固定化氨氮降解菌處理氨氮廢水的試驗研究*

喬麗麗 李 璐,2 賈 琰 尹 莉 劉 峰 王玉慧,2 喬瑞平

(1.博天環(huán)境集團股份有限公司研發(fā)中心，北京 100082；2.博天環(huán)境工程(北京)有限公司，北京 100082； 3.貴州省環(huán)境監(jiān)測中心站，貴州 貴陽 550081)

固定化氨氮降解菌處理氨氮廢水的試驗研究*

喬麗麗1李 璐1,2賈 琰3尹 莉1劉 峰1王玉慧1,2喬瑞平1

(1.博天環(huán)境集團股份有限公司研發(fā)中心，北京 100082；2.博天環(huán)境工程(北京)有限公司，北京 100082； 3.貴州省環(huán)境監(jiān)測中心站，貴州 貴陽 550081)

考察了海藻酸鈉(SA)和聚乙烯醇(PVA)含量對固定化載體性能的影響，并篩選了最優(yōu)條件制備固定化氨氮降解菌，研究其對氨氮廢水的處理效果。當(dāng)PVA和SA質(zhì)量分數(shù)分別為8.00%、1.00%時，制成的固定化載體抗壓性能最好，能夠形成豐富的多孔結(jié)構(gòu)。固定化氨氮降解菌在處理氨氮廢水前馴化168h，可以恢復(fù)較高活性。在固定化氨氮降解菌投加量2%(質(zhì)量分數(shù))、反應(yīng)溫度30 ℃、pH8.01、溶解氧3.0mg/L的條件下反應(yīng)60h，氨氮廢水中的氨氮質(zhì)量濃度從最初的3 835.29mg/L降為82.35mg/L，去除率為97.85%。固定化氨氮降解菌在投加量低于氨氮降解菌的情況下，仍然能實現(xiàn)與之相近的氨氮廢水處理效果，證明固定化氨氮降解菌能高效處理高濃度氨氮廢水。

固定化 包埋 氨氮廢水 微觀結(jié)構(gòu) 氨氮降解菌

Abstract: The effects of polyvinyl alcohol (PVA) and sodium alginate (SA) content on immobilization carrier were studied,and the treatment efficiency of ammonia nitrogen wastewater by immobilized ammonia nitrogen degradation bacteria prepared under the optimal condition were researched. The compressive performance of immobilized carrier was the best with rich vesicular structure,which were made under the condition that mass fractions of PVA and SA were 8.00% and 1.00%,respectively. After 168 h of domestication process,the activity of immobilized ammonia nitrogen degradation bacteria could recover itself. When immobilized ammonia nitrogen degradation bacteria dose was 2% (mass ratio),temperature was 30 ℃,pH was 8.01 and dissolved oxygen was 3.0 mg/L,the ammonia nitrogen concentration dropped to 82.35 mg/L from 3 835.29 mg/L after 60 h reaction by immobilized ammonia nitrogen degradation bacteria,and 97.85% of ammonia nitrogen were removed. Compared with ammonia nitrogen degradation bacteria,when their treatment efficiency were nearly equal,the dosage of immobilized ammonia nitrogen degradation bacteria would be less. It showed that immobilized ammonia nitrogen degradation bacteria was effecient for the treatment of high concentration ammonia nitrogen wastewater.

Keywords: immobilization; embedding; ammonia nitrogen wastewater; microstructure; ammonia nitrogen degradation bacteria

氨氮廢水(尤其是高濃度氨氮廢水)的治理是環(huán)境科學(xué)與工程領(lǐng)域的研究熱點和難點[1-2]。近年來，隨著工農(nóng)業(yè)、畜牧業(yè)的快速發(fā)展，氨氮廢水排放量不斷增大，已成為重點治理的有害廢水之一[3-5]。

