1、極端環(huán)境微生物是目前國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的熱點(diǎn).低溫菌是極端微生物之一,并根據(jù)其生長溫度特性分為嗜冷菌和耐冷菌兩類.在寒冷環(huán)境中,這類微生物仍能通過對自身細(xì)胞膜、蛋白酶的調(diào)整或合成冷凍保護(hù)劑等來適應(yīng)低溫的影響,以一定的速率繁殖、生長和活動.2000年Chevalier 成功地從南極和北極分離到 4 株耐冷的絲狀藍(lán)細(xì)菌,該菌在低溫環(huán)境條件下對氮和磷有較高的去除率,從而為低溫環(huán)境下污水中氮磷等污染物的去除提供了新的思路.在所有的氣候條件中,有機(jī)污染問題普遍存在,而在寒冷的環(huán)境中,溫度對生物處理過程影響頗大,各類低溫微生物在生物降解過程中發(fā)揮越來越顯著的作用,如低溫酵母在低溫條件下對廣泛碳?xì)浠衔锏慕到?在我國北方地區(qū)冬季漫長、氣溫低,微生物活性降低,污水的生物處理效果難以保證,而將低溫菌應(yīng)用到污水處理中,出水的各水質(zhì)指標(biāo)都得到了良好的去除效果.但由于直接投放菌體不僅成本高,還會造成大量菌體流失,難以控制它長期的處理效果,因此,找到一種成本低處理效果又好的方法極為重要.
固定化生物技術(shù)是從20世紀(jì)60年代開始迅速發(fā)展起來的一項(xiàng)新技術(shù),它是通過化學(xué)或物理的手段將游離的細(xì)胞或酶定位于限定的空間區(qū)域內(nèi)避免菌體或酶大量流失,使其保持活性并能夠反復(fù)利用的方法.在污水處理中,固定化后微生物密度大,抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng),作用時(shí)間長,固液分離效果好,并且可以選擇優(yōu)勢菌株進(jìn)行專門利用,定向處理效果好.對于固定化技術(shù)理論及實(shí)際應(yīng)用,在諸多廢水處理研究中已經(jīng)體現(xiàn)出非常大的優(yōu)勢,并且針對在低溫條件下固定化微生物處理污水也有所探索.將固定化技術(shù)強(qiáng)化應(yīng)用在SBR工藝流程中進(jìn)行污水處理將更加優(yōu)化污水處理的效率及去除某些特定難降解的污染物.而本實(shí)驗(yàn)采用的固定化菌株是由南四湖底泥中分離純化出經(jīng)鑒定為黃假單胞菌屬,并命名為Pseudomonas flava WD-3的低溫菌,已確定能高效去除合成污水中的COD、總氮、總磷,其去除率可分別達(dá)到62.92%、56.42%、50.63%,并在低溫條件下應(yīng)用于人工濕地,對污水取得了良好的處理效果.而直接投加菌體,難以觀測菌體去向和流失程度,并且不能夠?qū)崿F(xiàn)重復(fù)使用.因此,本實(shí)驗(yàn)采用海藻酸鈉(SA)包埋法及海藻酸鈉(SA)加聚乙烯醇(PVA)包埋法對該類菌株進(jìn)行固定化,得出其最優(yōu)條件并加以模擬實(shí)際應(yīng)用,投加到SBR廢水處理工藝流程中處理城市生活污水.同時(shí),研究不同投加量與不同水力停留時(shí)間(HRT)對污染物去除效率的影響,并對其在SBR工藝流程應(yīng)用中對污水中各個(gè)污染物的降解效率進(jìn)行降解一級動力學(xué)模型模擬.本實(shí)驗(yàn)是對該低溫菌株應(yīng)用于城市生活污水處理的繼續(xù)探索,其實(shí)驗(yàn)結(jié)果定將為北方寒冷地區(qū)冬季廢水處理提供有力的理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持,對水資源的再利用有著十分重要的意義.
