目前国内外使用最多的微生物净化技术是投菌技术和生物膜技术等。投菌技术是直接向污染水体中接入外源的污染降解菌,然后利用投加的微生物激活水体中原本存在的可以自净的、但被抑制而不能发挥其功效的微生物,并通过它们的迅速增殖,强有力地钳制有害微生物的生长和活动,从而消除水域中的有机污染及水体的富营养化。目前国内外常用的有集中式生物系统(central biological system,CBS)、高效复合微生物菌群(EM)及固定化细菌等技术。
CBS技术是由美国CBS公司的科学家开发研制的一种高科技生物修复技术,它是由几十种具备各种功能的微生物组成的一个良性循环的微生物系统。重庆桃化溪在2000年3-4月间曾使
用CBS技术净化河水。结果显示,BOD的去除率为83.1%~86.6%,COD的去除率为74.3%~80.9%,氮的去除率为53%~68.2%,磷的去除率为74.3%~80.9%,净化效果十分明显。固定化微生物技术是通过一定的包埋方式将生化处理菌种固定在一个适宜其繁殖、生长的微环境中的技术,从而达到有效降解养殖废水中某些特定污染物的目的。目前一般是经过富集、培养、筛选得到的高密度生化处理混合菌,包埋在海藻酸钠、PVA等凝胶材料中,结果使天然海水环境中相对贫乏的菌种在包埋体系中形成优势菌种,并且使包埋体系中的生化处理菌不易随意流失,从而达到有效处理养殖废水的目的。由于固定化微生物密度高、活性强、反应速度快,与常规的微生物挂膜生化处理技术相比,对氨氮和某些难生物降解有机物具有显著去除作用,因此该技术有望成为海水工厂化养殖废水处理的重要生化处理技术。
生物膜技术是废水连续流经固体填料(碎石、塑料填料等),在填料上就会生成生物膜,生物膜繁殖着大量的微生物,起到净化废水的作用,生物膜法有多种处理构筑物,其中有生物滤池、生物转盘、生物接触氧化和生物流化床等。也可通过共代谢作用,利用微生物和植物或动物的共同作用来得到除污效果。
植物作用
大型藻类能通过光合作用吸收固定水体的C、N、P等营养物质来合成自身,同时增加水体溶解氧。对大型海藻化学成分的分析表明,大型海藻组织中具有丰富的氮库,可以高效地吸收储存大量的营养盐。大型海藻组织中的营养库一般包括:无机氮库、氨基酸氮库和非蛋白可溶性有机氮库(如叶绿素、藻红素等)、蛋白质氮库(如酶类)等。在小水体的鱼类养殖系统中,利用海藻吸收养殖废水中的无机营养盐,能减少水体中约50%的NH4-N,同时海藻的净产量可以提高18%,另外,大型海藻对污染环境也具有较强的耐受力和清洁作用,有报道表明在受金属和有机污染的海区种植大型海藻,可以提高水体DO,降低BOD、POC以及铜、锌、铅和镉等金属含量,促进污染区环境的恢复。藻类可以有效地富集和降解农药、烷烃、偶氮染料、淀粉、酚类、邻苯二甲酸酯及金属有机染料物等多种有机化合物。
水生动物作用
近年来,国内外许多学者和研究人员致力于利用水生动物对水体中有机和无机物质的吸收和利用来净化污水,通过水生动物直接吸收营养盐类、有机碎屑、细菌和浮游植物,取得明显的效果。能净化污水的水生动物主要有滤食性鱼类,双壳贝类以及水氵蚤等小型浮游动物等。
鱼类的净化作用 遮目鱼在海中生活时以底栖藻类及多细胞植物碎屑为饵,它是我国台湾省虾池中混养的主要鱼类,另外,梭鱼、鲻鱼、莫桑比克罗非鱼等也能利用藻类及有机碎屑,可与对虾混养,起净化水质的作用。据对鲻鱼食性分析,腐败有机物占38%~50%,砂粒28%~30%,蓝绿藻12%~16%,硅藻15%~18%,无脊椎动物0.2%~2%(费鸿年,1960)。
