长三角乡村生态保育与修复技术研究成果

1.实验设计

实验构建了3种体系的生态袋：组合植物体系、菌种载体体系、菌种载体与组合植物共生体系，分别就3种体系的生态袋的净水效果开展研究。

3种体系中菌种载体选择为碱处理稻草与活化沸石；实验菌群选择为驯化脱氮菌群与驯化工程菌群（EM菌）。这两种菌群分别以稻草与沸石为固定附着载体进行挂膜。植物组合以芦苇与黑麦草进行组合搭配。

1）菌种载体体系（体系一）

菌种载体体系包括沸石载体加载脱氮菌（脱氮-沸石组）、稻草载体加载脱氮菌（脱氮-稻草组）、沸石载体加载EM菌（EM-沸石组）、稻草载体加载EM菌（EM-稻草组），共4组。

2）组合植物体系（体系二）

组合植物体系为芦苇-黑麦草实验组（植物组），生态袋未添加人工驯化的固定菌种，用以区分对比组合植物体系和菌种载体-组合植物共生体系的净水效果差异。

3）菌种载体与组合植物共生体系（体系三）

菌种载体-组合植物共生体系共设置4组实验：沸石载体脱氮菌-组合植物实验组（脱氮-沸石-植物组）、稻草载体脱氮菌-组合植物实验组（脱氮-稻草-植物组）、沸石载体EM菌-组合植物实验组（EM-稻草-植物组）、稻草载体EM菌-组合植物实验组（EM-沸石-植物组）。

在3组体系设置基础上增设空白实验组（空白组），实验袋体只装填沙子与泥土，3种体系的具体设置情况如表3.25所示。

表3.25　实验组别设置

2.实验准备

1）菌种驯化培养

供试菌种选用工程菌与脱氮菌群，工程菌为菌液形式，购自江苏丹阳市尚德生物科技有限公司，主要的优势菌种为酵母菌、乳酸菌、枯草芽孢杆菌，以及光合细菌。工程菌复合培养基：可溶性淀粉5 g、蛋白胨5 g、葡萄糖10 g、酵母膏5 g、硫酸镁0.5 g、磷酸二氢钾1 g、硝酸钾1 g、硫酸亚铁0.01 g、氯化钙0.01 g，定容于1 000 mL的容量瓶中。

供试脱氮菌取自南京江心洲污水处理厂的二沉池，将生物污泥按1%的接种量接种到500 m L的脱氮菌富集无菌培养基中进行扩大培养，在微生物恒温培养箱中培养3 d左右，培养温度为30℃；待培养基液体出现浑浊，即在波长600 nm下吸光度值达到最大，光度值约为0.1，取出培养箱中的培养基；使用微生物接种环取第一次扩大培养基中的菌液，接种到新的培养基中，培养瓶体积为1 000 mL，进行脱氮菌的第二次扩大富集培养，以期获得菌种纯度较高的硝化反硝化菌群；扩大培养3 d后，采用同样的方法进行第三次扩大培养。

脱氮菌群的培养基：（NH4）2 SO4 1 g、KNO3 2 g、柠檬酸钠（C6 H5 Na3 O7·2H2 O）6 g（C/N＞5）、K2 HPO4 1 g、MgSO4·7H2 O 0.2 g、蒸馏水1 000 mL；取洁净纱布进行封口，培养基配置好后，在121℃高压蒸汽锅中，灭菌20 min，静置冷却。

2）沸石的活化

取2 000 g天然斜发沸石，沸石表观颜色为米灰色，粒径为1.00～2.00 mm，用去离子水洗涤3遍，首先洗掉沸石表面的可溶性无机物。将洗涤后的沸石分装于250 m L的小烧杯中，放置在马弗炉中，在350℃条件下，密闭灼烧2.5 h，去除沸石内部孔隙中的有机物，进而打开沸石内部丰富的孔隙，尽最大可能发挥其吸附性能。冷却至室温，密封保存，以备后续实验使用。

