2種藻菌固定化改進方法的比較及優(yōu)化研究

毛書端,張小平,牛 曼 (華南理工大學環(huán)境科學與工程學院,工業(yè)聚集區(qū)污染控制與生態(tài)修復教育部重點實驗室,廣東 廣州 510006)

隨著固定化技術的發(fā)展,固定化藻菌被廣泛應用于廢水處理領域,為廢水的脫氮除磷開辟了一條新途徑.固定化技術的應用不僅能有效防止微生物細胞流失,維持共生系統(tǒng)的穩(wěn)定性,而且還增強了細胞的耐受性,解決了藻類沉降性較差的問題.同時,固定化微生物技術可以將優(yōu)勢菌種固定,可保持較高的活性,提高降解效率,且被固定化后的細胞具有反應速率快、耐毒害能力強等優(yōu)勢[1].

目前固定化微生物的載體材料多為聚乙烯醇(PVA)[2-3]和海藻酸鈉[4-5],它們具有機械強度大,傳質性能好,耐生物分解等特性[6].本課題組通過PVA與海藻酸鈉的對比研究,發(fā)現PVA作為固定化載體,其穩(wěn)定性及小球強度要優(yōu)于海藻酸鈉,但其操作較困難,制成的小球形狀不規(guī)則,且傳質性能低海藻酸鈉[7].本實驗采用海藻酸鈉固定藻菌,用于去除模擬廢水中的 COD,氨氮(NH3-N)及磷酸鹽(PO43--P).

傳統(tǒng)的海藻酸鈉固定化方法是將海藻酸鈉與生物細胞混合后滴入 Ca2+溶液,形成海藻酸鈣(CA)凝膠球.CA凝膠球傳質性能好,但在高濃度PO43--P溶液中,CA凝膠球不穩(wěn)定,易破碎和溶解,微生物易漏出[8].

經研究,用2種方式改進了傳統(tǒng)海藻酸鈉固定化方法:一是用Ba2+替換掉固定液中部分Ca2+,形成同時含Ca2+,Ba2+的固定液;二是將CA凝膠球置于殼聚糖溶液中覆膜.2種改進方法都能很好改善小球穩(wěn)定性,提高機械強度.同時,探討改進后的固定化小球對模擬廢水中 COD,NH3-N, PO43--P去除效果的影響.

1 材料與方法

1.1 主要材料

試劑:海藻酸鈉(化學純),殼聚糖(脫乙酰度>90.0%),氯化鈣(化學純)等.

藻種:蛋白核小球藻(chlorella pyrenoidosa),由華南理工大學食品學院提供.

菌種:廣州市獵德污水處理廠好氧池活性污泥.

1.2 實驗儀器

光照培養(yǎng)箱,SPX-GB-300型;可見分光光度計,722型;手提式滅菌鍋,YX280A型;離心沉淀器,80-2型;恒溫多頭攪拌器,HJ-4A型;大容量恒溫搖床,DHZ-CA型.

1.3 實驗方法

1.3.1 藻類培養(yǎng) 將配制好的Bold培養(yǎng)基[9]滅菌,用經滅菌后0.5mol/L的NaHCO3及0.1mol/L的HCl調節(jié)pH值至6.8~7.2.然后接種適量的藻種混勻(接種密度為30萬個/mL),在溫度(25±1)℃,光強2000~4000Lx,光暗比為12h:12h的條件下培養(yǎng),每天定時振搖2次[10].取穩(wěn)定生長期的藻細胞進行固定化,即培養(yǎng)5d左右的藻細胞.

1.3.2 菌類培養(yǎng) 將取自污水處理廠好氧池的活性污泥(VSS為2500mg/L)自然沉降后,得到含水率60%的污泥,將其加入自配的培養(yǎng)液中曝氣,每12h停止曝氣2h,每3d換一次培養(yǎng)液.培養(yǎng)液組分為:0.5g/L葡萄糖,97.98mg/L NH4Cl,2.19 mg/L KH2PO4,0.03 mg/L FeCl3·6H2O, 3.44 mg/L NaCl,2.81 mg/L MgSO4·7H2O.