采用固定化微生物技術(shù)處理氨氮廢水不但保留了傳統(tǒng)生物法經(jīng)濟、高效的特點，還具有耐毒害、適用范圍廣等獨特優(yōu)點，且能夠提高系統(tǒng)對高濃度氨氮廢水的緩沖作用[6]。固定化載體性能是決定固定化微生物技術(shù)使用壽命和處理效果的關(guān)鍵因素，而絕大多數(shù)固定化載體的機械穩(wěn)定性、力學(xué)參數(shù)和使用周期未達到工業(yè)化要求，限制了固定化微生物技術(shù)在廢水處理工藝中的廣泛應(yīng)用[7]45。同時，固定化載體的結(jié)構(gòu)會影響包埋微生物濃度、傳質(zhì)擴散能力和溶解氧傳遞效率。近年來，固定化微生物技術(shù)發(fā)展迅速[8-10]，但多數(shù)技術(shù)工業(yè)實踐還不成熟，因此制備高效的固定化微生物，并將其運用于處理高濃度氨氮廢水，具有廣闊的發(fā)展前景和應(yīng)用價值。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

氨氮降解菌是有硝化菌、反硝化菌、枯草芽孢桿菌等組成的復(fù)合菌，由博天環(huán)境集團股份有限公司研發(fā)中心經(jīng)過特定工藝篩選、馴化獲得。

高濃度氨氮廢水取自博天環(huán)境集團某工程項目，pH為6.8，氨氮質(zhì)量濃度為3 835.29 mg/L。

主要儀器包括S-4800場發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM)、PHS-3C酸度計、AL204-IC電子分析天平、GWA-UN4-F30超純水機、759S紫外—可見分光光度計、SHZ-82A數(shù)顯水浴恒溫振蕩器、YHKC-2A顆粒強度測定儀、YSI 550A便攜式溶解氧測定儀。

1.2 分析方法

pH依照《水質(zhì) pH值的測定 玻璃電極法》(GB 6920—86)測定；氨氮濃度依照《水質(zhì) 氨氮的測定 納氏試劑分光光度法》(HJ 535—2009)測定；壓縮比依照《硬質(zhì)泡沫塑料 壓縮性能的測定》(GB/T 8813—2008)測定；溶解氧濃度采用便攜式溶解氧測定儀測定；耗氧速率依照文獻[11]、[12]計算。

1.3 固定化氨氮降解菌的制備

在200 mL純水中按照一定比例添加海藻酸鈉(SA)和聚乙烯醇(PVA)，再加入5%(質(zhì)量分數(shù))過200目篩后的沸石粉，在80 ℃水浴中以70～100 r/min的轉(zhuǎn)速連續(xù)攪拌1 h，待溶液混合均勻后冷卻至35 ℃制得固定化載體，再加入一定量氨氮降解菌，混合均勻后用帶針頭的注射器取菌液滴入含5%(質(zhì)量分數(shù))CaCl2的硼酸飽和溶液中，得到小球狀的固定化氨氮降解菌。將固定化氨氮降解菌于4 ℃條件下靜止固化24 h，再取出保存于生理鹽水中。

2 結(jié)果與討論

2.1 固定化載體抗壓性能的影響因素

2.1.1 PVA質(zhì)量分數(shù)的影響

保持SA質(zhì)量分數(shù)為1.50%，選擇PVA質(zhì)量分數(shù)分別為4.00%、5.00%、6.00%、7.00%、8.00%、9.00%、10.00%、11.00%、12.00%進行試驗，研究PVA質(zhì)量分數(shù)對固定化載體壓縮比的影響，結(jié)果如圖1所示。由圖1可以看出，PVA質(zhì)量分數(shù)為8.00%～11.00%比較合適。當(dāng)PVA質(zhì)量分數(shù)低于8.00%時，固定化載體成形時間較長，且成形后硬度、抗壓性能和彈性都較弱，極易破碎，無法在曝氣狀態(tài)下長期運行。當(dāng)PVA質(zhì)量分數(shù)高于10.00%時，固定化載體成形過程中黏度較大，硬化過程中不易成形；同時，PVA質(zhì)量分數(shù)過高會加大固定化載體和廢水中的有機物質(zhì)的傳質(zhì)阻力，影響處理效果。此外，還考慮到PVA含量升高會增大固定化載體密度，加大動力損耗[13]。因此，兼顧傳質(zhì)阻力、抗壓性能和經(jīng)濟性能等綜合因素，PVA最佳質(zhì)量分數(shù)選擇8.00%。

