固定化脱氮菌剂处理垃圾渗滤液尾水研究

武夏溦，湛小静，余佳芯，陈聪

（成都理工大学 生态环境学院，四川成都 610059）

垃圾渗滤液中污染物浓度高且成分复杂[1]，经过二级处理，其尾水中依然含有较高浓度的硝态氮和部分难生物降解的有机氮[2]，硝酸盐的积累不仅会导致环境恶化[3]，还会使动植物中毒[4]。常用的处理垃圾渗滤液尾水的方法为吸附法[5]、混凝法[6]、催化氧化法[7]等，但是这些方法主要针对有机物，对硝态氮几乎无效，且设备成本高、流程复杂、耗能大。生物反硝化脱氮技术是目前具有发展前景的脱氮技术，其高效、低耗且环境友好[8-9]。

固定化复合菌技术是一种新型的废水处理技术，将固定化技术与复合菌体系相结合，既具有微生物密度高、反应速度快、耐毒害能力和适应能力强等的优点[10]，又可通过不同菌株功能互补建立一个相对稳定的微生态系统，相较于单一菌种处理污水效果更优[11]。

本研究对两种由渗滤液中分离的菌株构建的复合菌体系进行固定化，研制出能高效脱氮的固定化复合菌剂，以期为垃圾渗滤液尾水的脱氮处理提供技术选择，实现垃圾渗滤液尾水的达标排放。

1 材料与方法

1.1 试剂与仪器

葡萄糖、KNO3、NH4Cl、KH2PO4、K2HPO4·3H2O以及MgSO4·7H2O，均为分析纯，成都科龙化工试剂厂。

UV-5100型紫外可见分光光度计，上海元析仪器有限公司；BS-2F型数显恒温振荡培养箱，金坛市梅香仪器有限公司；GE54TW型高压灭菌锅，无锡市一加生物科技有限公司；SQP型电子分析天平，赛多利斯科学仪器有限公司；SG2型便携式pH计，梅特勒-托利多仪器（上海）有限公司。

1.2 培养基

好氧反硝化培养基/模拟渗滤液尾水（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，调节pH值至7.0。好氧反硝化培养基/模拟渗滤液尾水经115 ℃灭菌20 min。

1.3 菌种的筛选及鉴定

试验所选菌株是从四川省广元市苍溪县金垭子生活垃圾填埋场的垃圾渗滤液中筛选得到的2株脱硝氮性能较好的菌株，运用16S rDNA序列分析技术鉴定所筛选菌株。

1.4 固定化复合菌的制备及脱氮条件优化

1.4.1 固定化小球制备及其结构表征

两菌株按质量比1∶1进行复配，以海藻酸钠（Sodium Alginate，SA）为包埋材料，CaCl2为交联剂，将SA溶液与复合菌剂（OD600约0.6）等体积混合，逐滴滴入已灭菌的CaCl2溶液中，得到成型的固定化小球（湿重约2.299 g）。

1.4.2 固定化小球制备优化

通过正交试验对SA浓度（A）、CaCl2浓度（B）和交联时间（C）3个因素进行探究，采用L9（33）正交表和综合加权分析法对脱氮效率进行分析。本试验利用NO3--N的含量、TN的去除率及NO2--N的积累，根据指标因素对包埋条件影响的贡献大小的差异给予分配不同的权重系数，即NO3--N权重系数为0.4，NO2--N及TN权重系数都为0.3，进行加权求和，综合评分OD的计算公式为：

式（1）中，W1为 NO3--N去除率，%；W2为NO2--N去除率，%；W3为TN去除率，%；Wmax1、Wmax2、Wmax3为其中的最大值。同时结合固定化小球脱氮性能的测试结果，确定其最优的制备条件。试验因素水平见表1。

表1 脱氮效果优化的正交试验因素水平表

1.4.3 脱氮条件优化分析

试验采用3因素3水平正交设计，对投加量（A）、温度（B）、pH（C）3个因素进行探究，将固定化小球按照试验设置分别投加到100 mL反硝化培养基中，振荡培养4 d后，测定水体中TN、NO2--N和NO3--N含量并计算其去除率，探究不同环境条件下固定化微生物小球的脱氮效果。试验因素水平见表2。

表2 固定化耐受性的正交试验因素水平表

1.5 试验方法

本试验参考垃圾渗滤液尾水的相关水质参数[12]进行模拟试验（NO3--N为150 mg/L），在模拟尾水中按照1∶1的体积比接入固定化小球和活化好的菌液，每个处理设3个重复，在选定的温度和pH下120 r/min振荡培养，每天取上清液检测其中TN、NO2--N和NO3--N的含量。

1.6 分析方法

1.6.1 水质指标测定

试样中的NO3--N、NO2--N和TN，根据《水和废水监测分析方法》（第四版增补）[13]所述，分别以紫外分光光度法、N-（1-萘基）-乙二胺分光光度法和碱性过硫酸钾消解-紫外分光光度法方法测定。

1.6.2 固定化小球性能测试

小球的弹性系数、传质性能等各种理化性质是检验固定化小球性能的重要指标，具体检测方法如下。

（1）弹性系数。取3颗粒径相同的小球，呈品字形放置在载玻片上并盖上盖玻片，测量此时盖玻片与载玻片之间的距离，然后往盖玻片上加砝码，60 s过后，测量盖玻片与载玻片之间的距离，弹性系数d计算公式为[14]：

