2种藻菌固定化改进方法的比较及优化研究

毛书端,张小平,牛 曼 (华南理工大学环境科学与工程学院,工业聚集区污染控制与生态修复教育部重点实验室,广东 广州 510006)

随着固定化技术的发展,固定化藻菌被广泛应用于废水处理领域,为废水的脱氮除磷开辟了一条新途径.固定化技术的应用不仅能有效防止微生物细胞流失,维持共生系统的稳定性,而且还增强了细胞的耐受性,解决了藻类沉降性较差的问题.同时,固定化微生物技术可以将优势菌种固定,可保持较高的活性,提高降解效率,且被固定化后的细胞具有反应速率快、耐毒害能力强等优势[1].

目前固定化微生物的载体材料多为聚乙烯醇(PVA)[2-3]和海藻酸钠[4-5],它们具有机械强度大,传质性能好,耐生物分解等特性[6].本课题组通过PVA与海藻酸钠的对比研究,发现PVA作为固定化载体,其稳定性及小球强度要优于海藻酸钠,但其操作较困难,制成的小球形状不规则,且传质性能低海藻酸钠[7].本实验采用海藻酸钠固定藻菌,用于去除模拟废水中的 COD,氨氮(NH3-N)及磷酸盐(PO43--P).

传统的海藻酸钠固定化方法是将海藻酸钠与生物细胞混合后滴入 Ca2+溶液,形成海藻酸钙(CA)凝胶球.CA凝胶球传质性能好,但在高浓度PO43--P溶液中,CA凝胶球不稳定,易破碎和溶解,微生物易漏出[8].

经研究,用2种方式改进了传统海藻酸钠固定化方法:一是用Ba2+替换掉固定液中部分Ca2+,形成同时含Ca2+,Ba2+的固定液;二是将CA凝胶球置于壳聚糖溶液中覆膜.2种改进方法都能很好改善小球稳定性,提高机械强度.同时,探讨改进后的固定化小球对模拟废水中 COD,NH3-N, PO43--P去除效果的影响.

1 材料与方法

1.1 主要材料

试剂:海藻酸钠(化学纯),壳聚糖(脱乙酰度>90.0%),氯化钙(化学纯)等.

藻种:蛋白核小球藻(chlorella pyrenoidosa),由华南理工大学食品学院提供.

菌种:广州市猎德污水处理厂好氧池活性污泥.

1.2 实验仪器

光照培养箱,SPX-GB-300型;可见分光光度计,722型;手提式灭菌锅,YX280A型;离心沉淀器,80-2型;恒温多头搅拌器,HJ-4A型;大容量恒温摇床,DHZ-CA型.

1.3 实验方法

1.3.1 藻类培养 将配制好的Bold培养基[9]灭菌,用经灭菌后0.5mol/L的NaHCO3及0.1mol/L的HCl调节pH值至6.8~7.2.然后接种适量的藻种混匀(接种密度为30万个/mL),在温度(25±1)℃,光强2000~4000Lx,光暗比为12h:12h的条件下培养,每天定时振摇2次[10].取稳定生长期的藻细胞进行固定化,即培养5d左右的藻细胞.

1.3.2 菌类培养 将取自污水处理厂好氧池的活性污泥(VSS为2500mg/L)自然沉降后,得到含水率60%的污泥,将其加入自配的培养液中曝气,每12h停止曝气2h,每3d换一次培养液.培养液组分为:0.5g/L葡萄糖,97.98mg/L NH4Cl,2.19 mg/L KH2PO4,0.03 mg/L FeCl3·6H2O, 3.44 mg/L NaCl,2.81 mg/L MgSO4·7H2O.

1.3.3 不同固定化小球的制作 将培养后的藻与污泥分别在室温 25℃,3500r/min条件下离心15min,弃除上清液,离心后浓缩液的固体含量达90%.将浓缩液按1:1体积比混合.将适量海藻酸钠与二氧化硅加入一定体积去离子水中,使液体总重 300g,海藻酸钠与二氧化硅的质量浓度分别为 4%,混均后加热,使海藻酸钠完全溶解.待液体冷却至常温,加入10mL藻菌浓缩混合液,混均后形成含藻菌的混合液.

