增强型PVA包埋硝化细菌及降解氨氮废水的研究

宋彩风，张晏菘，李福威，余宏倡，贺稳，李志霞，林宏飞

(1.广西大学 化学化工学院，广西 南宁 530004；2.广西博世科环保科技股份有限公司，广西 南宁 530007)

谷朊粉(WG)是从面粉中提取出来的天然蛋白质，具有粘性、弹性、延伸性及良好的机械性能[1]；聚丙烯纤维(PPF)具有强度大、弹性好、耐磨、耐腐蚀等性能[2]。本文为了解决聚乙烯醇-海藻酸钠(PVA-SA)微生物包埋载体在应用时发生碰撞磨损的问题，采用共混增强和逐步交联的方法来提高微生物包埋载体的强度，即通过在PVA-SA载体内添加WG或者PPF，然后再用硼酸和戊二醛(GA)逐步交联的方法制得GA-PVA-SA-WG和GA-PVA-SA-PPF载体，探究共混剂WG 和PPF的添加以及交联剂GA的使用对载体机械强度的影响。并使用制备的载体进行氨氮废水降解实验，探究其对氨氮的降解能力和重复使用性能。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

聚乙烯醇(聚合度1 750±50)、海藻酸钠、戊二醛(50%)、硼酸、氯化钙、硫酸、活性炭、碳酸钙、二氧化硅均为分析纯；谷朊粉(五得利小麦面粉提取)，食品级；聚丙烯纤维(3 mm长束状单丝纤维)，工业级。

OES60M置顶式电动搅拌机；HACH DR6000紫外可见光分光光度计；MWW20A电子万能试验机。

1.2 菌源、模拟废水与实际废水

菌种：主要菌种是硝化细菌，含少量的反硝化细菌和其他异养菌，来源于诺维信(沈阳)生物技术有限公司。

模拟废水：C6H12O6250 mg/L，(NH4)2SO4471.85 mg/L，NaHCO33 000 mg/L，K2HPO4·3H2O 306.9 mg/L，FeSO4·7H2O 30 mg/L，MgSO4·7H2O 30 mg/L，pH=7.8～8.0。

生活废水，取自南宁市西乡塘区二坑溪湖。

1.3 固定化微生物载体的制备

本实验制作了5种载体，即以PVA和SA为原料，使用硼酸交联的载体(PVA-SA)；在PVA和SA原料中加入共混剂WG或PPF，再用硼酸交联的载体(PVA-SA-WG，PVA-SA-PPF)；和在前两种载体的基础上进一步用GA交联的载体(GA-PVA-SA-WG，GA-PVA-SA-PPF)。

1.3.1 PVA-SA载体的制备 首先将PVA放置水中浸泡24 h(质量浓度12%)，然后在90 ℃加热搅拌溶解(时间约3 h)；再加入2% SiO2、2% CaCO3、0.2%的活性炭搅拌1 h；搅拌均匀后加入2% SA，继续搅拌1 h；然后停止加热，冷却至35 ℃时，加入2%菌液(OD600=1)，继续搅拌0.5 h，然后将其置于含有5%氯化钙的饱和硼酸溶液中交联24 h，反应完成后将载体裁剪成3～5 mm的正方体；最后用蒸馏水清洗3次后加入适量营养液(氨氮浓度约 20 mg/L 的模拟废水)于4 ℃左右冷藏保存。

1.3.2 PVA-SA-WG和PVA-SA-PPF载体的制备 与1.3.1节方法相同，不同之处在于：在溶解的PVA溶液中多加了0.1% PPF或者1% WG(搅拌成泡沫状)，继续搅拌1 h。

1.3.3 GA-PVA-SA-WG和GA-PVA-SA-PPF载体的制备 与1.3.2节方法相同，不同之处在于：在使用硼酸交联反应22 h后，将载体置于含有1% GA、0.1% H2SO4和5%氯化钙的饱和硼酸溶液中继续反应2 h。

1.4 性能测定

1.4.1 载体强度的测定方法 载体的拉伸强度参照GB/T 1447—2005的标准，采用人造板万能试验机进行测试，至少做3次平行实验。

1.4.2 载体化学稳定性的测试方法 将载体置于含蒸馏水的锥形瓶中，在30 ℃、200 r/min的摇床中振荡，定时取适量水样测其COD。根据COD计算载体的损失量。采用微波闭式CODCr消解仪测COD值。

