固定化微生物法处理氨氮废水葛文准

第14卷Vol.14第4期No.4上海环境科学ShanghaiEnvironmentalSeienees1995年4月APril,1995固定化微生物法处理氨氮废水葛文准荣灵辉(上海市环境保护科学研究院,上海200233)摘要通过固定消化菌处理氨氮废水和研究,着重从凝胶颗粒的机械强度、缩水性能、化学稳定性和微生物活性等4个方面来选择包埋剂。结果表明海藻酸钠、卡拉胶、聚乙烯醇和丙烯酞胺是较理想的微生物载体。在选用丙烯酸胺凝胶颗粒固定硝化菌的氨氮废水处理工艺中,用正交试验与实验方法列出了影响氨氮去除率诸因素上次顺序,依次为pH值、颗粒重量、丙烯酞胺量、菌体量。并得出丙烯酞胺含量12.5%,包埋菌体含量5%、颗粒重量4g、pH值8.5时,是最佳工艺组合,氨氮的去除率达70%。关键词生物化学处理固定化NH3一N废水处理消化菌丙烯酞胺1引言固定化微生物法是在固定化酶基础上发展起来的一种新技术。国外从六十年代后期开始进行害验研究。七十年代后期起,我国在医药行业中开展了固定化细胞技术的研究。八十年代初,固定化细胞技术开始应用于废水处理:日本的桥本奖采用PVA—硼酸法固定活性污泥研究了合成废水TOC、TN的去除l`],哈尔滨工业大学周定等选用固定热带假丝酵母菌连续处理含酚废水I“〕;清华大学李彤等用PVA—硼酸法固定微生物处理洗衣粉废水[”l;荷兰J·Tarmper等将硝化菌固定在海藻酸钙载体中处理氨氮废水l4]。制备固定化细胞的方法有:吸附法、包埋法、共价综合法、交联法、多孔物质包络法等。本文采用的是常用的完整细胞固定化方法—包埋法。该法将细胞闭锁在特定的高分子网络结构中。这种结构紧密到足以防止细胞渗漏,然而允许底物渗透和产物扩散。包埋法又可分为高分子合成包埋,离子网络包埋及沉淀包埋。本文以几种不同载体就各种包埋方法展开讨论,着重于载体的选择以及各种因素对氨氮去除率的影响。2材料与方法菌种来源取禽蛋厂废水处理装置中活性污泥,用合成废水驯化,得到硝化菌。包埋剂海藻酸钠、卡拉胶、聚乙烯醇、丙烯酞胺、氯化钙、氯化钾、硼酸、N、N`一X甲叉双丙烯酞胺、过硫酸钾、四甲基乙二胺。3结果和讨论3.1载体的选择用作载体的包埋剂必须具备制作凝胶颗粒方法简便,活性小球机械强度好,化学稳定性强,有较高的微生物活性以及价格低廉等特点。本实验选用的载体有海藻酸钠、K一卡拉胶、聚乙烯醇、丙烯酞胺。3.1.1凝胶颗粒的机械强度在实际废水处理体系中,由于充氧曝气及物料进出引起流体湍流并产生强的剪切力,要求凝胶颗粒须具备一定的抗冲击的机械强度。试验表明载体浓度会影响颗粒的机械强度(见表l)。实验结果表明:2%海藻酸钠、2%卡拉胶、7.5%一12%聚乙烯醇、10%丙烯酞胺形成的凝胶颗粒有弹性、外形规则、机械强度大。一10一表1载体浓度对凝胶颗粒强度的影响包埋剂海藻酸钠浓度/%12机械强度弱强实验采用混合胶作载体,卡拉胶l2弱强聚乙烯醇丙烯酞胺7.5较弱l0较强125710强弱较强强有取长补短的效果(见表2)。表2混合胶凝胶颗粒的强度包埋剂海藻酸钠浓度/%包埋剂聚乙烯醇+海藻酸钠浓度/%+卡拉胶0.46.81.211.61.2().8()11.50.511.010.510.().52.0机械强度较强较强强强较强结果表明,随着混合胶中海藻酸钠浓度的增加.凝胶颗粒强度增大,说明海藻酸钠可以改善凝胶颗粒的机械强度。凝胶颗粒的使用寿命是通过摇床试验和连续曝气实验来判定。摇瓶试验时将凝胶颗粒按比例合成废水,在25oC、转速12or/min的条件下,运转24h,比较各种颗粒的强度。在摇并试验基础上,将颗粒置于曝气槽内,采用多孔砂芯连续充气,在水流和气流作用下,颗粒不断上下翻腾,记录颗粒开始破碎所需时间。表3列出了寿命实验结果。表3不同载体凝胶颗粒的寿命实验载体与浓度摇并实验现象连续曝气表4不同凝胶颗粒的缩水性载体与浓度溶胶/g凝胶/g缩水率/%2%海藻酸钠2%卡拉胶7.5%聚乙烯醇10%丙烯酞胺1.2%海藻酸钠+。.8%卡拉胶n%聚乙烯醇+1.0%海藻酸钠10.010.010.010。