高效能反硝化生物活性填料的制备研究

张立东

(吉林化工学院 资源与环境工程学院，吉林 吉林 132022)



高效能反硝化生物活性填料的制备研究

张立东

(吉林化工学院 资源与环境工程学院，吉林 吉林 132022)

摘要：高效能反硝化生物活性填料的制备技术是目前国内外污水反硝化脱氮研究领域的新热点.本文采用包埋法将反硝化细菌分别固定于PVA网格载体和聚氨酯载体，制备得二种不同形式的反硝化生物活性填料，并比较了它们及活性污泥对反硝化细菌反硝化率的影响.结果表明，PVA网格填料包埋后反硝化速率能达到110 mg/L·h左右，聚氨酯填料包埋能达到88 mg/L·h，两种填料相比较，PVA网格填料比聚氨酯填料包埋更加高效.

关键词：反硝化生物活性填料；包埋法；PVA网格填料；聚氨酯填料

活性污泥微生物在连续流中易流失，难以形成较强的细菌优势，反应器的启动时间长.提高其反硝化能力，则需要增大活性污泥的浓度，高浓度反硝化细菌，这将导致污泥上浮，最终影响出水浊度[1-3].采用生物膜法既可大幅度提高细菌浓度，固定细菌且不易流失，又能提高目标细菌的生态优势，产生特性高效反应[4-11].本文采用包埋法[4，12-13]将反硝化细菌分别固定于聚乙烯醇(简称PVA)网格载体和聚氨酯载体，制备得二种不同形式的反硝化生物活性填料，并将它们应用于废水处理研究.

1实验部分

1.1　试剂与仪器

硝酸钾、磷酸二氢钾、葡萄糖、乙酸钠、硼酸、聚乙烯醇、聚乙烯醇、盐酸和粉末活性炭均购于天津市福晨化学试剂厂；过硫酸钾和N,N,N′,N′-四甲基乙二胺购于国药集团化学试剂有限公司；磷酸氢二钾购于北京康普汇维科技有限公司；甲醇购于北京化工厂；以上药品等级均为分析纯.

5B-1型COD快速测定仪(北京连华科技发展有限公司)；Oxi3L5i型便携式溶解氧仪(WTW公司)；PHS-2C型pH计(上海三信仪表厂)；UV-1600PC型紫外可见光光度计(上海美谱达仪器有限公司)；722型可见分光光度计(上海欣茂仪器有限公司)，全自动细菌发酵罐.

试验用污泥来自北京市清河水厂二沉池剩余污泥，含水率97%.

1.2　实验过程

1.2.1培养反硝化细菌

1.2.2制备反硝化生物活性填料

采用包埋法将上述制备的反硝化细菌分别固定于PVA网格和聚氨酯二类不同载体，制备得不同的反硝化生物活性填料，具体方法如下[12-13].

1.2.2.1PVA网格反硝化生物活性填料的制备

采用PVA-硼酸二次交联将反硝化菌固定于PVA网格，完成细菌的固定化，具体操作步骤如下：

(1) 反硝化细菌浓缩液的制备 取已培养好的反硝化细菌菌悬液离心浓缩，离心转速为10 000 rad/s，温度为4 ℃，离心5 min，得到109个/ml反硝化细菌浓缩液.

(2) 反硝化细菌包埋液的制备 称取10 g的聚乙烯醇，然后加入1 g的碳酸钙，加80 mL水后在高压灭菌锅中加热溶解，温度为105 ℃，待溶液冷却至30 ℃后，与15 g左右的上述制备的反硝化细菌浓缩液混合，充分搅拌，最终得到反硝化细菌包埋液.

(3) 反硝化细菌包埋体与饱和硼酸溶液第1次交联 将步骤(2)中制得的反硝化细菌包埋液均匀涂抹到PVA网格填料上，然后将其浸入饱和硼酸水溶液里，静止2 h.

(4) 反硝化细菌包埋体与饱和硼酸溶液第2次交联 利用硼酸调节上述溶液pH值至9.0，静止8～48 h，用超纯水重复洗2～3次，直至出水pH值中性，制备的PVA网格反硝化生物活性填料.

1.2.2.2聚氨酯反硝化生物活性包埋填料的制备

聚氨酯反硝化生物活性填料的制备采用聚氨酯水凝胶包埋方法[13].具体操作步骤如下：

(1) 反硝化细菌浓缩液的制备 取已培养好的反硝化细菌菌悬液离心浓缩，离心转速为10 000 rad/s，温度4 ℃，离心5 min，得到109个/ml反硝化细菌浓缩液；

(2) 聚氨酯反硝化生物活性填料的制备 将浓度为10%的聚氨酯预聚体乳液(市场购买)与反硝化细菌浓缩液混合，然后依次加入一定量的浓度为1.0%左右的过硫酸钾和浓度小于0.5%的N,N,N′,N′-四甲基乙二胺，以及3%的粉末活性炭，并迅速搅拌均匀并转移到特制模具中，静置5～10 min，待凝胶聚合成型后，从模具中取出，放入专业切粒机中切成5×5×5 mm的标准立方体，并用去离子水彻底清洗，将未交联的单体和未固定的反硝化细菌洗出.即完成全部包埋过程，得到聚氨酯反硝化生物活性填料.