1.4.4 不同载体重复使用性能的探究 使用从南宁市西乡塘区二坑溪湖取出的污水作为生活污水水样，污水的初始氨氮浓度大约为100 mg/L。将投加量为5%的载体置于500 mL污水中反应24 h，然后将载体取出重新投入到新的污水中继续反应24 h，以24 h为一个周期，载体重复使用22个周期。考察不同载体包埋的微生物对氨氮的降解情况。反应温度为30 ℃，曝气量为 3.5 L/min。

2 结果与讨论

2.1 载体机械性能的分析

图1是对不同载体进行拉伸实验的应力与应变关系曲线。

图1 5种不同载体的拉伸强度Fig.1 Tensile strength of 5 different carriers

由图1可知，PVA-SA载体的拉伸强度是 1.66 MPa，断裂伸长率为77.1%；通过共混增强的方法制备的PVA-SA-PPF和PVA-SA-WG载体的拉伸强度和断裂伸长率分别为1.36 MPa，24.1%和1.81 MPa，153.0%，说明PPF的添加没有对载体的强度和弹性产生益处，而WG的添加既提高了载体的强度，也改善了载体的弹性。此外，GA-PVA-SA-WG与PVA-SA-WG相比，断裂伸长率几乎相同，但是前者拉伸强度提高了6%；GA-PVA-SA-PPF与PVA-SA-PPF相比，前者拉伸强度与断裂伸长率都分别提高了1.26%和4.87%。这些结果说明与采用单一的硼酸交联的方法相比采用逐步交联的方法更有利于载体机械强度的提高。

PVA-SA基体表面亲水，而PPF基体表面疏水，两者共混的时候相容性较差，导致界面结合不牢固，因此PPF的添加并没有明显改善载体的拉伸强度。但是在PVA-SA-PPF载体拉断之前，相同应变的情况下，PVA-SA-PPF载体能够承受的应力远大于PVA-SA载体，说明PPF基体与PVA-SA基体混合后起到“拉筋作用”[3]，从而在小范围应变的情况下能够相互作用提高载体的拉伸强度。而在PVA-SA-WG载体中PVA-SA基体与WG基体之间具有较好的相容性，因此添加WG既改善了载体的机械强度，也提升了材料的弹性。

图2为制备载体时PVA与交联剂的反应过程。

图2 硼酸和戊二醛逐步交联过程Fig.2 The stepwise crosslinking process with boric acid and glutaraldehyde

由图2可知，硼酸溶于水后水解生成硼酸根离子，当硼酸根离子与PVA反应时，PVA黏液生成凝胶，同时使聚合物链带负电，导致其它硼酸根负离子很难进一步交联到附近的PVA链上[4-5]，造成PVA的交联度下降，化学稳定性降低。而采用戊二醛进一步交联，可以将未参与反应的PVA继续交联，提高交联程度，因而提高了载体的机械强度。

2.2 载体的化学稳定性分析

载体的化学稳定性是通过测定在水中的COD来分析的。随着时间的延长不同载体在水中的损失量结果见图3。载体的损失量越小代表载体越稳定[6]。

图3 不同载体的损失量Fig.3 Mass loss of different carriers

由图3可知，载体的损失量大小顺序为：PVA-SA>PVA-SA-PPF>PVA-SA-WG>GA-PVA-SA-WG≈GA-PVA-SA-PPF，即稳定性顺序是PVA-SA

2.3 不同载体固定化微生物对的去除效果

5种不同载体包埋的硝化细菌对模拟废水中的氨氮的去除效果见图4，作为对比，游离菌的降解效果也列于图中。

图4 不同载体和游离菌对的去除效果Fig.4 Removal effect of by different carriers and free bacteria

由图4可知，前12 h，游离菌对氨氮的去除速率最大，而不同载体对氨氮的去除率没有明显差别，但均低于游离菌，随着时间的延长，采用逐步交联的方法制备的载体对氨氮的去除率与其它载体相比有所下降。

