張文東，鐘成華，，劉 鵬，陳 建

（1.重慶工商大學(xué)環(huán)境與生物工程學(xué)院，重慶400067；2.重慶大學(xué)城市建設(shè)與環(huán)境工程學(xué)院，重慶400045；3.重慶市環(huán)境科學(xué)研究院，重慶401147）

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和人口的急劇增加，水體污染越來越嚴(yán)重，特別是養(yǎng)殖業(yè)產(chǎn)生的廢水已成為主要的水體污染源之一［1－3］。由于高濃度的COD和氨氮等營養(yǎng)物，養(yǎng)豬廢水的處理或循環(huán)使用一直是一個(gè)急需解決的問題，特別是在經(jīng)過厭氧處理后的養(yǎng)豬廢水存在C／N比較低，用傳統(tǒng)的處理方法很難達(dá)到廢水處理的要求。

固定化微生物技術(shù)是指采用化學(xué)或物理的方法將微生物或游離細(xì)胞固定在限定的空間區(qū)域內(nèi)，使其保持高度密集并保持其生物活性功能，在適宜的條件下還可以增殖以滿足應(yīng)用之需的生物技術(shù)。固定化微生物技術(shù)［4－10］與傳統(tǒng)的處理方法相比，具有可保持高效優(yōu)勢(shì)菌種、處理效率高、生物量大、運(yùn)行穩(wěn)定、易固液分離等優(yōu)點(diǎn)。然而，在固定化技術(shù)中，包埋固定化技術(shù)與其他幾種固定化技術(shù)相比優(yōu)勢(shì)更為突出，是最受研究者和工程應(yīng)用青睞的一種技術(shù)。因此，采用包埋固定化復(fù)合菌技術(shù)處理養(yǎng)豬廢水具有廣闊的應(yīng)用前景［11－15］。

為了使固定化小球能在廢水處理中體現(xiàn)出更好的效果，很多研究者通過添加不同的添加劑來提高小球的性能，比如活性炭、硅藻土、累托石等。本研究依托于長江邊大量的天然河沙，探索添加河沙制備固定化小球用于廢水處理。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

1.1.1 材料

聚乙烯醇（PVA）∶化學(xué)純；海藻酸鈉（SA）∶化學(xué)純；氯化鈣（CaCl2）∶化學(xué)純；硼酸（H3BO3）∶化學(xué)純；復(fù)合菌：本實(shí)驗(yàn)室選育的光合細(xì)菌和硝化細(xì)菌（光合細(xì)菌∶硝化細(xì)菌＝1∶2）。

1.1.2 主要儀器

DR 2800分光光度計(jì)（美國HACH公司）；AL 104電子分析天平（瑞士梅特勒－托利多公司）；TGL－16B離心機(jī)（上海菲恰爾分析儀器有限公司）；pHS－3型酸度計(jì)（上海天達(dá)儀器有限公司）。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 制備方法（見圖1）

圖1 包埋固定化復(fù)合菌制備流程

1.2.2 分析方法

采用納氏試劑分光光度法測(cè)定氨氮含量。

2 各因素與氨氮去除率的關(guān)系及最佳工藝條件的確定

2.1 PVA濃度對(duì)氨氮去除率的影響

PVA濃度對(duì)氨氮去除率的影響見圖2。

由圖2可知，當(dāng)PVA濃度小于9%時(shí)，氨氮去除率隨固定化小球所含PVA濃度增加而提高，當(dāng)PVA濃度增加至9%時(shí)，氨氮去除率達(dá)到最高。當(dāng)PVA濃度超過9%時(shí)，氨氮去除率隨制備固定化小球所用的PVA濃度增加而減小。當(dāng)PVA濃度較小時(shí)，制備的固定化小球機(jī)械強(qiáng)度不高，使用壽命短；當(dāng)PVA濃度較高時(shí)，凝膠濃度高，固定化小球易粘連。PVA濃度增加，將導(dǎo)致傳質(zhì)阻力增大，影響微生物活性，氨氮的去除率也會(huì)隨之下降。

圖2 PVA濃度對(duì)氨氮去除率的影響

2.2 SA濃度對(duì)氨氮去除率的影響

SA濃度對(duì)氨氮去除率的影響見圖3。

圖3 SA濃度對(duì)氨氮去除率的影響

通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨著凝膠液中SA濃度的增加，固定化小球成型就越來越容易。固定化小球中SA濃度在0～0.3%范圍時(shí)，氨氮去除率變化幅度較小；隨著SA濃度增加，氨氮去除率隨之增加；當(dāng)SA濃度為0.9%時(shí)，氨氮的去除率達(dá)到最大；但隨著SA濃度的繼續(xù)增加，氨氮去除率開始下降。分析原因可能是，當(dāng)SA濃度較大時(shí)，凝膠液比較黏稠，制備的固定化小球性能有所下降；也有可能是SA對(duì)養(yǎng)豬廢水的耐受性差。

