固定化脫氮菌劑處理垃圾滲濾液尾水研究

武夏溦，湛小靜，余佳芯，陳聰

（成都理工大學 生態(tài)環(huán)境學院，四川成都 610059）

垃圾滲濾液中污染物濃度高且成分復雜[1]，經(jīng)過二級處理，其尾水中依然含有較高濃度的硝態(tài)氮和部分難生物降解的有機氮[2]，硝酸鹽的積累不僅會導致環(huán)境惡化[3]，還會使動植物中毒[4]。常用的處理垃圾滲濾液尾水的方法為吸附法[5]、混凝法[6]、催化氧化法[7]等，但是這些方法主要針對有機物，對硝態(tài)氮幾乎無效，且設備成本高、流程復雜、耗能大。生物反硝化脫氮技術是目前具有發(fā)展前景的脫氮技術，其高效、低耗且環(huán)境友好[8-9]。

固定化復合菌技術是一種新型的廢水處理技術，將固定化技術與復合菌體系相結(jié)合，既具有微生物密度高、反應速度快、耐毒害能力和適應能力強等的優(yōu)點[10]，又可通過不同菌株功能互補建立一個相對穩(wěn)定的微生態(tài)系統(tǒng)，相較于單一菌種處理污水效果更優(yōu)[11]。

本研究對兩種由滲濾液中分離的菌株構(gòu)建的復合菌體系進行固定化，研制出能高效脫氮的固定化復合菌劑，以期為垃圾滲濾液尾水的脫氮處理提供技術選擇，實現(xiàn)垃圾滲濾液尾水的達標排放。

1 材料與方法

1.1 試劑與儀器

葡萄糖、KNO3、NH4Cl、KH2PO4、K2HPO4·3H2O以及MgSO4·7H2O，均為分析純，成都科龍化工試劑廠。

UV-5100型紫外可見分光光度計，上海元析儀器有限公司；BS-2F型數(shù)顯恒溫振蕩培養(yǎng)箱，金壇市梅香儀器有限公司；GE54TW型高壓滅菌鍋，無錫市一加生物科技有限公司；SQP型電子分析天平，賽多利斯科學儀器有限公司；SG2型便攜式pH計，梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司。

1.2 培養(yǎng)基

好氧反硝化培養(yǎng)基/模擬滲濾液尾水（1 L）：葡萄糖 3.9202 g、KH2PO41.000 0 g、K2HPO41.000 0 g、KNO30.720 0 g、MgSO4·7H2O 0.200 0 g、0.1% 微量元素，調(diào)節(jié)pH值至7.0。好氧反硝化培養(yǎng)基/模擬滲濾液尾水經(jīng)115 ℃滅菌20 min。

1.3 菌種的篩選及鑒定

試驗所選菌株是從四川省廣元市蒼溪縣金埡子生活垃圾填埋場的垃圾滲濾液中篩選得到的2株脫硝氮性能較好的菌株，運用16S rDNA序列分析技術鑒定所篩選菌株。

1.4 固定化復合菌的制備及脫氮條件優(yōu)化

1.4.1 固定化小球制備及其結(jié)構(gòu)表征

兩菌株按質(zhì)量比1∶1進行復配，以海藻酸鈉（Sodium Alginate，SA）為包埋材料，CaCl2為交聯(lián)劑，將SA溶液與復合菌劑（OD600約0.6）等體積混合，逐滴滴入已滅菌的CaCl2溶液中，得到成型的固定化小球（濕重約2.299 g）。

1.4.2 固定化小球制備優(yōu)化

通過正交試驗對SA濃度（A）、CaCl2濃度（B）和交聯(lián)時間（C）3個因素進行探究，采用L9（33）正交表和綜合加權(quán)分析法對脫氮效率進行分析。本試驗利用NO3--N的含量、TN的去除率及NO2--N的積累，根據(jù)指標因素對包埋條件影響的貢獻大小的差異給予分配不同的權(quán)重系數(shù)，即NO3--N權(quán)重系數(shù)為0.4，NO2--N及TN權(quán)重系數(shù)都為0.3，進行加權(quán)求和，綜合評分OD的計算公式為：