03.6646.0405.3475.94110.04.10.()4.7532%海藻酸钠2%卡拉胶7.5%聚乙烯醇10%丙烯酞胺1.2%海藻酸钠+0.8%卡拉粘H%聚乙烯醇+1.0%海藻酸钠全部溶涨,变形粘连基本不变7天溶液变浑全部溶涨、变形2一3天碎裂基本不变一月以上不变表面粗糙3天溶液浑浊全部溶涨、变形表4表明,海藻酸钠缩水性最大,卡拉胶和丙烯酞胺缩水性较小,而聚乙烯醇缩水性适中。3.1.3凝胶颗粒对磷酸缓冲液的抗性选择较高浓度的磷酸盐缓冲液,考察各种颗粒的化学稳定性。表5表示在0.IMpH二6.5的磷酸盐缓冲液中浸泡24h后,各种颗粒强度的变化。卡拉胶和丙烯酸胺有较好的抗磷酸盐能力。表5凝胶颗粒对磷酸盐缓冲液的抗性载体与浓度破坏情况3.1.2缩水性测定凝胶颗粒本身应具有一定的空隙,便于气物进入、产物扩散。过于致密的颗粒由于构象效应和空间位阻存在,影响了微生物的生长、繁殖;过于疏松的颗粒,将会造成内部细胞的流失。缩水性是反映颗粒致密程度的一个指标。表4列出了各种载体在不同浓度下形成凝胶颗粒的缩水性。2%海藻酸钠2%卡拉胶7.5%聚乙烯醇10%丙烯酞胺1.2%海藻酸钠+0.8卡拉胶11%聚乙烯醇十1.0%海藻酸钠完全破裂无明显变化机械强度下降机械强度下降表面有裂纹机械强度下降3.诬.4微生物活性含有硝化菌的活性污泥离心分离后,各取一11一0.59,分别包埋在2%海藻酸钠,12%聚乙烯醇,和10%丙烯酞胺载体中,制得三种活性小球,分别加100mIJ合成废水在25℃、115r/min条件下运转24h,测定氨氮的降解率(见图1)。进水浓度、pH值等等。对种种因素,实验设计了正交试验表,综合考察了各因素的主次关系,并求取每因素合适的指标水平,从而得到最佳处理工艺条件。选定进水氨氮浓度为131.2mg/L,在25℃、转速120r/min条件下,测定24h氨氮去除率。实验方案及结果计算见表6、7o表5试验因泉水平表闪多ABCD因索丙烯酞胺量/%菌体量/%颗粒量/9pH值18446.5210567.5312.5688.5ù闷·娜三\21价NH{4812162024图l时间/h不同载体氛氮降解图表7试验结果分析表ABCD序号烯酞胺量菌体量颗粒量石百1窗/%/%/9pH值NH3一N去除率/%ō了打UOù勺q乙ùbl城tJO巧`.……口.Q目月任nU11ùl`一了一了0nUq自9é,Jl匀9自,Jg曰内了,口尸JtJ工J工氏dla10lal匀一a...……61沙88ōnl了ō了Rōb`斗口曰8才呀óJ而nǎ卜SJ故压八6左皿ùh`认巴JǎbA.尸aC曰从图1可以看到,3种载体制得活性小球均能降解废水中氨氮。在初始浓度70mg/L左右时,24小时氨氮残留浓度分划为16·7、45·1和31.smg/L。海藻酸钠降解速度最快,其次是丙烯酞胺,聚乙烯醇降解能力最低。影响活性小球的微生物活性的主要因素有,包埋剂本身的微生物毒性和在包埋过程中的微生物失活。由天然海藻提取的海藻酸钠、温和无毒,适合于固定活细胞和敏感细胞;聚乙烯醇本身对细胞毒性不大,但制备活性小球固定时间长达30小时,细胞活性受到影响;丙烯酞胺单体对细胞有毒性,一旦聚合,反而无毒,而它的聚合过程是瞬间完成的,因此它的包埋对微生物活性损害不大。综上所述,海藻酸钠、卡拉胶、聚乙烯醇和丙烯酞胺作为载体包埋硝化菌,均能形成外密内疏的多孔结构,且有一定的机械强度,对去除废水中氨氮有一定的效果。相比之下,丙烯酞胺的凝胶颗粒机械强度最大,包埋过程微生物失活较小,化学稳定性良好,是理想的包埋剂。3.2丙烯酞胺凝胶颗粒的硝化工艺凝胶颗粒对氮氮去除率的影响因素有多种,其中主要有包埋剂中丙烯酸胺浓度,颗粒重量、包埋硝化菌体的含量以及处理废水性质,废水888l0l0l012.512.512.5d`尸介心曰门了84.3110.2121.728.136.740.612.5108.7115.891.736.238.630.68.0137.2100.37589.7151.1.6.50O4J从Jl为.