3种包埋剂固定化硝化细菌的制备与性能*

苗娟 魏学锋 贾晓平 李岳霖 周鸣 卢伟伟

(1.河南科技大学化工与制药学院 河南洛阳 471023; 2.广东省渔业生态环境重点实验室 广州 510300)



3种包埋剂固定化硝化细菌的制备与性能*

苗娟1魏学锋1贾晓平2李岳霖1周鸣1卢伟伟1

(1.河南科技大学化工与制药学院 河南洛阳 471023; 2.广东省渔业生态环境重点实验室 广州 510300)

采用琼脂、海藻酸钠、聚丙烯酰胺3种包埋方法制备出硝化细菌污泥固定小球，考察了成球的难易及其物理机械性能，并采用制备小球进行氨氮的降解实验。结果表明，3种固定化小球对氨氮的转化均有明显活性，琼脂固定化小球的活性最好，保存时间长，但成球较困难，聚丙烯酰胺成球容易而活性相对偏低，相比之下，海藻酸钠固定化小球的活性较高且易成球，具有较好的应用前景。

硝化细菌 包埋剂 固定化 氨氮

0 引言

人为创造低温、干燥或缺氧条件，抑制微生物的代谢作用，可使其生命活动降至最低程度或处于休眠状态[5]，根据这个特点，考虑将硝化细菌进行一定时间的储存和固定。将固定化硝化细菌用于去除水体中氨氮具有较高的研究意义，可以有选择地在夏季对硝化细菌需求较大时投加，对于养殖业具有重要的实用价值。

固定化硝化菌载体的筛选主要考虑固定细胞凝胶颗粒的机械强度、缩水性能、化学稳定性和微生物活性等因素[6]，其中，载体本身的性质及细胞包埋量尤为重要[7]。在低温和低pH值的条件下，与未包埋的细胞相比，固定化细胞能够保留更高的脱氨活性，减轻溶解氧对脱氮的抑制作用，而且脱氮微生物可以在固定化载体增殖[8]。赵兴利等[9]采用PVA-H3BO3包埋粉末活性炭和驯化硝化菌，在流化床生物反应器中，以SBR方式运行，发现固定化硝化菌寿命长达7个月以上。周珊等[10]将含有硝化菌和反硝化菌等菌种的微生物菌剂经驯化后固定在竹炭上，并处理模拟氨氮水样，随固定化微生物投加量的增加，氨氮去除率趋于增大。黄正等[11]选用聚乙烯醇作为包埋载体，添加适量粉末活性炭包埋固定化硝化污泥，用于处理养殖废水。此外，微生物固定化技术还应用于酚类[12]和染料[13]废水的处理。

本研究选取琼脂、海藻酸钠和聚丙烯酰胺3种包埋材料，对富集培养后的硝化细菌进行固定化，比较它们的特性和处理氨氮废水的效果。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

化学试剂：琼脂(上海蓝秀科技发展有限公司)，分析纯；液体石蜡(天津市德恩化学试剂有限公司)，分析纯；海藻酸钠(天津市风船化学试剂科技有限公司)，分析纯；聚乙烯醇(天津市科密欧化学试剂开发中心)，分析纯。

硝化细菌：对洛阳市涧西污水处理厂二沉池的回流污泥进行培养，使其中异养细菌减少，硝化细菌数量增加，成为优势菌。将富集培养的硝化细菌以1 000 r/min的速度离心3 min，弃去上清液，用生理盐水重复洗涤2～3次，稀释4倍，制成菌悬液备用。

实验仪器：721型分光光度计(上海精密科学仪器有限公司)；HH电子恒温不锈钢水浴锅(巩义市英峪予华仪器厂)；DT200A电子天平(常熟市佳衡天平仪器有限公司)；TDL-50B台式离心机(上海安亭科学仪器厂)；ACO系列电磁式空气泵(森森集团股份有限公司)；磁力搅拌器(上海司乐仪器有限公司)。

1.2 固定化硝化细菌制备方法

1.2.1 琼脂固定化硝化细菌的制备

称量0.9 g琼脂粉，熬成琼脂糊状液，取5 mL菌悬液稀释2倍，在45 ℃下将二者混匀，采用滴加装置将胶体状液体滴加到上层为石蜡下层为水的烧杯中。待固化成小球后滤出，用生理盐水洗涤2～3次。装入密封袋，放入冰箱保存。