2 材料與方法
2.1 材料
實(shí)驗(yàn)菌株：菌株P(guān)seudomonas flava WD-3 是冬季從南四湖人工濕地的底泥中培養(yǎng)、分離、篩選出來,經(jīng)鑒定為黃假單胞菌,命名為Pseudomonas flava WD-3,基因登陸號為JX114950.挑取斜面保存的菌株于富集培養(yǎng)基中活化48 h,然后在4 ℃、1200 r·min-1下離心,收集菌體細(xì)胞,取濕菌體細(xì)胞再懸浮于無菌水中,制備成菌懸液,在600 nm波長下,測定吸光度在1.2~1.6范圍內(nèi),細(xì)菌個(gè)數(shù)約為4.575×108個(gè)·mL-1.
模擬廢水：模擬廢水以葡萄糖為碳源、氯化銨為氮源、磷酸二氫鈉為磷源,并添加適量的微量元素,使C∶N∶P=100∶5∶1,COD、總氮、總磷、氨氮的初始值分別約為1000、50、10、15 mg·mL-1,pH=7.0.
生活污水：采用從曲阜市生活污水處理廠取回的新鮮污水,測定其初始COD、氨氮、總磷、總氮分別為217.8~310.2、15.9~18.2、11.1~15.3、50.2~60.1 mg·mL-1.
2.2 固定化小球的制備
Pseudomonas flava WD-3 固定化小球的制備方法見圖 1.
圖 1 固定化小球的制備流程
2.3 固定化條件的優(yōu)化
設(shè)計(jì)一個(gè)四因素四水平正交試驗(yàn),分別探索SA質(zhì)量分?jǐn)?shù)、PVA質(zhì)量分?jǐn)?shù)、固定化液質(zhì)量分?jǐn)?shù)及交聯(lián)時(shí)間對處理效果的影響(武心華,2009).根據(jù)預(yù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果設(shè)定正交試驗(yàn)中四水平的因子取值,選用正交表L16(44),以最終廢水中4個(gè)指標(biāo)氨氮、總磷、總氮、COD的去除率為指標(biāo),選定4個(gè)最優(yōu)水平;4個(gè)因素分別是SA質(zhì)量分?jǐn)?shù)、PVA質(zhì)量分?jǐn)?shù)、固定化液質(zhì)量分?jǐn)?shù)及交聯(lián)時(shí)間,各因素水平表見表 1.
表 1 正交試驗(yàn)因素水平表
2.4 SBR工藝流程構(gòu)造
反應(yīng)器為有機(jī)玻璃制成,形狀為圓柱體,直徑15 cm,高度25 cm,體積約為3 L,有效容積2 L;反應(yīng)過程中采用機(jī)械攪拌,微孔曝氣條充氧曝氣,通過轉(zhuǎn)子流量計(jì)調(diào)節(jié)曝氣量來控制 DO 濃度;SBR 系統(tǒng)采用間歇進(jìn)水、間歇排水方式,污泥濃度2500 mg·L-1,實(shí)驗(yàn)裝置的示意圖見圖 2,運(yùn)行周期見表 2.
圖 2 SBR試驗(yàn)裝置示意圖(1. 進(jìn)水口, 2. 控制閥,3. 氣泵,4. 取樣口,5. 出水口,6. 曝氣頭,7. 攪拌棒,8. 攪拌器,9. 反應(yīng)器,10. 填料)
表 2 SBR系統(tǒng)運(yùn)行周期
2.5 固定化小球投加量對SBR工藝中生活污水處理效果的影響
確定該菌株的最佳固定化條件后,于2013年12月初開始運(yùn)行SBR污水處理工藝,控制水溫6~8 ℃,分別投加數(shù)量不等的固定化小球(含菌懸液5~20 mL,細(xì)菌個(gè)數(shù)約為4.575×108個(gè)·mL-1)于SBR工藝流程中,以未投加固定化小球的為對照組,連續(xù)運(yùn)行3個(gè)月,測定水中NH4+-N、TP、COD和TN 濃度變化情況.
2.6 不同水力停留時(shí)間對SBR工藝中生活污水處理效果的影響
通過2.5節(jié)中的實(shí)驗(yàn),選擇最佳的固定化小球投加量進(jìn)行試驗(yàn),設(shè)置不同的水力停留時(shí)間(HRT=0~10 h),以未投加固定化小球的SBR工藝流程為對照組.連續(xù)運(yùn)行3個(gè)月,測定水中NH4+-N、TP、COD和TN 濃度變化情況.
