硝化細(xì)菌包埋固定化條件的研究

南曉梅，宋新山，趙曉祥

(東華大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 201620)

目前，隨著水體富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象的日趨嚴(yán)重，廢水生物脫氮技術(shù)作為一種高效、環(huán)保的污水處理技術(shù)，逐漸成為水處理領(lǐng)域關(guān)注的焦點(diǎn)，硝化細(xì)菌是被廣泛應(yīng)用于水體除氮的菌種［1］。微生物固定化技術(shù)經(jīng)過(guò)特定的技術(shù)方法將細(xì)菌細(xì)胞固定化在所選擇的載體上，優(yōu)點(diǎn)是能夠防止發(fā)生菌體流失現(xiàn)象，并提高細(xì)菌的可利用率，從而達(dá)到簡(jiǎn)化處理工藝，提高應(yīng)用效率的目的［2］。包埋法是將微生物菌株包埋在半透性的聚合物凝膠或膜內(nèi)，或使微生物細(xì)胞分散進(jìn)入多孔性的載體內(nèi)部，包埋法固定微生物是一種當(dāng)前被普遍應(yīng)用的固定化方法［3-4］。

本實(shí)驗(yàn)采用聚乙二醇和海藻酸鈉為載體，對(duì)Y1菌株進(jìn)行包埋固定化實(shí)驗(yàn)，以Y1 菌株降解氨氮的效率為實(shí)驗(yàn)指標(biāo)進(jìn)行降解正交實(shí)驗(yàn)，研究各種包埋固定化條件因素對(duì)固定化小球降解效率的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

硝化細(xì)菌Y1 菌株，從污水處理廠的活性污泥中分離;聚乙二醇(PEG)，生化試劑;海藻酸鈉(SA)，化學(xué)純;氯化鈣，分析純;氨氮廢水，采用人工配水，成分［5-6］為:蔗糖223 mg/L，NH4Cl 191 mg/L，NaHCO3500 mg/L，MgSO412. 5 mg/L，KH2PO420 mg/L，F(xiàn)eSO45 mg/L，CaCl25 mg/L，微量元素1.0 mL/L。微量元素為:H3BO3150 mg/L，ZnCl250 mg/L，CuCl220 mg/L，MnSO4·H2O 50 mg/L，(NH4)6Mo7O24·4H2O 60 mg/L，CoCl2·6H2O 150 mg/L，F(xiàn)eCl350 mg/L 和NiCl240 mg/L。

1.2 固定化顆粒制備

1.2.1 菌懸液的制備 將恒溫培養(yǎng)24 h 的細(xì)菌培養(yǎng)液裝入離心管，以8 000 r/min 的速度離心10 ～20 min，棄去上清液，用無(wú)菌生理鹽水洗滌后，再反復(fù)離心3 ～4 次，最后用去離子水稀釋，制成菌懸液。

1.2.2 固定化載體的處理 分別取一定克數(shù)的PEG 和SA，加入錐形瓶中，并加入100 mL 去離子水，121 ℃滅菌20 min，使其完全混合。

1.2.3 交聯(lián)劑的制備 取一定克數(shù)CaCl2，加入到100 mL 去離子水中，完全溶解后高溫滅菌備用。

1.2.4 固定化小球的制備 將菌懸液倒入冷卻后的PEG 和SA 載體混合液中，攪拌使其混合均勻。用注射器將混合液注入到CaCl2交聯(lián)劑溶液中，冰浴，邊滴邊攪拌，使滴入液形成2 ～3 mm 的小球，4 ℃交聯(lián)后用去離子水洗滌，得到固定化顆粒。

1.3 分析方法

各種指標(biāo)的測(cè)試方法如下:pH 值，玻璃電極法;氨氮，采用氣相分子吸收光譜法進(jìn)行測(cè)定。

2 結(jié)果與討論

2.1 固定化顆粒的外部形態(tài)

細(xì)菌固定化小球形態(tài)見(jiàn)圖1。

圖1 PEG 和SA 的固定化微球Fig.1 Picture of immobilized microspheres of PEG and SA

由圖1 可知，PEG 和SA 包埋的固定化小球成型狀況良好，粒徑大小均勻，直徑3 ～4 mm，為白色半透明狀。

2.2 聚乙二醇濃度對(duì)固定化小球成球效果的影響

聚乙二醇濃度為1.0% ～8.0%，海藻酸鈉濃度為3.0%，菌懸液添加量為50%，CaCl2交聯(lián)劑濃度為4%，交聯(lián)時(shí)間5 h，成球情況見(jiàn)表1。

表1 聚乙二醇對(duì)固定化的影響Table 1 Effect of PEG on immobilization

成球狀態(tài)較好的固定化小球應(yīng)該具有較好的傳質(zhì)性能和機(jī)械強(qiáng)度［7］。機(jī)械強(qiáng)度越大，說(shuō)明固定化小球越堅(jiān)固，可在降解中重復(fù)使用。滲透時(shí)間越小，說(shuō)明固定化小球所包埋的內(nèi)部細(xì)菌越容易與外部污染物進(jìn)行反應(yīng)，對(duì)外部污染物進(jìn)行降解。由表1 可知，PEG 濃度小于3.0%時(shí)，固定化小球會(huì)不易形成或出現(xiàn)拖尾現(xiàn)象;PEG 濃度為4.0%以上時(shí)，小球的機(jī)械強(qiáng)度會(huì)開(kāi)始增大，到PEG 濃度為8.0%時(shí)，達(dá)到62.01 g 的最大值。小球的破碎率在PEG 為8.0%時(shí)降為0。綜合以上各方面因素，本實(shí)驗(yàn)的PEG 濃度范圍選定為4.0%，6.0%和8.0%。