圖1 PVA質(zhì)量分數(shù)對固定化載體壓縮比的影響Fig.1 Effect of PVA mass fraction on immobilized carrier performance

2.1.2 SA質(zhì)量分數(shù)的影響

加入少量SA有助于改善固定化載體的成形性能。保持PVA質(zhì)量分數(shù)為8.00%，選擇SA質(zhì)量分數(shù)分別為0.25%、0.50%、0.75%、1.00%、1.25%、1.50%、1.75%、2.00%，研究SA質(zhì)量分數(shù)對固定化載體壓縮比的影響。由圖2可以看出，SA質(zhì)量分數(shù)選擇1.00%即可使固定化載體壓縮比達到76%。在此條件下，固定化載體不僅成形容易，而且還較少粘連，富有彈性，內(nèi)部形成了更豐富的多孔結(jié)構(gòu)，能提高包埋菌濃度；同時，適量SA可以降低固定化載體密度，有利于包埋菌與廢水充分接觸，提高廢水處理效率。因此，SA最佳質(zhì)量分數(shù)選擇1.00%。

圖2 SA質(zhì)量分數(shù)對固定化載體壓縮比的影響Fig.2 Effect of SA mass fraction on immobilized carrier performance

2.2 固定化氨氮降解菌的生物性能

2.2.1 耗氧速率

選擇PVA、SA質(zhì)量分數(shù)分別為8.00%、1.00%，制備固定化氨氮降解菌。采用間歇試驗，通過測定溶液中的溶解氧濃度計算耗氧速率。從圖3中可以看出，Ⅰ階段趨勢線斜率小于Ⅱ階段趨勢線。Ⅰ階段為馴化適應(yīng)期，耗氧速率由70 mg/(kg·h)升高至170 mg/(kg·h)，增長緩慢；在Ⅱ階段，隨著固定化氨氮降解菌活性增加，進入馴化生長期，耗氧速率增長迅速，在馴化168 h時達到468 mg/(kg·h)。固定化氨氮降解菌制備過程中，其活性可能會在一定程度上受到抑制[14]。因此，為保證固定化氨氮降解菌的良好活性，馴化期不應(yīng)低于168 h。

圖3 馴化時間對耗氧速率的影響Fig.3 Effect of domestication time on oxygen consumption efficiency

2.2.2 微觀結(jié)構(gòu)

固定化載體為多孔凝膠結(jié)構(gòu)，將SEM掃描條件設(shè)定為2 ℃、500 Pa、加速電壓30 kV，此條件接近水凝膠自然狀態(tài)[7]46-47。由圖4可以看出：未包埋氨氮降解菌的固定化載體內(nèi)部凹凸不平，富含細小的多孔結(jié)構(gòu)；包埋氨氮降解菌后，氨氮降解菌大量裝填在固定化載體內(nèi)部多孔結(jié)構(gòu)中，或附著在固定化載體表面，且氨氮降解菌以單菌和小菌團為主。此外，在固定化載體內(nèi)部氨氮降解菌可以大量增殖，說明該載體為較理想的固定化載體。

2.3 固定化氨氮降解菌對氨氮廢水的處理效果

2.3.1 對不同氨氮初始濃度的處理效果

控制反應(yīng)溫度25 ℃、pH 6.80、溶解氧3.0 mg/L、固定化氨氮降解菌投加量2.00%(質(zhì)量分數(shù)，下同)，考察不同反應(yīng)時間下高濃度氨氮廢水和低濃度氨氮廢水中氨氮去除率的變化。試驗結(jié)果如圖5所示。