2.7 水質(zhì)指標(biāo)的測定
氨氮的測定采用納氏試劑分光光度法,CODCr的測定采用重鉻酸鉀氧化法,總磷的測定采用鉬酸銨分光光度法,總氮的測定采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法,各指標(biāo)測定的具體操作步驟詳見《水和廢水監(jiān)測分析方法(第4版)》.
3 結(jié)果與討論
3.1 固定化條件的優(yōu)化
正交試驗(yàn)的結(jié)果見表 3,比較每個(gè)因素的極值R,該值越大所對應(yīng)的因素影響越大,即為主要因素.本研究中影響吸附率的因素從主到次依次為PVA質(zhì)量分?jǐn)?shù)>交聯(lián)時(shí)間>SA質(zhì)量分?jǐn)?shù)>固定化液質(zhì)量分?jǐn)?shù),即PVA的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對固定化小球處理廢水的效果影響最大;比較每個(gè)因素在不同水平下的平均值,數(shù)值越大,綜合去除效率(結(jié)合4個(gè)水質(zhì)指標(biāo)的去除效率)越高.在本研究中,去除效率最好的水平組合為A3B2C4D3,即當(dāng)SA質(zhì)量分?jǐn)?shù)取4%,PVA質(zhì)量分?jǐn)?shù)取6%,固定化液質(zhì)量分?jǐn)?shù)取5%,交聯(lián)時(shí)間取24 h時(shí),固定化小球?qū)δM廢水中COD、總磷、氨氮、總氮的去除效率分別達(dá)到了69.79%、66.07%、57.54%、64.79%,雖然總氮的去除效率在各水平不是最高,但結(jié)合固定化小球的成球效果及各個(gè)物理指標(biāo),這是最優(yōu)的一個(gè)固定化條件組合.并且Pseudomonas flava WD-3 游離狀態(tài)對模擬污水中 COD、總磷、氨氮的去除率分別為62.92%、56.42%、50.63%,固定化后對模擬廢水中COD、總磷、氨氮的去除效率分別是游離菌的1.11、1.17、1.14倍,表明該菌固定化后對污水各污染物的去除效率明顯提高.
| 實(shí)驗(yàn)序號 | 各因素取值水平 | COD 去除率 |
氨氮 去除率 |
總磷 去除率 |
總氮 去除率 |
成球效果 | |||
| A | B | C | D | ||||||
| 1 | 1 | 1 | 1 | 1 | 28.79% | 16.80% | 35.63% | 19.25% | 成球易 強(qiáng)度差 傳質(zhì)性好 彈性差 易碎 |
| 2 | 1 | 2 | 2 | 2 | 48.10% | 39.68% | 50.33% | 49.98% | 成球易 強(qiáng)度差 傳質(zhì)性好 彈性一般 |
| 3 | 1 | 3 | 3 | 3 | 50.56% | 39.10% | 44.31% | 66.72% | 成球易 強(qiáng)度較好 傳質(zhì)性一般 |
| 4 | 1 | 4 | 4 | 4 | 38.75% | 40.56% | 37.98% | 45.69% | 成球易 強(qiáng)度好 傳質(zhì)性差 質(zhì)地硬 |
| 5 | 2 | 1 | 2 | 3 | 49.56% | 50.61% | 41.93% | 45.83% | 成球易 強(qiáng)度差 傳質(zhì)性好 彈性差 |
| 6 | 2 | 2 | 1 | 4 | 39.56% | 45.81% | 35.53% | 40.32% | 成球易 強(qiáng)度較好 傳質(zhì)性好 彈性一般 |
| 7 | 2 | 3 | 4 | 2 | 47.12% | 41.57% | 59.56% | 50.44% | 成球易 強(qiáng)度好 傳質(zhì)性較好 彈性好 |
| 8 | 2 | 4 | 3 | 1 | 35.33% | 39.98% | 45.12% | 43.46% | 成球易 強(qiáng)度大 傳質(zhì)性一般 |
| 9 | 3 | 1 | 3 | 4 | 54.47% | 46.72% | 49.99% | 42.70% | 成球易 強(qiáng)度差 傳質(zhì)性好 彈性較差 |
