固定化技术.doc

摘要：应用固定化技术，将富集培养的硝化活性污泥制成固定化小球，对固定化小球在不同条件下其硝化活性的影响进行了研究； 同时，采用摇瓶试验比较了固定化小球和悬浮硝化活性污泥对养鳖污水氨氮的处理效果 结果表明固定化小球具有明显抗不利因素的能力，降解氨氮的效率稳定，对养殖污水氨氮的生物处理具有一定的效果。关键词：集约化水产养殖；氨氮去除率；固定化微生物；硝化活性污泥养殖水体作为人工生态系统，主要依靠投饵和施肥来促进鱼类生长，提高养殖品种产量。在这个特定的生态系统中存在着物质能量的输人和产出之间的不平衡，投饵和施肥所培育的浮游生物只有部分被鱼类同化吸收，另一部分以代谢产物和残饵的形式直接进人水体。有研究报道 进入水体的鱼类代谢产物(含残饵)占总投饵量的80左右。集约化养殖水体有机物和氨氮污染尤为严重，其中氨氮可高达1350 mg/L 。过高的氨氮可引起鱼类中毒死亡和水体富营养化， 因此，消除氨氮污染对改善养殖环境和保护水资源都具有重要作用。目前，在水产养殖生产中，人们控制氨氮污染的办法通常是：通过换注新水降低氨氮浓度，采用曝气方式使部分氨氮逸出永面，使用余氯消毒去除氨氮以及采用光合细菌来调节改善水质等等。这些办法不仅存在着很大局限，而且对氨氮污染的控制效果并不理想。事实上，在自然界存在着氨素循环的自然现象，含氨有机物被异养型微生物氧化分解，转化为氨氨，然后由自养型硝化细菌将其转化为NO；，最后由反硝化细菌将0 还原为N 。在这一循环过程中，由硝化细菌参与的硝化反应成为制约生物脱氮反应中的限速步骤。这是因为硝化细菌属于自养菌，生长缓慢，世代周期长，在有机物大量存在的系统中无法与异养菌竞争，难以成为优势菌群；同时硝化细菌易受外界环境变化的影响，对环境不良冲击尤其是毒性冲击非常敏感，一旦系统受损再重新启动就相当困难。因此，如何趋利避害，通过调控硝化反应的有效进行来改善养殖水体就成了要研究的课题。近年来， 固定化微生物技术已在生物脱氮中应用，并取得了一定的进展”。 。但把固定化技术应用于养殖水体研究的报道还鲜有所见。本文中主要报道了硝化细菌的富集培养、固定化技术及固定化硝化细菌用于养殖水体氨氮污染修复研究的初步试验结果：1 材料与方法11 实验材料11 1 实验水样及接种污泥1)人工配制氨氮污水 称取适量葡萄糖和硫酸铵加入稀释的硝酸细菌培养基中，测定NH4一N和COD 含量：2)养殖污水采自武汉东湖渔场集约化稚鳖养殖池。3)接种污泥采自集约化养鳖池排污口，按体积分数15接种于硝化细菌富集培养基中。112 固定化试荆包埋剂用聚乙烯醇(PVA，工业用，1799型，云南维尼伦厂)及海藻酸钠。交联剂用硼酸和氯化钙(化学纯，北京红星化工厂)。吸附剂用粉末括动炭(国营上海活性炭厂)。113 硝化细菌富集培养基参见文献5。12 实验方法121 硝化细菌的富集培养参见文献：6。122 固定化小球的制备1)采用改进的PVAH：BO 固定化方法 ，具体制作工艺见图l。2) 海藻酸钠作为包埋剂，制备固定化小球 。将包埋剂、吸附剂(粉末活性炭)和硝化活性樗泥，按2：0 2：1混台成适当的粘稠状溶液，用自滴管滴加到一定浓度的固化剂中，经16 h的交联反应， 固化成大小均匀的小球颗粒。123 固定化小球的驯化及呼吸活性测定 将固定化小球分装入锥形瓶，加入1：5稀释的硝化细菌富集培养基，摇床驯化(28 ，120 r,min)，调pH为7080，每天检测NO2、NO3 的产生及NH4 的消耗情况，随时补充培养基，驯化3周以上。