1.3.3 不同固定化小球的制作 將培養(yǎng)后的藻與污泥分別在室溫 25℃,3500r/min條件下離心15min,棄除上清液,離心后濃縮液的固體含量達90%.將濃縮液按1:1體積比混合.將適量海藻酸鈉與二氧化硅加入一定體積去離子水中,使液體總重 300g,海藻酸鈉與二氧化硅的質量濃度分別為 4%,混均后加熱,使海藻酸鈉完全溶解.待液體冷卻至常溫,加入10mL藻菌濃縮混合液,混均后形成含藻菌的混合液.

用帶16號針頭的注射器將上述混合液滴入過量的濃度 4% CaCl2溶液,并連續(xù)攪拌,然后放入 0~4℃的冰箱中固化交聯 24h,得到粒徑為4mm左右的圓形小球.所得固定化小球記為1#.

用帶16號針頭的注射器將上述混合液滴入過量的2% CaCl2,2% BaCl2混合溶液,同時連續(xù)攪拌,然后放入 0~4℃的冰箱中固化交聯 24h,得到粒徑為4mm左右的圓形小球.所得固定化小球記為2#.

將1#固定化小球放入質量濃度為1.5%的殼聚糖醋酸溶液中覆膜 20min,濾除小球后用蒸餾水洗滌3次,此固定化小球記為3#.3#小球為粒徑4mm左右的球形.

1.3.4 傳質性、穩(wěn)定性及對廢水處理效果的比較 取等量經稀釋的惰性紅墨水于3個燒杯中,分別加入一定質量固定化小球,室溫條件下,在150r/min的磁力攪拌器上攪拌,進行吸附實驗,每隔2min取球切片,觀察紅墨水滲透到小球內部的情況[11],考察3種固定化小球的傳質效果.

將3種小球分別置于無菌水中,在溫度37℃,振蕩頻率150r/min,振幅30mm條件下連續(xù)振蕩24h,觀察固定化小球的包埋效果以及顆粒的破損,變形程度等,并在680nm波長下,用722型分光光度計測定溶液吸光度,以考察溶液中小球藻濃度,比較3種固定化小球的穩(wěn)定性.

分別用3種固定化藻菌小球處理模擬廢水.每4h取水樣測定COD,NH3-N,PO43--P濃度,各濃度值均3次測量,取其平均值.每12h為1個周期,每周期末將模擬廢水全部排出,重新加入新的模擬廢水,分別進行4個周期.比較3種小球對廢水的處理效果.

1.3.5 藻酸鹽-殼聚糖固定化方法的優(yōu)化研究 將固化24h后的藻酸鹽小球放入pH值為5,質量濃度分別為0.2%,0.5%,1.0%,1.5%,2.0%的殼聚糖醋酸溶液中,覆膜 20min后濾出, 用蒸餾水洗滌3次,用以處理模擬廢水.

將海藻酸鹽小球放入質量濃度為 1.0%,pH值分別為4.0,4.5,5.0,5.5,6.0的殼聚糖醋酸溶液中,覆膜20min后濾出,洗滌3次.

將海藻酸鹽小球放入質量濃度為 1.0%,pH值為5.5的殼聚糖醋酸溶液中,分別覆膜5,10,15, 20,25min后濾出, 洗滌3次.

1.3.6 實驗廢水與裝置 為防止實際廢水中某些化合物干擾測定結果,采用模擬廢水,即向自來水中加入葡萄糖,NH4Cl,KH2PO4等試劑,配制成COD為2098mg/L,NH3-N為64.38mg/L,PO43--P為23.43mg/L的有機廢水.

反應裝置為流化床光生物反應器(FPBR),如圖1所示.反應器用透明有機玻璃制作,反應區(qū)是直徑為8cm的圓柱,擴大區(qū)圓柱形直徑為16cm,總高 95cm,有效容積 4.5L.反應器光源采用功率20W的熒光燈全天光照.

向反應器中加入200g上述不同固定化小球,通過調節(jié)廢水流速使小球達到流態(tài)化.在室溫25℃,光照強度為4000Lx,流速0.2cm/s條件下進行實驗.實驗為間歇反應過程,運行中無需供氧.

2 結果與討論

2.1 不同固定化方法的比較

2.1.1 3種固定化小球的傳質效果及穩(wěn)定性比較 3種小球傳質性能如圖2所示.

圖2 3種小球傳質性能Fig.2 The mass transfer of three kinds beads

由圖2可知,1#、2#小球傳質較快,10min左右就已經被紅墨水浸透,而3#小球傳質性能相對差一些,需25min左右.殼聚糖覆膜后的固定化小球傳質慢,是因為殼聚糖分子進入海藻酸鹽的網狀結構中,使結構更加致密,覆膜后小球的微孔直徑和表面積都有所減小,使吸附量和傳質性降低[12].