| 10 | 3 | 2 | 4 | 3 | 69.79% | 57.54% | 66.07% | 64.79% | 成球易 強(qiáng)度較好 傳質(zhì)性一般 彈性差 |
| 11 | 3 | 3 | 2 | 2 | 59.98% | 46.13% | 41.14% | 37.87% | 成球易 強(qiáng)度好 傳質(zhì)性較好 |
| 12 | 3 | 4 | 1 | 1 | 50.08% | 28.14% | 45.62v | 40.89% | 成球易 強(qiáng)度大 傳質(zhì)性差 |
| 13 | 4 | 1 | 4 | 2 | 49.78% | 39.78% | 50.16% | 47.73% | 成球較難 粘度大 易拖尾 強(qiáng)度一般 |
| 14 | 4 | 2 | 3 | 1 | 39.43% | 36.22% | 29.09% | 32.88% | 成球較難 粘度大 強(qiáng)度較好 傳質(zhì)性一般 |
| 15 | 4 | 3 | 2 | 4 | 48.91% | 40.62% | 38.14% | 39.99% | 成球較難 粘度大 易拖尾 傳質(zhì)性較好 |
| 16 | 4 | 4 | 1 | 3 | 50.25% | 37.54% | 20.56% | 42.41% | 成球較難 強(qiáng)度大 易拖尾 傳質(zhì)性差 質(zhì)地硬 |
| 均值1 | 40.14% | 42.50% | 42.07% | 40.42% | |||||
| 均值2 | 45.75% | 42.18% | 42.19% | 40.58% | |||||
| 均值3 | 43.23% | 44.51% | 44.74% | 43.72% | |||||
| 均值4 | 40.22% | 40.15% | 43.44% | 44.61% | |||||
| R | 5.44 | 2.39 | 1.77 | 3.46 | |||||
注：表中A、B、C、D分別代表海藻酸鈉(SA)、聚乙烯醇(PVA)、固定化液(CaCl 2 )的質(zhì)量分?jǐn)?shù)及交聯(lián)時(shí)間4個(gè)因子.
表 3 正交試驗(yàn)結(jié)果：各污染指標(biāo)的去除效率和物理性能分析
在正交試驗(yàn)中,各因素在不同水平下對固定化小球的物理性能和處理效果都有很大的影響,最優(yōu)固定化小球如圖 3所示.首先SA作為天然凝膠載體材料,在包裹菌體成球上發(fā)揮巨大作用,質(zhì)量分?jǐn)?shù)過低時(shí),小球難以成形,成形后其強(qiáng)度差易碎,并且SA質(zhì)量分?jǐn)?shù)過低還影響小球?qū)陌?造成菌體有少量流失,影響菌體對污水的處理效果,質(zhì)量分?jǐn)?shù)過高增大其成球難度,小球粘度大易拖尾,處理效率也會隨之降低;其次PVA作為有機(jī)合成載體材料,其彈性較好但傳質(zhì)性較差,質(zhì)量分?jǐn)?shù)過低會導(dǎo)致小球抗壓性不夠影響處理效果,質(zhì)量分?jǐn)?shù)過高又會影響其傳質(zhì)性能,小球質(zhì)地硬導(dǎo)致菌體活性受阻致處理效率降低,所以固定化小球?qū)VA的質(zhì)量分?jǐn)?shù)有較大的要求,其質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化對去除率有較大度的影響;而固定化時(shí)間對小球的外部形態(tài)影響不是很大,但其交聯(lián)時(shí)間的長短直接決定小球的成形內(nèi)部結(jié)構(gòu)及狀態(tài),對廢水處理效率有較大影響;通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),由于有機(jī)合成材料PVA的存在,制備復(fù)合載體材料的小球時(shí)對固定化液質(zhì)量分?jǐn)?shù)要求會變高,固定化液質(zhì)量分?jǐn)?shù)過低會使小球難以交聯(lián)成形,質(zhì)量分?jǐn)?shù)過高又會使小球質(zhì)地過硬,傳質(zhì)性變差,自然降低對污水的處理效率.
