異養(yǎng)硝化-好氧反硝化菌的脫氮特性及其對(duì)豬場(chǎng)廢水處理的研究*

陳均利 彭英湘 羅 沛 張樹(shù)楠 肖潤(rùn)林 何鐵光 吳金水 劉 鋒

(1.中國(guó)科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)過(guò)程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙農(nóng)業(yè)環(huán)境觀測(cè)研究站，湖南 長(zhǎng)沙 410125；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3.湖南省環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，湖南 長(zhǎng)沙 410014；4.廣西壯族自治區(qū)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所，廣西 南寧 530007)

畜禽養(yǎng)殖廢水通常含有高濃度的氮、磷和有機(jī)物，是農(nóng)業(yè)污染防控的重中之重[1]。傳統(tǒng)生物脫氮技術(shù)是目前處理養(yǎng)殖廢水的主要方法[2]。但由于好氧硝化菌和厭氧反硝化菌對(duì)氧氣和碳源需求的差異，造成好氧和厭氧反應(yīng)器需單獨(dú)設(shè)立和運(yùn)行，導(dǎo)致工藝復(fù)雜、成本提高。而異養(yǎng)硝化(HN)-好氧反硝化(AD)菌集傳統(tǒng)硝化菌和反硝化菌的優(yōu)勢(shì)，能進(jìn)行同步硝化反硝化，引起了人們廣泛的關(guān)注[3]。

許多研究表明，HN-AD菌易受pH、DO、溫度等環(huán)境因子的影響，不同環(huán)境條件下脫氮效果差異顯著[4]。因此，研究環(huán)境條件對(duì)其脫氮能力影響的特征是非常必要的。另外，固定化是其工程化應(yīng)用的重要途徑。聚乙烯醇(PVA)因無(wú)毒無(wú)害，成本低而被認(rèn)為是一種理想固定化材料，但卻存在機(jī)械強(qiáng)度低，易聚集成團(tuán)的缺陷。在PVA中添加適量的海藻酸鈉(SA)、活性炭(AC)或CaCl2能顯著改善這個(gè)問(wèn)題[5]。

本研究以糞產(chǎn)堿桿菌(Alcaligenesfaecalis)WT14(以下簡(jiǎn)寫為WT14)為研究對(duì)象，重點(diǎn)分析WT14在不同環(huán)境條件下的氨氮去除能力，并用PVA加入SA、CaCl2和CA制備的凝膠小球?qū)T14進(jìn)行固定化，再填充至固定床反應(yīng)器中進(jìn)行30 d的豬場(chǎng)廢水處理試驗(yàn)，驗(yàn)證其實(shí)際應(yīng)用的可行性，相關(guān)研究為HN-AD菌在養(yǎng)殖廢水處理方面應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 微生物菌株和培養(yǎng)基

WT14(GenBank號(hào)：MN578054)由亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)過(guò)程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室從濕地底泥基質(zhì)中分離并保存。

HN培養(yǎng)基：(NH4)2SO4、檸檬酸鈉、MgSO4·7H2O、K2HPO4、NaCl、MnSO4·4H2O、FeSO4分別為0.38、4.08、0.05、0.2、0.12、0.01、0.01 g/L，去離子水1 L，pH=7。

1.2 菌株的HN-AD性能

HN培養(yǎng)基中分別加入約100 mg/L的氨氮、硝態(tài)氮、亞硝態(tài)氮和羥胺作為唯一氮源，同時(shí)接種5 mL菌懸液，于30 ℃、120 r/min下培養(yǎng)24 h。培養(yǎng)結(jié)束檢測(cè)氨氮、硝態(tài)氮、亞硝態(tài)氮和羥胺濃度變化，并計(jì)算去除率。

1.3 環(huán)境因素影響

將100 mL HN培養(yǎng)基置于250 mL錐形瓶中，氨氮調(diào)整為200 mg/L左右，碳氮質(zhì)量比(C/N)為9，菌懸液接種量為5 mL，30 ℃、pH=7、120 r/min培養(yǎng)48 h。改變單因素時(shí)其他條件不變，單因素試驗(yàn)設(shè)置如下：溫度(10、20、30、40 ℃)；轉(zhuǎn)速(60、80、100、120 r/min)；C/N(3、6、9、12)；pH(5、7、9、11)。每隔8 h取水樣10 mL測(cè)定氨氮濃度變化，并計(jì)算去除率。