式（2）中：x为小球质量，kg；S1为加砝码前盖玻片与载玻片之间的距离，m；S2为加砝码60 s后盖玻片与载玻片之间的距离，m；g为重力常数，取9.8 N/kg。

（2）成球性。形成大小均一小球的难易程度和有无拖尾现象。

（3）粘连性。在交联期间，轻微搅动观察小球之间是否会粘连，粘连度越低越好。

（4）弹性。以挤压恢复的快慢程度和软硬程度为测试依据。

（5）传质性能。将固定化小球投入到红墨水中浸染，测量红墨水的浸染深度来计算其渗透率。

2 结果与分析

2.1 菌株系统发育分析鉴定

经16S rDNA序列鉴定和系统发育树鉴定，PM02和PR07分别属于摩氏假单胞菌（Pseudomonas mosselii）和树脂假单胞菌（Pseudomonas resinovorans），不属于同一种菌，如图1（a）和图1（b）所示。

图1 菌株的16S rDNA基因系统发育分析

2.2 固定化条件优化

2.2.1 最佳包埋条件的确定

固定化小球的性能测试结果如表3所示。7%SA对应的固定化小球（4、5、6号）弹性系数较大，但有拖尾现象。3%SA小球形状规则无拖尾现象，优于7%SA小球，主要因为其中的SA浓度过高导致溶液黏稠，影响小球成型。弹性系数越大，小球越不易变形但容易脆裂，使培养液变浑浊，与徐阳等[15]的实验结果一致。SA浓度为5%时，虽有轻微拖尾现象，但1、2、8号小球的其他性能较优。但由于传质性能在SA为3%和5%时并没有太明显的差异，则需对其脱氮效率进行进一步分析。

表3 固定化小球的性能测试结果

脱氮效率测试结果如表4所示。结合表4看，SA浓度越高其加权结果越低，推测可能是由于浓度较大的SA使得网状结构更为致密，影响了一定的传质性，因此将优先选择3%SA的固定化小球。其中，9号小球的脱氮效率最优，最终加权结果也最高。因此，选择9号小球进行下一步试验。

表4 脱氮效率测试结果

2.2.2 固定化小球的脱氮条件优化

固定化小球的最优脱氮条件从NO3--N去除率和TN去除率两个方面进行分析，正交试验结果及极差分析见表5、表6。

表5 耐受性正交试验结果

表6 极差分析结果

由表6可知，对于NO3--N去除率和TN的去除率，投加量、温度和pH 3个因素的极差R值均为RC＞RB＞RA。因此，对NO3--N的最佳去除方案为A2B1C1，同理对TN的最佳去除方案为A3B1C2。包埋的菌体本身最适pH=7.0，选用pH=7.0作为固定化小球的最佳条件。最终，固定化小球的脱氮最佳条件为A2B1C2，即 22.99 g/L 投加量、温度 25 ℃、pH=7.0。

由于试验组里没有A2B1C2，因此将固定化小球在该条件下重新进行实验，并得到了最大限度的脱氮效果，其中NO3--N去除率为98.48%，TN去除率为76.91%。

2.3 模拟尾水中固定化菌剂和游离态菌剂的脱氮效果

固定化菌剂和游离态菌剂在处理尾水时均能发挥反硝化作用。如图2（a）所示，固定化和游离态菌剂在0～96 h的NO3--N去除率迅速下降，去除率分别达到了100%、94.18%，可见固定化菌剂具有更强的脱氮性，能完全去除尾水中的NO--N。如图2（b）3所示，在24～48 h游离态菌剂和固定化菌剂都存在NO2--N的积累，可能是因为反硝化过程中氧化还原电位高的硝酸盐对电子的竞争能力大于亚硝酸盐，导致少量亚硝酸盐的积累[16]，但相对于游离组菌剂，固定化菌剂组亚硝酸盐积累较少。如图2（c）所示，在72～96 h TN去除率趋于稳定分别达到75.85%、82.18%，并且在每个时间点固定化菌剂的TN去除效率都优于游离态菌剂。这是因为固定化小球具有内部复杂的腔体结构，形成大量的空隙，这些空隙不仅为微生物提供了大量的附着位点，而且有利于尾水从中间穿过，净化尾水。因此，固定化菌剂的脱氮效果比游离态菌剂的效果好。

图2 模拟渗滤液尾水中固定化和游离菌剂的脱氮性能

3 结论

从垃圾渗滤液中分离出的两株好氧反硝化菌PM02和PR07，根据系统发育树鉴定为摩氏假单胞菌（Pseudomonas mosselii）和树脂假单胞菌（Pseudomonas resinovorans）。

固定化小球中，胶聚合物的网络可以阻止细胞的泄露，同时又能让基质渗入和产物扩散出来，有较优的物理性能。由正交试验设计可得固定化小球制作的最优方案为3% SA，4% CaCl2，交联时间18 h。

通过研究菌株固定化小球的最优脱氮条件，结果表明当投加量为22.99 g/L，pH=7.0，温度25 ℃时，好氧反硝化效果能够达到最大限度的脱氮效果。

通过研究游离态菌剂和固定化菌剂对模拟尾水的净化能力，结果表明，固定化菌剂的脱氮效果更优，且固定化小球易于与尾水分离，能进行重复使用，更适用于垃圾渗滤液尾水中氮污染物的处理。