3種包埋劑固定化硝化細菌的制備與性能*

苗娟 魏學鋒 賈曉平 李岳霖 周鳴 盧偉偉

(1.河南科技大學化工與制藥學院 河南洛陽 471023; 2.廣東省漁業(yè)生態(tài)環(huán)境重點實驗室 廣州 510300)

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3種包埋劑固定化硝化細菌的制備與性能*

苗娟1魏學鋒1賈曉平2李岳霖1周鳴1盧偉偉1

(1.河南科技大學化工與制藥學院 河南洛陽 471023; 2.廣東省漁業(yè)生態(tài)環(huán)境重點實驗室 廣州 510300)

采用瓊脂、海藻酸鈉、聚丙烯酰胺3種包埋方法制備出硝化細菌污泥固定小球，考察了成球的難易及其物理機械性能，并采用制備小球進行氨氮的降解實驗。結(jié)果表明，3種固定化小球?qū)Π钡霓D(zhuǎn)化均有明顯活性，瓊脂固定化小球的活性最好，保存時間長，但成球較困難，聚丙烯酰胺成球容易而活性相對偏低，相比之下，海藻酸鈉固定化小球的活性較高且易成球，具有較好的應用前景。

硝化細菌 包埋劑 固定化 氨氮

0 引言

人為創(chuàng)造低溫、干燥或缺氧條件，抑制微生物的代謝作用，可使其生命活動降至最低程度或處于休眠狀態(tài)[5]，根據(jù)這個特點，考慮將硝化細菌進行一定時間的儲存和固定。將固定化硝化細菌用于去除水體中氨氮具有較高的研究意義，可以有選擇地在夏季對硝化細菌需求較大時投加，對于養(yǎng)殖業(yè)具有重要的實用價值。

固定化硝化菌載體的篩選主要考慮固定細胞凝膠顆粒的機械強度、縮水性能、化學穩(wěn)定性和微生物活性等因素[6]，其中，載體本身的性質(zhì)及細胞包埋量尤為重要[7]。在低溫和低pH值的條件下，與未包埋的細胞相比，固定化細胞能夠保留更高的脫氨活性，減輕溶解氧對脫氮的抑制作用，而且脫氮微生物可以在固定化載體增殖[8]。趙興利等[9]采用PVA-H3BO3包埋粉末活性炭和馴化硝化菌，在流化床生物反應器中，以SBR方式運行，發(fā)現(xiàn)固定化硝化菌壽命長達7個月以上。周珊等[10]將含有硝化菌和反硝化菌等菌種的微生物菌劑經(jīng)馴化后固定在竹炭上，并處理模擬氨氮水樣，隨固定化微生物投加量的增加，氨氮去除率趨于增大。黃正等[11]選用聚乙烯醇作為包埋載體，添加適量粉末活性炭包埋固定化硝化污泥，用于處理養(yǎng)殖廢水。此外，微生物固定化技術(shù)還應用于酚類[12]和染料[13]廢水的處理。

本研究選取瓊脂、海藻酸鈉和聚丙烯酰胺3種包埋材料，對富集培養(yǎng)后的硝化細菌進行固定化，比較它們的特性和處理氨氮廢水的效果。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

化學試劑：瓊脂(上海藍秀科技發(fā)展有限公司)，分析純；液體石蠟(天津市德恩化學試劑有限公司)，分析純；海藻酸鈉(天津市風船化學試劑科技有限公司)，分析純；聚乙烯醇(天津市科密歐化學試劑開發(fā)中心)，分析純。

硝化細菌：對洛陽市澗西污水處理廠二沉池的回流污泥進行培養(yǎng)，使其中異養(yǎng)細菌減少，硝化細菌數(shù)量增加，成為優(yōu)勢菌。將富集培養(yǎng)的硝化細菌以1 000 r/min的速度離心3 min，棄去上清液，用生理鹽水重復洗滌2～3次，稀釋4倍，制成菌懸液備用。

實驗儀器：721型分光光度計(上海精密科學儀器有限公司)；HH電子恒溫不銹鋼水浴鍋(鞏義市英峪予華儀器廠)；DT200A電子天平(常熟市佳衡天平儀器有限公司)；TDL-50B臺式離心機(上海安亭科學儀器廠)；ACO系列電磁式空氣泵(森森集團股份有限公司)；磁力攪拌器(上海司樂儀器有限公司)。

