高效能反硝化生物活性填料的制備研究

張立東

(吉林化工學院 資源與環境工程學院，吉林 吉林 132022)

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高效能反硝化生物活性填料的制備研究

張立東

(吉林化工學院 資源與環境工程學院，吉林 吉林 132022)

摘要：高效能反硝化生物活性填料的制備技術是目前國內外污水反硝化脫氮研究領域的新熱點.本文采用包埋法將反硝化細菌分別固定于PVA網格載體和聚氨酯載體，制備得二種不同形式的反硝化生物活性填料，并比較了它們及活性污泥對反硝化細菌反硝化率的影響.結果表明，PVA網格填料包埋后反硝化速率能達到110 mg/L·h左右，聚氨酯填料包埋能達到88 mg/L·h，兩種填料相比較，PVA網格填料比聚氨酯填料包埋更加高效.

關鍵詞：反硝化生物活性填料；包埋法；PVA網格填料；聚氨酯填料

活性污泥微生物在連續流中易流失，難以形成較強的細菌優勢，反應器的啟動時間長.提高其反硝化能力，則需要增大活性污泥的濃度，高濃度反硝化細菌，這將導致污泥上浮，最終影響出水濁度[1-3].采用生物膜法既可大幅度提高細菌濃度，固定細菌且不易流失，又能提高目標細菌的生態優勢，產生特性高效反應[4-11].本文采用包埋法[4，12-13]將反硝化細菌分別固定于聚乙烯醇(簡稱PVA)網格載體和聚氨酯載體，制備得二種不同形式的反硝化生物活性填料，并將它們應用于廢水處理研究.

1實驗部分

1.1　試劑與儀器

硝酸鉀、磷酸二氫鉀、葡萄糖、乙酸鈉、硼酸、聚乙烯醇、聚乙烯醇、鹽酸和粉末活性炭均購于天津市福晨化學試劑廠；過硫酸鉀和N,N,N′,N′-四甲基乙二胺購于國藥集團化學試劑有限公司；磷酸氫二鉀購于北京康普匯維科技有限公司；甲醇購于北京化工廠；以上藥品等級均為分析純.

5B-1型COD快速測定儀(北京連華科技發展有限公司)；Oxi3L5i型便攜式溶解氧儀(WTW公司)；PHS-2C型pH計(上海三信儀表廠)；UV-1600PC型紫外可見光光度計(上海美譜達儀器有限公司)；722型可見分光光度計(上海欣茂儀器有限公司)，全自動細菌發酵罐.

試驗用污泥來自北京市清河水廠二沉池剩余污泥，含水率97%.

1.2　實驗過程

1.2.1培養反硝化細菌

1.2.2制備反硝化生物活性填料

采用包埋法將上述制備的反硝化細菌分別固定于PVA網格和聚氨酯二類不同載體，制備得不同的反硝化生物活性填料，具體方法如下[12-13].

1.2.2.1PVA網格反硝化生物活性填料的制備

采用PVA-硼酸二次交聯將反硝化菌固定于PVA網格，完成細菌的固定化，具體操作步驟如下：

(1) 反硝化細菌濃縮液的制備 取已培養好的反硝化細菌菌懸液離心濃縮，離心轉速為10 000 rad/s，溫度為4 ℃，離心5 min，得到109個/ml反硝化細菌濃縮液.

(2) 反硝化細菌包埋液的制備 稱取10 g的聚乙烯醇，然后加入1 g的碳酸鈣，加80 mL水后在高壓滅菌鍋中加熱溶解，溫度為105 ℃，待溶液冷卻至30 ℃后，與15 g左右的上述制備的反硝化細菌濃縮液混合，充分攪拌，最終得到反硝化細菌包埋液.

(3) 反硝化細菌包埋體與飽和硼酸溶液第1次交聯 將步驟(2)中制得的反硝化細菌包埋液均勻涂抹到PVA網格填料上，然后將其浸入飽和硼酸水溶液里，靜止2 h.

(4) 反硝化細菌包埋體與飽和硼酸溶液第2次交聯 利用硼酸調節上述溶液pH值至9.0，靜止8～48 h，用超純水重復洗2～3次，直至出水pH值中性，制備的PVA網格反硝化生物活性填料.

