包埋厭氧氨氧化同步脫硫除氮菌B16對(duì)天然橡膠加工廢水的處理研究

王瑩等

摘 要 天然橡膠加工廢水具有水質(zhì)、水量變化大的特點(diǎn)，沖擊負(fù)荷下厭氧生物處理通常效果不佳。針對(duì)這一問(wèn)題，利用海藻酸鈣（SA）、聚乙烯醇（PVA）復(fù)合材料對(duì)本實(shí)驗(yàn)室篩選到的同步脫硫除氮菌B16進(jìn)行包埋，利用包埋固定化后的菌處理天然橡膠加工廢水。結(jié)果表明：14 d后包埋菌株對(duì)實(shí)際廢水氨氮、總氮及硫酸鹽的去除效果分別為44.05%、46.29%和26.06%，并且氨氮去除速率最高可達(dá)110.59 mg/（L·d），硫酸鹽平均去除速率為13.8 mg/（L·d），均高于游離菌株。包埋小球存在一個(gè)物料內(nèi)外傳遞的時(shí)間差，可提供細(xì)菌對(duì)環(huán)境變化適應(yīng)的一個(gè)緩沖的時(shí)間，使得包埋固定化后的菌對(duì)于水質(zhì)的變化具有更好的適應(yīng)性，非常適用于處理天然橡膠加工廢水。

關(guān)鍵詞 包埋固定化；同步脫硫除氮菌；天然橡膠加工廢水處理

中圖分類號(hào) TD926.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A

Simultaneous Desulfurization and Denitrification of Natural Rubber Processing Wastewater by Using Immobilized Bacterium B16

WANG Ying1， WANG Hang3， ZENG Rizhong2， HUANG Maofang1， GUI Hongxing1*

1 Agricultural Product Processing Research Institute， Chinese Academy of Tropical

Agricultural Sciences， Zhanjiang， Guangdong 524001， China

2 Rubber Research Institute， Chinese Academy of Tropical Agricultural Sciences， Danzhou， Hainan 571737， China

3 College of Food Science and Technology， Huazhong Agricultural University， Wuhan， Hubei 430070， China

Abstract Natural rubber processing wastewater has large changes in quality and quantity. The anaerobic biological treatment of wastewater is often ineffective under shock load conditions. Aimed at this， the practicability of immobilized bacterium for natural rubber processing wastewater treatment was studied in this paper. After immobilized by polyvinyl alcohol（PVA）-sodium alginate（SA）， the bacterium B16 with simultaneous desulfurization and denitrification was used to treat the fresh wastewater collected from natural rubber processing factory. After 14 days， in the immobilized bacteria beads treatment， the removal efficiency of nitrogen， total nitrogen and sulfate was 44.05%， 46.29%， 26.06%， respectively， and the maximum removal rate of nitrogen was 110.59 mg/（L·d）while the average removal rate of sulfate was 13.8 mg/（L·d）， which were higher than that treated by bacterium itself. The material transfer time of immobilized bacteria beads could provide buffer time for bacteria adapting to environmental change， so that the immobilized bacterium have better adaptability to the change of water quality， and it is very suitable for the treatment of natural rubber processing wastewater.

Key words Immobilize；Bacterium with simultaneous desulfurization and denitrification；Natural rubber processing wastewater treatment

doi 10.3969/j.issn.1000-2561.2015.09.027

天然橡膠加工廢水是一種高濃度的有機(jī)廢水，BOD5/COD通常在0.6～0.8，具有非常好的可生化降解性能，氨氮含量為800 mg/L以上，硫酸鹽含量為700 mg/L左右。該廢水具有水量、水質(zhì)變化大的特點(diǎn)，同一家工廠生產(chǎn)高峰期是平時(shí)用水量的30倍，水質(zhì)隨產(chǎn)品種類及用水情況的變化而改變。這一特性對(duì)廢水的生物處理沖擊負(fù)荷較大，嚴(yán)重影響處理效果。2014年僅海南澄邁一地因廢水處理不達(dá)標(biāo)而已關(guān)閉的加工廠有10多家，廢水處理已經(jīng)成為中國(guó)天然橡膠加工產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸，急需找到一種確實(shí)有效的方法。

同步脫硫除氮菌是一類在厭氧條件下能同步去除氨氮與硫酸鹽的一類自養(yǎng)型微生物，目前對(duì)工業(yè)廢水的處理已有不少的應(yīng)用實(shí)例。鄭煥海[1]發(fā)現(xiàn)厭氧同步脫硫除氮高效功能菌能有效降低硫酸鹽、氨氮的含量。但同步脫硫除氮菌至今還未被應(yīng)用在處理天然橡膠工業(yè)廢水上，如果能應(yīng)用于天然橡膠加工廢水的厭氧處理可極大地減少?gòu)U水處理成本，增加沼氣產(chǎn)率。但天然橡膠加工廢水中含有大量的有機(jī)物，使得廢水中的菌大量生長(zhǎng)，同步脫硫除氮微生物能否成為優(yōu)勢(shì)菌是影響廢水處理效果的關(guān)鍵因素，其是否能通過(guò)固定微生物的方法來(lái)提高菌體單位體積的濃度與活性值得探討，目前國(guó)內(nèi)外尚未有這方面的研究報(bào)道。