同时定期采用瓦勃氏呼吸仪测定固定化小球的活性。124 不同务件下固定化小球和悬浮硝化污泥降氨效果实验 比较在不同条件下(如pH、温度、有机物)固定化小球和悬浮硝化活性污泥降氨效果的差异。为了使实验具有可比性，在实验中引入“等生物量”概念，即固定化小球中包埋的污泥量与悬浮中的污泥量相等。采用人工配制氨氮污水，硝化反应时间确定为8 h(7 h摇床处理，1 h静置)，在改变影响因素时，其它条件尽量保持一致；1 .2 .5 固定化小球和悬浮硝化污泥养殖污水处理实验将采集的养殖污水直接进行实验和预处理后再进行实验，比较结果差异。预处理用20 gL碱式铝或碱石灰，静置2 h。13 分析方法硝化细菌计数用96孔平板法 ；异养细菌计数用平板稀释法；NH N定量分析用钠氏比色法；定性分析用奈氏试剂；pH用酸度计和精密pH试纸测定；NO2 定性分析用格里斯试剂；NO3定性分析用锌一碘一淀粉试剂。2 结果与讨论21 富集培养的硝化活性污泥中硝化细菌和异养菌的数量测定由表1可见，采用硝化细菌富集培养基，经过12周的驯化培养，硝化细菌的数量由第一周初的13 MPNmL上升到第12周末的5610MPLmL；异养菌的数量明显减少， 由第1周初的8 210 CFU L 降至第12周末的7310 C兀 mL，说明硝化细菌在驯化污泥中已经处于明显优势。硝化细菌的生长速度一般较慢，平均世代时间为10 h以上， 因此，提高硝化细菌的初始生物量，对其在硝化反应系统中受有机物干扰，降解氨氮具有重要作用。运珞珈等 在对集约化养鳖池水体中异养菌和自养菌的调查中发现，异养菌的数量为57010 13310 cvumL，而自养菌数量极少，亚硝酸细菌为12 MPLmL，硝酸细菌为20 MPLmLc这在一定程度上说明，水体中氨氮浓度维持在较高水平与硝化反应不能正常进行相关，亦即系统中缺乏表现出高教硝化活性的微生物功能菌群及适宜的生态环境条件。22 固定化小球驯化时的现象观褰本实验分别选择65、80、100 gU 3种PVA浓度进行实验，结果发现固定化细胞中PAV浓度以80 L为最好，其形成的固定化小球形状规则，能形成外密内疏的多孔结构，具有一定的机械强度。PVA浓度为65 gL时，硬化过程形成困难，小球硬度不够，极易破碎，难以应用于流化床反应器中；PVA 浓度为100 gL时，小球中PVA 凝胶过分致密，硬度太大，不利于基质和产物的传递，势必影响处理效果。同时选择浓度为20、40 L的天然高分子凝胶海藻酸钠作包埋剂，加入粉末活性炭作吸附剂溶解混合后包埋硝化活性污泥，用吸管滴加到40 L CaCl2的固化剂溶液中，经过16 h的交联反应后，成了大小均匀的小球颗粒。但在随后的摇瓶驯化过程中，颗粒全部溶胀，变形粘连，表明采用海藻酸钠作包埋制作的固定化硝化活性污泥小球强度不够，不能用于实验。这与有关报道结果并不一致” 。因此作者选择80 gL PVA包埋制作的固定化小球进行废水处理实验。制作的固定化小球最初由于PVA凝胶的包裹和长达【8 h硬化过程中硼酸对细胞的毒害作用，而使固定化的硝化细菌处于失活状态，甚至部分死亡： 因此，需要经过驯化培育恢复细胞活性。在驯化初期会观察到小球内部有少量活性炭和PVA溶出 有少量黑色絮凝物产生， 表明硝化细菌活性的呼吸活性(Rrp)很低3周后趋于稳定这时小球体积黪胀，弹性增加，R即值明显增大而且趋于稳定(图2)一23 不同条件下固定化小球和悬浮相硝化活性污泥的降氨效果231 pH 的影响 由图3可见，固定相与悬浮相细胞发生硝化反应的最适pH值范围并没有改变，而且固定化硝化细菌在最适pH值范围内对氨氮的降解效果略低于悬浮相硝化活性污泥。