高效能反硝化生物活性填料的制備研究

張立東

(吉林化工學(xué)院 資源與環(huán)境工程學(xué)院，吉林 吉林 132022)

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高效能反硝化生物活性填料的制備研究

張立東

(吉林化工學(xué)院 資源與環(huán)境工程學(xué)院，吉林 吉林 132022)

摘要：高效能反硝化生物活性填料的制備技術(shù)是目前國(guó)內(nèi)外污水反硝化脫氮研究領(lǐng)域的新熱點(diǎn).本文采用包埋法將反硝化細(xì)菌分別固定于PVA網(wǎng)格載體和聚氨酯載體，制備得二種不同形式的反硝化生物活性填料，并比較了它們及活性污泥對(duì)反硝化細(xì)菌反硝化率的影響.結(jié)果表明，PVA網(wǎng)格填料包埋后反硝化速率能達(dá)到110 mg/L·h左右，聚氨酯填料包埋能達(dá)到88 mg/L·h，兩種填料相比較，PVA網(wǎng)格填料比聚氨酯填料包埋更加高效.

關(guān)鍵詞：反硝化生物活性填料；包埋法；PVA網(wǎng)格填料；聚氨酯填料

活性污泥微生物在連續(xù)流中易流失，難以形成較強(qiáng)的細(xì)菌優(yōu)勢(shì)，反應(yīng)器的啟動(dòng)時(shí)間長(zhǎng).提高其反硝化能力，則需要增大活性污泥的濃度，高濃度反硝化細(xì)菌，這將導(dǎo)致污泥上浮，最終影響出水濁度[1-3].采用生物膜法既可大幅度提高細(xì)菌濃度，固定細(xì)菌且不易流失，又能提高目標(biāo)細(xì)菌的生態(tài)優(yōu)勢(shì)，產(chǎn)生特性高效反應(yīng)[4-11].本文采用包埋法[4，12-13]將反硝化細(xì)菌分別固定于聚乙烯醇(簡(jiǎn)稱(chēng)PVA)網(wǎng)格載體和聚氨酯載體，制備得二種不同形式的反硝化生物活性填料，并將它們應(yīng)用于廢水處理研究.

1實(shí)驗(yàn)部分

1.1　試劑與儀器

硝酸鉀、磷酸二氫鉀、葡萄糖、乙酸鈉、硼酸、聚乙烯醇、聚乙烯醇、鹽酸和粉末活性炭均購(gòu)于天津市福晨化學(xué)試劑廠；過(guò)硫酸鉀和N,N,N′,N′-四甲基乙二胺購(gòu)于國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；磷酸氫二鉀購(gòu)于北京康普匯維科技有限公司；甲醇購(gòu)于北京化工廠；以上藥品等級(jí)均為分析純.

5B-1型COD快速測(cè)定儀(北京連華科技發(fā)展有限公司)；Oxi3L5i型便攜式溶解氧儀(WTW公司)；PHS-2C型pH計(jì)(上海三信儀表廠)；UV-1600PC型紫外可見(jiàn)光光度計(jì)(上海美譜達(dá)儀器有限公司)；722型可見(jiàn)分光光度計(jì)(上海欣茂儀器有限公司)，全自動(dòng)細(xì)菌發(fā)酵罐.

試驗(yàn)用污泥來(lái)自北京市清河水廠二沉池剩余污泥，含水率97%.

1.2　實(shí)驗(yàn)過(guò)程

1.2.1培養(yǎng)反硝化細(xì)菌

1.2.2制備反硝化生物活性填料

采用包埋法將上述制備的反硝化細(xì)菌分別固定于PVA網(wǎng)格和聚氨酯二類(lèi)不同載體，制備得不同的反硝化生物活性填料，具體方法如下[12-13].

1.2.2.1PVA網(wǎng)格反硝化生物活性填料的制備

采用PVA-硼酸二次交聯(lián)將反硝化菌固定于PVA網(wǎng)格，完成細(xì)菌的固定化，具體操作步驟如下：

(1) 反硝化細(xì)菌濃縮液的制備 取已培養(yǎng)好的反硝化細(xì)菌菌懸液離心濃縮，離心轉(zhuǎn)速為10 000 rad/s，溫度為4 ℃，離心5 min，得到109個(gè)/ml反硝化細(xì)菌濃縮液.

