包埋固定化EM菌的氨氮去除特性研究*

熊小京，李 博，林光輝，鄭天凌，彭義亮

（1.廈門大學(xué)深圳研究院，廣東 深圳 518057；2.浙江大學(xué)能源清潔利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310027；3.廈門大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，福建 廈門 361005）

包埋固定化EM菌的氨氮去除特性研究*

熊小京1，李 博2，林光輝3，鄭天凌3，彭義亮1

（1.廈門大學(xué)深圳研究院，廣東 深圳 518057；2.浙江大學(xué)能源清潔利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310027；3.廈門大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，福建 廈門 361005）

采用PVA-硼酸包埋固定化EM菌，在好氧、批式運(yùn)行條件下，系統(tǒng)考察不同的工藝參數(shù)對(duì)固定化EM菌的氨氮去除性能的影響。結(jié)果表明：用PVA-硼酸包埋法固定EM的小球?qū)Π钡娜コ荅M生物降解、包埋小球自身吸附的共同結(jié)果；以貝殼粉末作為添加劑、包埋離心后的EM有利于提高包埋小球的強(qiáng)度及脫氨效果。經(jīng)過(guò)6個(gè)運(yùn)行周期，氨氮的去除率可達(dá)到90%以上；較多EM包埋量?jī)H在運(yùn)行初期有助于提高脫氨效果，長(zhǎng)期使用PVA小球時(shí)的最適宜的EM包菌量體積比為10∶3。

PVA包埋固定化；EM菌；貝殼粉末；氨氮去除

EM（Effective Microorganisms） 有效微生物主要含有光合菌、乳酸菌、酵母菌、革蘭氏陽(yáng)性放線菌及發(fā)酵系的絲狀菌，它們共生共存，具有多種特殊的生物機(jī)能。研究表明，EM菌能夠有效去除廢水中的COD、氮、磷等污染物質(zhì)［1-3］。但是當(dāng)EM菌直接投入污水處理系統(tǒng)時(shí)，由于EM菌處于游離態(tài)，不僅易被其他微生物捕食，而且易隨出水流失，使其難以形成穩(wěn)定的生物降解體系，因此如何將EM菌有效地保持于污水的生物處理系統(tǒng)中已成為其應(yīng)用的關(guān)鍵。

作為微生物細(xì)胞固定化技術(shù)之一，PVA-硼酸包埋法，因具有機(jī)械強(qiáng)度高、耐生物分解性好、成本低、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)，目前已用于固定反硝化菌去除硝氮［4］、固定復(fù)合微生物去除養(yǎng)殖廢水中的氮［5］、固定細(xì)胞去除廢水中硝氮［6］、固定硝化細(xì)菌去除水體中氨氮［7］，但在用于固定化EM菌處理廢水的研究還鮮有報(bào)道。貝殼中含有豐富的CaCO3，若添加于固定化材料中，不僅能提高機(jī)械強(qiáng)度，而且能為生物脫氮過(guò)程提供堿度［8］。

本研究采用PVA-硼酸包埋法固定EM菌，在好氧、批式運(yùn)行條件下，系統(tǒng)考察貝殼粉末及EM菌添加量對(duì)固定化小球的氨氮去除效果的影響，確立最佳固定化操作條件，為該技術(shù)在處理污水中的應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試劑

EM-1（福建省詔安富裕生物技術(shù)開(kāi)發(fā)有限公司）；聚乙烯醇（PVA-124），平均聚合度1 750±50（汕頭市達(dá)濠精細(xì)化學(xué)品公司）；海藻酸鈉（永嘉精細(xì)化工二廠）；其他試劑均為市售分析純。

1.2 EM菌液的制備

1） EM復(fù)壯液的制備：按EM-1∶糖蜜∶水＝3∶3∶94的體積比例配制EM擴(kuò)大液。室溫下密封儲(chǔ)存，待pH下降到3.5以下并有酸甜氣味表示復(fù)壯成功［9］。

2）EM離心液的制備：將制備的EM復(fù)壯液以3 000 r/min的速度離心20 min，棄去上清液，離心管底部富集的EM用生理鹽水稀釋至一定濃度，得到EM離心液。

