水质净化微生物系统

1、微生物原位生态修复技术
       微生物原位生态修复技术是通过向目标水体及底泥投加优势微生物，优势微生物是通过专利技术用于河涌水污染治理的优势微生物驯化方法和用于河涌水污染治理的优势微生物固体菌剂制备方法先进行驯化再富集制备而成。
通过投加驯化富集后的固体复合优势微生物菌剂进入底泥中，可逐渐向上覆水体中释放出水质改善型微生物及底泥改造型的微生物会向淤泥中扩散。能够完善水体及沉积底泥中微生物的种群和提高微生物的活性，从而增强微生物对水体及沉积底泥中有机质的净化能力，使水体能持久性改善水质和沉积底泥的活性，最终使水体清澈及淤泥消减生态化。原位生态底泥修复过程示意图如下。
       在投加优势微生物后，由于水体中存在大量的有机污染物及丰富的氮磷等物质，为微生物的生存和大量繁殖提供的营养基础，优势微生物开始大量生长，并吸收和转化水体中的污染物。随着时间的推移，优势微生物开始附着在泥水分界面（即沉积淤泥的表面），并通过底泥表面向深层的底泥扩散。在不断的扩散过程中，优势微生物不断将底泥中的有机质利用来进行自身的新陈代谢作用，从而将有机质转化为CO2和H2O。最后水体及底泥中的有机质被微生物分解完，底泥得到活化。由于底泥中有机污染物逐渐减少，优势微生物得不到充足的营养物，会逐渐进行自身内源呼吸，大量微生物因内源呼吸而消耗自身的能量，微生物逐渐减少，剩余部分优势微生物与水体和底泥中的有机污染物保持平衡。水体和底泥得到持续性的改善，同时水体也不会有任何的二次污染。
图 微生物与时间的增减关系
       微生物新陈代谢过程中污染物的转化过程主要包括两种类型，厌氧生物转化和好氧生物转化过程。
       1）在厌氧（或缺氧）过程
       污染物被厌氧菌利用，其中的碳、氢、氧一部分转化成CO2和H2O，另一部分被分解成小分子有机酸、醇类物质；氮一部分被转成氨气（NH3）从水中逸出，一部分生成无机氮溶解于水中，成为水中动植物的营养氧元素；磷被微生物的作用转化为无机磷，作为生物新陈代新的能源物质。
图  厌氧微生物降解污染物过程
       2）在好氧过程中，水体中的好氧菌将有小分子的有机酸、醇等有机污染物进一步分解成CO2和H2O；水体中的无机磷一部分则被微生物中的聚磷菌利用与ADP（二磷酸腺苷）结合生成ATP（三磷酸腺苷）作为能量物质储存在体内，一部分则被水体中的动植物吸收。从而使水体得到净化，水体不会再黑臭。植物吸收后，由于体内积累大量的氮磷元素，需通过定期更换水生植物，使整个生态系统持续稳定。好氧微生物降解有机物的过程如下图
图  好氧微生物降解污染物过程
       在方案设计中，充分运用微生物在厌氧及好氧状态下对污染物去除的原理，将C、N、P转化成个级生态链能利用的营养成分。同时生态浮岛及水生植物的根系能提供优势微生物大量繁殖及附着生存环境，从而利用微生物的作用使水中的污染物在各个工艺段被不同的微生物进行转化或利用，从而实现污染物从水体及底泥中分离出来，（如，CO2、CH4、NH3等气体从水中逸出，溶解在水中的氮磷则被水生植物或动物利用），进而使水体得到净化。水体物质流通如下图
图 水体中的生物链
       使用范围：适用于流速较缓的黑臭水体底泥修复。
       限制因素：目前市面上销售的微生物产品质量参差不齐，需要选择能有效修复底泥的微生物，在微生物选择上还需要考虑到外源微生物可能造成的生物入侵问题。微生物修复的速度导致技术的见效比较缓慢，不适用于应急性措施。
2、微生物原位生态修复技术主要内容
       微生物原位生态修复技术将开展以下几方面的工作：
       （1）在对河涌六项主要水质指标进行监测的基础上，采用水体黑臭评价模型，通过构建水质指标与黑臭阈值之间的相关性，确定黑臭水体的主要影响因子。
       （2）结合理论分析结果，采用正交试验方法，探究各主要影响因素的主次关系及影响最大的因素组合，寻求水体发生黑臭的主要指标及其临界值。
       （3）选用黑臭水体及底泥中提取的优势菌为菌源，以导致水体黑臭主要污染物的降解效果为依据进行高效降解菌株的筛选。通过试验确定菌株的生长条件，并对其降解特性和黑臭水体的净化效果进行测定。
       （4）将分离得到的菌种和有针对性的外源菌进行组合，寻求提高黑臭降解能力的复合菌剂。内容包括相容性、投加比例、最佳条件、降解效果等。
       （5）将得到的复合菌剂用于黑臭水体与底泥的实际修复工程中，观察运行效果。为复合菌剂的实际应用提供基础。