圖 3 固定化小球成型圖片
3.2 固定化小球在SBR工藝中對生活污水的處理效果
3.2.1 不同固定化小球投加量對生活污水的處理效果
連續(xù)運(yùn)行3個(gè)月,控制水溫為6~8 ℃,不同固定化小球的投加量對SBR工藝流程中廢水的NH4+-N、TP、COD和TN去除效果如圖 4所示.由圖 4可知,Pseudomonas flava WD-3的固定化小球在SBR工藝流程中對生活污水的處理效果很好,隨著小球數(shù)量(含菌量5~20 mL)的增加,生活污水中NH4+-N、TP、COD和TN的去除效率也隨之增大.當(dāng)含菌量在0~10 mL時(shí),污水中各項(xiàng)指標(biāo)的去除效果增幅明顯,但達(dá)到10 mL以后,雖然各項(xiàng)污水指標(biāo)去除效率依舊呈增大趨勢,但增幅明顯縮小,從實(shí)驗(yàn)操作、運(yùn)行成本等各方面考慮宜選用含菌量為10 mL時(shí)為最佳固定化小球投加量.當(dāng)固定化小球的投加量取最佳時(shí),Pseudomonas flava WD-3的固定化小球?qū)ξ鬯甆H4+、TP、COD和TN的去除率分別介于72.78%~77.48%、62.04%~69.26%、89.08%~92.72%和85.08%~89.08%,且平均去除效率分別為未投加該菌的1.13、1.91、1.25、1.56倍,固定化后,污水處理效果明顯提升,與同類實(shí)驗(yàn)效果相吻合;并且相比先前實(shí)驗(yàn)中未固定化的低溫菌Pseudomonas flava WD-3對污水的處理效果,去除效率明顯增加.
圖 4 不同投菌量時(shí)進(jìn)出水中NH4+-N、TP、COD 和TN 濃度變化情況
3.2.2 不同水力停留時(shí)間對生活污水的處理效果
連續(xù)運(yùn)行3個(gè)月,控制水溫為6~8 ℃,在SBR工藝流程中不同的水力停留時(shí)間對廢水的NH4+-N、TP、COD和TN去除效果如圖 5所示.由圖 5可知,取最佳固定化小球投加量時(shí),隨著水力停留時(shí)間(HRT)的延長(0~10 h),Pseudomonas flava WD-3的固定化小球在SBR工藝流程中對生活污水中COD、TN、NH4+-N和TP的去除效率也隨之增大.當(dāng)水力停留時(shí)間由0 h延長至8 h時(shí),SBR工藝流程中各項(xiàng)污水指標(biāo)的去除效果增幅明顯,但超過8 h之后,雖然各項(xiàng)污水指標(biāo)去除效率依舊呈增大趨勢,但增幅明顯縮小,從實(shí)驗(yàn)操作、運(yùn)行成本等各方面考慮宜選用8 h為最佳水力停留時(shí)間.當(dāng)水力停留時(shí)間為8 h時(shí),Pseudomonas flava WD-3的固定化小球?qū)ξ鬯甆H4+-N、TP、COD和TN的去除率分別介于66.54%~75.61%、63.24%~73.68%、89.78%~91.03%和82.84%~87.26%.
圖 5 不同水力停留時(shí)間時(shí)進(jìn)出水中NH4+-N、TP、COD 和TN濃度變化情況
隨著在低溫菌方面的深入研究及微生物固定化技術(shù)的不斷成熟,必將改善寒冷地區(qū)在低溫條件下處理污水困難的局面,固定化低溫菌也將在城市污水處理、濕地處理污水、廢水環(huán)境改善再利用方面發(fā)揮更大的作用.
3.3 污水處理動力學(xué)方程
在SBR運(yùn)行系統(tǒng)中,低溫菌Pseudomonas flava WD-3對污水中污染物質(zhì)的代謝降解即污染物質(zhì)的衰減,可用一級動力學(xué)方程來模擬其降解效率：
式中,Ce為出水濃度(mg·L-1),C為進(jìn)水濃度(mg·L-1);t為水力停留時(shí)間(h); KT為某溫度下的一階反應(yīng)速率.