1.2.2 海藻酸钠固定化硝化细菌的制备

将浸泡24 h的海藻酸钠(SA)加热溶解，然后冷却至室温，取5 mL菌悬液稀释4倍，将两者混匀，海藻酸钠浓度为2%，用滴加装置将其慢慢滴入5% CaCl2溶液(凝胶化剂)，不断搅拌，冰浴条件下交联4 h，滤出小球颗粒，洗涤2～3次。密封，放入冰箱保存。

1.2.3 聚丙烯酰胺固定化硝化细菌的制备

称取0.3 g海藻酸钠、3 g丙烯酰胺单体、0.225 g N,N-亚甲基双丙烯酰胺，加水溶解。加入0.07 mL四甲基乙二胺(TEMED)，冷却后加菌悬液，稀释至30 mL，最终浓度为海藻酸钠1%、丙烯酰胺单体10%、N,N-亚甲基双丙烯酰胺0.75%、TEMED 0.25%。滴入含0.5% TEMED、5% CaCl2、1% K2S2O3的混合溶液中，成球。

1.3 固定化硝化细菌活性的恢复

在500 mL烧杯中加入质量浓度为100 mg/L的氨氮溶液100 mL，加入200 mL硝化细菌培养液，将pH值调至8.0～8.5间，加入5 g自制固定化硝化细菌，用蒸馏水加至450 mL，室温条件下，不连续曝气处理，每24 h测氨氮质量浓度，调整pH值，活性恢复后的小球固定化硝化细菌用于氨氮的降解。

1.4 水样中氨氮的测定

固定化硝化细菌经过3 d活性恢复后，每天测定水体中氨氮质量浓度，分析氨氮去除率，氨氮的测定采用纳氏试剂分光光度法[14]。

2 结果与讨论

2.1 琼脂固定硝化细菌小球形貌与性能

2.1.1 琼脂固定硝化细菌小球形貌

以天然高分子多糖的琼脂为载体包埋硝化细菌制备的小球如图1所示。

图1 琼脂固定化硝化细菌小球(电子显微镜)

琼脂固定化小球的制备相对来说比较容易，成球比较规则，但是小球表面粗糙，弹性和机械强度不够，氧和底物及产物的扩散受到限制。

2.1.2 琼脂固定硝化细菌小球去除氨氮效能

取100 mL氨氮质量浓度分别为100，50和20 mg/L的模拟氨氮废水为降解对象，加入2 g制备出的琼脂-石蜡固定化小球，25 ℃，140 r/min条件下振荡处理，每24 h测氨氮质量浓度，将pH值调至8.0～8.5之间。氨氮的去除效果如图2所示。

图2 琼脂固定化小球氨氮去除效果

由图2可见，初始质量浓度为20 mg/L的氨氮废水，降解96 h，氨氮去除率达到100%；氨氮初始质量浓度为100 mg/L时，反应120 h，氨氮的去除率接近80%。

2.2 海藻酸钠固定硝化细菌小球形貌与性能

2.2.1 海藻酸钠固定硝化细菌小球形貌

海藻酸钠是一类天然高分子多糖类，对微生物没有毒害作用，但其浓度会影响固定化细胞的机械强度、质量传递等，进而影响到微生物的活性。海藻酸钠浓度越低越易成球，但机械强度也随之降低，在实验过程中选择海藻酸钠的浓度为3%。以海藻酸钠为载体包埋硝化细菌制备的小球，如图3所示。

图3 海藻酸钠固定化硝化细菌小球(电子显微镜)

海藻酸钠固定化小球在制备过程中比较容易，机械强度与弹性好，但是其成球性差，而且受海藻酸钠浓度和CaCl2浓度的限制。

2.2.2 海藻酸钠固定硝化细菌小球去除氨氮效能

取100 mL氨氮质量浓度分别为100，50和20 mg/L的模拟氨氮废水为降解对象，加入2 g制备出的海藻酸钠固定化小球，25 ℃，140 r/min条件下振荡处理，每24 h测氨氮质量浓度，将pH值调至8.0～8.5之间，氨氮的去除效果如图4所示。