式（1）中，W1為 NO3--N去除率，%；W2為NO2--N去除率，%；W3為TN去除率，%；Wmax1、Wmax2、Wmax3為其中的最大值。同時結(jié)合固定化小球脫氮性能的測試結(jié)果，確定其最優(yōu)的制備條件。試驗因素水平見表1。

表1 脫氮效果優(yōu)化的正交試驗因素水平表

1.4.3 脫氮條件優(yōu)化分析

試驗采用3因素3水平正交設計，對投加量（A）、溫度（B）、pH（C）3個因素進行探究，將固定化小球按照試驗設置分別投加到100 mL反硝化培養(yǎng)基中，振蕩培養(yǎng)4 d后，測定水體中TN、NO2--N和NO3--N含量并計算其去除率，探究不同環(huán)境條件下固定化微生物小球的脫氮效果。試驗因素水平見表2。

表2 固定化耐受性的正交試驗因素水平表

1.5 試驗方法

本試驗參考垃圾滲濾液尾水的相關水質(zhì)參數(shù)[12]進行模擬試驗（NO3--N為150 mg/L），在模擬尾水中按照1∶1的體積比接入固定化小球和活化好的菌液，每個處理設3個重復，在選定的溫度和pH下120 r/min振蕩培養(yǎng)，每天取上清液檢測其中TN、NO2--N和NO3--N的含量。

1.6 分析方法

1.6.1 水質(zhì)指標測定

試樣中的NO3--N、NO2--N和TN，根據(jù)《水和廢水監(jiān)測分析方法》（第四版增補）[13]所述，分別以紫外分光光度法、N-（1-萘基）-乙二胺分光光度法和堿性過硫酸鉀消解-紫外分光光度法方法測定。

1.6.2 固定化小球性能測試

小球的彈性系數(shù)、傳質(zhì)性能等各種理化性質(zhì)是檢驗固定化小球性能的重要指標，具體檢測方法如下。

（1）彈性系數(shù)。取3顆粒徑相同的小球，呈品字形放置在載玻片上并蓋上蓋玻片，測量此時蓋玻片與載玻片之間的距離，然后往蓋玻片上加砝碼，60 s過后，測量蓋玻片與載玻片之間的距離，彈性系數(shù)d計算公式為[14]：

式（2）中：x為小球質(zhì)量，kg；S1為加砝碼前蓋玻片與載玻片之間的距離，m；S2為加砝碼60 s后蓋玻片與載玻片之間的距離，m；g為重力常數(shù)，取9.8 N/kg。

（2）成球性。形成大小均一小球的難易程度和有無拖尾現(xiàn)象。

（3）粘連性。在交聯(lián)期間，輕微攪動觀察小球之間是否會粘連，粘連度越低越好。

（4）彈性。以擠壓恢復的快慢程度和軟硬程度為測試依據(jù)。

（5）傳質(zhì)性能。將固定化小球投入到紅墨水中浸染，測量紅墨水的浸染深度來計算其滲透率。

2 結(jié)果與分析

2.1 菌株系統(tǒng)發(fā)育分析鑒定

經(jīng)16S rDNA序列鑒定和系統(tǒng)發(fā)育樹鑒定，PM02和PR07分別屬于摩氏假單胞菌（Pseudomonas mosselii）和樹脂假單胞菌（Pseudomonas resinovorans），不屬于同一種菌，如圖1（a）和圖1（b）所示。

圖1 菌株的16S rDNA基因系統(tǒng)發(fā)育分析

2.2 固定化條件優(yōu)化

2.2.1 最佳包埋條件的確定

固定化小球的性能測試結(jié)果如表3所示。7%SA對應的固定化小球（4、5、6號）彈性系數(shù)較大，但有拖尾現(xiàn)象。3%SA小球形狀規(guī)則無拖尾現(xiàn)象，優(yōu)于7%SA小球，主要因為其中的SA濃度過高導致溶液黏稠，影響小球成型。彈性系數(shù)越大，小球越不易變形但容易脆裂，使培養(yǎng)液變渾濁，與徐陽等[15]的實驗結(jié)果一致。SA濃度為5%時，雖有輕微拖尾現(xiàn)象，但1、2、8號小球的其他性能較優(yōu)。但由于傳質(zhì)性能在SA為3%和5%時并沒有太明顯的差異，則需對其脫氮效率進行進一步分析。