2.3 包沙量對(duì)氨氮去除率的效果

首次采用河沙作為添加劑制備固定化小球。通過實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)：選取100目的河沙作為添加劑所制備的固定化小球效果較好。包河沙量對(duì)氨氮去除率的影響見圖4。

圖4 包河沙量對(duì)氨氮去除率的影響

由圖4可知，包埋固定化小球中河沙含量變化導(dǎo)致小球?qū)Π钡娜コЧ舶l(fā)生變化，過高或過低時(shí)小球?qū)Π钡娜コЧ疾缓?，在河沙投加量?%時(shí)，小球?qū)Π钡奶幚硇Ч詈?。分析原因可能是：在制備固定化小球的過程中，添加適量的河沙，可以在小球內(nèi)部起到支撐空間骨架的作用，有助于小球空隙率的增加，降低底物進(jìn)入小球的擴(kuò)散阻力，微生物的活性得到了很好的保持。添加河沙過少，河沙在小球內(nèi)部起到支撐空間骨架的作用有限，小球的通透性和吸附能力只能得到很小的改善；但添加河沙過量，又會(huì)堵塞小球中的孔道，在小球內(nèi)沒有足夠的空間來滿足微生物的增殖所需，并且當(dāng)河沙含量過高時(shí)，制備的固定化小球表面容易裂開，小球內(nèi)部的微生物容易流失，導(dǎo)致處理效果不好。

2.4 包菌量對(duì)氨氮去除率的效果

包菌量對(duì)氨氮去除率的效果見圖5。

圖5 包菌量對(duì)氨氮去除率的影響

由圖5可知，固定化小球?qū)︷B(yǎng)豬廢水氨氮的去除率隨包埋的微生物量增加而提高，當(dāng)微生物包埋量為20%時(shí)比較理想（光合細(xì)菌、硝化細(xì)菌為1∶2配比），當(dāng)包埋量超過20%后，小球?qū)Π钡娜コЧ_始下降。分析其原因可能是：當(dāng)包埋的微生物量過大，微生物在小球內(nèi)大量的增殖，微生物數(shù)量過多，小球易破損；包埋微生物量為25%時(shí)，制備的固定化小球機(jī)械強(qiáng)度有明顯降低，小球在處理養(yǎng)豬廢水的同時(shí)有明顯的小球體積脹大而導(dǎo)致微生物溢出。

2.5 正交試驗(yàn)確定最佳包埋條件

通過單因素試驗(yàn)可以看出，對(duì)固定化小球去除氨氮影響較大的因素有：PVA濃度、SA濃度、包沙量、包菌量。所以，正交試驗(yàn)安排4個(gè)因素，每個(gè)因素安排3個(gè)水平，分別為：PVA濃度（A）、SA濃度（B）、包沙量（C）、包菌量（D）。每個(gè)因素的取值及其水平見表1。

表1 正交試驗(yàn)因子水平

表2 正交試驗(yàn)結(jié)果

從以上結(jié)果分析可知，PVA濃度、SA濃度、包菌量對(duì)養(yǎng)豬廢水中氨氮的去除效果影響較大，包沙量影響較小。

從試驗(yàn)結(jié)果可以得出以下結(jié)論：PVA凝膠液濃度是影響去除效果的主要因素。當(dāng)PVA濃度小于9%時(shí)，氨氮去除率隨制備固定化小球所用的PVA濃度增加而增大，當(dāng)PVA濃度增大至9%時(shí)，氨氮去除率達(dá)到最高。當(dāng)PVA濃度繼續(xù)增加時(shí)，氨氮去除率有所下降，但變化不大。包菌量取20%時(shí)，氨氮去除率達(dá)到最大，而且比其他幾個(gè)水平去除效果好。SA濃度對(duì)養(yǎng)豬廢水中氨氮的去除率的影響波動(dòng)比較大。

3 結(jié)論

（1）在選定的4個(gè)影響因素中：對(duì)包埋固定化復(fù)合菌小球去除養(yǎng)豬廢水中氨氮影響從大到小分別是PVA濃度、包菌量、SA濃度、包河沙量。

（2）通過單因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn)得到制備包埋固定化復(fù)合菌小球的最優(yōu)條件為：PVA濃度9.0%，SA濃度0.7%，包菌量20.0%，包沙量2.0%。固定化小球在含1.5%CaCl2且pH為6.7的交聯(lián)液飽和硼酸溶液浸泡24h。

（3）通過考慮制備包埋固定化復(fù)合菌小球的成本和可操作性，以河沙作為添加劑制備包埋固定化復(fù)合菌小球用于去除養(yǎng)豬廢水中的氨氮是可行的。

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