包埋法固定化是一種將菌體包埋在各種多孔載體中，使菌體固定化的方法。微生物包埋固定后，可防止微生物流失，增加其局部濃度，以實(shí)現(xiàn)反應(yīng)器快速啟動(dòng)并提高活性和耐沖擊性[2]。該方法在工業(yè)廢水處理中多有應(yīng)用，能夠顯著提高污染物的去除率，并降低廢水處理池的產(chǎn)泥量，同時(shí)具有重復(fù)利用的效果[3-5]。眾多研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，相比其它固定化材料，以海藻酸鈣（SA）和聚乙烯醇（PVA）混合所制備的包埋材料效果較好[6-8]。

本研究對(duì)比同步脫硫除氮菌B16培養(yǎng)菌液對(duì)天然橡膠加工廢水的處理效果，將同步脫硫除氮菌B16進(jìn)行固定，通過(guò)提高菌株單位體積的濃度及活性，來(lái)提高天然橡膠加工廢水的厭氧處理效果；同時(shí)利用固定化菌的內(nèi)外物料傳遞的時(shí)間差來(lái)避免天然橡膠加工廢水沖擊負(fù)荷大時(shí)污泥膨脹現(xiàn)象的發(fā)生，為今后在生產(chǎn)實(shí)際中的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料

固定化同步脫硫除氮菌：選取本實(shí)驗(yàn)室馴化并篩選到的菌株B16，經(jīng)實(shí)驗(yàn)室純培養(yǎng)后離心濃縮懸浮備用。

實(shí)驗(yàn)配水：每升液體培養(yǎng)基中含K2SO4 0.163 g、Na2SO3 0.118 g、NH4Cl 0.229 g、Na2HPO4·2H2O 1.066 g、NaH2PO4·2H2O 0.533 g、KCl 0.37 g、MgCl2·6H2O 0.16 g、CaCl2 0.08 g、蔗糖0.92 g、酸性和堿性微量元素液各1 mL。

廢水：采自中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院試驗(yàn)場(chǎng)橡膠加工廠廢水出水口。

1.2 方法

1.2.1 包菌小球制備 SA ： PVA為7 ： 3，包埋材料總濃度為4%，采用交聯(lián)時(shí)間為24 h制備包菌小球，使得攪拌混合后每100 mL含有7.5 mL的濃縮菌液。

1.2.2 pH值對(duì)廢水處理效率的影響 調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)配水的pH值為5、6、7、8、9，各取400 mL倒入500 mL錐形瓶中，分別接種包菌小球25 g，厭氧環(huán)境密封，30 ℃恒溫150 r/min轉(zhuǎn)速震蕩培養(yǎng)2周，測(cè)定氨氮、硫酸根及COD濃度，計(jì)算去除效率，確定處理的最佳pH值。

1.2.3 包菌小球處理橡膠廢水實(shí)驗(yàn)室小試實(shí)驗(yàn) 廢水的預(yù)處理：利用CaO調(diào)節(jié)廢水pH至最佳值，過(guò)濾滅菌冷卻備用。

取400 mL預(yù)處理橡膠廢水滅菌后倒入500 mL錐形瓶中，分別接入未包菌小球25 g，2.5 mL菌液（與添加25 g包埋小球中的含菌量相當(dāng)），包菌小球25 g，同時(shí)設(shè)置空白對(duì)照組。厭氧環(huán)境密封，30 ℃恒溫150 r/min轉(zhuǎn)速震蕩培養(yǎng)2周，分別在3.5、5.5、8.5、11.5、14 d時(shí)對(duì)廢水各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行分析，并稱重檢測(cè)小球重量損失。

1.2.4 包菌小球活性的測(cè)定 氨氮測(cè)定：采用HJ535-2009納氏試劑分光光度法；亞硝態(tài)氮測(cè)定：采用GB7493-87 N-（1-萘基）-乙二胺光度法；總氮測(cè)定：采用GB11894-89堿性過(guò)硫酸鉀消解紫外分光光度法；硝態(tài)氮測(cè)定：采用GB748-87酚二磺酸分光光度法；硫酸鹽的測(cè)定：采用鉻酸鋇分光光度法（試行）HJ/T 342-2007。