(2) 反硝化細(xì)菌包埋液的制備 稱(chēng)取10 g的聚乙烯醇，然后加入1 g的碳酸鈣，加80 mL水后在高壓滅菌鍋中加熱溶解，溫度為105 ℃，待溶液冷卻至30 ℃后，與15 g左右的上述制備的反硝化細(xì)菌濃縮液混合，充分?jǐn)嚢?，最終得到反硝化細(xì)菌包埋液.

(3) 反硝化細(xì)菌包埋體與飽和硼酸溶液第1次交聯(lián) 將步驟(2)中制得的反硝化細(xì)菌包埋液均勻涂抹到PVA網(wǎng)格填料上，然后將其浸入飽和硼酸水溶液里，靜止2 h.

(4) 反硝化細(xì)菌包埋體與飽和硼酸溶液第2次交聯(lián) 利用硼酸調(diào)節(jié)上述溶液pH值至9.0，靜止8～48 h，用超純水重復(fù)洗2～3次，直至出水pH值中性，制備的PVA網(wǎng)格反硝化生物活性填料.

1.2.2.2聚氨酯反硝化生物活性包埋填料的制備

聚氨酯反硝化生物活性填料的制備采用聚氨酯水凝膠包埋方法[13].具體操作步驟如下：

(1) 反硝化細(xì)菌濃縮液的制備 取已培養(yǎng)好的反硝化細(xì)菌菌懸液離心濃縮，離心轉(zhuǎn)速為10 000 rad/s，溫度4 ℃，離心5 min，得到109個(gè)/ml反硝化細(xì)菌濃縮液；

(2) 聚氨酯反硝化生物活性填料的制備 將濃度為10%的聚氨酯預(yù)聚體乳液(市場(chǎng)購(gòu)買(mǎi))與反硝化細(xì)菌濃縮液混合，然后依次加入一定量的濃度為1.0%左右的過(guò)硫酸鉀和濃度小于0.5%的N,N,N′,N′-四甲基乙二胺，以及3%的粉末活性炭，并迅速攪拌均勻并轉(zhuǎn)移到特制模具中，靜置5～10 min，待凝膠聚合成型后，從模具中取出，放入專(zhuān)業(yè)切粒機(jī)中切成5×5×5 mm的標(biāo)準(zhǔn)立方體，并用去離子水徹底清洗，將未交聯(lián)的單體和未固定的反硝化細(xì)菌洗出.即完成全部包埋過(guò)程，得到聚氨酯反硝化生物活性填料.

1.2.3硝態(tài)氮去除實(shí)驗(yàn)

取已培養(yǎng)好的反硝化細(xì)菌菌懸液離心濃縮，離心轉(zhuǎn)速為10 000 rad/s，溫度為4 ℃，離心5 min，得到反硝化細(xì)菌濃縮液.將所得反硝化細(xì)菌濃縮液以稱(chēng)重的方式，盡可能平均的分成三份，標(biāo)記為Ⅰ號(hào)，Ⅱ號(hào)，Ⅲ號(hào)反硝化細(xì)菌濃縮液.進(jìn)行搖瓶實(shí)驗(yàn)，反應(yīng)條件為：溫度30 ℃，轉(zhuǎn)速為150 rad/min.測(cè)定反硝化細(xì)菌反硝化速率，即平均每小時(shí)硝態(tài)氮的去除量(4 h)，待反硝化能力基本穩(wěn)定后，將Ⅰ號(hào)和Ⅱ號(hào)反硝化細(xì)菌濃縮液分別進(jìn)行PVA網(wǎng)格填料、聚氨酯填料包埋，具體包埋方法見(jiàn)1.2.2；將III號(hào)反硝化細(xì)菌濃縮液作為活性污泥對(duì)照實(shí)驗(yàn).Ⅰ號(hào)、Ⅱ號(hào)反硝化細(xì)菌濃縮液分別包埋后，確定培養(yǎng)周期為8 h，一天3個(gè)周期，每天選定同一個(gè)周期中同一時(shí)段的4 h，測(cè)定反硝化細(xì)菌反硝化速率.

2結(jié)果與討論

不同反硝化活性填料和活性污泥對(duì)反硝化速率的影響結(jié)果如圖1～6所示.