固定化氨氮降解菌加入到高濃度氨氮廢水中，在營養(yǎng)物質(zhì)充足的條件下，能快速適應(yīng)高濃度氨氮環(huán)境。從圖5(a)平行試驗2來看，反應(yīng)12 h后，氨氮可由3 835.29 mg/L快速降至1 952.90 mg/L，去除率為49.08%；反應(yīng)60 h后，氨氮可降為141.18 mg/L，去除率為96.32%，基本已趨于平衡。由圖5(b)可見，固定化氨氮降解菌對于低濃度氨氮廢水同樣具有高效的處理效果。對于約10 mg/L的低濃度氨氮廢水，在反應(yīng)20 h后，氨氮降低至1 mg/L左右。

圖4 固定化載體微觀結(jié)構(gòu)Fig.4 The microstructure of the immobilization carriers

圖5 不同氨氮初始質(zhì)量濃度的氨氮去除率Fig.5 Ammonia nitrogen removal efficiency of different initial ammonia nitrogen concentration

2.3.2 pH的影響

控制反應(yīng)溫度25 ℃、溶解氧3.0 mg/L、固定化氨氮降解菌投加量2.00%、氨氮初始質(zhì)量濃度3 835.29 mg/L，用硫酸和氫氧化鈉調(diào)節(jié)pH分別為3.96、5.07、6.08、7.05、8.01、8.97、9.97，考察pH對氨氮去除率的影響，試驗結(jié)果見圖6。從圖6可以看出，pH對氨氮去除率有一定影響。60 h氨氮去除率存在兩個峰值，分別出現(xiàn)在pH為5.07、8.01。在pH為5.07時，反應(yīng)60 h后的氨氮質(zhì)量濃度為188.24 mg/L，去除率為95.09%；在pH為8.01時，反應(yīng)60 h后的氨氮質(zhì)量濃度為176.47 mg/L，去除率為95.40%。酸性峰值(出現(xiàn)于pH=5.07)可能是由硝化菌造成。硝化菌的生長適宜pH為5.8～7.5，在此pH條件下硝化菌快速生長，將氨氮轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮。堿性峰值(出現(xiàn)于pH=8.01)可能是由反硝化菌造成[15-16]。反硝化菌的生長適宜pH為6.5～8.0，在弱堿性條件下反硝化菌將硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化為氮氣排出。此外，在堿性曝氣條件下，游離氨氮可轉(zhuǎn)為氨氣排出[17-18]，從而提高氨氮去除率。pH為8.97、9.97時，反應(yīng)48、60 h后的氨氮濃度幾乎相等，說明高pH能提高固定化氨氮降解菌的反應(yīng)速率。但pH不宜過高，當(dāng)pH≥10時，可能會嚴重抑制固定化氨氮降解菌活性。因此，綜合反應(yīng)速率和氨氮去除率，最佳pH選擇8.01。

圖6 pH對氨氮去除率的影響Fig.6 Effect of pH on ammonia nitrogen removal efficiency

2.3.3 反應(yīng)溫度的影響

控制溶解氧3.0 mg/L、固定化氨氮降解菌投加量2.00%、pH 8.01、氨氮初始質(zhì)量濃度3 835.29 mg/L，考察不同反應(yīng)溫度條件下的氨氮去除率變化，結(jié)果如圖7所示。從圖7可以看出，當(dāng)反應(yīng)溫度為10 ℃時，氨氮去除率較低，說明固定化氨氮降解菌活性較低。有研究表明，氨氮降解菌在反應(yīng)溫度低于15 ℃時，活性大幅度降低；在反應(yīng)溫度低于5 ℃時，生命活動幾乎停止，處于休眠狀態(tài)[19-21]。隨著反應(yīng)溫度的升高，固定化氨氮降解菌活性變強，生長代謝速率加快[22]。在反應(yīng)溫度為30～35 ℃時，固定化氨氮降解菌活性最高，氨氮降解速度較快。在反應(yīng)溫度為30 ℃時，反應(yīng)48 h后的氨氮為141.18 mg/L，去除率為96.32%；反應(yīng)60 h后的氨氮降為82.35 mg/L，去除率為97.85%。當(dāng)反應(yīng)溫度為35 ℃時，反應(yīng)48 h后的氨氮為282.35 mg/L，去除率為92.64%；反應(yīng)60 h后的氨氮低于檢測限，去除率為100.00%。但反應(yīng)溫度繼續(xù)升高，氨氮去除率下降。在反應(yīng)溫度為40 ℃時，反應(yīng)48 h后，氨氮為317.65 mg/L，去除率為91.72%。這一方面是由于固定化氨氮降解菌活性降低，另一方面是由于溫度過高造成溶解氧濃度下降，限制了固定化氨氮降解菌的新陳代謝[23]。因此，綜合經(jīng)濟成本和處理效果等多種因素，最佳反應(yīng)溫度選擇30 ℃。