用带16号针头的注射器将上述混合液滴入过量的浓度 4% CaCl2溶液,并连续搅拌,然后放入 0~4℃的冰箱中固化交联 24h,得到粒径为4mm左右的圆形小球.所得固定化小球记为1#.

用带16号针头的注射器将上述混合液滴入过量的2% CaCl2,2% BaCl2混合溶液,同时连续搅拌,然后放入 0~4℃的冰箱中固化交联 24h,得到粒径为4mm左右的圆形小球.所得固定化小球记为2#.

将1#固定化小球放入质量浓度为1.5%的壳聚糖醋酸溶液中覆膜 20min,滤除小球后用蒸馏水洗涤3次,此固定化小球记为3#.3#小球为粒径4mm左右的球形.

1.3.4 传质性、稳定性及对废水处理效果的比较 取等量经稀释的惰性红墨水于3个烧杯中,分别加入一定质量固定化小球,室温条件下,在150r/min的磁力搅拌器上搅拌,进行吸附实验,每隔2min取球切片,观察红墨水渗透到小球内部的情况[11],考察3种固定化小球的传质效果.

将3种小球分别置于无菌水中,在温度37℃,振荡频率150r/min,振幅30mm条件下连续振荡24h,观察固定化小球的包埋效果以及颗粒的破损,变形程度等,并在680nm波长下,用722型分光光度计测定溶液吸光度,以考察溶液中小球藻浓度,比较3种固定化小球的稳定性.

分别用3种固定化藻菌小球处理模拟废水.每4h取水样测定COD,NH3-N,PO43--P浓度,各浓度值均3次测量,取其平均值.每12h为1个周期,每周期末将模拟废水全部排出,重新加入新的模拟废水,分别进行4个周期.比较3种小球对废水的处理效果.

1.3.5 藻酸盐-壳聚糖固定化方法的优化研究 将固化24h后的藻酸盐小球放入pH值为5,质量浓度分别为0.2%,0.5%,1.0%,1.5%,2.0%的壳聚糖醋酸溶液中,覆膜 20min后滤出, 用蒸馏水洗涤3次,用以处理模拟废水.

将海藻酸盐小球放入质量浓度为 1.0%,pH值分别为4.0,4.5,5.0,5.5,6.0的壳聚糖醋酸溶液中,覆膜20min后滤出,洗涤3次.

将海藻酸盐小球放入质量浓度为 1.0%,pH值为5.5的壳聚糖醋酸溶液中,分别覆膜5,10,15, 20,25min后滤出, 洗涤3次.

1.3.6 实验废水与装置 为防止实际废水中某些化合物干扰测定结果,采用模拟废水,即向自来水中加入葡萄糖,NH4Cl,KH2PO4等试剂,配制成COD为2098mg/L,NH3-N为64.38mg/L,PO43--P为23.43mg/L的有机废水.

反应装置为流化床光生物反应器(FPBR),如图1所示.反应器用透明有机玻璃制作,反应区是直径为8cm的圆柱,扩大区圆柱形直径为16cm,总高 95cm,有效容积 4.5L.反应器光源采用功率20W的荧光灯全天光照.

向反应器中加入200g上述不同固定化小球,通过调节废水流速使小球达到流态化.在室温25℃,光照强度为4000Lx,流速0.2cm/s条件下进行实验.实验为间歇反应过程,运行中无需供氧.

2 结果与讨论

2.1 不同固定化方法的比较

2.1.1 3种固定化小球的传质效果及稳定性比较 3种小球传质性能如图2所示.

图2 3种小球传质性能Fig.2 The mass transfer of three kinds beads

由图2可知,1#、2#小球传质较快,10min左右就已经被红墨水浸透,而3#小球传质性能相对差一些,需25min左右.壳聚糖覆膜后的固定化小球传质慢,是因为壳聚糖分子进入海藻酸盐的网状结构中,使结构更加致密,覆膜后小球的微孔直径和表面积都有所减小,使吸附量和传质性降低[12].