1.2 固定化硝化細菌制備方法

1.2.1 瓊脂固定化硝化細菌的制備

稱量0.9 g瓊脂粉，熬成瓊脂糊狀液，取5 mL菌懸液稀釋2倍，在45 ℃下將二者混勻，采用滴加裝置將膠體狀液體滴加到上層為石蠟下層為水的燒杯中。待固化成小球后濾出，用生理鹽水洗滌2～3次。裝入密封袋，放入冰箱保存。

1.2.2 海藻酸鈉固定化硝化細菌的制備

將浸泡24 h的海藻酸鈉(SA)加熱溶解，然后冷卻至室溫，取5 mL菌懸液稀釋4倍，將兩者混勻，海藻酸鈉濃度為2%，用滴加裝置將其慢慢滴入5% CaCl2溶液(凝膠化劑)，不斷攪拌，冰浴條件下交聯(lián)4 h，濾出小球顆粒，洗滌2～3次。密封，放入冰箱保存。

1.2.3 聚丙烯酰胺固定化硝化細菌的制備

稱取0.3 g海藻酸鈉、3 g丙烯酰胺單體、0.225 g N,N-亞甲基雙丙烯酰胺，加水溶解。加入0.07 mL四甲基乙二胺(TEMED)，冷卻后加菌懸液，稀釋至30 mL，最終濃度為海藻酸鈉1%、丙烯酰胺單體10%、N,N-亞甲基雙丙烯酰胺0.75%、TEMED 0.25%。滴入含0.5% TEMED、5% CaCl2、1% K2S2O3的混合溶液中，成球。

1.3 固定化硝化細菌活性的恢復

在500 mL燒杯中加入質(zhì)量濃度為100 mg/L的氨氮溶液100 mL，加入200 mL硝化細菌培養(yǎng)液，將pH值調(diào)至8.0～8.5間，加入5 g自制固定化硝化細菌，用蒸餾水加至450 mL，室溫條件下，不連續(xù)曝氣處理，每24 h測氨氮質(zhì)量濃度，調(diào)整pH值，活性恢復后的小球固定化硝化細菌用于氨氮的降解。

1.4 水樣中氨氮的測定

固定化硝化細菌經(jīng)過3 d活性恢復后，每天測定水體中氨氮質(zhì)量濃度，分析氨氮去除率，氨氮的測定采用納氏試劑分光光度法[14]。

2 結(jié)果與討論

2.1 瓊脂固定硝化細菌小球形貌與性能

2.1.1 瓊脂固定硝化細菌小球形貌

以天然高分子多糖的瓊脂為載體包埋硝化細菌制備的小球如圖1所示。

圖1 瓊脂固定化硝化細菌小球(電子顯微鏡)

瓊脂固定化小球的制備相對來說比較容易，成球比較規(guī)則，但是小球表面粗糙，彈性和機械強度不夠，氧和底物及產(chǎn)物的擴散受到限制。

2.1.2 瓊脂固定硝化細菌小球去除氨氮效能

取100 mL氨氮質(zhì)量濃度分別為100，50和20 mg/L的模擬氨氮廢水為降解對象，加入2 g制備出的瓊脂-石蠟固定化小球，25 ℃，140 r/min條件下振蕩處理，每24 h測氨氮質(zhì)量濃度，將pH值調(diào)至8.0～8.5之間。氨氮的去除效果如圖2所示。

圖2 瓊脂固定化小球氨氮去除效果

由圖2可見，初始質(zhì)量濃度為20 mg/L的氨氮廢水，降解96 h，氨氮去除率達到100%；氨氮初始質(zhì)量濃度為100 mg/L時，反應120 h，氨氮的去除率接近80%。

2.2 海藻酸鈉固定硝化細菌小球形貌與性能

2.2.1 海藻酸鈉固定硝化細菌小球形貌

海藻酸鈉是一類天然高分子多糖類，對微生物沒有毒害作用，但其濃度會影響固定化細胞的機械強度、質(zhì)量傳遞等，進而影響到微生物的活性。海藻酸鈉濃度越低越易成球，但機械強度也隨之降低，在實驗過程中選擇海藻酸鈉的濃度為3%。以海藻酸鈉為載體包埋硝化細菌制備的小球，如圖3所示。

圖3 海藻酸鈉固定化硝化細菌小球(電子顯微鏡)

