌剂最适投加量为1.5‰。
2.1.2 曝气量
在常温条件下向10L水中投加1.5‰的微生物菌剂，以不同微生物菌剂投加量（简称投加量）和DO条件进行反应，投加量分别为：0‰+DO1mg/L（不曝气）、1.5‰+DO1mg/L（不曝气）、0‰+DO2 mg/L、1.5‰+DO2 mg/L、0‰ +DO4mg/L、1.5‰+DO4 mg/L（依次编号为#1～#6），每隔12h定时取样，整个实验过程历时5d，结果见表2。
由表2可知，COD和NH3-N的去除率由高至低为#6>#4>#2>#5>#3>#1；TN的去除率高至低为#2>#6>#4>#5>#1>#3。曝气对NH3-N的去除效果具有一定的促进作用，但单纯曝气不能满足NH3-N的降解需求；同时曝气对水中微生物的繁殖有促进作用，因此COD的降解效果逐步得到提升。综合考虑技术处理要求及经济成本，选取适宜的DO为2～3 mg/L。
2.1.3 水温
于2017年10月与2018年2月开展了两次相同的实验，在DO为3mg/L条件下，向10L的水中投加0‰、1.5‰的微生物菌剂，2017年10月平均水温为12.6℃，2018年2月平均水温则为3.3℃。结果如表4所示。
由表3可以看出，温度对微生物菌剂的治理效果影响很大。当温度从温度段1降到温度段2，微生物菌剂投加量为1.5‰时对NH3-N去除率从95.82%骤降至38.74%。温度影响了微生物的生长繁殖，导致水体中菌群数量减少；此外温度降低，影响微生物酶的活性，进而影响微生物分解污染物的速率。通过微生物菌剂投加量0‰与1.5‰污染物去除率的对比，说明在低温条件下，在水体中投加微生物菌剂对去除水体污染物有促进作用[2-3]。
2.2 微生物环保剂治理城市黑臭水体工程实例
为了研究微生物菌剂在自然水体中的治理效果，特选取黑臭河道进行现场实验。从河道截取一段，两端用围堰封堵，实验段长约50m，宽约7m，水深1.1m，水容量385m3。实验水质：COD 120mg/L，NH3-N 28.02mg/L，TN 30.15mg/L，SD 21cm，DO 0.54mg/L，ORP -217mV，pH 7.92。原水作为0h水质，投加药剂之后每隔24h取样一次。现场实验进度计划如表4所示。
由图1可知，微生物菌剂投加后第1～2d水体透明度有所降低，第2天后水体透明度逐渐改善，至第7天水体透明度达43cm。由图1-2可知，在河道架设曝气机后，水体溶解氧从0.54mg/L增至最高时的7.48mg/L；随着水体溶解氧的增加，水体ORP也迅速上升，从最初的-213mV升至163mV。由圖1-3、图1-4可知，前期水体中的COD与NH3-N均略有升高，随着处理时间的推移COD和NH3-N含量逐渐降低，其中COD浓度从120mg/L降至67mg/L，去除率为44.17%；NH3-N浓度从28.02mg/L减至10.94mg/L，去除率为60.96%。
3 结论
本实验研究结果表明，微生物菌剂对城市黑臭水体治理具有一定的效果，主要试验结论如下：
（1）微生物菌剂的投加量、曝气量以及水温均对其治理黑臭水体有影响，本实验条件下微生物菌剂的最适投加量为1.5‰，DO以2～3mg/L为宜；低温时微生物菌剂的处理效果会受到抑制，在实际工程应用中应避免在冬季投撒菌剂；
（2）在河道现场实验中发现，增氧曝气加微生物菌剂能够显著改善水体SD、DO以及ORP，使SD从21cm提升至43cm，DO从0.54mg/L增至7.48mg/L，ORP从-213mV增至163mV；虽然降解大量的COD、NH3-N，但NH3-N指标仍处于轻度黑臭范围；
（3）该型微生物菌剂要应用于实际工程中，还需要对其进行更深入的研究和改进[4-6]。
参考文献
[1]吴霞，谢悦波.直接投菌法在城市重污染河流治理中的应用研究[J].环境工程学报，2014，808：3331-3336.
[2]尹莉，张鹏昊，陈伟燕，乔丽丽，耿翠玉，仲惠川.固定化微生物技术对坑塘黑臭水体的净化研究[J].水处理技术，2018，4402：105-108.
[3]姚宸朕，徐志嫱，杨杰，刘荣荣，周爱朝.固定化微生物技术原位削减河道黑臭底泥的中试研究[J].灌溉排水学报，2018，03：122-128.
[4]蒋瑶，夏品华，薛飞，林陶.贵州百花湖水库水体透明度的时空变化及影响因子[J].贵州农业科学，2013，4101：199-202.
[5]邸攀攀，张力，王岩，张振华，严少华，易能，高岩.微生物固定化技术对污水中微生物丰度变化的影响[J].生态与农村环境学报，2015，3106：942-949.
[6]黄茜，宋敬霞，汪思华，杨波萍.火电厂反渗透进水ORP测量的影响因素[J].工业水处理，2015，3506：75-78.
收稿日期：2018-04-16
作者简介：石小峰（1975-），男，工学学士，高级工程师，研究方向为区域水环境综合治理、村镇污水联片整治、市政污水提标改造。