2 結(jié)果與分析

2.1 pH值對(duì)廢水處理效率的影響

同步脫硫除氮菌能利用多種碳源[9]，而且天然橡膠加工均處于24 °N以南地區(qū)[10]，常年濕熱。適宜的氣候條件及橡膠廢水中所含的大量有機(jī)物有利于同步脫硫除氮菌的生長(zhǎng)繁殖，當(dāng)同步脫硫除氮菌成為優(yōu)勢(shì)菌后，影響廢水處理效果最重要的因素就是廢水的pH。本實(shí)驗(yàn)測(cè)定不同pH值實(shí)驗(yàn)配水氨氮、硫酸根及COD濃度，計(jì)算去除效率，結(jié)果見(jiàn)圖1。從圖1中可看出，當(dāng)pH值為7時(shí)，去除效果最好，氨氮、硫酸根、COD的去除率分別為89.18%、78.63%、55.33%。由圖1可知，隨pH值的升高氨氮與COD去除率的變化不是很明顯，但硫酸鹽在pH值大于7時(shí)表現(xiàn)出較好的去除效果。Fdz-Polanc等[11]曾推測(cè)在同步脫硫除氮反應(yīng)式為3個(gè)生化反應(yīng)組成[見(jiàn)式（1）-（3）]。

3SO42-+4NH4+→4NO2-+3S2-+4H2O+8H+ （1）

3S2-+2NO2-+8H+→N2+3S+4H2O （2）

2NO2-+2NH4+→2N2+4H2O （3）

反應(yīng)過(guò)程中硫酸根的還原會(huì)產(chǎn)生H+，導(dǎo)致pH值下降。當(dāng)pH值小于6時(shí)，處理過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生H2S，對(duì)包埋的菌株有毒性，從而影響去除效果。賴楊嵐等[12]也發(fā)現(xiàn)在硫酸鹽型厭氧氨氧化反應(yīng)器中，出水pH值低于進(jìn)水的。天然橡膠加工過(guò)程中需要加入乙酸或者硫酸進(jìn)行凝固，廢水呈酸性，一般在5左右[13]。為減少?gòu)U水預(yù)處理成本及獲得較好去除效果，預(yù)處理pH值確定為7。

2.2 天然橡膠加工廢水處理實(shí)驗(yàn)室小試結(jié)果

2.2.1 天然橡膠加工廢水預(yù)處理后水質(zhì)情況 中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院試驗(yàn)場(chǎng)橡膠加工廠主要產(chǎn)品為濃縮膠乳，受其工藝特點(diǎn)的影響，工廠產(chǎn)生的廢水含有大量的氨氮和硫酸鹽，是天然橡膠廢水中較難處理的一種，預(yù)處理后廢水的水質(zhì)情況見(jiàn)表1。預(yù)處理后去除了大部分的懸浮物及一定量的硫酸鹽，各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)濃度依然很高（表1），同樣具有代表性。

2.2.2 包菌固定化小球處理橡膠廢水結(jié)果 為了比較菌液和包菌小球的最終處理效果，記錄各實(shí)驗(yàn)組在培養(yǎng)14 d后測(cè)得的氨氮、總氮、硫酸鹽、COD數(shù)據(jù)，并計(jì)算除去空白影響后各自的去除率，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可知，相對(duì)于同濃度游離菌液，包埋小球具有更高的去除效果。

為考察固定化同步脫硫除氮菌的脫氮效果，比較3.5、5.5、8.5、11.5、14 d時(shí)各實(shí)驗(yàn)組氨氮、總氮、亞硝態(tài)氮的濃度及含量，計(jì)算氨氮去除速率，結(jié)果見(jiàn)圖2～4。由圖2可見(jiàn)，氨氮在處理過(guò)程中，有一部分通過(guò)揮發(fā)得到去除，包埋材料對(duì)氨氮有一定的吸附作用。由圖3可見(jiàn)，在廢水處理初期，游離菌液對(duì)氨氮的去除速率有一個(gè)較大的值為44.71 mg/（L·d），而后維持一個(gè)較為平緩的速度，大概為27～28 mg/（L·d）；而包菌小球在廢水處理的初期呈現(xiàn)出非常好的去除速率，可高達(dá)110.59 mg/（L·d），這證實(shí)在天然橡膠加工廢水處理中，包埋固定化能夠?qū)崿F(xiàn)快速啟動(dòng)的目的；而后有一個(gè)先降低后升高的趨勢(shì)，這主要是由于包菌小球內(nèi)外物料交換需要一個(gè)時(shí)間差，可提供細(xì)菌對(duì)環(huán)境變化適應(yīng)的一個(gè)緩沖的時(shí)間，使得包埋固定化后的菌對(duì)于水質(zhì)的變化具有更好的適應(yīng)性，非常適用于處理水質(zhì)、水量變化較大的天然橡膠加工廢水。