圖1、2中水平線為反硝化細(xì)菌包埋前的反硝化能力，曲線為包埋后兩周內(nèi)的反硝化能力.

時(shí)間/d圖1　PVA網(wǎng)格反硝化生物活性填料的反硝化速率

時(shí)間/d圖2　聚氨酯反硝化生物活性填料的反硝化速率

時(shí)間/d圖3　活性污泥的反硝化速率

時(shí)間/d圖4　PVA網(wǎng)格反硝化生物活性填料的C/N

時(shí)間/d圖5　聚氨酯反硝化生物活性填料的C/N

時(shí)間/d圖6　活性污泥的C/N

2.1　不同反硝化活性填料對(duì)反硝化速率的影響

生物反硝化速率受生物膜內(nèi)溶解氧濃度的影響，在微生物的生物膜外表面，由于溶解氧的濃度相對(duì)較高，以好氧菌和硝化菌為主，而在生物膜內(nèi)部由于溶解氧濃度較低，主要為厭氧菌和兼性菌為主.在生物膜內(nèi)部溶解氧分布的不均勻使得反硝化的發(fā)生存在可能，當(dāng)生物膜法反硝化系統(tǒng)中的溶解氧控制在1.5 mg·L-1，在膜的內(nèi)層就會(huì)呈現(xiàn)厭氧狀況，這將影響最終的處理效果[6-9].

圖3中各點(diǎn)為對(duì)照活性污泥在同一時(shí)間的樣本數(shù)據(jù).由圖1中“1”點(diǎn)可看出，PVA網(wǎng)格填料的包埋過(guò)程對(duì)反硝化細(xì)菌的活性有一定的影響，但是影響很?。挥伞?”點(diǎn)可看出，在第五個(gè)周期活性便恢復(fù)并且有一定的上升趨勢(shì)；“2”～“3”點(diǎn)之間雖然反硝化能力有所起伏，但是整體高于PVA網(wǎng)格填料包埋前的反硝化能力，在“3”點(diǎn)之后，反硝化能力基本穩(wěn)定，相比較PVA網(wǎng)格填料包埋前，反硝化能力增長(zhǎng)73.1%.由圖2中“1”、“2”點(diǎn)可看出，聚氨酯填料的包埋過(guò)程對(duì)反硝化細(xì)菌的活性有一定的影響，但是影響很小；由“3”點(diǎn)可看出，在第8個(gè)周期反硝化活性便恢復(fù)并且有一定的上升趨勢(shì)；“3”～“4”點(diǎn)反硝化能力整體呈上升趨勢(shì)；“4”點(diǎn)之后反硝化能力相對(duì)穩(wěn)定，相比較聚氨酯填料包埋前，反硝化能力增長(zhǎng)32.5%，低于PVA網(wǎng)格反硝化生物活性填料的反硝化能力增長(zhǎng)率.由圖3中可反映出，隨著培養(yǎng)的進(jìn)行，活性污泥的反硝化能力也有所提升，反硝化能力增長(zhǎng)19.3%，但低于兩種反硝化生物活性填料的反硝化能力增長(zhǎng)率.

PVA網(wǎng)格生物活性填料的反硝化能力恢復(fù)期為5個(gè)周期，聚氨酯生物活性填料的反硝化能力恢復(fù)期為8個(gè)周期；PVA網(wǎng)格生物活性填料的反硝化能力增長(zhǎng)率為73.1%，反硝化速率為110.97 mg/L·h，聚氨酯生物活性填料的反硝化能力增長(zhǎng)率為32.5%，反硝化速率為88.16 mg/L·h，因此PVA網(wǎng)格生物活性填料比聚氨酯生物活性填料更加高效.

以上結(jié)果表明，本文采用包埋法制備的兩種反硝化生物活性填料，對(duì)反硝化細(xì)菌的活性影響很小，活性恢復(fù)所需時(shí)間很短.相比較活性污泥，固定化技術(shù)可以減少微生物的流失、提高酶或微生物的濃度，受包埋后生物膜內(nèi)部溶解氧濃度明顯低于活性污泥溶液，因此，包埋后的反硝化能力增長(zhǎng)更快，而且更具有高效性和穩(wěn)定性.