經穩(wěn)定性實驗發(fā)現,振蕩24h后,1#小球所在燒杯中小球藻濃度為1.22×108個/L,而2#、3#小球所在燒杯中小球藻濃度幾乎為零,說明除 1#小球有少量的藻細胞漏出外,另外兩種小球完好.這是因為與 Ca2+相比,Ba2+的離子半徑較大,在藻酸鹽分子中會填充較大的空間,使小球的網狀結構更加緊湊,因此 Ba2+就不容易以磷酸鋇的形式被置換出來,從而增加了固定化小球的穩(wěn)定性[13-14].殼聚糖覆膜后小球穩(wěn)定性增加是因為殼聚糖分子鏈上有大量的伯氨基,而海藻酸鈉分子鏈上有大量的羧基,所以殼聚糖和海藻酸鈉可以通過正負電荷吸引形成聚電解質膜,增加小球的穩(wěn)定性.

2.1.2 三種固定化小球對廢水處理效果的比較 3種固定化小球對廢水的處理效果見圖 3~圖5.

由圖 3可知,在反應前 2個周期,2#小球對COD的去除率最低,為60%,1#,3#小球對COD的去除率相當,均在 71%以上.隨著反應周期的增加,1#小球對COD的去除率減小,在第4周期時減小到68%;2#小球對COD的去除率逐漸增加,在第4周期為75.8%;3#小球對COD的去除率幾乎不變,為73.8%.試驗中還觀察到,在第4個周期,1#小球出現了溶解現象,而2#、3#小球完好無損.這是因為海藻酸鈉-氯化鈣固定化方法中,海藻酸鈣小球穩(wěn)定性較差,海藻酸鈣中的 Ca2+很容易與水中 PO43-形成磷酸鈣,從而使海藻酸鈣逐漸溶解,繼而使固定化小球的三維結構遭到破壞,其內的藻細胞泄漏,從而使水樣中的 COD濃度進一步增加,很大程度上抵消了藻菌系統(tǒng)去除的污染物[7].因此,在第4周期時,1#小球對COD的去除率要低于2#、3#小球.

圖3 3種小球對COD的去除效果Fig.3 Effect of three kinds of beads on COD removal

圖4 3種小球對NH3-N的去除效果Fig.4 Effect of three kinds of beads on NH3-N removal

圖5 3種小球對PO43--P的去除效果Fig.5 Effect of three kinds of beads on PO43--P removal

由圖4可知,隨著反應周期的增加,3種小球對NH3-N的去除率均增加.除第3周期外,在整個過程中,均是2#小球對NH3-N的去除率最低,1#、3#小球對NH3-N的去除率相當.在第4周期時,3種小球對NH3-N的去除率分別為50.6%,42.5%, 51.8%.

由圖5可知,3種小球對PO43--P的去除規(guī)律與NH3-N基本相同,均是2#小球對PO43--P的去除效果最差.在第 4周期時,3種小球對 PO43--P的去除率分別為51.8%,47.5%,54.5%.

以上分析說明,與1#小球相比,2#小球對3種污染物去除效果最差,即 BaCl2取代部分 CaCl2作為固定液這種改進方法會降低固定化小球對污染物的去除效果,但其降低量不超過 10%,是因為 Ba2+對微生物有一定毒性,會影響細胞的生長速率.但與 Ca2+相比,抑制率不會超過20%[15].3#小球對3種污染物的去除效果與1#小球相差不大,表明殼聚糖覆膜對除污染物去除效果影響不大.

2.2 藻酸鹽-殼聚糖固定化方法的優(yōu)化研究

2.2.1 殼聚糖溶液質量濃度對小球處理能力的影響 不同殼聚糖溶液濃度對海藻酸鹽小球處理能力的影響如圖6所示.

圖6 殼聚糖質量濃度對小球處理能力的影響Fig.6 Impacts of chitosan solution concentration on the removal capacity of beads

從圖6可以看出,隨著殼聚糖溶液濃度增大,海藻酸鹽小球對COD,NH3-N,PO43--P的去除率均降低.在成膜反應時間相同時,隨著殼聚糖溶液濃度增大,殼聚糖擴散進入藻酸鈣小球也越深,導致膜厚增加;同時殼聚糖溶液濃度的提高也增加了-NH3+的位點數,從而增加了與海藻酸鈣固定化小球中-COO-結合的機會,易于致密膜的形成.這兩方面的原因造成了殼聚糖濃度越高所形成的膜越厚且致密,通透性降低,增大了基質和產物的擴散阻力,影響藻菌的活性.