经稳定性实验发现,振荡24h后,1#小球所在烧杯中小球藻浓度为1.22×108个/L,而2#、3#小球所在烧杯中小球藻浓度几乎为零,说明除 1#小球有少量的藻细胞漏出外,另外两种小球完好.这是因为与 Ca2+相比,Ba2+的离子半径较大,在藻酸盐分子中会填充较大的空间,使小球的网状结构更加紧凑,因此 Ba2+就不容易以磷酸钡的形式被置换出来,从而增加了固定化小球的稳定性[13-14].壳聚糖覆膜后小球稳定性增加是因为壳聚糖分子链上有大量的伯氨基,而海藻酸钠分子链上有大量的羧基,所以壳聚糖和海藻酸钠可以通过正负电荷吸引形成聚电解质膜,增加小球的稳定性.

2.1.2 三种固定化小球对废水处理效果的比较 3种固定化小球对废水的处理效果见图 3~图5.

由图 3可知,在反应前 2个周期,2#小球对COD的去除率最低,为60%,1#,3#小球对COD的去除率相当,均在 71%以上.随着反应周期的增加,1#小球对COD的去除率减小,在第4周期时减小到68%;2#小球对COD的去除率逐渐增加,在第4周期为75.8%;3#小球对COD的去除率几乎不变,为73.8%.试验中还观察到,在第4个周期,1#小球出现了溶解现象,而2#、3#小球完好无损.这是因为海藻酸钠-氯化钙固定化方法中,海藻酸钙小球稳定性较差,海藻酸钙中的 Ca2+很容易与水中 PO43-形成磷酸钙,从而使海藻酸钙逐渐溶解,继而使固定化小球的三维结构遭到破坏,其内的藻细胞泄漏,从而使水样中的 COD浓度进一步增加,很大程度上抵消了藻菌系统去除的污染物[7].因此,在第4周期时,1#小球对COD的去除率要低于2#、3#小球.

图3 3种小球对COD的去除效果Fig.3 Effect of three kinds of beads on COD removal

图4 3种小球对NH3-N的去除效果Fig.4 Effect of three kinds of beads on NH3-N removal

图5 3种小球对PO43--P的去除效果Fig.5 Effect of three kinds of beads on PO43--P removal

由图4可知,随着反应周期的增加,3种小球对NH3-N的去除率均增加.除第3周期外,在整个过程中,均是2#小球对NH3-N的去除率最低,1#、3#小球对NH3-N的去除率相当.在第4周期时,3种小球对NH3-N的去除率分别为50.6%,42.5%, 51.8%.

由图5可知,3种小球对PO43--P的去除规律与NH3-N基本相同,均是2#小球对PO43--P的去除效果最差.在第 4周期时,3种小球对 PO43--P的去除率分别为51.8%,47.5%,54.5%.

以上分析说明,与1#小球相比,2#小球对3种污染物去除效果最差,即 BaCl2取代部分 CaCl2作为固定液这种改进方法会降低固定化小球对污染物的去除效果,但其降低量不超过 10%,是因为 Ba2+对微生物有一定毒性,会影响细胞的生长速率.但与 Ca2+相比,抑制率不会超过20%[15].3#小球对3种污染物的去除效果与1#小球相差不大,表明壳聚糖覆膜对除污染物去除效果影响不大.

2.2 藻酸盐-壳聚糖固定化方法的优化研究

2.2.1 壳聚糖溶液质量浓度对小球处理能力的影响 不同壳聚糖溶液浓度对海藻酸盐小球处理能力的影响如图6所示.

图6 壳聚糖质量浓度对小球处理能力的影响Fig.6 Impacts of chitosan solution concentration on the removal capacity of beads

从图6可以看出,随着壳聚糖溶液浓度增大,海藻酸盐小球对COD,NH3-N,PO43--P的去除率均降低.在成膜反应时间相同时,随着壳聚糖溶液浓度增大,壳聚糖扩散进入藻酸钙小球也越深,导致膜厚增加;同时壳聚糖溶液浓度的提高也增加了-NH3+的位点数,从而增加了与海藻酸钙固定化小球中-COO-结合的机会,易于致密膜的形成.这两方面的原因造成了壳聚糖浓度越高所形成的膜越厚且致密,通透性降低,增大了基质和产物的扩散阻力,影响藻菌的活性.