在SBR運(yùn)行系統(tǒng)中,污水中各個(gè)指標(biāo)去除率的一階方程描述如下：
式中,R0為污水污染指標(biāo)NH4+、TP、COD和TN的去除率;Q為水力負(fù)荷(m3·h-1);A為SBR運(yùn)行面積(m2);F為污染物質(zhì)的非生物降解比例.
根據(jù)上述動力學(xué)模型,將SBR系統(tǒng)中各污染物的平均出水濃度記作Ce,平均進(jìn)水濃度記作C,以ln(Ce/C)為縱坐標(biāo),分別以不同投菌量(HRT為8 h),不同水力停留時(shí)間(投菌量為10 mL)為橫坐標(biāo)做圖,結(jié)果如圖 6所示;以lnR0為縱坐標(biāo),再以不同投菌量(HRT為8 h),不同水力停留時(shí)間(投菌量為10 mL)為橫坐標(biāo)做圖,結(jié)果如圖 7所示.
圖 6 6~8 ℃下SBR系統(tǒng)在不同投菌量(a)和不同水力停留時(shí)間(b)條件下對有機(jī)污染物降解的一級動力學(xué)模型
圖 7 6~8 ℃下SBR系統(tǒng)中污染物去除效率與投菌量(a)、水力停留時(shí)間(b)的關(guān)系
通過對SBR運(yùn)行系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測,在不同投菌量和不同水力停留時(shí)間條件下對污染物降解效率進(jìn)行分析,在6~8 ℃低溫環(huán)境中,低溫菌Pseudomonas flava WD-3 對生活污水污染指標(biāo)NH4+-N、TP、COD、TN的降解效率符合一級動力學(xué)模型.
由圖 6可得出如下方程式：
式中,k為污水污染指標(biāo)的降解速率常量(h-1),b為污水污染指標(biāo)降解趨勢線斜率,結(jié)果如表 4所示.以上一級動力學(xué)方程表明,不同投菌量和水力停留時(shí)間(HRT)分別與降解效率的函數(shù)關(guān)系影響SBR的系統(tǒng)性能,進(jìn)一步說明在低溫條件下,低溫菌Pseudomonas flava WD-3 對生活污水污染指標(biāo)NH4+-N、TP、COD和TN的去除效率符合一級動力學(xué)模型,并且其去除效率與投菌量和水力停留時(shí)間(HRT)成正向關(guān)系,R2值均在0.85以上.
表 4 在6~8℃低溫環(huán)境下NH4+-N、TP、COD和TN的降解速率常量k和非生物降解殘余部分比例F
4 結(jié)論
1)對于Pseudomonas flava WD-3,最佳的優(yōu)化條件為：SA質(zhì)量分?jǐn)?shù)4%,PVA質(zhì)量分?jǐn)?shù)6%,固定化液(CaCl2)質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%,交聯(lián)時(shí)間24 h,此時(shí)固定化小球在低溫條件下對模擬廢水中COD、氨氮、總磷、總氮的去除效率分別為69.79%、57.54%、66.07%、64.79%,分別是游離菌對COD、TP和NH4+-N去除效率的1.11、1.17、1.14倍.具體參見污水寶商城資料或http://www.northcarolinalenders.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。
2)Pseudomonas flava WD-3在最優(yōu)化條件下制備的固定化小球投加到連續(xù)運(yùn)行的SBR工藝流程中,通過試驗(yàn)監(jiān)測,10 mL菌懸液制備的固定化小球?yàn)樵囼?yàn)最佳投加量,對污水中COD、氨氮、總磷、總氮的去除率分別介于72.78%~77.48%、62.04%~69.26%、89.08%~92.72%和85.08%~89.08%;在最佳投加量條件下,SBR工藝中水力停留時(shí)間越長處理效果越好,綜合考慮取取最佳水力停留時(shí)間為8 h,對污水中COD、氨氮、總磷、總氮的去除率分別介于66.54%~75.61%、63.24%~73.68%、89.78%~91.03%和82.84%~87.26%.
3)在SBR工藝流程中,Pseudomonas flava WD-3 對生活污水中各污染物NH4+-N、TP、COD和TN的降解效率符合一級動力學(xué)模型.
