增強型PVA包埋硝化細菌及降解氨氮廢水的研究

宋彩風，張晏菘，李福威，余宏倡，賀穩，李志霞，林宏飛

(1.廣西大學 化學化工學院，廣西 南寧 530004；2.廣西博世科環保科技股份有限公司，廣西 南寧 530007)

谷朊粉(WG)是從面粉中提取出來的天然蛋白質，具有粘性、彈性、延伸性及良好的機械性能[1]；聚丙烯纖維(PPF)具有強度大、彈性好、耐磨、耐腐蝕等性能[2]。本文為了解決聚乙烯醇-海藻酸鈉(PVA-SA)微生物包埋載體在應用時發生碰撞磨損的問題，采用共混增強和逐步交聯的方法來提高微生物包埋載體的強度，即通過在PVA-SA載體內添加WG或者PPF，然后再用硼酸和戊二醛(GA)逐步交聯的方法制得GA-PVA-SA-WG和GA-PVA-SA-PPF載體，探究共混劑WG 和PPF的添加以及交聯劑GA的使用對載體機械強度的影響。并使用制備的載體進行氨氮廢水降解實驗，探究其對氨氮的降解能力和重復使用性能。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

聚乙烯醇(聚合度1 750±50)、海藻酸鈉、戊二醛(50%)、硼酸、氯化鈣、硫酸、活性炭、碳酸鈣、二氧化硅均為分析純；谷朊粉(五得利小麥面粉提取)，食品級；聚丙烯纖維(3 mm長束狀單絲纖維)，工業級。

OES60M置頂式電動攪拌機；HACH DR6000紫外可見光分光光度計；MWW20A電子萬能試驗機。

1.2 菌源、模擬廢水與實際廢水

菌種：主要菌種是硝化細菌，含少量的反硝化細菌和其他異養菌，來源于諾維信(沈陽)生物技術有限公司。

模擬廢水：C6H12O6250 mg/L，(NH4)2SO4471.85 mg/L，NaHCO33 000 mg/L，K2HPO4·3H2O 306.9 mg/L，FeSO4·7H2O 30 mg/L，MgSO4·7H2O 30 mg/L，pH=7.8～8.0。

生活廢水，取自南寧市西鄉塘區二坑溪湖。

1.3 固定化微生物載體的制備

本實驗制作了5種載體，即以PVA和SA為原料，使用硼酸交聯的載體(PVA-SA)；在PVA和SA原料中加入共混劑WG或PPF，再用硼酸交聯的載體(PVA-SA-WG，PVA-SA-PPF)；和在前兩種載體的基礎上進一步用GA交聯的載體(GA-PVA-SA-WG，GA-PVA-SA-PPF)。

1.3.1 PVA-SA載體的制備 首先將PVA放置水中浸泡24 h(質量濃度12%)，然后在90 ℃加熱攪拌溶解(時間約3 h)；再加入2% SiO2、2% CaCO3、0.2%的活性炭攪拌1 h；攪拌均勻后加入2% SA，繼續攪拌1 h；然后停止加熱，冷卻至35 ℃時，加入2%菌液(OD600=1)，繼續攪拌0.5 h，然后將其置于含有5%氯化鈣的飽和硼酸溶液中交聯24 h，反應完成后將載體裁剪成3～5 mm的正方體；最后用蒸餾水清洗3次后加入適量營養液(氨氮濃度約 20 mg/L 的模擬廢水)于4 ℃左右冷藏保存。

1.3.2 PVA-SA-WG和PVA-SA-PPF載體的制備 與1.3.1節方法相同，不同之處在于：在溶解的PVA溶液中多加了0.1% PPF或者1% WG(攪拌成泡沫狀)，繼續攪拌1 h。

1.3.3 GA-PVA-SA-WG和GA-PVA-SA-PPF載體的制備 與1.3.2節方法相同，不同之處在于：在使用硼酸交聯反應22 h后，將載體置于含有1% GA、0.1% H2SO4和5%氯化鈣的飽和硼酸溶液中繼續反應2 h。

1.4 性能測定

1.4.1 載體強度的測定方法 載體的拉伸強度參照GB/T 1447—2005的標準，采用人造板萬能試驗機進行測試，至少做3次平行實驗。

1.4.2 載體化學穩定性的測試方法 將載體置于含蒸餾水的錐形瓶中，在30 ℃、200 r/min的搖床中振蕩，定時取適量水樣測其COD。根據COD計算載體的損失量。采用微波閉式CODCr消解儀測COD值。