双壳贝类的净化作用 双壳贝类多是滤食水中的浮游生物、有机碎屑等饵料的,通过其滤食活动,起到净化水质的作用。在对虾养殖池塘中,可混养缢蛏、牡蛎、文蛤、扇贝等,来减轻池水的富营养化,而且其本身也具有较高的经济价值。据张德玉报道(1991)虾池混养适量扇贝会起到净水的作用,放养扇贝前化学耗氧量在6.5mg/L,放养扇贝后到8月10日降到2.70mg/L,8月15日降到2.24 mg/L。
水氵蚤等小型浮游动物的净化作用 水氵蚤等小型浮游动物的食物主要是细菌、单细胞藻类和有机碎屑等,其滤食活动也有净化水质的作用。
固定化微生物
固定化微生物技术是20世纪60年代发展起来的一门新兴生物技术。该技术利用物理或化学的措施将游离微生物细胞或酶定位于限定的空间区域,并使其保持活性从而反复利用,具有效率高、稳定性强、反应易控制、对环境耐受力强、保持菌种高效等优点。目前经常采用的生物固定化方法主要有吸附法、包埋法、交联法和共价结合法,尤以包埋法和吸附法最为常用。选择合适的固定化细胞载体是这项技术的关键,固定化细胞载体主要有天然高分子凝胶载体(琼脂、海藻酸钙等)和有机合成高分子凝胶载体(如聚乙烯醇PVA、聚丙烯酰胺ACAM等)。因为PVA凝胶具有无毒、廉价、对细胞活性损伤小、抗微生物分解和机械强度高等特点,被认为是目前最有效的固定化载体之一。Nagadomi等使用由PVA-硼酸和海藻酸材料固定化的光合细菌处理水产废水,试验结果表明,固定化PVA球的水质净化能力比海藻酸盐固定化球强。
目前对处理水产养殖废水的固定化菌株研究得较多的是光合细菌和硝化细菌。将光合细菌同载体结合并固定化,不仅可以增强沉降性,使水质净化效率提高、稳定性增强,微生物质量分数提高;同时还具有抗环境因子影响能力强,可长期保持包埋菌占优势而防止其它有害菌生长等优点。郑耀通等[16]净化模拟养殖水质的试验结果表明,经PVA、SiO2、CaCO3、海藻酸钠组成的凝胶液固定化后的光合细菌可显著提高氨氮和COD的去除率,并能增加溶解氧。加入固定化光合细菌15d后,氨氮含量下降98.9 %,溶解氧增加63.4%,COD去除率为70.6%。由此可以看出,固定化光合细菌在去除氨氮、有机物质和增加溶解氧方面有明显的优越性。硝化细菌主要用于生物脱氮。黄正等选用PVA作为硝化细菌包埋体,添加适量粉末活性炭包埋固定化硝化污泥,制备固定化小球,经6周驯化后处理养殖废水,COD的去除率为74.9 %,氨氮的去除率达82.5 %。Kim等为评估固定化硝化细菌处理海水循环养殖系统废水的脱氮特性,以PVA-硼酸法制备凝胶固定硝化细菌,试验结果表明,运行30~40 d后,氨氮的去除率达98%,亚硝酸盐的累计质量分数从6 mg/L降到0.1 mg/L以下;当海水盐度不同时,硝化细菌的活性恢复时间相同;在条件适宜、RHT为0.3 h时,氨氮的最高去除率可达82 g/m3.d。可见固定化硝化细菌技术对处理海水循环养殖废水表现出很好的脱氮效果。
藻类固定化技术起始于20世纪80年代,与游离藻类相比,固定化藻类具有细胞密度高、反应速度快、运行稳定可靠、藻细胞流失少等优点。严国安用海藻酸钙凝胶包埋固定斜生栅藻净化废水,试验结果表明,固定化斜生栅藻对氨氮和正磷酸盐的净化效果明显高于未固定斜生栅藻。W ilkinson对活性藻类的固定化研究结果表明,固定化藻类对重金属的去除效率要比悬浮藻高,速率更快。藻类固定化技术在废水处理中具有广阔的应用前景,但是,该技术目前主要处于实验研究阶段,在实际应用中还存在许多问题,如对固定化微生物的净化机制及其保存、批量生产等的研究尚未完善。
微生物固定化技术能够有效净化养殖水体,降低环境污染并有利于建立高效率的循环养殖系统,降低生产成本,从而促进养殖业的发展。相信经过不断的研究和改进,固定化微生物技术一定能在养殖废水生物处理的实际应用中发挥巨大潜力。