3）稻草碱处理

稻草载体填料为天然水稻秸秆，将供试稻草在稻穗处剪下，将整根稻草剪成1 cm左右的碎段。用浓度为2%的NaOH溶液浸泡稻草碎段，浸泡液没过材料，24 h后取出样品，用蒸馏水反复洗涤至溶液p H值呈中性，经碱处理洗涤干净后的碎稻草放置在35℃烘箱中烘干备用。

4）载体挂膜

供试菌种菌液完成3次富集培养后，分别进行活化沸石与稻草载体的挂膜实验。将两种载体以一定比例单独加入脱氮富集培养菌液基与工程菌驯化富集菌液中（载体挂膜量以1 000 mL的培养菌液为基准，稻草的挂膜量为25 g稻草，沸石载体为200 mL），装有沸石与稻草载体的菌液放置在摇床上，控制温度为35℃，进行两种载体的挂膜实验。

3—4 d后发现，掺有沸石的菌液培养基中沸石由之前的米灰色变为棕褐色，稻草载体表面黏附着淡黄色的菌膜状物质，表明稻草与沸石挂膜成功（见图3.68）。由此可见，稻草挂膜结束后，表面黑色腐斑点状物质完全消失。

图3.68　稻草挂膜及挂膜后照片

图3.69为稻草挂膜前后电镜图，在20μm的电镜扫描图中，可以清晰地看出碱处理后的稻草，圆球形管束状纤维素结构较为明显；挂膜之后，管束状纤维结构被一层膜状物质覆盖，表明经过3 d的摇床挂膜实验后，稻草表面生物膜的生长覆盖状况较好。

图3.69　稻草挂膜前后电镜对比图

图3.70　活化沸石挂膜前后电镜图

由图3.70可以看出，活化挂膜后沸石粒径内部碎屑状颗粒有机物质明显减少，内部孔隙结构更加突出，表明在马弗炉中进行高温活化时，去除了沸石内部孔隙中的有机物质；同时，挂膜后的沸石表面更加平整、光亮，有生物膜状物质覆盖，表明活化沸石脱氮微生物菌群挂膜成功。

3.实验装置及方法

1）实验装置及运行条件

实验为连续流实验，首先通过高位水箱进水，然后依靠重力流维持实验系统连续进出水；高位水箱容积为150 L，生态袋装填箱体容积为70 L。生态袋实验袋体有效体积为4 L，黑麦草涂抹前对草种进行浸泡，筛掉不具备发芽条件的草种，提高黑麦草的出芽率。实验初期，采用自来水作为原水连续7 d保持进出水，以减少实验前期土壤、沙体中污染物给后续实验带来的不利影响。

高位水箱底部5 cm处均匀设置10个出水口，出水口径大小为5 mm，每天连续运行8 h，下层生态袋箱体的有效水体体积为20 L，实验水力停留时间为2.5 d。实验装置如图3.71所示，示意图如图3.72所示。

2）植物生长状况

图3.71　3种体系净水实验装置图

图3.72　3种体系净水实验装置示意图

图3.73　植物的生长状况

实验中后期植物的生长状况。如图3.73所示，黑麦草根系穿透上层土体生态袋，黑麦草生长高度为10 cm左右，生长密度为1株/cm2；芦苇种植密度3株/200 cm2，平均株高为30 cm。

4.不同体系对水中污染物的去除效果分析

本实验共分两阶段进行，第一阶段实验启动期（0—40 d），采用九龙湖湖水作为实验用水，进水水质较好，CODMn、NH3-N、TN、TP浓度分别为4.5 mg/L、0.65 mg/L、1.72 mg/L、0.068 mg/L，启动期4项水质指标总体去除率分别为13.1%～26.9%、66.4%～73.9%、53.7%～68.6%、63.2%～75.3%，不同实验组之间的净水效果差异不大。为进一步优化筛选出对工程项目示范建设具有借鉴意义的运行参数，第二阶段实验（即运行稳定期40—60 d）采用东南大学护校河水体作为实验用水，提高了实验进水污染物浓度，进水CODMn、NH3-N、TN、TP浓度分别为10～13 mg/L、9～12 mg/L、12～15 mg/L、0.5～0.7 mg/L。实验结果汇总图中的系统运行时间0—20 d对应实验运行稳定期40—60 d。采样时间为41 d、43 d、47 d、50 d、53 d、56 d、59 d，对应为实验结果汇总图中的系统运行时间1 d、3 d、7 d、10 d、13 d、16 d、19 d。