1.4 固定化菌應(yīng)用

采用直徑32.5 cm、高40.0 cm的透明有機(jī)玻璃柱作為固定床反應(yīng)器(見(jiàn)圖1)，內(nèi)部填充固定化菌，有效填充高度為34.7 cm，進(jìn)水取長(zhǎng)沙某豬場(chǎng)廢水，進(jìn)水氨氮、硝態(tài)氮、總氮、COD分別為252.75～296.38、1.11～2.91、261.26～311.98、1 304.17～1 484.98 mg/L。

圖1 固定床反應(yīng)器Fig.1 Schematic diagram of fixed-bed reactor

固定化菌制備方法：將10 g PVA、2 g SA、2 g AC浸泡于100 mL蒸餾水中，高壓蒸汽滅菌(121 ℃，20 min)，冷卻至室溫加入60 mL菌懸液攪拌均勻。用蠕動(dòng)泵將混合液勻速滴入含有2%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))CaCl2的飽和硼酸溶液中，邊滴邊攪拌形成凝膠小球。將成型的小球放入4 ℃的冰箱中交聯(lián)24 h，再用無(wú)菌水洗滌3次，之后得到固定化菌。

固定床反應(yīng)器在30 ℃下運(yùn)行，DO為2.30～2.70 mg/L，水力停留時(shí)間為12 h。固定化菌制備完成后直接填充至反應(yīng)器，參照YANG等[6]1463-1466的研究結(jié)果，固定化反應(yīng)器先進(jìn)行7 d的穩(wěn)定，再進(jìn)行30 d定期采樣監(jiān)測(cè)以了解系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的去除效果。每天采水樣1次，每次50 mL，測(cè)定氨氮、硝態(tài)氮、總氮和COD。

1.5 分析方法和數(shù)據(jù)處理

使用全自動(dòng)流動(dòng)分析系統(tǒng)(AA3，德國(guó))測(cè)定氨氮、硝態(tài)氮和總氮，重鉻酸鉀氧化法測(cè)定COD。HN速率(Qb，mg/(L·h))計(jì)算如下：

(1)

式中：c0、ce分別為培養(yǎng)基中氨氮初始、平衡質(zhì)量濃度，mg/L；te為試驗(yàn)達(dá)到平衡的時(shí)間，h。

2 結(jié)果與討論

2.1 HN-AD性能

由圖2可見(jiàn)，WT14可有效去除氨氮，且去除率最高。以羥胺為唯一氮源時(shí)，羥胺去除率很低，這表明WT14基本不能利用和去除羥胺。一般來(lái)說(shuō)，亞硝態(tài)氮和硝態(tài)氮對(duì)微生物是有毒的，廢水中游離的亞硝酸為0.05 mg/L就對(duì)不動(dòng)桿菌(Acinetobactersp.)的生長(zhǎng)有明顯的抑制作用[7]。此外，糞產(chǎn)堿桿菌NR[8]、WY-01[9]和No.4[10]不能以亞硝態(tài)氮為唯一氮源供應(yīng)自身生長(zhǎng)和去除。WT14不僅能以亞硝態(tài)氮和硝態(tài)氮作為唯一氮源供應(yīng)生長(zhǎng)，而且能有效去除亞硝態(tài)氮和硝態(tài)氮，同時(shí)去除率明顯高于報(bào)道的其他HN-AD菌，這表明WT14可能是一株與已報(bào)道的糞產(chǎn)堿桿菌不同的菌株。

圖2 WT14對(duì)不同形態(tài)氮的去除Fig.2 Removal of different forms of nitrogen by WT14

2.2 環(huán)境因子對(duì)WT14的氨氮去除能力影響

2.2.1 溫 度

由圖3可見(jiàn)，10、20、30、40 ℃時(shí)，48 h的氨氮去除率分別為61.58%、97.42%、89.11%、83.30%。這表明，WT14的最適溫度為20 ℃。10 ℃時(shí)，24 h內(nèi)WT14對(duì)氨氮去除作用不明顯；20 ℃時(shí)，WT14一直保持較穩(wěn)定的氨氮去除速率；30 ℃時(shí)，WT14在24 h就去除了85.11%的氨氮，后期氨氮一直維持在21.40～29.80 mg/L；40 ℃時(shí)，WT14的氨氮去除速率較30 ℃降低。