2.3 海藻酸鈉濃度對(duì)固定化小球成球效果的影響

選擇濃度1.0% ～7.0%的海藻酸鈉和5.0%的聚乙二醇混合溶液作為復(fù)合載體包埋劑，菌液添加量為50%，交聯(lián)劑為4% 的CaCl2溶液，交聯(lián)時(shí)間5 h，成球情況見(jiàn)表2。

表2 海藻酸鈉對(duì)固定化的影響Table 2 Effect of SA on immobilization

由表2 可知，隨著SA 濃度的增加，小球的機(jī)械強(qiáng)度隨之增加，相反，滲透性隨之降低，從5.0%濃度開(kāi)始其滲透性有明顯下降，15 min 內(nèi)固定化小球才能夠被完全滲透。總結(jié)以上結(jié)果，海藻酸鈉的濃度范圍選擇為2.0% ～4.0%。

2.4 交聯(lián)劑濃度對(duì)固定化小球成球效果的影響

聚乙二醇濃度6%，海藻酸鈉3%，菌懸液添加量為50%，交聯(lián)時(shí)間5 h，交聯(lián)劑濃度為1% ～6%，分別測(cè)定小球的機(jī)械強(qiáng)度、滲透性以及破碎率，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 交聯(lián)劑對(duì)固定化的影響Table 3 Effect of cross-linking on immobilization

由表3 可知，隨著交聯(lián)劑濃度的增加，小球的機(jī)械強(qiáng)度、滲透時(shí)間隨之增加，但是增加程度不是很大，這說(shuō)明交聯(lián)劑濃度對(duì)固定化小球的性能影響相對(duì)于其他因素較小。綜合以上結(jié)果，交聯(lián)劑濃度范圍確定為4.0% ～6.0%。

2.5 交聯(lián)時(shí)間對(duì)固定化小球成球效果的影響

聚乙二醇濃度為6%，海藻酸鈉為3%，菌懸液添加量為50%，每隔5 h 取出小球測(cè)定機(jī)械強(qiáng)度、滲透性及破碎率，結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 交聯(lián)時(shí)間對(duì)固定化效果影響Table 4 Effect of cross-linking time on immobilization result

由表4 可知，隨著交聯(lián)時(shí)間的增加，小球內(nèi)部包埋材料逐漸形成穩(wěn)定的框架結(jié)構(gòu)，固定化小球的機(jī)械強(qiáng)度逐漸增大，破碎率從開(kāi)始的31.67%最終降低至0，而滲透時(shí)間也會(huì)隨著交聯(lián)時(shí)間的增加而增加。當(dāng)交聯(lián)時(shí)間為15 h 以下時(shí)，固定化小球的機(jī)械強(qiáng)度很小，破碎率比較高;交聯(lián)時(shí)間在35 h 和40 h時(shí)，雖然破碎率降至0，但是小球的滲透性能較差。確定交聯(lián)時(shí)間為15 ～25 h 進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)。

2.6 正交實(shí)驗(yàn)

以初始氨氮濃度為10 mg/L 的氨氮降解率為實(shí)驗(yàn)指標(biāo)，對(duì)聚乙二醇濃度、海藻酸鈉濃度、交聯(lián)劑的濃度和交聯(lián)時(shí)間進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)，研究固定化細(xì)菌的最佳包埋條件。各因素水平見(jiàn)表5，結(jié)果見(jiàn)表6。

表5 因素水平Table 5 Factors and levels

表6 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 6 Results of orthogonal experiment

由表6 可知，4 個(gè)因素的最優(yōu)水平是A3B2C1D2，即聚乙二醇濃度8%，海藻酸鈉濃度3%，交聯(lián)劑濃度4%，交聯(lián)時(shí)間為20 h。4 因素影響的主次順序是A ＞B ＞C ＞D，即聚乙二醇濃度的影響最大，然后是海藻酸鈉濃度，而CaCl2濃度和交聯(lián)時(shí)間對(duì)固定化小球的成球效果影響最小。實(shí)驗(yàn)結(jié)果的方差分析見(jiàn)表7。

表7 固定化小球正交實(shí)驗(yàn)方差分析Table 7 Variance analysis of orthogonal experiment

由表7 可知，4 種因素的F 值全部小于Fa的值，即4 種因素對(duì)固定化小球降解效率不會(huì)產(chǎn)生顯著影響。

3 結(jié)論

以固定化菌株氨氮降解率為指標(biāo)進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示，聚乙二醇濃度8%，海藻酸鈉濃度3%，CaCl2濃度4%，交聯(lián)時(shí)間20 h 為最佳固定化條件。其中，聚乙二醇濃度的影響最大，然后是海藻酸鈉濃度，而CaCl2濃度和交聯(lián)時(shí)間對(duì)固定化小球的成球效果影響最小。4 種因素對(duì)固定化小球降解效率的影響均不顯著。

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