经稳定性试验发现,固定化小球的稳定性随着壳聚糖浓度的增加而提高.结合考虑小球的稳定性,通透性以及处理效果,壳聚糖成膜浓度以1%为宜.

2.2.2 壳聚糖溶液 pH值对小球处理能力的影响 不同pH值对海藻酸盐小球处理能力的影响如图7所示.

图7 壳聚糖溶液pH值对小球处理能力的影响Fig.7 Impacts of pH on the removal capacity of beads

壳聚糖和海藻酸钠之间络合反应形成的膜,是由壳聚糖单体分子上质子化的氨基和海藻酸钠单体分子上的羧基间通过静电力或氢键形成的聚电解质复合膜,因此溶液 pH值直接决定 2种聚离子暴露的电荷基团及分子结构.当 pH值从4.0增加到5.5时,壳聚糖分子中的氨基随pH值的升高而减少,故与海藻酸钠的络合程度随之降低,因此膜厚也随之减小;当pH值继续增大时,由于壳聚糖分子发生了空间构象上的改变,而使膜厚又有所增加[16].如图 7所示,在本实验中,当壳聚糖溶液的pH值从4增至5.5时,海藻酸盐小球对COD,NH3-N,PO43--P的去除率均是增加的,而当pH值大于5.5时,又表现为下降趋势.这正是因为,45.5时则反之.

综合考虑污染物去除率,固定化小球的机械强度和稳定性,选择壳聚糖溶液pH值为5.5.

2.2.3 壳聚糖溶液覆膜时间对小球处理能力的影响 不同覆膜时间对小球处理能力影响如图8所示.

图8 壳聚糖覆膜时间对小球处理能力的影响Fig.8 Impacts of coated time on the removal capacity of beads

从图 8中也可以看出随着覆膜反应时间的增加,海藻酸盐小球对各污染物的去除率均降低,5min和25min的覆膜反应时间对应的各污染物去除率均相差约 20%.张宏亮等[17]研究表明,延长覆膜反应时间可提高固定化小球膜的稳定性,增加小球使用寿命,但当成膜反应时间超过30min时,固定化小球膜的稳定性改善不明显.这主要是随着覆膜反应时间增加,壳聚糖分子上的-NH3+与海藻酸钙分子上的-COO-反应程度不断增大,并随反应时间的延长而接近完全反应,因此固定化小球的膜厚先随成膜时间的增加而增大,而后膜厚变化不大.但覆膜时间对微生物活性有影响,减少覆膜时间可减少微生物活性损失,故在保持固定化小球稳定性条件下,应尽可能减少成膜反应时间.

在实验中,覆膜时间为5min时对微生物活性的影响很小,但固定化小球的稳定性较差,连续振荡24h后有少量的藻溢出.延长覆膜反应时间,固定化小球的稳定性会提高,但从微生物活性方面考虑,应在保证稳定性的前提下尽量缩短覆膜反应时间.故覆膜时间以15min为宜.

3 结论

3.1 对比3种不同固定化方法,发现BaCl2取代部分 CaCl2作为固定液制备的小球及壳聚糖覆膜后的固定化小球稳定性与机械强度都有所提高,但壳聚糖覆膜后的小球传质较慢.在处理效果上,与 CA凝胶球相比,BaCl2作为固定液制备的小球对污染物去除率降低,而壳聚糖覆膜后的小球对废水的处理效果基本不变.

3.2 通过研究壳聚糖溶液质量浓度,pH值以及覆膜时间对废水处理效果的影响,发现废水处理效果随着壳聚糖质量浓度和覆膜时间的增加而降低,随着pH值的增加而提高,固定化小球的稳定性呈相反趋势.试验表明,最佳溶液浓度,pH值及覆膜时间分别为1%,5.5,15min.

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