1.2.3硝态氮去除实验

取已培养好的反硝化细菌菌悬液离心浓缩，离心转速为10 000 rad/s，温度为4 ℃，离心5 min，得到反硝化细菌浓缩液.将所得反硝化细菌浓缩液以称重的方式，尽可能平均的分成三份，标记为Ⅰ号，Ⅱ号，Ⅲ号反硝化细菌浓缩液.进行摇瓶实验，反应条件为：温度30 ℃，转速为150 rad/min.测定反硝化细菌反硝化速率，即平均每小时硝态氮的去除量(4 h)，待反硝化能力基本稳定后，将Ⅰ号和Ⅱ号反硝化细菌浓缩液分别进行PVA网格填料、聚氨酯填料包埋，具体包埋方法见1.2.2；将III号反硝化细菌浓缩液作为活性污泥对照实验.Ⅰ号、Ⅱ号反硝化细菌浓缩液分别包埋后，确定培养周期为8 h，一天3个周期，每天选定同一个周期中同一时段的4 h，测定反硝化细菌反硝化速率.

2结果与讨论

不同反硝化活性填料和活性污泥对反硝化速率的影响结果如图1～6所示.

图1、2中水平线为反硝化细菌包埋前的反硝化能力，曲线为包埋后两周内的反硝化能力.

时间/d图1　PVA网格反硝化生物活性填料的反硝化速率

时间/d图2　聚氨酯反硝化生物活性填料的反硝化速率

时间/d图3　活性污泥的反硝化速率

时间/d图4　PVA网格反硝化生物活性填料的C/N

时间/d图5　聚氨酯反硝化生物活性填料的C/N

时间/d图6　活性污泥的C/N

2.1　不同反硝化活性填料对反硝化速率的影响

生物反硝化速率受生物膜内溶解氧浓度的影响，在微生物的生物膜外表面，由于溶解氧的浓度相对较高，以好氧菌和硝化菌为主，而在生物膜内部由于溶解氧浓度较低，主要为厌氧菌和兼性菌为主.在生物膜内部溶解氧分布的不均匀使得反硝化的发生存在可能，当生物膜法反硝化系统中的溶解氧控制在1.5 mg·L-1，在膜的内层就会呈现厌氧状况，这将影响最终的处理效果[6-9].

图3中各点为对照活性污泥在同一时间的样本数据.由图1中“1”点可看出，PVA网格填料的包埋过程对反硝化细菌的活性有一定的影响，但是影响很小；由“2”点可看出，在第五个周期活性便恢复并且有一定的上升趋势；“2”～“3”点之间虽然反硝化能力有所起伏，但是整体高于PVA网格填料包埋前的反硝化能力，在“3”点之后，反硝化能力基本稳定，相比较PVA网格填料包埋前，反硝化能力增长73.1%.由图2中“1”、“2”点可看出，聚氨酯填料的包埋过程对反硝化细菌的活性有一定的影响，但是影响很小；由“3”点可看出，在第8个周期反硝化活性便恢复并且有一定的上升趋势；“3”～“4”点反硝化能力整体呈上升趋势；“4”点之后反硝化能力相对稳定，相比较聚氨酯填料包埋前，反硝化能力增长32.5%，低于PVA网格反硝化生物活性填料的反硝化能力增长率.由图3中可反映出，随着培养的进行，活性污泥的反硝化能力也有所提升，反硝化能力增长19.3%，但低于两种反硝化生物活性填料的反硝化能力增长率.

PVA网格生物活性填料的反硝化能力恢复期为5个周期，聚氨酯生物活性填料的反硝化能力恢复期为8个周期；PVA网格生物活性填料的反硝化能力增长率为73.1%，反硝化速率为110.97 mg/L·h，聚氨酯生物活性填料的反硝化能力增长率为32.5%，反硝化速率为88.16 mg/L·h，因此PVA网格生物活性填料比聚氨酯生物活性填料更加高效.

以上结果表明，本文采用包埋法制备的两种反硝化生物活性填料，对反硝化细菌的活性影响很小，活性恢复所需时间很短.相比较活性污泥，固定化技术可以减少微生物的流失、提高酶或微生物的浓度，受包埋后生物膜内部溶解氧浓度明显低于活性污泥溶液，因此，包埋后的反硝化能力增长更快，而且更具有高效性和稳定性.

2.2　碳氮比对反硝化速率的影响

在生物反硝化过程中，硝态氮和有机物被同时去除，即反硝化要消耗一定量的有机物.因此，碳氮比对反硝化过程很重要.根据文献研究报道，一般污水脱氮的COD/TKN应大于6.6才能获得良好的反硝化效果，生物反硝化效果与进水碳氮比比密切相关[10-11].

