固定化反硝化细菌强化生态浮岛处理实际含氮废水性能研究

《Frontiers in Microbiology》：Performance of immobilized denitrifying bacteria-enhanced ecological floating island for treating actual nitrogenous wastewater

　　

水体中过量的氮会导致富营养化，对水生生态系统构成重大威胁。因此，有效处理含氮废水并去除水体中的氮化合物对于改善和维持水质至关重要。本研究采用固定化反硝化细菌粪产碱杆菌（Alcaligenes faecalis）增强生态浮岛（Ecological Floating Island, EFI）的脱氮效率。研究旨在确定最佳运行条件，并评估不同进水氮浓度对EFI处理性能的影响。结果确定集成系统的最佳运行条件为碳氮比（C/N）16和溶解氧（DO）浓度2~3 mg/L。在此最佳条件下，系统在测试的全部进水总氮（TN）浓度范围（7.5~30 mg/L）内实现了70.00%至84.69%的化学需氧量（COD）去除效率和100%的总氮（TN）去除率。关键的微生物学发现表明，在上述最佳条件下观察到系统内最高的微生物丰富度；在门水平上，优势微生物类群为unclassified_k_norank_d_Bacteria和变形菌门（Proteobacteria）；在目水平上，unclassified_p_Proteobacteria和unclassified_k_norank_d_Bacteria为主要类群，其中unclassified_k_norank_d_Bacteria是脱氮的核心功能类群。此外，植物组合2（美人蕉Canna indica L. + 再力花Thalia dealbata Fraser + 苦草Vallisneria natans）和植物组合3（美人蕉Canna indica L. + 狐尾藻Myriophyllum verticillatum L. + 苦草Vallisneria natans）表现出显著高于其他三组植物的叶绿素含量和过氧化氢酶（CAT）活性，表明这两种组合是最佳的植物配置，对含氮废水环境具有优异的抗逆性和适应性。研究得出结论，固定化反硝化细菌是一种增强EFI水处理性能的有效策略。

该研究针对全球工业化与城市化进程中日益严峻的水体氮污染问题展开。传统处理方法如活性污泥法、生物膜工艺及化学沉淀法等存在处理效率低、运行成本高、污泥产量大及二次污染风险高等局限性，尤其在处理高浓度含氮废水时难以满足日益严格的环保标准。生态浮岛（EFI）作为一种结合水生植物与微生物的修复技术，其常规应用中微生物附着于植物表面，导致生物量低、易流失且脱氮效率不稳定；而单独的固定化反硝化细菌珠在处理成分复杂的实际废水时，其长期稳定性与总氮（TN）去除途径受限。为此，研究人员创新性地将具有典型好氧反硝化能力的粪产碱杆菌（Alcaligenes faecalis）固定化技术与EFI系统集成，旨在通过强化微生物浓度与保留性，并结合植物的微环境调控作用，提升系统对实际含氮废水的处理效能。该研究成果发表于《Frontiers in Microbiology》。

研究人员主要采用以下关键技术方法：构建聚氯乙烯材质EFI装置，设置五组不同的植物组合；采集中国长沙郊区典型富营养化池塘的实际含氮废水，经添加葡萄糖调节C/N比、补充KNO₃设定TN浓度后进行实验；制备聚乙烯醇（PVA）与海藻酸钠包埋的固定化粪产碱杆菌微球并按1%（w/v）比例投加；通过调整C/N比（3~16）、DO浓度（2~6 mg/L）及进水TN浓度（7.5~30 mg/L）等参数，考察系统处理效能；通过分析出水水质指标（COD、TN、NH₄⁺-N、NO₃^--N）、植物生理生化指标（叶绿素a/b、类胡萝卜素、过氧化氢酶CAT）以及利用16S rRNA高通量测序技术分析微生物群落结构与多样性，综合评价系统性能。

研究结果显示：

在C/N对运行效果的影响方面，较高的C/N比显著提升了COD与TN的去除效率。当C/N比为16时，COD去除率达到峰值88.27%，TN去除率在C/N为14和16时分别达到96.19%与96.15%。低C/N条件限制了反硝化细菌活性，导致NH₄⁺-N去除率下降。

在DO对运行效率的影响方面，尽管所有EFI装置在运行6天后COD去除率均超过77.13%，但DO为2~3 mg/L时表现出更稳定高效的去除效果。对于氮污染物，各DO条件下TN、NH₄⁺-N及NO₃^--N去除率均在运行第3天超过96%。综合考虑运行成本与脱氮性能，确定2~3 mg/L为最佳DO范围。

在进水浓度对运行效率的影响方面，随着进水TN浓度增加，系统COD去除率稳定在70.00%至84.69%之间。对于7.5 mg/L、20 mg/L及30 mg/L的进水TN，系统最终均实现了100%的TN去除率，证明了该系统对宽范围氮负荷的强耐受性与高效去除能力。

在植物生理生化指标分析方面，植物组合2与组合3表现出最高的叶绿素总量及过氧化氢酶（CAT）活性。这表明含有美人蕉、再力花或狐尾藻及苦草的配置具有更强的抗逆性与环境适应性。

在微生物群落结构分析方面，最佳运行条件（C/N=16, DO=2~3 mg/L）下系统微生物丰富度最高。门水平上，unclassified_k_norank_d_Bacteria和变形菌门（Proteobacteria）占主导；目水平上，unclassified_p_Proteobacteria和unclassified_k_norank_d_Bacteria为优势类群，后者被确认为脱氮的核心功能微生物。

综上所述，研究结论指出：固定化粪产碱杆菌与EFI的集成系统最佳运行参数为C/N 16和DO 2~3 mg/L。在此条件下，系统对COD去除率为70.00%~84.69%，并在7.5~30 mg/L的进水TN范围内实现了100%的TN去除。植物组合2（美人蕉+再力花+苦草）与组合3（美人蕉+狐尾藻+苦草）因具有更高的叶绿素含量和CAT活性而被确定为最优配置。微生物分析进一步证实，unclassified_k_norank_d_Bacteria是该耦合系统在优化条件下实现高效脱氮的关键功能菌群。该研究为固定化反硝化细菌强化EFI技术在实际含氮废水处理中的应用提供了理论与实践依据。