固定化復合菌處理養(yǎng)豬廢水的包埋條件優(yōu)化

張文東，鐘成華，，劉 鵬，陳 建

（1.重慶工商大學環(huán)境與生物工程學院，重慶400067；2.重慶大學城市建設與環(huán)境工程學院，重慶400045；3.重慶市環(huán)境科學研究院，重慶401147）

隨著社會經濟的高速發(fā)展和人口的急劇增加，水體污染越來越嚴重，特別是養(yǎng)殖業(yè)產生的廢水已成為主要的水體污染源之一［1－3］。由于高濃度的COD和氨氮等營養(yǎng)物，養(yǎng)豬廢水的處理或循環(huán)使用一直是一個急需解決的問題，特別是在經過厭氧處理后的養(yǎng)豬廢水存在C／N比較低，用傳統(tǒng)的處理方法很難達到廢水處理的要求。

固定化微生物技術是指采用化學或物理的方法將微生物或游離細胞固定在限定的空間區(qū)域內，使其保持高度密集并保持其生物活性功能，在適宜的條件下還可以增殖以滿足應用之需的生物技術。固定化微生物技術［4－10］與傳統(tǒng)的處理方法相比，具有可保持高效優(yōu)勢菌種、處理效率高、生物量大、運行穩(wěn)定、易固液分離等優(yōu)點。然而，在固定化技術中，包埋固定化技術與其他幾種固定化技術相比優(yōu)勢更為突出，是最受研究者和工程應用青睞的一種技術。因此，采用包埋固定化復合菌技術處理養(yǎng)豬廢水具有廣闊的應用前景［11－15］。

為了使固定化小球能在廢水處理中體現(xiàn)出更好的效果，很多研究者通過添加不同的添加劑來提高小球的性能，比如活性炭、硅藻土、累托石等。本研究依托于長江邊大量的天然河沙，探索添加河沙制備固定化小球用于廢水處理。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

1.1.1 材料

聚乙烯醇（PVA）∶化學純；海藻酸鈉（SA）∶化學純；氯化鈣（CaCl2）∶化學純；硼酸（H3BO3）∶化學純；復合菌：本實驗室選育的光合細菌和硝化細菌（光合細菌∶硝化細菌＝1∶2）。

1.1.2 主要儀器

DR 2800分光光度計（美國HACH公司）；AL 104電子分析天平（瑞士梅特勒－托利多公司）；TGL－16B離心機（上海菲恰爾分析儀器有限公司）；pHS－3型酸度計（上海天達儀器有限公司）。

1.2 實驗方法

1.2.1 制備方法（見圖1）

圖1 包埋固定化復合菌制備流程

1.2.2 分析方法

采用納氏試劑分光光度法測定氨氮含量。

2 各因素與氨氮去除率的關系及最佳工藝條件的確定

2.1 PVA濃度對氨氮去除率的影響

PVA濃度對氨氮去除率的影響見圖2。

由圖2可知，當PVA濃度小于9%時，氨氮去除率隨固定化小球所含PVA濃度增加而提高，當PVA濃度增加至9%時，氨氮去除率達到最高。當PVA濃度超過9%時，氨氮去除率隨制備固定化小球所用的PVA濃度增加而減小。當PVA濃度較小時，制備的固定化小球機械強度不高，使用壽命短；當PVA濃度較高時，凝膠濃度高，固定化小球易粘連。PVA濃度增加，將導致傳質阻力增大，影響微生物活性，氨氮的去除率也會隨之下降。

圖2 PVA濃度對氨氮去除率的影響

2.2 SA濃度對氨氮去除率的影響

SA濃度對氨氮去除率的影響見圖3。

圖3 SA濃度對氨氮去除率的影響

通過實驗發(fā)現(xiàn)，隨著凝膠液中SA濃度的增加，固定化小球成型就越來越容易。固定化小球中SA濃度在0～0.3%范圍時，氨氮去除率變化幅度較小；隨著SA濃度增加，氨氮去除率隨之增加；當SA濃度為0.9%時，氨氮的去除率達到最大；但隨著SA濃度的繼續(xù)增加，氨氮去除率開始下降。分析原因可能是，當SA濃度較大時，凝膠液比較黏稠，制備的固定化小球性能有所下降；也有可能是SA對養(yǎng)豬廢水的耐受性差。

2.3 包沙量對氨氮去除率的效果

首次采用河沙作為添加劑制備固定化小球。通過實驗研究發(fā)現(xiàn)：選取100目的河沙作為添加劑所制備的固定化小球效果較好。包河沙量對氨氮去除率的影響見圖4。

圖4 包河沙量對氨氮去除率的影響

由圖4可知，包埋固定化小球中河沙含量變化導致小球對氨氮的去除效果也發(fā)生變化，過高或過低時小球對氨氮的去除效果都不好，在河沙投加量為2%時，小球對氨氮的處理效果最好。分析原因可能是：在制備固定化小球的過程中，添加適量的河沙，可以在小球內部起到支撐空間骨架的作用，有助于小球空隙率的增加，降低底物進入小球的擴散阻力，微生物的活性得到了很好的保持。添加河沙過少，河沙在小球內部起到支撐空間骨架的作用有限，小球的通透性和吸附能力只能得到很小的改善；但添加河沙過量，又會堵塞小球中的孔道，在小球內沒有足夠的空間來滿足微生物的增殖所需，并且當河沙含量過高時，制備的固定化小球表面容易裂開，小球內部的微生物容易流失，導致處理效果不好。