1.2.2.2聚氨酯反硝化生物活性包埋填料的制備

聚氨酯反硝化生物活性填料的制備采用聚氨酯水凝膠包埋方法[13].具體操作步驟如下：

(1) 反硝化細菌濃縮液的制備 取已培養好的反硝化細菌菌懸液離心濃縮，離心轉速為10 000 rad/s，溫度4 ℃，離心5 min，得到109個/ml反硝化細菌濃縮液；

(2) 聚氨酯反硝化生物活性填料的制備 將濃度為10%的聚氨酯預聚體乳液(市場購買)與反硝化細菌濃縮液混合，然后依次加入一定量的濃度為1.0%左右的過硫酸鉀和濃度小于0.5%的N,N,N′,N′-四甲基乙二胺，以及3%的粉末活性炭，并迅速攪拌均勻并轉移到特制模具中，靜置5～10 min，待凝膠聚合成型后，從模具中取出，放入專業切粒機中切成5×5×5 mm的標準立方體，并用去離子水徹底清洗，將未交聯的單體和未固定的反硝化細菌洗出.即完成全部包埋過程，得到聚氨酯反硝化生物活性填料.

1.2.3硝態氮去除實驗

取已培養好的反硝化細菌菌懸液離心濃縮，離心轉速為10 000 rad/s，溫度為4 ℃，離心5 min，得到反硝化細菌濃縮液.將所得反硝化細菌濃縮液以稱重的方式，盡可能平均的分成三份，標記為Ⅰ號，Ⅱ號，Ⅲ號反硝化細菌濃縮液.進行搖瓶實驗，反應條件為：溫度30 ℃，轉速為150 rad/min.測定反硝化細菌反硝化速率，即平均每小時硝態氮的去除量(4 h)，待反硝化能力基本穩定后，將Ⅰ號和Ⅱ號反硝化細菌濃縮液分別進行PVA網格填料、聚氨酯填料包埋，具體包埋方法見1.2.2；將III號反硝化細菌濃縮液作為活性污泥對照實驗.Ⅰ號、Ⅱ號反硝化細菌濃縮液分別包埋后，確定培養周期為8 h，一天3個周期，每天選定同一個周期中同一時段的4 h，測定反硝化細菌反硝化速率.

2結果與討論

不同反硝化活性填料和活性污泥對反硝化速率的影響結果如圖1～6所示.

圖1、2中水平線為反硝化細菌包埋前的反硝化能力，曲線為包埋后兩周內的反硝化能力.

時間/d圖1　PVA網格反硝化生物活性填料的反硝化速率

時間/d圖2　聚氨酯反硝化生物活性填料的反硝化速率

時間/d圖3　活性污泥的反硝化速率

時間/d圖4　PVA網格反硝化生物活性填料的C/N

時間/d圖5　聚氨酯反硝化生物活性填料的C/N

時間/d圖6　活性污泥的C/N

2.1　不同反硝化活性填料對反硝化速率的影響

生物反硝化速率受生物膜內溶解氧濃度的影響，在微生物的生物膜外表面，由于溶解氧的濃度相對較高，以好氧菌和硝化菌為主，而在生物膜內部由于溶解氧濃度較低，主要為厭氧菌和兼性菌為主.在生物膜內部溶解氧分布的不均勻使得反硝化的發生存在可能，當生物膜法反硝化系統中的溶解氧控制在1.5 mg·L-1，在膜的內層就會呈現厭氧狀況，這將影響最終的處理效果[6-9].

圖3中各點為對照活性污泥在同一時間的樣本數據.由圖1中“1”點可看出，PVA網格填料的包埋過程對反硝化細菌的活性有一定的影響，但是影響很小；由“2”點可看出，在第五個周期活性便恢復并且有一定的上升趨勢；“2”～“3”點之間雖然反硝化能力有所起伏，但是整體高于PVA網格填料包埋前的反硝化能力，在“3”點之后，反硝化能力基本穩定，相比較PVA網格填料包埋前，反硝化能力增長73.1%.由圖2中“1”、“2”點可看出，聚氨酯填料的包埋過程對反硝化細菌的活性有一定的影響，但是影響很小；由“3”點可看出，在第8個周期反硝化活性便恢復并且有一定的上升趨勢；“3”～“4”點反硝化能力整體呈上升趨勢；“4”點之后反硝化能力相對穩定，相比較聚氨酯填料包埋前，反硝化能力增長32.5%，低于PVA網格反硝化生物活性填料的反硝化能力增長率.由圖3中可反映出，隨著培養的進行，活性污泥的反硝化能力也有所提升，反硝化能力增長19.3%，但低于兩種反硝化生物活性填料的反硝化能力增長率.