2.2　碳氮比對(duì)反硝化速率的影響

在生物反硝化過(guò)程中，硝態(tài)氮和有機(jī)物被同時(shí)去除，即反硝化要消耗一定量的有機(jī)物.因此，碳氮比對(duì)反硝化過(guò)程很重要.根據(jù)文獻(xiàn)研究報(bào)道，一般污水脫氮的COD/TKN應(yīng)大于6.6才能獲得良好的反硝化效果，生物反硝化效果與進(jìn)水碳氮比比密切相關(guān)[10-11].

圖4中“0”點(diǎn)為I號(hào)反硝化細(xì)菌濃縮液進(jìn)行PVA網(wǎng)格填料包埋前的碳氮比，之后各點(diǎn)為PVA網(wǎng)格填料包埋后一周內(nèi)的碳氮比.圖5中“0”點(diǎn)為II號(hào)反硝化細(xì)菌濃縮液進(jìn)行聚氨酯填料包埋前的碳氮比，之后各點(diǎn)為聚氨酯填料包埋后一周內(nèi)的碳氮比.圖5～6為III號(hào)反硝化細(xì)菌濃縮液8天內(nèi)的碳氮比.由圖4～5反映出，反硝化細(xì)菌在包埋后形成穩(wěn)定的優(yōu)勢(shì)菌群，可有效的抑制雜菌的生長(zhǎng)，消耗碳氮比減小.由圖6反映出活性污泥的碳氮比雖不穩(wěn)定但基本保持在4.0左右.包埋后反硝化細(xì)菌消耗的碳氮比與活性污泥相比較小，更適合于處理低碳氮比廢水.

3結(jié)論

(1) 固定化技術(shù)可以減少微生物的流失、提高酶或微生物的濃度.

(2) 應(yīng)用固定化技術(shù)，反硝化細(xì)菌在PVA網(wǎng)格中形成穩(wěn)定優(yōu)勢(shì)菌群，且碳氮比消耗值最低為2.5，明顯低于活性污泥最低值4，可用于處理低碳氮比的廢水，更具有實(shí)用性.

(3) 本研究中采用包埋方法對(duì)反硝化細(xì)菌的活性影響很小，活性恢復(fù)所需時(shí)間很短，PVA網(wǎng)格生物活性填料的反硝化能力恢復(fù)期為5個(gè)周期，聚氨酯生物活性填料的反硝化能力恢復(fù)期為8個(gè)周期.相比較活性污泥，包埋后的反硝化能力增長(zhǎng)更快，而且更具有高效性和穩(wěn)定性.

(4) PVA網(wǎng)格生物活性填料的反硝化能力恢復(fù)期僅為5個(gè)周期，與聚氨酯的相比較周期更短，且反硝化速率比聚氨酯的速率快22.81 mg/L·h.因此，PVA網(wǎng)格生物活性填料比聚氨酯生物活性填料的反硝化脫氮效果更高效.

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The Preparation Research of Highly Efficient

Denitrifying Biological Active Filler

ZHANG Li-dong

(College of Resource and Environment Engineering，Jilin Institute of Chemical Technology，Jilin City 132022，China)

Abstract:As a novel wastewater treatment technique,highly efficient denitrifying biological active filler has been studied in research field all over the world.We fixed denitrifying bacteria on PVA straight tubular packing filler and polyurethane filler in mainly entrapping method,respectively.Then,compared the denitrification rate of denitrifying bacteria in the different biological active filler and activated sludge,it showed that the denitrification rate of PVA straight tubular packing filler can reach about 110 mg/L·h,and it of polyurethane filler can reach 90 mg/L·h.Comparing two kinds of fillers,PVA straight tubular packing filler is more efficient than polyurethane filler.

Key words:denitrifying biological active filler；mainly entrapping method；PVA straight tubular packing filler；polyurethane filler

文章編號(hào)：1007-2853(2015)11-0077-03

作者簡(jiǎn)介：童姍姍(1986-)，女，河南南陽(yáng)人，南陽(yáng)理工學(xué)院數(shù)理學(xué)院助教，碩士，主要從事應(yīng)用數(shù)學(xué)方面的研究

基金項(xiàng)目：河南省基礎(chǔ)與前沿項(xiàng)目(1423410107)

收稿日期：2015-07-20

中圖分類(lèi)號(hào)：O 35

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.16039/j.cnki.cn22-1249.2015.11.018