1.4.4 不同載體重復使用性能的探究 使用從南寧市西鄉塘區二坑溪湖取出的污水作為生活污水水樣，污水的初始氨氮濃度大約為100 mg/L。將投加量為5%的載體置于500 mL污水中反應24 h，然后將載體取出重新投入到新的污水中繼續反應24 h，以24 h為一個周期，載體重復使用22個周期。考察不同載體包埋的微生物對氨氮的降解情況。反應溫度為30 ℃，曝氣量為 3.5 L/min。

2 結果與討論

2.1 載體機械性能的分析

圖1是對不同載體進行拉伸實驗的應力與應變關系曲線。

圖1 5種不同載體的拉伸強度Fig.1 Tensile strength of 5 different carriers

由圖1可知，PVA-SA載體的拉伸強度是 1.66 MPa，斷裂伸長率為77.1%；通過共混增強的方法制備的PVA-SA-PPF和PVA-SA-WG載體的拉伸強度和斷裂伸長率分別為1.36 MPa，24.1%和1.81 MPa，153.0%，說明PPF的添加沒有對載體的強度和彈性產生益處，而WG的添加既提高了載體的強度，也改善了載體的彈性。此外，GA-PVA-SA-WG與PVA-SA-WG相比，斷裂伸長率幾乎相同，但是前者拉伸強度提高了6%；GA-PVA-SA-PPF與PVA-SA-PPF相比，前者拉伸強度與斷裂伸長率都分別提高了1.26%和4.87%。這些結果說明與采用單一的硼酸交聯的方法相比采用逐步交聯的方法更有利于載體機械強度的提高。

PVA-SA基體表面親水，而PPF基體表面疏水，兩者共混的時候相容性較差，導致界面結合不牢固，因此PPF的添加并沒有明顯改善載體的拉伸強度。但是在PVA-SA-PPF載體拉斷之前，相同應變的情況下，PVA-SA-PPF載體能夠承受的應力遠大于PVA-SA載體，說明PPF基體與PVA-SA基體混合后起到“拉筋作用”[3]，從而在小范圍應變的情況下能夠相互作用提高載體的拉伸強度。而在PVA-SA-WG載體中PVA-SA基體與WG基體之間具有較好的相容性，因此添加WG既改善了載體的機械強度，也提升了材料的彈性。

圖2為制備載體時PVA與交聯劑的反應過程。

圖2 硼酸和戊二醛逐步交聯過程Fig.2 The stepwise crosslinking process with boric acid and glutaraldehyde

由圖2可知，硼酸溶于水后水解生成硼酸根離子，當硼酸根離子與PVA反應時，PVA黏液生成凝膠，同時使聚合物鏈帶負電，導致其它硼酸根負離子很難進一步交聯到附近的PVA鏈上[4-5]，造成PVA的交聯度下降，化學穩定性降低。而采用戊二醛進一步交聯，可以將未參與反應的PVA繼續交聯，提高交聯程度，因而提高了載體的機械強度。

2.2 載體的化學穩定性分析

載體的化學穩定性是通過測定在水中的COD來分析的。隨著時間的延長不同載體在水中的損失量結果見圖3。載體的損失量越小代表載體越穩定[6]。

圖3 不同載體的損失量Fig.3 Mass loss of different carriers

由圖3可知，載體的損失量大小順序為：PVA-SA>PVA-SA-PPF>PVA-SA-WG>GA-PVA-SA-WG≈GA-PVA-SA-PPF，即穩定性順序是PVA-SA

2.3 不同載體固定化微生物對的去除效果

5種不同載體包埋的硝化細菌對模擬廢水中的氨氮的去除效果見圖4，作為對比，游離菌的降解效果也列于圖中。

圖4 不同載體和游離菌對的去除效果Fig.4 Removal effect of by different carriers and free bacteria

由圖4可知，前12 h，游離菌對氨氮的去除速率最大，而不同載體對氨氮的去除率沒有明顯差別，但均低于游離菌，隨著時間的延長，采用逐步交聯的方法制備的載體對氨氮的去除率與其它載體相比有所下降。