1.3 PVA-硼酸包埋法制備固定化小球

1）包埋劑的配制：稱取一定質(zhì)量的PVA和海藻酸鈉溶解于80℃的蒸餾水中，冷卻至室溫后與一定量的EM菌液混合，使PVA和海藻酸鈉的最終濃度分別為9%和1%。

2） 交聯(lián)劑的配制：將2%的CaCl2溶解于飽和硼酸溶液中，溫度降至4℃。

3）貝殼粉末的制備：用中藥粉碎機(jī)將牡蠣殼粉碎，用200目篩分，得到貝殼粉末。

4）固定化小球制備：用注射器將混合均勻的包埋劑從10 cm的高處滴入交聯(lián)劑中，交聯(lián)劑用磁力攪拌器攪拌。包埋劑與交聯(lián)劑交聯(lián)形成直徑為3 mm左右的小球。將固定化小球浸沒(méi)在交聯(lián)劑中儲(chǔ)存于4℃的冰箱內(nèi)繼續(xù)硬化24 h。使用前用生理鹽水清洗3次。

5）含貝殼粉末固定化小球制備：將制備的貝殼粉末按0.3%濃度加入包埋劑中，其他步驟同固定化小球制備。

1.4 原水組成

采用合成廢水，其組成為：60 mg/L氨氮（采用硫酸氨）、555 mg/L葡萄糖、17 mg/L磷酸二氫鉀、50 mg/L氯化鈉、75 mg/L硫酸鎂，用1 mol/L的氫氧化鈉溶液調(diào)整pH。

1.5 操作方法

1）固定化EM小球?qū)Π钡娜コ匦裕翰捎?00 mL的錐形量杯作為批式反應(yīng)裝置，底部放置微孔曝氣頭，充分曝氣保持溶解氧為2～4 mg/L。PVA小球的填充率為10%，模擬廢水氨氮為60 mg/L，pH調(diào)節(jié)為8.0，反應(yīng)溫度為室溫。批式處理周期為12 h，其中進(jìn)水0.5 h、反應(yīng)10 h、靜置沉淀1 h、排水0.5 h。每個(gè)周期反應(yīng)結(jié)束后，出水經(jīng)0.45μm的微孔濾膜過(guò)濾后測(cè)定氨氮濃度。

2）未包埋EM的固定化小球?qū)Π钡奈教匦裕合?1個(gè)250 mL的錐形瓶中分別加入10 g未包埋EM的PVA小球和100 mL氨氮濃度為60 mg/L的模擬廢水。將錐形瓶放入恒溫培養(yǎng)床中，在25℃、150 r/min的條件下振蕩。每隔一段時(shí)間取出1個(gè)錐形瓶，水樣經(jīng)0.45μm的微孔濾膜過(guò)濾后測(cè)定氨氮濃度。

1.6 分析方法

氨氮采用納氏試劑分光光度法測(cè)定（HP-8453 UV-Vis分光光度儀）；pH采用 inoLab pH720型pH計(jì)測(cè)定；濁度采用SGZ-2型數(shù)顯濁度儀測(cè)定。

2 結(jié)果與討論

2.1 PVA小球?qū)Π钡奈阶饔?/p>

從圖1可知，包埋EM的PVA小球在8個(gè)運(yùn)行周期中對(duì)氨氮去除率總體呈上升趨勢(shì)，由最初的10.5%上升到86.3%。與之相對(duì)照，未包埋EM的PVA小球?qū)Π钡娜コЧ謩e在第2、5和8個(gè)周期時(shí)出現(xiàn)了升到60%、降到20%，再次上升到77.8%的變化過(guò)程。前5個(gè)周期PVA小球?qū)Π钡娜コ饕强课阶饔?，其吸附量在?個(gè)周期時(shí)最大，之后因吸附接近飽和及脫附作用而使殘留氨氮濃度升高。第5個(gè)周期后氨氮的去除率再次上升的原因可能是空氣和水中的微生物進(jìn)入裝置所產(chǎn)生的生物降解作用所致。由此可知，包埋EM的PVA小球?qū)Π钡娜コ?，在開(kāi)始的5個(gè)周期中吸附作用占主導(dǎo)地位，此間EM菌還沒(méi)有完全適應(yīng)包埋環(huán)境，對(duì)氨氮的降解速度很低；當(dāng)運(yùn)行超過(guò)了6個(gè)周期，EM菌已適應(yīng)包埋環(huán)境，對(duì)氨氮的降解速度迅速上升。