1）有机物去除效果分析

3种不同实验体系对有机物的去除情况。由图3.74可见，系统稳定运行阶段初期（40 d），有机物初始进水浓度为10.9 mg/L，耦合微生物型生态袋（脱氮-沸石组、脱氮-稻草组、EM-沸石组、EM-稻草组）对有机物的总体去除率在22%～33.9%；实验运行至7 d时，进水有机物浓度上升到12.6 mg/L，耦合微生物型生态袋（脱氮-沸石组、脱氮-稻草组、EM-沸石组、EM-稻草组）对有机物总体去除率在26.3%～38.9%，有机物总体去除率提高了5%左右。这表明了有机物去除率与进水浓度呈正相关关系。进水浓度的提升，给微生物提供了更充足的碳源，因而微生物活动加强，有机物去除率也相应提升。(www.xing528.com)

图3.74　运行稳定期（40—60 d）不同体系对有机物的去除效果

40—60 d期间，总体来看，有机物去除效果最好的实验组为脱氮-沸石-植物组、脱氮-稻草-植物组，有机物去除效率分别为42.4%、39.8%。对于脱氮-沸石-植物组来说，沸石能够一定程度上对有机物进行吸附，植物根系也能对有机物进行截留，同时袋体内载体填料可以对污水中不溶性的有机污染物质进行过滤，更重要的是，植物本身对有机物的吸收转化，以及植物根系、沸石对微生物的富集，让更多微生物参与有机物的去除。对于脱氮-稻草-植物组来说，除了植物的作用，稻草也是微生物良好的栖息地，含有丰富的碳源和微量元素，如钙、锌等，许多微生物会在稻草上进行繁衍，促进了整个水系的有机物的去除。

在这个稳定期间，脱氮-沸石组、脱氮-稻草组、EM-沸石组、EM-稻草组、空白组、脱氮-沸石-植物组、脱氮 稻草-植物组、EM-稻草-植物组、EM-沸石-植物组、植物组对COD的平均去除率为32.79%、29.27%、30.25%、30.56%、25.08%、36.63%、34.76%、29.68%、30.59%、31.90%。有机物的去除效果最佳的实验组为菌种载体与组合植物共生体系的脱氮-沸石-植物组（36.63%）；其次是脱氮-稻草-植物组（34.76%），稻草来源广泛、价格低廉，比价格高昂的沸石更方便运用在实际工程中，因此值得大力推广。菌种载体与组合植物共生体系（脱氮-沸石 植物组、脱氮-稻草-植物组、EM-稻草-植物组、EM-沸石-植物组）4组对有机物的平均去除率为32.92%，在有机物的去除中表现最优，菌种载体与组合植物共生体系不仅有菌类的作用、植物的作用，还有袋体沙土的吸附作用，比起单一的菌种载体体系和单一的植物体系，发挥了多方面作用，加强了水质净化效果。其次是组合植物体系，对于有机物的平均去除率达到31.90%。最后是菌种载体体系（30.72%）。这说明植物作用能够降解有机物，根系也能富集微生物，比单纯地添加菌种更能留住微生物，为有机物的净化做出贡献。

但是，菌种载体与组合植物共生体系、菌种载体体系、植物体系相对于空白组（25.08%）来说，都提高了5.6%～7.9%的去除效果。同时，此次实验发现，本研究中有机物去除率相对较低。其他资料显示，大部分生态袋去除有机物的效果保持在40%～60%，这些实验多在夏季开展，而本次实验在秋冬季进行，实验期间天气转寒微生物活性降低，微生物对于有机物降解能力下降，导致生态袋对有机物的去除效果相对较低。