由圖4可見(jiàn)，總氮去除包菌小球的速率及效果均比菌液好，中間產(chǎn)物亞硝態(tài)氮菌液處理組的峰值（2.5 d）出現(xiàn)比包菌小球處理組（5.5 d）的早，進(jìn)一步證實(shí)物料交換這一時(shí)間差的存在。同步脫硫除氮可能存在硫自養(yǎng)反消化作用[10]，因此，硝態(tài)氮總體呈現(xiàn)一個(gè)下降的趨勢(shì)。

為考察固定化同步脫硫除氮菌的脫硫效果，比較3.5、5.5、8.5、11.5、14 d時(shí)各實(shí)驗(yàn)組硫酸鹽的含量，結(jié)果見(jiàn)圖5，包菌小球硫酸鹽最大去除速率與游離菌液相當(dāng)，但平均去除速率13.8 mg/（L·d）高于游離菌液12.21 mg/（L·d）。

考察COD濃度的變化見(jiàn)圖6，同時(shí)稱3.5、5.5、8.5、11.5、14 d時(shí)樣品中小球的質(zhì)量，制得小球質(zhì)量變化曲線圖（圖7）。由圖7可知，包埋材料浸泡在廢水的過(guò)程中，其質(zhì)量隨著時(shí)間的推移下降，相比未包菌小球，包菌小球由于存在菌的活動(dòng)，會(huì)加速材料的溶出。另外，由于包埋材料由SA和PVA構(gòu)成，這些物質(zhì)的溶出會(huì)導(dǎo)致廢水中COD含量的上升，同時(shí)，材料的吸附和細(xì)菌的新陳代謝活動(dòng)又會(huì)降低水中的COD含量，使COD含量不穩(wěn)定，形成COD波動(dòng)曲線（圖6）。

3 討論與結(jié)論

通過(guò)比較包菌小球與菌液對(duì)橡膠廢水處理的實(shí)驗(yàn)室小試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，相對(duì)于同濃度游離菌液，包菌小球具有更高的去除效果。包埋后的菌株氨氮去除速率最高可達(dá)110.59 mg/（L·d），硫酸鹽平均去除速率為13.8 mg/（L·d），均高于游離菌株。包埋后的菌株在處理初期就表現(xiàn)出較高的處理速率，包菌小球存在較高的局部濃度，有利于廢水處理的快速啟動(dòng)，同時(shí)物料內(nèi)外傳遞的時(shí)間差，可提供細(xì)菌對(duì)環(huán)境變化適應(yīng)的緩沖的時(shí)間，使得包埋固定化后的菌對(duì)水質(zhì)的變化有更好的耐沖擊性，非常適用于處理水質(zhì)、水量變化較大的天然橡膠加工廢水。

本研究所使用的厭氧氨氧化同步脫硫除氮菌B16對(duì)氨氮具有高效降解的能力，且對(duì)氨氮和硫酸鹽的脫除比接近硫酸鹽型厭氧氨氧化理論上的2 ∶ 1。但對(duì)天然橡膠廢水污染物的去除率與實(shí)驗(yàn)配水的比較，總氮和硫酸鹽有小幅度的升高，氨氮去除率降低程度較大。推測(cè)是因?yàn)樘砑拥陌∏蛄坎⒎且詮U水與實(shí)驗(yàn)配水中氨氮倍數(shù)關(guān)系為標(biāo)準(zhǔn)，因此就氨氮而言不太合適。實(shí)驗(yàn)中折中選取的5倍包菌小球添加量與13 ∶ 1（廢水中氨氮與培養(yǎng)基中氨氮的倍數(shù)關(guān)系）相差太大，致使影響了廢水對(duì)氨氮的最終處理結(jié)果，不能得到與處理實(shí)驗(yàn)配水中近似的氨氮去除率。同樣，對(duì)于水質(zhì)常常隨產(chǎn)品種類及用水情況變化而改變的橡膠工廠來(lái)說(shuō)，該菌種實(shí)際應(yīng)用于橡膠廢水處理時(shí)也將會(huì)面臨這個(gè)問(wèn)題。

本研究雖然已經(jīng)使氮、硫酸鹽的去除率有了一定程度的提高，但培養(yǎng)2周后的橡膠廢水仍不能達(dá)到出水指標(biāo)；包埋材料在廢水處理過(guò)程中有溶解現(xiàn)象，對(duì)COD的去除效果不理想。在今后的研究中，需要探索制備包埋小球中菌的合適濃度，利用包菌小球處理廢水最佳停留時(shí)間、運(yùn)行條件等一系列因素，使處理過(guò)程處在最佳狀態(tài)。也可考慮多種菌的復(fù)合包埋，利用協(xié)同作用降解橡膠廢水。

致 謝 楊春亮研究員、余和平研究員和課題組其他成員在實(shí)驗(yàn)過(guò)程給予的指導(dǎo)和幫助，在此表示感謝！

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