海藻酸鈉固定化小球在制備過程中比較容易，機械強度與彈性好，但是其成球性差，而且受海藻酸鈉濃度和CaCl2濃度的限制。

2.2.2 海藻酸鈉固定硝化細菌小球去除氨氮效能

取100 mL氨氮質(zhì)量濃度分別為100，50和20 mg/L的模擬氨氮廢水為降解對象，加入2 g制備出的海藻酸鈉固定化小球，25 ℃，140 r/min條件下振蕩處理，每24 h測氨氮質(zhì)量濃度，將pH值調(diào)至8.0～8.5之間，氨氮的去除效果如圖4所示。

由圖4可見，海藻酸鈉包埋硝化細菌對氨氮具有較好的去除效果，初始氨氮質(zhì)量濃度為20 mg/L的水樣，降解120 h，氨氮去除率達100%；初始質(zhì)量濃度為100 mg/L和50 mg/L的水樣，降解120 h后，氨氮去除率分別為43.5%和70.8%。

圖4 海藻酸鈉固定化小球氨氮去除效果

2.3 聚丙烯酰胺固定硝化細菌小球形貌與性能

2.3.1 聚丙烯酰胺固定硝化細菌小球形貌

聚丙烯酰胺(PAM)為水溶性高分子聚合物，不溶于大多數(shù)有機溶劑，具有良好的絮凝性，以聚丙烯酰胺為載體包埋硝化細菌制備的小球，如圖5所示。

聚丙烯酰胺固定化顆粒制備相對容易，所制備的固定化顆粒成球性好，機械強度高，彈性好，菌體不會泄露，不易破碎。

圖5 聚丙烯酰胺固定化硝化細菌小球(電子顯微鏡)

2.3.2 聚丙烯酰胺固定硝化細菌小球去除氨氮效能

固定反應條件25 ℃，140 r/min條件下振蕩處理，將pH值調(diào)至8.0～8.5之間，2 g的聚丙烯酰胺固定化小球?qū)?00 mL氨氮質(zhì)量濃度分別為100，50和20 mg/L的模擬氨氮廢水降解效果如圖6所示。

圖6 聚丙烯酰胺固定化小球氨氮去除效果

由圖6可見，聚丙烯酰胺固定化小球?qū)Π钡コЧ蝗绾Ｔ逅徕c和瓊脂固定小球?？赡苁且驗榫郾０窞榘癫牧蠒r所需的一些試劑如TEMED，K2S2O3對細菌細胞有毒性，致使其活性降低。此外，聚合時間和反應溫度也可能影響固定化細菌的數(shù)量和活性。

將3種固定化小球分別裝入密封袋中置于冰箱冷藏保存，一個月后取出觀察，發(fā)現(xiàn)瓊脂固定化的硝化細菌完好，其他兩種密封袋中均有液體析出，且小球明顯變小，即瓊脂固定的硝化細菌小球容易保存。

3 結(jié)論

(1)瓊脂固定化法固定硝化細菌，操作時溫度不易控制，不易成型，機械強度高，氨氮去除效果較好。

(2)海藻酸鈉法固定硝化細菌，易成型，但機械強度不高，彈性好通透性不錯，氨氮去除效果較好。

(3)聚乙烯醇作為固定化材料，有很高的機械強度，不易生物降解，但聚乙烯醇對硝化細菌有破壞的作用，故其固定的硝化細菌小球?qū)Π钡奶幚硇Ч拳傊ê秃Ｔ逅徕c法要差一些。

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Preparation and Performance of Immobilized Nitrobacteria by Three Embedding Materials

MIAO Juan1WEI Xuefeng1JIA Xiaoping2LI Yuelin1ZHOU Ming1LU Weiwei1

(1.CollegeofChemicalEngineering&Pharmaceutics,HenanUniversityofScienceandTechnologyLuoyang,Henan471023)

In this work, the nitrobacteria immobilized cells are prepared using three embedding materials, such as agar, sodium alginate and polyacrylamide. The balling complexities and physical and mechanical properties are investigated. The prepared immobilized nitrobacteria cells are also employed to degrade the ammonia wastewater. Experimental results show that the three cells have activity to ammonia nitrogen conversion. Agar immobilized nitrobacteria cells have higher activity and longer store life, but poor balling property. Polyacrylamide immobilized nitrobacteria cells have good balling property, but lower activity. In comparison, sodium alginate immobilized nitrobacteria cells have both good balling property and better degradation activity, which is prospective.

nitrobacteria embedding material immobilization ammonia nitrogen

河南科技大學大學生研究訓練計劃(SRTP)(2014091)，廣東省漁業(yè)生態(tài)環(huán)境重點實驗室開放基金資助(LFE-2014-6 )。

苗娟，女，1979年生，講師，研究方向為污水處理及其資源化。

2015-10-19)