2）氨氮去除效果分析

图3.75　运行稳定期（40—60 d）不同体系对氨氮的去除效果

图3.75为3种不同实验体系对氨氮的去除情况。从图3.75可以看出，系统稳定运行阶段（40—60 d），3种体系及空白组的氨氮去除率均稳定在40%以上。在这个稳定期间，脱氮-沸石组、脱氮-稻草组、EM-沸石组、EM-稻草组、空白组、脱氮-沸石-植物组、脱氮-稻草-植物组、EM-稻草-植物组、EM-沸石-植物组、植物组的平均去除率为64.17%、62.50%、56.03%、59.60%、47.49%、74.04%、77.03%、61.89%、61.95%、57.44%。氨氮去除效果最佳的是菌种载体与组合植物共生体系的脱氮-稻草-植物组（77.03%），这是因为稻草给微生物特别是脱氮菌提供了碳源，同时也提供了生存环境，加速了脱氮菌的繁殖，有益于脱氮菌对氨氮的转化。其次为脱氮-沸石-植物组（74.04%），这是因为沸石载体挂膜脱氮菌群后形成生物沸石，利用沸石表面富集的硝化细菌群，可以将其吸附的氨氮转化为硝酸盐氮，从而空出沸石内部孔隙的吸附位，实现原位再生，提高氨氮去除率。

实验运行至15 d后，菌种载体植物共生体系（脱氮菌-稻草-植物组，脱氮菌-沸石-植物组）氨氮的去除率分别达到84.4%与83.1%，植物组氨氮去除率仅为63.3%，可以看出耦合脱氮菌群生态袋的脱氮效率要高于传统植物种植型生态袋21.1%，表明生态袋加载脱氮菌群可显著提高氨氮去除效率。

整个运行期间，菌种载体与组合植物共生体系（脱氮-沸石-植物组、脱氮-稻草-植物组、EM-稻草-植物组、EM-沸石-植物组）4组对于氨氮的平均去除率为：68.72%。它在氨氮的去除中表现最优，比菌种载体实验组（60.58%）高出了8.1%。分析认为，植物可以吸收水体中氨态氮及硝态氮，通过同化作用将两种形态氮素转化为自身组成。菌种载体与组合植物共生体系对于氨氮的净化作用比起植物体系和菌种载体体系来说更强，脱氮-稻草-植物组的结果更加证实了稻草在实际工程中作为脱氮菌碳源和载体十分可靠，为此次项目提供了强有力的支撑。

3）总氮去除效果分析

图3.76为3种不同实验体系对总氮的去除情况。水体中的氮主要以无机氮和有机氮两种形式存在，氮的去除主要是通过微生物的硝化和反硝化作用、基质的吸附作用以及植物吸收等过程实现。生态袋基质填料中，特别是具有较大阳离子交换能力的基质填料对氮具有较强的吸附作用。由图3.76得知，空白实验组对总氮的去除率在33.6%～48.1%之间。这一结果表明总氮的去除离不开袋体土壤对氮素的吸附作用、微生物脱氮作用。

图3.76　运行稳定期（40—60 d）不同体系对总氮的去除效果及出水浓度

实验结果显示，稻草载体挂膜脱氮菌群实验组及相应组合植物组总氮的去除率分别为47.9%～66.3%、56.2%～73.8%，在整个实验系统中稻草载体脱氮菌—组合植物实验组对于总氮的去除效果最优。分析认为，稻草作为菌种挂膜载体，为脱氮菌生长提供生物反硝化碳源和微生物附着场所，微生物将稻草中的纤维素物质水解为有机物，促进了植物生长、改善了生物反硝化碳源，强化了水体的脱氮过程；稻草同时可以作为植物生长基质，为植物生长提供营养元素，显示出具备强化生物脱氮的潜力，作为生物反硝化碳源具备很强的优势。