圖3 溫度對(duì)WT14去除氨氮的影響Fig.3 Effect of temperature on the ammonia nitrogen removal by WT14

由表1可見(jiàn)，10、40 ℃時(shí)，WT14的平均HN速率分別為2.57、3.47 mg/(L·h)。這與一些HN-AD菌在28～30 ℃下的HN速率(1.15～3.10 mg/(L·h)[11])相當(dāng)。大多數(shù)HN-AD菌在10 ℃會(huì)受到嚴(yán)重抑制，20 ℃時(shí)會(huì)有明顯的氨氮去除停滯期，超過(guò)35 ℃時(shí)脫氮能力急劇下降[12-13]。而本研究中，WT14在10 ℃時(shí)有輕微抑制現(xiàn)象，出現(xiàn)了大約24 h的氨氮去除停滯期。隨著溫度升高到20 ℃，停滯期消失，氨氮去除率和HN速率達(dá)到最大。

表1 WT14在不同環(huán)境因子下的HN速率Table 1 HN rate of WT14 under different environmental factors

2.2.2 pH

圖4 pH對(duì)WT14去除氨氮的影響Fig.4 Effect of pH on the ammonia nitrogen removal by WT14

2.2.3 C/N

C/N為3時(shí)，WT14的平均HN速率較低(1.68 mg/(L·h))，48 h的氨氮去除率僅39.33%(見(jiàn)圖5)。C/N為6時(shí)，平均HN速率比C/N為3時(shí)增加了約1倍，40 h就已去除了約80%的氨氮。C/N為9時(shí)，平均HN速率達(dá)到3.78 mg/(L·h)，32 h的氨氮去除率就已達(dá)到88.30%。但C/N為12時(shí)，前32 h的氨氮去除率均低于C/N為9時(shí)，40 h后氨氮去除率才開(kāi)始超過(guò)C/N為9時(shí)，48 h的氨氮去除率為97.07%，平均HN速率為4.03 mg/(L·h)。因此，C/N宜為9～12。

圖5 C/N對(duì)WT14去除氨氮的影響Fig.5 Effect of C/N on the ammonia nitrogen removal by WT14

總體而言，氨氮去除率隨C/N的升高而增高。REN等[16]發(fā)現(xiàn)，瓊氏不動(dòng)桿菌(Acinetobacterjunii)YB在高C/N(15)下能去除所有氨氮，而在低C/N(2和5)僅有25%和50%的氨氮去除率。這與本試驗(yàn)類似，48 h時(shí)，在高C/N(12)時(shí)有97.07%的氨氮去除率，而在低C/N(3)下僅為40.48%。C/N為3時(shí)WT14的HN速率和氨氮去除率與C/N為6時(shí)相比均降低約50%，這表明C/N為3～6是WT14的下限制性范圍。C/N為12時(shí)，WT14雖然最終有著較高的氨氮去除率，但前32 h氨氮去除率明顯低于C/N為9時(shí)，這表明過(guò)高的C/N對(duì)WT14有一定抑制作用，影響氨氮的去除速率。

2.2.4 轉(zhuǎn) 速

當(dāng)轉(zhuǎn)速60 r/min時(shí)，48 h的氨氮去除率和HN速率最大，最佳轉(zhuǎn)速為60 r/min；當(dāng)轉(zhuǎn)速為80 r/min時(shí)，48 h的氨氮去除率最低；各轉(zhuǎn)速均在32 h時(shí)就已去除了80%以上的氨氮。WT14表現(xiàn)出較廣的DO適應(yīng)范圍，轉(zhuǎn)速為60、80、100、120 r/min時(shí)均表現(xiàn)出較好的HN性能，平均HN速率分別為4.00、3.69、3.90、3.81 mg/(L·h)，48 h的氨氮去除率分別為95.88%、88.54%、93.44%、91.36%(見(jiàn)圖6)，HN速率和氨氮去除率相差不大。這表明，WT14有較弱的氧依賴性，不同于蒼白桿菌(Ochrobactrumanthropic)LJ81[17]只有在高DO條件才有較高的氨氮去除率(92%，150 r/min)，而且LJ81最大HN速率為3.85 mg/(L·h)，低于WT14。