2.4 包菌量對氨氮去除率的效果

包菌量對氨氮去除率的效果見圖5。

圖5 包菌量對氨氮去除率的影響

由圖5可知，固定化小球對養(yǎng)豬廢水氨氮的去除率隨包埋的微生物量增加而提高，當微生物包埋量為20%時比較理想（光合細菌、硝化細菌為1∶2配比），當包埋量超過20%后，小球對氨氮的去除效果開始下降。分析其原因可能是：當包埋的微生物量過大，微生物在小球內大量的增殖，微生物數(shù)量過多，小球易破損；包埋微生物量為25%時，制備的固定化小球機械強度有明顯降低，小球在處理養(yǎng)豬廢水的同時有明顯的小球體積脹大而導致微生物溢出。

2.5 正交試驗確定最佳包埋條件

通過單因素試驗可以看出，對固定化小球去除氨氮影響較大的因素有：PVA濃度、SA濃度、包沙量、包菌量。所以，正交試驗安排4個因素，每個因素安排3個水平，分別為：PVA濃度（A）、SA濃度（B）、包沙量（C）、包菌量（D）。每個因素的取值及其水平見表1。

表1 正交試驗因子水平

表2 正交試驗結果

從以上結果分析可知，PVA濃度、SA濃度、包菌量對養(yǎng)豬廢水中氨氮的去除效果影響較大，包沙量影響較小。

從試驗結果可以得出以下結論：PVA凝膠液濃度是影響去除效果的主要因素。當PVA濃度小于9%時，氨氮去除率隨制備固定化小球所用的PVA濃度增加而增大，當PVA濃度增大至9%時，氨氮去除率達到最高。當PVA濃度繼續(xù)增加時，氨氮去除率有所下降，但變化不大。包菌量取20%時，氨氮去除率達到最大，而且比其他幾個水平去除效果好。SA濃度對養(yǎng)豬廢水中氨氮的去除率的影響波動比較大。

3 結論

（1）在選定的4個影響因素中：對包埋固定化復合菌小球去除養(yǎng)豬廢水中氨氮影響從大到小分別是PVA濃度、包菌量、SA濃度、包河沙量。

（2）通過單因素試驗和正交試驗得到制備包埋固定化復合菌小球的最優(yōu)條件為：PVA濃度9.0%，SA濃度0.7%，包菌量20.0%，包沙量2.0%。固定化小球在含1.5%CaCl2且pH為6.7的交聯(lián)液飽和硼酸溶液浸泡24h。

（3）通過考慮制備包埋固定化復合菌小球的成本和可操作性，以河沙作為添加劑制備包埋固定化復合菌小球用于去除養(yǎng)豬廢水中的氨氮是可行的。

［1］ 高克強，高懷友.畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染物處理與處置［M］.北京：化學工業(yè)出版社，2004：1－20.

［2］ 劉 昕.保護環(huán)境實現(xiàn)畜禽養(yǎng)殖業(yè)可持續(xù)發(fā)展［J］.飼料廣角，2005（1）：31－33.

［3］ 孫振鉤.中國畜牧業(yè)環(huán)境污染問題亟待解決［J］.飼料工業(yè)，2000，21（4）：4－5.

［4］ 王宗華，龐金釗，林 楓.生物技術治理富營養(yǎng)化河水水體研究［J］.三峽環(huán)境與生態(tài)，2006，7（1）：89－93.

［5］ 毛雪慧，徐明芳.光和細菌固定化及其處理含油廢水的研究［J］.農業(yè)環(huán)境科學學報，2009，28（7）：1494－1499.

［6］ 陳 君，張愛曉，鐘衛(wèi)鴻，等.固定化脫氮細菌協(xié)同除氨氮廢水及生物膜觀察［J］.生物技術，2008，18（3）：76－80.

［7］ 齊素芳，余煜棉，賴子尼，等.復合載體固定化硝化細菌去除水體中氨氮的研究［J］.廣東工業(yè)大學學報，2007，24（2）：15－19.

［8］ 王偉寧.固定化硝化細菌對氨氮的去除［J］.廣西輕工業(yè)，2007（7）：29－30.

［9］ 賈 燕，江 棟，劉 永，等.固定化硝化細菌去除氨氮和氣相氨的試驗研究［J］.給水排水，2009（S1）：18－23.

［10］ 何 萍，吳向華.光和細菌固定化及其處理黃泔水的研究［J］.揚州大學學報：農業(yè)與生命科學版，2005，26（3）：91－94.

［11］ Yang P，Zhang Q，Jeng B.Simultaneous removal of carbon and nitrogen using an EMMC process［J］.Water Research，1997，10（31）：2 617－2625.

［12］ Takeno K，Yamaoka Y，Sasaki K.Treatment of oil－containing sewage wastewater using immobilized photosynthetic Bacteria［J］.World Journal of Microbiology ＆Biotechnology，2005，8（21）：1385－1391.

［13］ Bioshop PL，Zhang TC，F(xiàn)u YC.Effects of biofilm structure，microbial distributions and mass transport on biodegradation processes［J］.Wat Sci Technol，1995，31（1）：143－145.

［14］ Caldwell SR，Raushel FM.Detoxification of organ ophosphate pestlicides using a nylon based immobilhzed phosphotm esterase from pseudomonas diminctol［J］.Appl Biochem Biotech，1991，31（1）：59－73.

［15］ Yang P，Chen H.，Km SJ.Integrating entrapped mixed microbial cell（EMMC）process for biological removal of carbon and nitrogen from dilute swine wastewater［J］.Bioresource Technology，2003，86（3）：245－252.