       结合国内部分典型的黑臭水水质特点，配制人工黑臭水，针对不同河道或者景观水体自身环境污染特征，以河道本土水样筛选黑臭水净化高效菌株，自行开发河道本土的黑臭水体净化菌剂。从底泥土著微生物中驯化分离筛选得细菌，生物法作为一种有效、安全、可靠和彻底解决环境污染问题的的方法，可以高效的解决黑臭水体污染问题。
       1、菌种来源
       菌种来源于实验段黑臭河道新鲜底泥。底泥取样后用玻璃瓶密封保存在实验室，在实验室中用自行设计的反应器中以自配黑臭水为进行驯化培养。当实验水体中 CODcr 去除率稳定在 40%以上后，认为实验取样的黑臭底泥已适应模拟水体，驯化完成。 
       2 、菌群筛选分离纯化
       菌群筛选分离纯化：用无菌针管取 5ml 种泥上清液，接种至装有 100ml 无菌的 MSM 培养基（液体）的 250ml 血清瓶中，放入摇床，在 30℃，120rpm 条件下振荡培养，以 7d 为周期进行菌种筛选，筛选优势菌。以 CODcr 和氨氮去除率为主要评价指标，反应开始后每天取样测定水体 CODcr 和 OD600 讨论菌群对水体中有机质的去除效果。当 CODcr 有明显且稳定的下降趋势时，将其混合菌转移至固体培养基中进行菌种分离。图 4-1 和图 4-2 分别是
       CODcr 去除变化曲线图和氨氮去除变化曲线图。
       水体中 COD 主要以颗粒性和溶解性两种形式存在，其中溶解性的 COD 因分子量小， 直接可以被微生物优先降解，主要是通过微生物粘附、包埋到生物菌胶团的表面，然后透过微生物的细胞膜进入微生物细胞中被利用。颗粒性的 COD 分子量较大，以颗粒状吸附或沉积在水体悬浮物上，悬浮物上的 COD 随水体流动以及各种水力运动不断发生机械碰撞、裂解，以及在水体中微生物活动产生的各种酶的催化作用下分解或者氧化成小分子， 然后让微生物群体通过同化或者异化作用降解。
       由图 4-1 可以看出，接种后的污泥经过 7 天时间的驯化，MSM 培养基中 CODcr 去除率可以达到 65.6%，说明底泥中含有能够降解 CODcr 的微生物群体，底泥中的微生物利用有机质进行自身新陈代谢。从开始接种到第三天，CODcr 从开始的200mg/L 降低到147mg/L，降解率持续增高，这是因为在这个阶段细菌处于对数增长期，繁殖速度最快，消耗有机物的能力明显强于后期阶段。第 4 天以后 CODcr 的去除率基本保持在 60.0%以上，没有显著的提高，这个阶段细菌的代谢能力变低进入衰亡期，处于内源呼吸阶段的细菌的活性没有对数期的细菌活性强，分解和合成有机质的能力低于刚开始接种的细菌。随着营养物质的消耗殆尽，细菌代谢产物的积累，细菌活性受到抑制，CODcr 浓度基本不在下降，CODcr 去除率也随之降低，CODcr 最高去除率可达 65.6%。
       由图 4-2 可以看出，从刚接种污泥到第 7 天，培养基中氨氮浓度持续下降，第 3 天至
       第 5 天氨氮去除效果明显优于刚开始接种阶段，第 5 天氨氮的去除率达到 82.57%，反映了底泥中的土著微生物里面含有可以降解氨氮的微生物细菌。氨氮的降解其实就是硝化过程，需要硝化细菌的参与，大多数硝化细菌是自养微生物，相比其他异养微生物的生长速率，硝化细菌的生长速率较低，同时在水体中存在的数量也没有异养微生物细菌多。氨态氮比硝态氮容易被微生物降解，经过实验室选择性培养底泥中的细菌，可以找到高效降解氨氮的生物菌群。整个实验周期中，氨氮的浓度从刚开始的50mg/L 可以降低到4.96mg/L， 去除率接近 90.1%，培养基在第 5 天以后，氨氮的去除率基本保持平稳。这是由于培养基中的氮源已基本消耗完毕，微生物细菌生长所需的氮源无法满足，从而造成细菌代谢减慢，合成和分解有机质的速率也随着降低，微生物对营养物质的依赖性很强，营养物质的匮乏导致微生物难以大量繁殖，各个菌种之间相互竞争。
        小结
       （1）采用原位微生物修复治理黑臭水体的思路，从黑臭水体底泥中采集土著菌群， 接种至人工配置黑臭水体的选择性培养基，经过驯化、富集、生物强化的方法进行优势降解黑臭水体中污染物质的微生物的菌种筛选。以水体中氨氮、CODcr 为重点降解对象，通过比较降解效果，发现了 6 种可以明显去除黑臭水体高碳高氮的菌株。其中混合菌群对人工配置黑臭水样的 CODcr 最高去除率可达 65.6%，对氨氮去除率达到 90.1%左右。