載體內的硝化細菌對氨氮的降解過程主要包括兩個階段：一是氨氮、氧氣等反應物在載體內的擴散階段[7]；二是生物降解階段[8]。氨氮、氧氣等物質進入載體之后，才能被硝化細菌降解。而游離菌降解氨氮不需要進行內擴散階段，可直接進行生物降解，故降解氨氮的速率略高。不同載體降解氨氮速率的大小與兩個因素有關：①與制作載體時交聯劑的使用對微生物造成的危害程度有關。在使用逐步交聯的方法制作載體時，GA與硫酸可能會對硝化細菌產生一定的毒害作用[9-10]，使GA-PVA-SA-WG和GA-PVA-SA-PPF載體內部分硝化細菌活性降低甚至死亡，因而其氨氮的去除率與其他的載體相比有所減小。②與廢液的COD值有關。若COD值過高，硝化細菌的活性會受到抑制[11-12]。硝化細菌屬于化能自養型微生物，若廢水中COD過多，造成異氧菌迅速增殖，導致硝化細菌所占比例下降[13]。由圖3可知，同樣條件下，GA-PVA-SA-WG和GA-PVA-SA-PPF載體的溶出量明顯低于其他的載體，即這兩種載體內硝化細菌的活性受到COD的影響應該更小，因此導致其活性略微低于其它載體的主要原因可能是受到交聯劑的毒害作用。但隨著反應時間增加到12 h以后，COD可能因為異養菌的代謝作用而逐漸降低，其對硝化菌的影響程度逐漸減小，載體內硝化菌的活性得以恢復，因此PVA-SA-WG、PVA-SA-PPF以及PVA-SA載體中包埋的硝化細菌的活性又有所提高。

2.4 不同載體固定化微生物的重復使用性能

包埋硝化細菌的不同載體對生活污水中氨氮的降解情況見圖5a。

由圖5a整體上看，不同載體對氨氮的去除效果沒有明顯的差別。第1～4 d時，氨氮降解率從60%～70%下降到了40%～50%，在第5 d，氨氮降解率又突然回升到68%～85%，其后在60%～75%之間波動。仔細對比后不難發現，GA-PVA-SA-WG和GA-PVA-SA-PPF的氨氮去除率輕微低于其他載體。

圖5b表示在降解氨氮廢水過程中每周期出水時的COD變化情況。

由圖5b可知，前6 d，廢水中COD波動較大且維持在較高的值，從第7 d以后，四種載體的COD趨于穩定，但GA-PVA-SA-WG和GA-PVA-SA-PPF的COD值均低于PVA-SA-WG和PVA-SA-PPF，說明前兩個載體化學穩定性更好，更有利于長期穩定的使用。

圖5 不同載體重復使用22 d處理生活廢水的氨氮去除率(a)和廢水中COD變化(b)Fig.5 Removal rate of ammonia nitrogen (a) and COD in wasterwater (b) with different carriers when the carriers were reused for 22 d

實驗過程中，氨氮的去除率主要受到制備載體時交聯劑對硝化細菌的毒害作用和廢水中COD[14]的影響。前6 d，污水中COD過高，導致異養菌處于優勢地位，硝化細菌的活性受到了不同程度的抑制，致使第2～4 d時，氨氮降解率顯著下降；后來廢水中COD有所降低且趨于穩定，硝化細菌活性也隨之提升。另一方面交聯劑GA和催化劑硫酸對硝化細菌有毒害作用，這導致逐步交聯的載體活性比單一硼酸交聯的載體有所降低。兩個因素的共同作用致使不同載體間對氨氮的降解率差別不大(圖5)。此外，與模擬廢水相比，生活廢水中存在的大量的異養菌和耗氧污染物，也對硝化細菌產生抑制作用，從而一定程度上降低了硝化細菌的活性，導致各種載體包埋的硝化細菌在處理生活污水時氨氮降解率(60%～70%)都明顯低于處理模擬廢水時的氨氮降解率(80%～100%)。

3 結論

本研究通過共混增強和逐步交聯的方法改善載體的機械強度和耐久性。拉伸實驗發現，機械性能與彈性性能最好的載體是GA-PVA-SA-WG，與PVA-SA載體相比，GA-PVA-SA-WG載體的拉伸強度提高了15%，斷裂伸長率增加了6.4倍。通過對載體的化學穩定性的分析，發現GA-PVA-SA-WG和GA-PVA-SA-PPF在水中的溶出量最少(<2%)，化學穩定性最好，比PVA-SA載體的穩定性提高了2.7倍。在對載體的重復使用性能的測試中發現，GA-PVA-SA-WG和GA-PVA-SA-PPF的氨氮去除率略低于其他載體，但是化學穩定性卻更優。以上結果表明本研究制得的增強型PVA載體在長周期的廢水處理過程中具有潛在的應用前景。