固定化复合菌处理养猪废水的包埋条件优化

张文东，钟成华，，刘 鹏，陈 建

（1.重庆工商大学环境与生物工程学院，重庆400067；2.重庆大学城市建设与环境工程学院，重庆400045；3.重庆市环境科学研究院，重庆401147）

随着社会经济的高速发展和人口的急剧增加，水体污染越来越严重，特别是养殖业产生的废水已成为主要的水体污染源之一［1－3］。由于高浓度的COD和氨氮等营养物，养猪废水的处理或循环使用一直是一个急需解决的问题，特别是在经过厌氧处理后的养猪废水存在C／N比较低，用传统的处理方法很难达到废水处理的要求。

固定化微生物技术是指采用化学或物理的方法将微生物或游离细胞固定在限定的空间区域内，使其保持高度密集并保持其生物活性功能，在适宜的条件下还可以增殖以满足应用之需的生物技术。固定化微生物技术［4－10］与传统的处理方法相比，具有可保持高效优势菌种、处理效率高、生物量大、运行稳定、易固液分离等优点。然而，在固定化技术中，包埋固定化技术与其他几种固定化技术相比优势更为突出，是最受研究者和工程应用青睐的一种技术。因此，采用包埋固定化复合菌技术处理养猪废水具有广阔的应用前景［11－15］。

为了使固定化小球能在废水处理中体现出更好的效果，很多研究者通过添加不同的添加剂来提高小球的性能，比如活性炭、硅藻土、累托石等。本研究依托于长江边大量的天然河沙，探索添加河沙制备固定化小球用于废水处理。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

1.1.1 材料

聚乙烯醇（PVA）∶化学纯；海藻酸钠（SA）∶化学纯；氯化钙（CaCl2）∶化学纯；硼酸（H3BO3）∶化学纯；复合菌：本实验室选育的光合细菌和硝化细菌（光合细菌∶硝化细菌＝1∶2）。

1.1.2 主要仪器

DR 2800分光光度计（美国HACH公司）；AL 104电子分析天平（瑞士梅特勒－托利多公司）；TGL－16B离心机（上海菲恰尔分析仪器有限公司）；pHS－3型酸度计（上海天达仪器有限公司）。

1.2 实验方法

1.2.1 制备方法（见图1）

图1 包埋固定化复合菌制备流程

1.2.2 分析方法

采用纳氏试剂分光光度法测定氨氮含量。

2 各因素与氨氮去除率的关系及最佳工艺条件的确定

2.1 PVA浓度对氨氮去除率的影响

PVA浓度对氨氮去除率的影响见图2。

由图2可知，当PVA浓度小于9%时，氨氮去除率随固定化小球所含PVA浓度增加而提高，当PVA浓度增加至9%时，氨氮去除率达到最高。当PVA浓度超过9%时，氨氮去除率随制备固定化小球所用的PVA浓度增加而减小。当PVA浓度较小时，制备的固定化小球机械强度不高，使用寿命短；当PVA浓度较高时，凝胶浓度高，固定化小球易粘连。PVA浓度增加，将导致传质阻力增大，影响微生物活性，氨氮的去除率也会随之下降。

图2 PVA浓度对氨氮去除率的影响

2.2 SA浓度对氨氮去除率的影响

SA浓度对氨氮去除率的影响见图3。

图3 SA浓度对氨氮去除率的影响

通过实验发现，随着凝胶液中SA浓度的增加，固定化小球成型就越来越容易。固定化小球中SA浓度在0～0.3%范围时，氨氮去除率变化幅度较小；随着SA浓度增加，氨氮去除率随之增加；当SA浓度为0.9%时，氨氮的去除率达到最大；但随着SA浓度的继续增加，氨氮去除率开始下降。分析原因可能是，当SA浓度较大时，凝胶液比较黏稠，制备的固定化小球性能有所下降；也有可能是SA对养猪废水的耐受性差。

2.3 包沙量对氨氮去除率的效果

首次采用河沙作为添加剂制备固定化小球。通过实验研究发现：选取100目的河沙作为添加剂所制备的固定化小球效果较好。包河沙量对氨氮去除率的影响见图4。

图4 包河沙量对氨氮去除率的影响

由图4可知，包埋固定化小球中河沙含量变化导致小球对氨氮的去除效果也发生变化，过高或过低时小球对氨氮的去除效果都不好，在河沙投加量为2%时，小球对氨氮的处理效果最好。分析原因可能是：在制备固定化小球的过程中，添加适量的河沙，可以在小球内部起到支撑空间骨架的作用，有助于小球空隙率的增加，降低底物进入小球的扩散阻力，微生物的活性得到了很好的保持。添加河沙过少，河沙在小球内部起到支撑空间骨架的作用有限，小球的通透性和吸附能力只能得到很小的改善；但添加河沙过量，又会堵塞小球中的孔道，在小球内没有足够的空间来满足微生物的增殖所需，并且当河沙含量过高时，制备的固定化小球表面容易裂开，小球内部的微生物容易流失，导致处理效果不好。