2.2 貝殼粉末添加的影響

PVA小球在水中浸泡一段時(shí)間后會(huì)膨脹并部分溶解，強(qiáng)度逐漸降低，最終破裂隨出水流失。研究表明，向包埋劑中添加一些如CaCO3、SiO2、活性炭、鐵粉等物質(zhì)，可有效地改善PVA小球的性狀，提高其強(qiáng)度和耐曝氣性能。貝殼中含有豐富的CaCO3，還可為氨氮的降解提供堿度，因此實(shí)驗(yàn)中于包埋劑中添加一定量的貝殼粉末，以考察其對(duì)PVA小球的強(qiáng)度和脫氨效果的影響。EM復(fù)壯液中含有大量的糖蜜，其引入可能會(huì)改變包埋劑的性質(zhì)，在小球硬化過(guò)程中也可能對(duì)EM的活性有一定保護(hù)作用。分別添加EM離心液和復(fù)壯液，以考察糖蜜對(duì)PVA小球的性狀及包埋后EM的活性可能產(chǎn)生的影響，實(shí)驗(yàn)條件如表1所示。

制備過(guò)程中可以觀察到A、C、D小球都能夠成球形，而B(niǎo)小球形狀極不規(guī)則。硬化24 h后，A小球的硬度明顯好于C、D小球，表明在制備時(shí)適當(dāng)添加貝殼粉末對(duì)增大PVA小球的硬度十分有效；A、C小球外觀呈純白色，B、D小球外觀呈淺褐色，表明包埋EM復(fù)壯液的小球中含有糖蜜。B小球經(jīng)過(guò)3個(gè)周期的運(yùn)行后全部破裂。

表1 不同PVA小球的組成

圖2給出了在6個(gè)運(yùn)行周期中A、C、D 3種小球?qū)Π钡娜コЧ容^?？梢钥闯?，在第1個(gè)運(yùn)行周期中，A小球略好于C、D小球，D小球并沒(méi)有因?yàn)楹刑敲鄱憩F(xiàn)出更好的生物活性，說(shuō)明小球制備時(shí)糖蜜不僅對(duì)維持EM活性無(wú)作用，而且對(duì)小球的強(qiáng)度等物理指標(biāo)造成負(fù)面的影響。到第6個(gè)周期，效果最好的A小球的氨氮去除率已經(jīng)達(dá)到91.1%，說(shuō)明在包埋劑中添加貝殼粉末有利于生物脫氨；C小球的脫氨效果也較為穩(wěn)定，說(shuō)明包埋EM離心液有利于PVA小球的強(qiáng)度和脫氨性能的提高。3種小球?qū)Π钡娜コ首罱K都達(dá)到了75%以上。

實(shí)驗(yàn)中，A、C、D 3種PVA小球都不同程度的溶解和膨脹而使出水混濁；反應(yīng)器液面產(chǎn)生大量的泡沫，小球的體積膨脹為原來(lái)的2倍，外觀從最初的白色和淺褐色逐步變?yōu)榛野咨?。在運(yùn)行后期，3種小球均有少量破碎，隨出水流失。A小球的韌性好于C、D小球，破碎率較低，說(shuō)明貝殼粉末能夠有效改善PVA小球的強(qiáng)度和韌性等物理性能。

2.3 EM菌包埋量的影響

制作不同EM包埋量的4種PVA小球（簡(jiǎn)稱E、F、G和H小球），包菌量體積比分別為10∶1、10∶3、10∶5和 10∶8（即每 100 mL包埋劑的含菌量分別相當(dāng)于10、30、50、80 mL EM復(fù)壯液）。

圖3給出了4種小球在9個(gè)運(yùn)行周期中的氨氮去除效果比較。在前3個(gè)周期，H小球的氨氮去除效果最好，F(xiàn)、G小球較為接近，E小球效果較差，說(shuō)明在運(yùn)行開(kāi)始階段，包菌量越大對(duì)氨氮的去除效果越好。隨著運(yùn)行周期的增加，4種小球的氨氮去除效果逐漸接近，F(xiàn)小球的氨氮去除效果基本上與H小球相同。到運(yùn)行后期，H小球的氨氮去除效果逐漸變差，而F小球的效果仍處于最好，其原因可能是包菌量大的小球在使用一段時(shí)間后由于其中微生物活動(dòng)較為顯著，導(dǎo)致PVA小球破碎率較高，流失后使反應(yīng)器中微生物濃度降低，表現(xiàn)為去除率出現(xiàn)下降。因此，可以得出最適宜的EM包菌量體積比為10∶3。