圖6 轉(zhuǎn)速對(duì)WT14去除氨氮的影響Fig.6 Effect of shaking speed on the ammonia nitrogen removal by WT14

2.3 固定化菌對(duì)豬場(chǎng)廢水的處理

由圖7可見(jiàn)，1～30 d，出水氨氮為2.57～15.50 mg/L，氨氮去除率為94.71%～98.90%，總氮去除率為77.87%～94.85%；WT14在反應(yīng)器中展現(xiàn)出良好的COD去除能力，平均去除96.30%的COD。1～3 d，出水水質(zhì)不穩(wěn)定，出水平均氨氮、總氮分別為12.66、45.54 mg/L；4～30 d，出水平均氨氮、總氮分別基本維持在6.12、21.53 mg/L。豬場(chǎng)廢水中硝態(tài)氮本身就在較低水平(1.11～2.91 mg/L)，經(jīng)反應(yīng)器處理后平均97.25%的硝態(tài)氮被去除。

圖7 固定床反應(yīng)器對(duì)豬場(chǎng)廢水中總氮、氨氮、COD和硝態(tài)氮的去除Fig.7 Removal of total nitrogen，ammonia nitrogen，COD and nitrate nitrogen from swine wastewater by fixed bed reactor

接種WT14固定化菌的固定床反應(yīng)器對(duì)于實(shí)際豬場(chǎng)廢水有較好的處理效果，實(shí)現(xiàn)了氮和有機(jī)碳的同步去除。1～3 d出水水質(zhì)不穩(wěn)定，這可能是由于7 d的穩(wěn)定適應(yīng)期太短，WT14還未完全適應(yīng)從實(shí)驗(yàn)室環(huán)境到豬場(chǎng)廢水環(huán)境的轉(zhuǎn)變，這與不動(dòng)桿菌TX5類似，在固定床反應(yīng)器中需160～200 h[6]1463-1466的穩(wěn)定期才能穩(wěn)定處理養(yǎng)殖廢水，第4天開(kāi)始出水水質(zhì)基本穩(wěn)定，直到30 d試驗(yàn)結(jié)束氨氮、硝態(tài)氮、總氮、COD平均去除率保持在96.70%、97.25%、91.80%、96.30%。YANG等[6]1463-1466通過(guò)固定化技術(shù)制備不動(dòng)桿菌TX5固定化菌處理實(shí)際養(yǎng)殖廢水，總氮、COD去除率分別為92%、82%。YANG等[18]報(bào)道了在序批式反應(yīng)器系統(tǒng)中接種枯草芽孢桿菌(Bacillussubtilis)A1，能同時(shí)去除81.30%的總氮和96.50%的COD。本研究通過(guò)固定床反應(yīng)器的方式處理實(shí)際豬場(chǎng)廢水的效率與上述研究相當(dāng)或優(yōu)于它們的處理效果。

3 結(jié) 論

(1) WT14能將氨氮、硝態(tài)氮或亞硝態(tài)氮作為唯一氮源進(jìn)行有效去除，異于以前分離的糞產(chǎn)堿桿菌。

(2) WT14有高效的氨氮去除能力，對(duì)200 mg/L左右氨氮的平均HN速率最高可達(dá)到4.06 mg/(L·h)，最佳脫氮條件為20 ℃、C/N 9～12、pH=9、轉(zhuǎn)速60 r/min。

(3) 接種WT14固定化菌的固定床反應(yīng)器處理實(shí)際豬場(chǎng)廢水，試驗(yàn)結(jié)束氨氮、硝態(tài)氮、總氮、COD平均去除率保持在96.70%、97.25%、91.80%、96.30%，證明WT14在豬場(chǎng)廢水處理上具有良好前景。