2.4 包菌量对氨氮去除率的效果

包菌量对氨氮去除率的效果见图5。

图5 包菌量对氨氮去除率的影响

由图5可知，固定化小球对养猪废水氨氮的去除率随包埋的微生物量增加而提高，当微生物包埋量为20%时比较理想（光合细菌、硝化细菌为1∶2配比），当包埋量超过20%后，小球对氨氮的去除效果开始下降。分析其原因可能是：当包埋的微生物量过大，微生物在小球内大量的增殖，微生物数量过多，小球易破损；包埋微生物量为25%时，制备的固定化小球机械强度有明显降低，小球在处理养猪废水的同时有明显的小球体积胀大而导致微生物溢出。

2.5 正交试验确定最佳包埋条件

通过单因素试验可以看出，对固定化小球去除氨氮影响较大的因素有：PVA浓度、SA浓度、包沙量、包菌量。所以，正交试验安排4个因素，每个因素安排3个水平，分别为：PVA浓度（A）、SA浓度（B）、包沙量（C）、包菌量（D）。每个因素的取值及其水平见表1。

表1 正交试验因子水平

表2 正交试验结果

从以上结果分析可知，PVA浓度、SA浓度、包菌量对养猪废水中氨氮的去除效果影响较大，包沙量影响较小。

从试验结果可以得出以下结论：PVA凝胶液浓度是影响去除效果的主要因素。当PVA浓度小于9%时，氨氮去除率随制备固定化小球所用的PVA浓度增加而增大，当PVA浓度增大至9%时，氨氮去除率达到最高。当PVA浓度继续增加时，氨氮去除率有所下降，但变化不大。包菌量取20%时，氨氮去除率达到最大，而且比其他几个水平去除效果好。SA浓度对养猪废水中氨氮的去除率的影响波动比较大。

3 结论

（1）在选定的4个影响因素中：对包埋固定化复合菌小球去除养猪废水中氨氮影响从大到小分别是PVA浓度、包菌量、SA浓度、包河沙量。

（2）通过单因素试验和正交试验得到制备包埋固定化复合菌小球的最优条件为：PVA浓度9.0%，SA浓度0.7%，包菌量20.0%，包沙量2.0%。固定化小球在含1.5%CaCl2且pH为6.7的交联液饱和硼酸溶液浸泡24h。

（3）通过考虑制备包埋固定化复合菌小球的成本和可操作性，以河沙作为添加剂制备包埋固定化复合菌小球用于去除养猪废水中的氨氮是可行的。

［1］ 高克强，高怀友.畜禽养殖业污染物处理与处置［M］.北京：化学工业出版社，2004：1－20.

［2］ 刘 昕.保护环境实现畜禽养殖业可持续发展［J］.饲料广角，2005（1）：31－33.

［3］ 孙振钩.中国畜牧业环境污染问题亟待解决［J］.饲料工业，2000，21（4）：4－5.

［4］ 王宗华，庞金钊，林 枫.生物技术治理富营养化河水水体研究［J］.三峡环境与生态，2006，7（1）：89－93.

［5］ 毛雪慧，徐明芳.光和细菌固定化及其处理含油废水的研究［J］.农业环境科学学报，2009，28（7）：1494－1499.

［6］ 陈 君，张爱晓，钟卫鸿，等.固定化脱氮细菌协同除氨氮废水及生物膜观察［J］.生物技术，2008，18（3）：76－80.

［7］ 齐素芳，余煜棉，赖子尼，等.复合载体固定化硝化细菌去除水体中氨氮的研究［J］.广东工业大学学报，2007，24（2）：15－19.

［8］ 王伟宁.固定化硝化细菌对氨氮的去除［J］.广西轻工业，2007（7）：29－30.

［9］ 贾 燕，江 栋，刘 永，等.固定化硝化细菌去除氨氮和气相氨的试验研究［J］.给水排水，2009（S1）：18－23.

［10］ 何 萍，吴向华.光和细菌固定化及其处理黄泔水的研究［J］.扬州大学学报：农业与生命科学版，2005，26（3）：91－94.

［11］ Yang P，Zhang Q，Jeng B.Simultaneous removal of carbon and nitrogen using an EMMC process［J］.Water Research，1997，10（31）：2 617－2625.

［12］ Takeno K，Yamaoka Y，Sasaki K.Treatment of oil－containing sewage wastewater using immobilized photosynthetic Bacteria［J］.World Journal of Microbiology ＆Biotechnology，2005，8（21）：1385－1391.

［13］ Bioshop PL，Zhang TC，Fu YC.Effects of biofilm structure，microbial distributions and mass transport on biodegradation processes［J］.Wat Sci Technol，1995，31（1）：143－145.

［14］ Caldwell SR，Raushel FM.Detoxification of organ ophosphate pestlicides using a nylon based immobilhzed phosphotm esterase from pseudomonas diminctol［J］.Appl Biochem Biotech，1991，31（1）：59－73.

［15］ Yang P，Chen H.，Km SJ.Integrating entrapped mixed microbial cell（EMMC）process for biological removal of carbon and nitrogen from dilute swine wastewater［J］.Bioresource Technology，2003，86（3）：245－252.