3 結(jié)論

1）EM菌包埋固定化法能夠有效去除廢水中的氨氮，當(dāng)進(jìn)水氨氮濃度為60 mg/L時(shí)去除率能夠達(dá)到90%以上。較高的脫氨效果是生物降解作用和PVA小球自身的吸附作用所致。

2） 在包埋劑中添加貝殼粉末可有效地改善PVA小球的強(qiáng)度，有利于生物脫氮。

3）包埋EM復(fù)壯液對(duì)維持生物活性的作用很小，而包埋EM離心液有利于PVA小球的物理性能的改善和氨氮去除能力的提高。

4）較大EM包埋量?jī)H在運(yùn)行初期能提高脫氨效果。長(zhǎng)期使用PVA小球時(shí)，較高EM包埋量不利于保持小球的強(qiáng)度，最適宜的EM包菌量體積比為10∶3，即每100 mL包埋劑中投加含菌量相當(dāng)于30 mL EM復(fù)壯液的EM離心液。

志謝：感謝廈門大學(xué)環(huán)境科學(xué)研究中心的凌峰計(jì)劃項(xiàng)目對(duì)該研究工作的經(jīng)費(fèi)支持。

［1］朱亮，邵孝侯．EM菌富集培養(yǎng)及降解污水試驗(yàn)研究［J］．河海大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2002，30（2）：6-8．

［2］孟范平，李桂芳，李科林．系統(tǒng)評(píng)價(jià)EM菌液在生活污水處理中的應(yīng)用效果［J］.城市環(huán)境與城市生態(tài)，1999，12（5）：4-7.

［3］ 邵青.EM 除磷效果初探［J］.工業(yè)水處理，2001，21 （2）：16-18，46.

［4］譚佑銘，羅啟芳.固定化反硝化菌去除水中硝酸鹽氮的研究［J］.環(huán)境與健康雜志，2001，18（6）：371-373.

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［9］熊小京，曹曉婷，李博.有效微生物復(fù)壯過(guò)程特性研究［J］.廈門大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2007，46（S1）：107-110.

Performance of Ammonia Nitrogen Removal by Immobilized Effective Microorganisms

Xiong Xiaojing1,Li Bo2,Lin Guanghui3,Zheng Tianling3,Peng Yiliang1
（1.Shenzhen Institute,Xiamen University,Shenzhen Guangdong 518057;2.State Key Laboratory of Clean Energy Utilization,Zhejiang University,Hangzhou Zhejiang 310027;3.School of Life Sciences,Xiamen University,Xiamen Fujian 361005）

Effect of different process parameters on performance of ammonia nitrogen removal by immobilized effective microorganisms with PVA-boric acid immobilization method was investigated using an aerobic sequencing batch process.The results showed that the removal of ammonia nitrogen was attributing to biodegradation ability of EM and effective adsorption by PVA-boric acid beads.The addition of shell powder and the centrifugal EM rejuvenation liquid in PVA-boric acid beads could effectively enhance the intensity of the beads and the degradation ability of ammonia nitrogen.The removal efficiency of ammonia nitrogen reached over 90%after 6 running cycles.The mass of immobilized EM in PVA-boric beads would help to improve removal efficiency of ammonia nitrogen at early run-time.The optimum immobilized EM concentration was 10:3 when PVA-boric beads were for long-term use.

PVA immobilization；effective microorganism；shell powder；ammonia nitrogen removal

X703.1

A

1005－8206（2011） 02－0039－04

深圳市科技計(jì)劃項(xiàng)目深港創(chuàng)新應(yīng)用研發(fā)專題（08Lh-04）；福建省科技計(jì)劃項(xiàng)目（2009Y0048）

2010-12-02

熊小京（1963—），博士，副教授，主要從事水污染控制工程方面的研究。

E-mail：xiongxj@xmu.edu.cn。

（責(zé)任編輯：劉冬梅）