圖7 反應(yīng)溫度對氨氮去除率的影響Fig.7 Effect of reaction temperature on ammonia removal efficiency

2.3.4 與氨氮降解菌對比

控制pH 8.01、反應(yīng)溫度30 ℃、溶解氧3.0 mg/L、氨氮初始質(zhì)量濃度3 835.29 mg/L，固定化氨氮降解菌和氨氮降解菌投加量分別設(shè)定為2.00%、5.00%，對比兩者的氨氮去除能力。由圖8可以看出，固定化氨氮降解菌與氨氮降解菌的處理效果接近。反應(yīng)32 h后，固定化氨氮降解菌將氨氮降為437.40 mg/L，去除率達到88.60%；氨氮降解菌將氨氮降為415.80 mg/L，去除率達到89.16%?？梢?，固定化氨氮降解菌在投加量低于氨氮降解菌的情況下，其氨氮去除效果與氨氮降解菌接近，說明固定化氨氮降解菌擁有更高活性。

注：氨氮(固定化氨氮降解菌)和氨氮(氨氮降解菌)分別代表投加固定化氨氮降解菌和氨氮降解菌后的氨氮質(zhì)量濃度；去除率(固定化氨氮降解菌)和去除率(氨氮降解菌)分別代表投加固定化氨氮降解菌和氨氮降解菌后的氨氮去除率。

圖8固定化氨氮降解菌和氨氮降解菌的氨氮去除率對比
Fig.8 Comparison of ammonia nitrogen removal efficiency of immobilized ammonia nitrogen degradation bacteria and ammonia nitrogen degradation bacteria

3 結(jié) 論

(1) 固定化氨氮降解菌能高效處理氨氮廢水。在反應(yīng)溫度30 ℃、氨氮初始質(zhì)量濃度3 835.29 mg/L、溶解氧3.0 mg/L、pH 8.01、固定化氨氮降解菌投加量2.00%的條件下，反應(yīng)48 h后，氨氮降為141.18 mg/L，去除率為96.32%；反應(yīng)60 h后，氨氮降為82.35 mg/L，去除率為97.85%。

(2) 在PVA和SA質(zhì)量分數(shù)分別為8.00%、1.00%的條件下，制備的固定化載體抗壓性能較好。

(3) 固定化氨氮降解菌馴化168 h，可以恢復(fù)較高活性。

(4) 固定化氨氮降解菌在投加量低于氨氮降解菌的情況下，可以實現(xiàn)與氨氮降解菌相近的氨氮廢水處理效果。

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Researchontreatmentofammonianitrogenwastewaterbyimmobilizedammonianitrogendegradationbacteria

QIAOLili1,LILu1,2,JIAYan3,YINLi1,LIUFeng1,WANGYuhui1,2,QIAORuiping1.

(1.Research&DevelopmentCenter,PotenEnvironmentGroupCo.,Ltd.,Beijing100082;2.PotenEnvironmentEngineering(Beijing)Co.,Ltd.,Beijing100082;3.GuizhouProvinceEnvironmentalMonitoringCenter,GuiyangGuizhou550081)

10.15985/j.cnki.1001-3865.2017.07.018

2016-04-06)

喬麗麗，女，1987年生，碩士，工程師，研究方向為水污染控制技術(shù)。

*博天環(huán)境集團股份有限公司創(chuàng)新領(lǐng)域前沿項目(No.YA-2016-001)。