载体内的硝化细菌对氨氮的降解过程主要包括两个阶段：一是氨氮、氧气等反应物在载体内的扩散阶段[7]；二是生物降解阶段[8]。氨氮、氧气等物质进入载体之后，才能被硝化细菌降解。而游离菌降解氨氮不需要进行内扩散阶段，可直接进行生物降解，故降解氨氮的速率略高。不同载体降解氨氮速率的大小与两个因素有关：①与制作载体时交联剂的使用对微生物造成的危害程度有关。在使用逐步交联的方法制作载体时，GA与硫酸可能会对硝化细菌产生一定的毒害作用[9-10]，使GA-PVA-SA-WG和GA-PVA-SA-PPF载体内部分硝化细菌活性降低甚至死亡，因而其氨氮的去除率与其他的载体相比有所减小。②与废液的COD值有关。若COD值过高，硝化细菌的活性会受到抑制[11-12]。硝化细菌属于化能自养型微生物，若废水中COD过多，造成异氧菌迅速增殖，导致硝化细菌所占比例下降[13]。由图3可知，同样条件下，GA-PVA-SA-WG和GA-PVA-SA-PPF载体的溶出量明显低于其他的载体，即这两种载体内硝化细菌的活性受到COD的影响应该更小，因此导致其活性略微低于其它载体的主要原因可能是受到交联剂的毒害作用。但随着反应时间增加到12 h以后，COD可能因为异养菌的代谢作用而逐渐降低，其对硝化菌的影响程度逐渐减小，载体内硝化菌的活性得以恢复，因此PVA-SA-WG、PVA-SA-PPF以及PVA-SA载体中包埋的硝化细菌的活性又有所提高。

2.4 不同载体固定化微生物的重复使用性能

包埋硝化细菌的不同载体对生活污水中氨氮的降解情况见图5a。

由图5a整体上看，不同载体对氨氮的去除效果没有明显的差别。第1～4 d时，氨氮降解率从60%～70%下降到了40%～50%，在第5 d，氨氮降解率又突然回升到68%～85%，其后在60%～75%之间波动。仔细对比后不难发现，GA-PVA-SA-WG和GA-PVA-SA-PPF的氨氮去除率轻微低于其他载体。

图5b表示在降解氨氮废水过程中每周期出水时的COD变化情况。

由图5b可知，前6 d，废水中COD波动较大且维持在较高的值，从第7 d以后，四种载体的COD趋于稳定，但GA-PVA-SA-WG和GA-PVA-SA-PPF的COD值均低于PVA-SA-WG和PVA-SA-PPF，说明前两个载体化学稳定性更好，更有利于长期稳定的使用。

图5 不同载体重复使用22 d处理生活废水的氨氮去除率(a)和废水中COD变化(b)Fig.5 Removal rate of ammonia nitrogen (a) and COD in wasterwater (b) with different carriers when the carriers were reused for 22 d

实验过程中，氨氮的去除率主要受到制备载体时交联剂对硝化细菌的毒害作用和废水中COD[14]的影响。前6 d，污水中COD过高，导致异养菌处于优势地位，硝化细菌的活性受到了不同程度的抑制，致使第2～4 d时，氨氮降解率显著下降；后来废水中COD有所降低且趋于稳定，硝化细菌活性也随之提升。另一方面交联剂GA和催化剂硫酸对硝化细菌有毒害作用，这导致逐步交联的载体活性比单一硼酸交联的载体有所降低。两个因素的共同作用致使不同载体间对氨氮的降解率差别不大(图5)。此外，与模拟废水相比，生活废水中存在的大量的异养菌和耗氧污染物，也对硝化细菌产生抑制作用，从而一定程度上降低了硝化细菌的活性，导致各种载体包埋的硝化细菌在处理生活污水时氨氮降解率(60%～70%)都明显低于处理模拟废水时的氨氮降解率(80%～100%)。

3 结论

本研究通过共混增强和逐步交联的方法改善载体的机械强度和耐久性。拉伸实验发现，机械性能与弹性性能最好的载体是GA-PVA-SA-WG，与PVA-SA载体相比，GA-PVA-SA-WG载体的拉伸强度提高了15%，断裂伸长率增加了6.4倍。通过对载体的化学稳定性的分析，发现GA-PVA-SA-WG和GA-PVA-SA-PPF在水中的溶出量最少(<2%)，化学稳定性最好，比PVA-SA载体的稳定性提高了2.7倍。在对载体的重复使用性能的测试中发现，GA-PVA-SA-WG和GA-PVA-SA-PPF的氨氮去除率略低于其他载体，但是化学稳定性却更优。以上结果表明本研究制得的增强型PVA载体在长周期的废水处理过程中具有潜在的应用前景。