有文献材料指出，稻草浸出液可以为反硝化过程中所需的酶提供活性中心，提高反硝化酶活性，从而提高系统的反硝化速率。淹水环境下，袋体基质内聚集物通过生物膜富集微生物，在适当微环境下可将硝酸盐氮转化为氮气。稻草载体具备较高的纤维素含量，纤维素降解菌可将纤维素转化为反硝化菌可利用的碳源，使得反硝化过程顺利进行，继而提高体系的总氮去除能力。3种体系对总氮的净化作用，菌种载体与组合植物共生体系的表现最优，稻草载体脱氮菌—组合植物实验组对于总氮的去除效果也为我们实际工程提供了重要参考。

4）总磷去除效果分析

图3.77为3种不同实验体系对总磷的去除情况。在稳定运行期间（40—60 d），脱氮-沸石组、脱氮-稻草组、EM-沸石组、EM-稻草组、空白组、脱氮-沸石-植物组、脱氮-稻草-植物组、EM-稻草-植物组、EM-沸石-植物组、植物组的平均去除率分别为84.17%、84.34%、75.36%、81.40%、77.26%、87.91%、87.64%、81.24%、83.28%、84.70%，所有实验组总磷平均去除率达到75%以上，总磷的去除效果良好。系统稳定运行初期（41—47 d），脱氮-稻草-植物组对总磷的去除效果最好，去除率在79.6%～88.2%之间；但是在48—60 d期间，脱氮-沸石-植物组除磷效果较好，去除率在90.9%～92.7%之间。

从稳定运行期间（40—60 d）各实验组的平均去除率中看出，对磷去除效果最佳的是脱氮-沸石-植物组、脱氮-稻草-植物组，高达87.91%、87.64%，比起植物组84.70%高了3%左右，比起菌种载体组（脱氮-沸石组、脱氮-稻草组、EM-沸石组、EM-稻草组），高了3%～12%。3种体系中，对总磷的去除率最佳的是菌种载体与组合植物共生体系，其中，该体系综合了沙土袋对磷有吸附、沉降作用，植物根系对磷有截留作用，更重要的是，发挥了植物对于磷肥的需求，微生物对磷元素的需求。

图3.77　运行稳定期（40—60 d）不同体系对总磷的去除效果

5.小结

第一，体系稳定运行期间（40—60 d），脱氮-沸石组、脱氮-稻草组、EM-沸石组、EM-稻草组、空白组、脱氮-沸石-植物组、脱氮-稻草-植物组、EM-稻草-植物组、EM-沸石-植物组、植物组对有机物的平均去除率为32.79%、29.27%、30.25%、30.56%、25.08%、36.63%、34.76%、29.68%、30.59%、31.90%。有机物的去除效果最佳的是菌种载体与组合植物共生体系。

第二，体系稳定运行期间（40—60 d），菌种载体与组合植物共生体系（脱氮-沸石-植物组、脱氮-稻草-植物组、EM-稻草-植物组、EM-沸石-植物组）4组对于氨氮的平均去除率为68.72%。它在氨氮的去除中表现最优，比菌种载体实验组（60.58%）高出了8.1%。

第三，体系稳定运行期间（40—60 d），稻草载体挂膜脱氮菌群实验组及相应组合植物组总氮的去除率分别为47.9%～66.3%、56.2%～73.8%，在整个实验系统中脱氮-稻草-植物组对于总氮的去除效果最优。

第四，从稳定运行期间（40—60 d）各实验组的平均去除率中看出，对磷去除效果最佳的是脱氮-沸石-植物组、脱氮-稻草 植物组，高达87.91%、87.64%，比植物组84.70%高了3%左右，比菌种载体组（脱氮-沸石组、脱氮-稻草组、EM-沸石组、EM-稻草组）高了3%～12%。

脱氮-稻草-植物组在各污染物的去除中表现优良，稻草在实际生活中获取方便，价格低廉，脱氮-稻草-植物组十分利于在工程项目中应用。