由图4可见，海藻酸钠包埋硝化细菌对氨氮具有较好的去除效果，初始氨氮质量浓度为20 mg/L的水样，降解120 h，氨氮去除率达100%；初始质量浓度为100 mg/L和50 mg/L的水样，降解120 h后，氨氮去除率分别为43.5%和70.8%。

图4 海藻酸钠固定化小球氨氮去除效果

2.3 聚丙烯酰胺固定硝化细菌小球形貌与性能

2.3.1 聚丙烯酰胺固定硝化细菌小球形貌

聚丙烯酰胺(PAM)为水溶性高分子聚合物，不溶于大多数有机溶剂，具有良好的絮凝性，以聚丙烯酰胺为载体包埋硝化细菌制备的小球，如图5所示。

聚丙烯酰胺固定化颗粒制备相对容易，所制备的固定化颗粒成球性好，机械强度高，弹性好，菌体不会泄露，不易破碎。

图5 聚丙烯酰胺固定化硝化细菌小球(电子显微镜)

2.3.2 聚丙烯酰胺固定硝化细菌小球去除氨氮效能

固定反应条件25 ℃，140 r/min条件下振荡处理，将pH值调至8.0～8.5之间，2 g的聚丙烯酰胺固定化小球对100 mL氨氮质量浓度分别为100，50和20 mg/L的模拟氨氮废水降解效果如图6所示。

图6 聚丙烯酰胺固定化小球氨氮去除效果

由图6可见，聚丙烯酰胺固定化小球对氨氮去除效果不如海藻酸钠和琼脂固定小球。可能是因为聚丙烯酰胺为包埋材料时所需的一些试剂如TEMED，K2S2O3对细菌细胞有毒性，致使其活性降低。此外，聚合时间和反应温度也可能影响固定化细菌的数量和活性。

将3种固定化小球分别装入密封袋中置于冰箱冷藏保存，一个月后取出观察，发现琼脂固定化的硝化细菌完好，其他两种密封袋中均有液体析出，且小球明显变小，即琼脂固定的硝化细菌小球容易保存。

3 结论

(1)琼脂固定化法固定硝化细菌，操作时温度不易控制，不易成型，机械强度高，氨氮去除效果较好。

(2)海藻酸钠法固定硝化细菌，易成型，但机械强度不高，弹性好通透性不错，氨氮去除效果较好。

(3)聚乙烯醇作为固定化材料，有很高的机械强度，不易生物降解，但聚乙烯醇对硝化细菌有破坏的作用，故其固定的硝化细菌小球对氨氮的处理效果比琼脂法和海藻酸钠法要差一些。

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[14]水和废水监测分析方法[M].北京: 中国环境科学出版社,2002.

Preparation and Performance of Immobilized Nitrobacteria by Three Embedding Materials

MIAO Juan1WEI Xuefeng1JIA Xiaoping2LI Yuelin1ZHOU Ming1LU Weiwei1

(1.CollegeofChemicalEngineering&Pharmaceutics,HenanUniversityofScienceandTechnologyLuoyang,Henan471023)

In this work, the nitrobacteria immobilized cells are prepared using three embedding materials, such as agar, sodium alginate and polyacrylamide. The balling complexities and physical and mechanical properties are investigated. The prepared immobilized nitrobacteria cells are also employed to degrade the ammonia wastewater. Experimental results show that the three cells have activity to ammonia nitrogen conversion. Agar immobilized nitrobacteria cells have higher activity and longer store life, but poor balling property. Polyacrylamide immobilized nitrobacteria cells have good balling property, but lower activity. In comparison, sodium alginate immobilized nitrobacteria cells have both good balling property and better degradation activity, which is prospective.

nitrobacteria embedding material immobilization ammonia nitrogen

河南科技大学大学生研究训练计划(SRTP)(2014091)，广东省渔业生态环境重点实验室开放基金资助(LFE-2014-6 )。

苗娟，女，1979年生，讲师，研究方向为污水处理及其资源化。

2015-10-19)