图4中“0”点为I号反硝化细菌浓缩液进行PVA网格填料包埋前的碳氮比，之后各点为PVA网格填料包埋后一周内的碳氮比.图5中“0”点为II号反硝化细菌浓缩液进行聚氨酯填料包埋前的碳氮比，之后各点为聚氨酯填料包埋后一周内的碳氮比.图5～6为III号反硝化细菌浓缩液8天内的碳氮比.由图4～5反映出，反硝化细菌在包埋后形成稳定的优势菌群，可有效的抑制杂菌的生长，消耗碳氮比减小.由图6反映出活性污泥的碳氮比虽不稳定但基本保持在4.0左右.包埋后反硝化细菌消耗的碳氮比与活性污泥相比较小，更适合于处理低碳氮比废水.

3结论

(1) 固定化技术可以减少微生物的流失、提高酶或微生物的浓度.

(2) 应用固定化技术，反硝化细菌在PVA网格中形成稳定优势菌群，且碳氮比消耗值最低为2.5，明显低于活性污泥最低值4，可用于处理低碳氮比的废水，更具有实用性.

(3) 本研究中采用包埋方法对反硝化细菌的活性影响很小，活性恢复所需时间很短，PVA网格生物活性填料的反硝化能力恢复期为5个周期，聚氨酯生物活性填料的反硝化能力恢复期为8个周期.相比较活性污泥，包埋后的反硝化能力增长更快，而且更具有高效性和稳定性.

(4) PVA网格生物活性填料的反硝化能力恢复期仅为5个周期，与聚氨酯的相比较周期更短，且反硝化速率比聚氨酯的速率快22.81 mg/L·h.因此，PVA网格生物活性填料比聚氨酯生物活性填料的反硝化脱氮效果更高效.

参考文献：

[1]沈耀良.王宝贞.垃圾填理场渗滤液的水质特征及其变化规律分析[J].污染防治技术,1999,12(1):10-13.

[2]夏立江.城市垃圾渗沥液引起地下水氮污染的研究[J].农业环境保护,2001,20(2):108-110.

[3]洪明子,崔明灿,孙东,等. 有机物脱氮新工艺的研究[J]. 吉林化工学院,2005,22(2):23-26.

[4]KIM M,JEONG S Y,YOON S J,et al.Aerobic denitrification of Pseudomonas putida AD-21 at different C/N ratios[J].Journal of Bioscience and Bioengineering,2008,106(5):498-502.

[5]刘彧,张晓红,陆慧琪,等.生物接触氧化工艺中填料的研究进展[J]. 吉林化工学院学报,2008,25(4):32-35.

[6]Baumann B．,Snozzi M．et al．Inhibition of denitrification activity but not of mRNA induction in Paracoccus denitrificans by nitrite at a suboptimal pH[J]．Antonie van Leeuwenhock,1997,72:183-189.

[7]吴耀国.地下水环境中反硝化作用[J].环境污染治理技术与设备,2002,3(3):27-31.

[8]李平,张山,刘德立.细菌好氧反硝化研究进展[J].微生物学杂志,2005,25(1):60-64．

[9]王莹,周巧红,梁威,等.人工湿地高效好氧反硝化菌的分离鉴定及反硝化特性研究[J].农业环境科学学报,2010,29(6):1193-1198.

[10] 王威,曲克明,朱建新,等.不同碳源对陶环滤料生物挂膜及同步硝化反硝化效果的影响[J].应用与环境生物学报,2013,19(3):495-500.

[11] 贾曼玲.反硝化细菌脱硝工艺与生物膜系统动力学模型的研究[D].天津：天津大学,2012.

[12] 肖美燕,徐尔尼,陈志文．包埋法固定化细胞技术的研究进展[J]．食品科学,2003,24(4):158-161．

[13] CHEN F,XIA Q,JU L K.Aerobic denitrification of Pseudomonas aeruginosa monitored by online NAD (P) H fluorescence[J].Applied and Environmental Microbiology,2003,69(11):6715-6722.

The Preparation Research of Highly Efficient

Denitrifying Biological Active Filler

ZHANG Li-dong

(College of Resource and Environment Engineering，Jilin Institute of Chemical Technology，Jilin City 132022，China)

Abstract:As a novel wastewater treatment technique,highly efficient denitrifying biological active filler has been studied in research field all over the world.We fixed denitrifying bacteria on PVA straight tubular packing filler and polyurethane filler in mainly entrapping method,respectively.Then,compared the denitrification rate of denitrifying bacteria in the different biological active filler and activated sludge,it showed that the denitrification rate of PVA straight tubular packing filler can reach about 110 mg/L·h,and it of polyurethane filler can reach 90 mg/L·h.Comparing two kinds of fillers,PVA straight tubular packing filler is more efficient than polyurethane filler.

Key words:denitrifying biological active filler；mainly entrapping method；PVA straight tubular packing filler；polyurethane filler

文章编号：1007-2853(2015)11-0077-03

作者简介：童姗姗(1986-)，女，河南南阳人，南阳理工学院数理学院助教，硕士，主要从事应用数学方面的研究

基金项目：河南省基础与前沿项目(1423410107)

收稿日期：2015-07-20

中图分类号：O 35

文献标志码：A DOI：10.16039/j.cnki.cn22-1249.2015.11.018