PVA網格生物活性填料的反硝化能力恢復期為5個周期，聚氨酯生物活性填料的反硝化能力恢復期為8個周期；PVA網格生物活性填料的反硝化能力增長率為73.1%，反硝化速率為110.97 mg/L·h，聚氨酯生物活性填料的反硝化能力增長率為32.5%，反硝化速率為88.16 mg/L·h，因此PVA網格生物活性填料比聚氨酯生物活性填料更加高效.

以上結果表明，本文采用包埋法制備的兩種反硝化生物活性填料，對反硝化細菌的活性影響很小，活性恢復所需時間很短.相比較活性污泥，固定化技術可以減少微生物的流失、提高酶或微生物的濃度，受包埋后生物膜內部溶解氧濃度明顯低于活性污泥溶液，因此，包埋后的反硝化能力增長更快，而且更具有高效性和穩定性.

2.2　碳氮比對反硝化速率的影響

在生物反硝化過程中，硝態氮和有機物被同時去除，即反硝化要消耗一定量的有機物.因此，碳氮比對反硝化過程很重要.根據文獻研究報道，一般污水脫氮的COD/TKN應大于6.6才能獲得良好的反硝化效果，生物反硝化效果與進水碳氮比比密切相關[10-11].

圖4中“0”點為I號反硝化細菌濃縮液進行PVA網格填料包埋前的碳氮比，之后各點為PVA網格填料包埋后一周內的碳氮比.圖5中“0”點為II號反硝化細菌濃縮液進行聚氨酯填料包埋前的碳氮比，之后各點為聚氨酯填料包埋后一周內的碳氮比.圖5～6為III號反硝化細菌濃縮液8天內的碳氮比.由圖4～5反映出，反硝化細菌在包埋后形成穩定的優勢菌群，可有效的抑制雜菌的生長，消耗碳氮比減小.由圖6反映出活性污泥的碳氮比雖不穩定但基本保持在4.0左右.包埋后反硝化細菌消耗的碳氮比與活性污泥相比較小，更適合于處理低碳氮比廢水.

3結論

(1) 固定化技術可以減少微生物的流失、提高酶或微生物的濃度.

(2) 應用固定化技術，反硝化細菌在PVA網格中形成穩定優勢菌群，且碳氮比消耗值最低為2.5，明顯低于活性污泥最低值4，可用于處理低碳氮比的廢水，更具有實用性.

(3) 本研究中采用包埋方法對反硝化細菌的活性影響很小，活性恢復所需時間很短，PVA網格生物活性填料的反硝化能力恢復期為5個周期，聚氨酯生物活性填料的反硝化能力恢復期為8個周期.相比較活性污泥，包埋后的反硝化能力增長更快，而且更具有高效性和穩定性.

(4) PVA網格生物活性填料的反硝化能力恢復期僅為5個周期，與聚氨酯的相比較周期更短，且反硝化速率比聚氨酯的速率快22.81 mg/L·h.因此，PVA網格生物活性填料比聚氨酯生物活性填料的反硝化脫氮效果更高效.

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The Preparation Research of Highly Efficient

Denitrifying Biological Active Filler

ZHANG Li-dong

(College of Resource and Environment Engineering，Jilin Institute of Chemical Technology，Jilin City 132022，China)

Abstract:As a novel wastewater treatment technique,highly efficient denitrifying biological active filler has been studied in research field all over the world.We fixed denitrifying bacteria on PVA straight tubular packing filler and polyurethane filler in mainly entrapping method,respectively.Then,compared the denitrification rate of denitrifying bacteria in the different biological active filler and activated sludge,it showed that the denitrification rate of PVA straight tubular packing filler can reach about 110 mg/L·h,and it of polyurethane filler can reach 90 mg/L·h.Comparing two kinds of fillers,PVA straight tubular packing filler is more efficient than polyurethane filler.

Key words:denitrifying biological active filler；mainly entrapping method；PVA straight tubular packing filler；polyurethane filler

文章編號：1007-2853(2015)11-0077-03

作者簡介：童姍姍(1986-)，女，河南南陽人，南陽理工學院數理學院助教，碩士，主要從事應用數學方面的研究

基金項目：河南省基礎與前沿項目(1423410107)

收稿日期：2015-07-20

中圖分類號：O 35

文獻標志碼：A DOI：10.16039/j.cnki.cn22-1249.2015.11.018