…匕JQù01坑」,é9自产ngù.7.4.2.5O凸一aCJ八nQ口ō了月q,口9妇11lK凡凡kl场场R表7所列K值反映了对应因素在其它因素基本相同变化的条件下与氨氮去除率关系,K值越大,说明在该实验条件下因素的最好水平,而每个因素最佳水平的组合,即为氨氮去除率最高的实验条件。表中数据可知当载体丙烯酞胺含量为12.5%,包埋菌体含量为5%,颗粒重量g4,废水pH为8.5时,是最佳硝化工艺的组合。这个计算结果,刚好与实验序号8的条件相同,12一实验证明在该组合条件下,氨氮去除率达到70%最高水平。极差及大小,反映了因素变化时试验的变化幅度,极差越大,就是该因素对指标影响越大,它就越重要。因此比较多因素的极差R,决定因素的主次顺序,各因素主次关系为:主次PH值颗粒重量丙烯酞藤夏菌体量`在这4因素中,pH值对氨氮去除率影响最大为主要因素。包埋菌体量影响较小为次要因素。对次要因素常可根据实际情况选择其它水平。4.2海藻酸钠、卡拉胶、聚乙烯醇、丙烯酞胺都能作为载体,包埋微生物制备活性颗粒。由于载体本身性质或在包埋过程的不同,制备活性颗粒有差异,其中丙烯酞胺形成的凝胶颗粒机械强度最大,包埋微生物失活较小,化学稳定性良好,是理想的载体。5参考文献4结论4.1通过固定硝化菌处理氨氮废水的研究,说明包埋法固定微生物细胞是一种均实可行的固定化方法。从理论上说,细胞与载体之间不会相助结合,制得颗粒能保持较高生物活性,特别是对于较小分子底物和产物的反应尤为合适。1.SusumuHashimotoandKenjiFurukawa.ImmobilizationofAetivatedSludgebyPVA-BorieAeidMethod.BioteehnologyandBio-engineering,1987,30:52一592.周定、侯文华.固定化微生物法处理含酚废水的研究.环境科学,1,,o,12(x):2一53.李彤、俞毓馨、胡纪萃.廉价包埋剂聚乙烯醇的研究.环境科学,1990,11(5):41一444·J.TramPerandA.W.A.deMan.Charae-terizationofNitrobaeterAiglisIn卫nobilzdeinaCleiurnAligante.EnzymeMierob.Tcellnol.,1986,8:472一48()(收到修改稿日期:1994年11月2(旧)---------------一0-----------一(上接第9页)11243mg/L,CODer去除率91.4%,产气率为o.59m”(气)/去除kg(COD),CH4含量57.5%。在35℃运行的进水CODerl5546mg/L,有机容积负荷率7.55kg(COD)/m”·d为最好,其CODer去除率93.9%,产气率0.64m”(气)/去除kg(COD),CH4含量64.1%。综上所述,35℃运行结果优越于25℃运行的。4.325℃运行系统所产CH4燃烧释放总的热量为1.618xl0“kJ,80%热量用于系统运行,每天余热量有3.20xl07kJ。35℃运行系统每天所产CH4的总热量1.958Xlo”kJ,77.6%的热量用于系统运行,每天余热量有4.39X107kjoUBF反应器所需有效容积,35℃系统比25℃系统小,故占地少,投资省。旧〕须藤隆一水环境净化及废水处理微生物学.北京:中国建筑工业出版社,1988SanjoyKBetal.TheEffeetofAmmoniaonMehtaneFermentaitonProcesses.JournalWPCF,1989,61(l):55一59周晓俭等.厌氧发酵处理味精废水中氯离子的影响.水处理技术.1992,18(l):58一67MeCartyPLetal.SaltToxieityinAn-aerobieTreatment.J.WPCF,1961,33:199(收到修