表3 固定化小球的性能測試結(jié)果

脫氮效率測試結(jié)果如表4所示。結(jié)合表4看，SA濃度越高其加權(quán)結(jié)果越低，推測可能是由于濃度較大的SA使得網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)更為致密，影響了一定的傳質(zhì)性，因此將優(yōu)先選擇3%SA的固定化小球。其中，9號小球的脫氮效率最優(yōu)，最終加權(quán)結(jié)果也最高。因此，選擇9號小球進行下一步試驗。

表4 脫氮效率測試結(jié)果

2.2.2 固定化小球的脫氮條件優(yōu)化

固定化小球的最優(yōu)脫氮條件從NO3--N去除率和TN去除率兩個方面進行分析，正交試驗結(jié)果及極差分析見表5、表6。

表5 耐受性正交試驗結(jié)果

表6 極差分析結(jié)果

由表6可知，對于NO3--N去除率和TN的去除率，投加量、溫度和pH 3個因素的極差R值均為RC＞RB＞RA。因此，對NO3--N的最佳去除方案為A2B1C1，同理對TN的最佳去除方案為A3B1C2。包埋的菌體本身最適pH=7.0，選用pH=7.0作為固定化小球的最佳條件。最終，固定化小球的脫氮最佳條件為A2B1C2，即 22.99 g/L 投加量、溫度 25 ℃、pH=7.0。

由于試驗組里沒有A2B1C2，因此將固定化小球在該條件下重新進行實驗，并得到了最大限度的脫氮效果，其中NO3--N去除率為98.48%，TN去除率為76.91%。

2.3 模擬尾水中固定化菌劑和游離態(tài)菌劑的脫氮效果

固定化菌劑和游離態(tài)菌劑在處理尾水時均能發(fā)揮反硝化作用。如圖2（a）所示，固定化和游離態(tài)菌劑在0～96 h的NO3--N去除率迅速下降，去除率分別達到了100%、94.18%，可見固定化菌劑具有更強的脫氮性，能完全去除尾水中的NO--N。如圖2（b）3所示，在24～48 h游離態(tài)菌劑和固定化菌劑都存在NO2--N的積累，可能是因為反硝化過程中氧化還原電位高的硝酸鹽對電子的競爭能力大于亞硝酸鹽，導致少量亞硝酸鹽的積累[16]，但相對于游離組菌劑，固定化菌劑組亞硝酸鹽積累較少。如圖2（c）所示，在72～96 h TN去除率趨于穩(wěn)定分別達到75.85%、82.18%，并且在每個時間點固定化菌劑的TN去除效率都優(yōu)于游離態(tài)菌劑。這是因為固定化小球具有內(nèi)部復雜的腔體結(jié)構(gòu)，形成大量的空隙，這些空隙不僅為微生物提供了大量的附著位點，而且有利于尾水從中間穿過，凈化尾水。因此，固定化菌劑的脫氮效果比游離態(tài)菌劑的效果好。

圖2 模擬滲濾液尾水中固定化和游離菌劑的脫氮性能

3 結(jié)論

從垃圾滲濾液中分離出的兩株好氧反硝化菌PM02和PR07，根據(jù)系統(tǒng)發(fā)育樹鑒定為摩氏假單胞菌（Pseudomonas mosselii）和樹脂假單胞菌（Pseudomonas resinovorans）。

固定化小球中，膠聚合物的網(wǎng)絡可以阻止細胞的泄露，同時又能讓基質(zhì)滲入和產(chǎn)物擴散出來，有較優(yōu)的物理性能。由正交試驗設計可得固定化小球制作的最優(yōu)方案為3% SA，4% CaCl2，交聯(lián)時間18 h。

通過研究菌株固定化小球的最優(yōu)脫氮條件，結(jié)果表明當投加量為22.99 g/L，pH=7.0，溫度25 ℃時，好氧反硝化效果能夠達到最大限度的脫氮效果。

通過研究游離態(tài)菌劑和固定化菌劑對模擬尾水的凈化能力，結(jié)果表明，固定化菌劑的脫氮效果更優(yōu)，且固定化小球易于與尾水分離，能進行重復使用，更適用于垃圾滲濾液尾水中氮污染物的處理。