經穩(wěn)定性試驗發(fā)現,固定化小球的穩(wěn)定性隨著殼聚糖濃度的增加而提高.結合考慮小球的穩(wěn)定性,通透性以及處理效果,殼聚糖成膜濃度以1%為宜.

2.2.2 殼聚糖溶液 pH值對小球處理能力的影響 不同pH值對海藻酸鹽小球處理能力的影響如圖7所示.

圖7 殼聚糖溶液pH值對小球處理能力的影響Fig.7 Impacts of pH on the removal capacity of beads

殼聚糖和海藻酸鈉之間絡合反應形成的膜,是由殼聚糖單體分子上質子化的氨基和海藻酸鈉單體分子上的羧基間通過靜電力或氫鍵形成的聚電解質復合膜,因此溶液 pH值直接決定 2種聚離子暴露的電荷基團及分子結構.當 pH值從4.0增加到5.5時,殼聚糖分子中的氨基隨pH值的升高而減少,故與海藻酸鈉的絡合程度隨之降低,因此膜厚也隨之減小;當pH值繼續(xù)增大時,由于殼聚糖分子發(fā)生了空間構象上的改變,而使膜厚又有所增加[16].如圖 7所示,在本實驗中,當殼聚糖溶液的pH值從4增至5.5時,海藻酸鹽小球對COD,NH3-N,PO43--P的去除率均是增加的,而當pH值大于5.5時,又表現為下降趨勢.這正是因為,45.5時則反之.

綜合考慮污染物去除率,固定化小球的機械強度和穩(wěn)定性,選擇殼聚糖溶液pH值為5.5.

2.2.3 殼聚糖溶液覆膜時間對小球處理能力的影響 不同覆膜時間對小球處理能力影響如圖8所示.

圖8 殼聚糖覆膜時間對小球處理能力的影響Fig.8 Impacts of coated time on the removal capacity of beads

從圖 8中也可以看出隨著覆膜反應時間的增加,海藻酸鹽小球對各污染物的去除率均降低,5min和25min的覆膜反應時間對應的各污染物去除率均相差約 20%.張宏亮等[17]研究表明,延長覆膜反應時間可提高固定化小球膜的穩(wěn)定性,增加小球使用壽命,但當成膜反應時間超過30min時,固定化小球膜的穩(wěn)定性改善不明顯.這主要是隨著覆膜反應時間增加,殼聚糖分子上的-NH3+與海藻酸鈣分子上的-COO-反應程度不斷增大,并隨反應時間的延長而接近完全反應,因此固定化小球的膜厚先隨成膜時間的增加而增大,而后膜厚變化不大.但覆膜時間對微生物活性有影響,減少覆膜時間可減少微生物活性損失,故在保持固定化小球穩(wěn)定性條件下,應盡可能減少成膜反應時間.

在實驗中,覆膜時間為5min時對微生物活性的影響很小,但固定化小球的穩(wěn)定性較差,連續(xù)振蕩24h后有少量的藻溢出.延長覆膜反應時間,固定化小球的穩(wěn)定性會提高,但從微生物活性方面考慮,應在保證穩(wěn)定性的前提下盡量縮短覆膜反應時間.故覆膜時間以15min為宜.

3 結論

3.1 對比3種不同固定化方法,發(fā)現BaCl2取代部分 CaCl2作為固定液制備的小球及殼聚糖覆膜后的固定化小球穩(wěn)定性與機械強度都有所提高,但殼聚糖覆膜后的小球傳質較慢.在處理效果上,與 CA凝膠球相比,BaCl2作為固定液制備的小球對污染物去除率降低,而殼聚糖覆膜后的小球對廢水的處理效果基本不變.

3.2 通過研究殼聚糖溶液質量濃度,pH值以及覆膜時間對廢水處理效果的影響,發(fā)現廢水處理效果隨著殼聚糖質量濃度和覆膜時間的增加而降低,隨著pH值的增加而提高,固定化小球的穩(wěn)定性呈相反趨勢.試驗表明,最佳溶液濃度,pH值及覆膜時間分別為1%,5.5,15min.

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