但在偏离最适pH值的情况下，固定化小球的降氨效果则逐渐高于再行一50040o300兰200星100005-o8051305180523 052806-02fl07 06-12 0617 06-22日j识圈2 固定化小球呼吸活性随氍化肘问变化曲线lo0l80i：06O 65 7O 7asl-I8 0 8 5 9 0 9 s围3 不同pH条件下固定化和未固定化硝化细菌对氨氯的去豫率23 2 温度的影响 图4表示了在改变温度的条件下，两者对人工配制氨氮污水降解效果的差别，结果同样表明，固定化硝化细菌发生硝化反应的最适温度范围并没有发生变化，但在最适温度条件下固定化小球的降氨效果低于悬浮相硝化活性污泥。邦平等“ 在解释这种现象发生的机理时认为，固定化硝化细菌的最大比插性要比相应的悬浮细胞低，固定化过程导致了部分细胞活性损失；同时他又认为低温条件下相对提高了硝化细菌对基质的亲和力，因此， 固定化硝化细菌具有较强的耐低温能力。实验的结果也证实，在偏离最适温度条件下， 固定化小球去除氨氮的能力逐渐高于悬浮硝化活性污泥，温度降低时情况更是如此：2 33 有机物的影响 由图5可见，添加葡萄糖后，两者在不同有机物污染状态下对氨氮樗水的降解效果不同。随着有机物的增加， 固定化小球对氨氮的去除能力几乎不受c0D 浓度的影响，对氨氮的降解率总保持在665水平。而悬浮硝化活性污泥的氨氮降解率却明显下降。王磊等 ” 认为： 固定化小球内部尽管存在硝化细菌和碳化菌，但前者在生物量上占优势，即便系统中cO 较高， 硝化作用仍会保持较高的速率；另外，固定化小球由于具有多孔结构，其内部微观环境在较长时间内能保持相对稳定，受外界环境变化影响较小，处理效果稳定。而有机物的增加使悬浮硝化活性污泥对氮氮降解能力下降的原因并非是有机物对硝化菌群具有毒害作用，则可能是有机物的存在刺激了异养细菌的迅速生长从而与硝化菌竞争溶解氧、氨和微量营养物质，使硝化反应受到抑制 =本文作者在试验中观察到，随着时间的延长，该反应系统对氨氮的降解率叉会重新上升1。0芝80篓60。埘20O温度囤4 同温度下固定化和未固定化硝化细菌对氨氮的去障率芒褂世戚聒O95 200 400 600 800 1000COD( -L 】圈5 有机格对固定化和未同定化硝化细菌氨氮去障事的影响24 固定化小球和悬浮硝化活性污泥对养殖污水氨氮污染的去除实验相对于人工配制的氮氮污水而言，养殖污水的成分要复杂得多，不仅存在有机物污染，而且水体异养菌的种类和数量极其丰富。同时，由于经常性消毒和治疗鱼病，水体中残存的农药和消毒剂对活性细胞也有影响，因此，将实验分成养殖污水预处理前和预处理后两次进行。表2为养殖污水预处理前后的主要水质指标。裹2 混凝沉淀对养殖污水主要水质指标的影响 nJL固定化小球对混凝前养殖污水氨氮去除率为765 ，悬浮硝化活性污泥为576(图6)，表明固定化小球对养殖污水氨氮的去除率明显高于悬浮活性污泥；养殖污水经混凝沉淀后，两者对氨氮去除率都有不同程度提高，前者达到807 ，后者达到7O2 (图7)。表明养殖水体自身的生态环境状况对硝化细菌的影响很大。表2的数据证实了这一点， 养殖污水混凝沉淀后，氨氮浓度并没有变化，但COD 浓度明显降低，异养菌数量大大减少， 由于碱石灰的加人使偏酸性的水体pH升高到76。这些变化都有助于硝化细菌活性的发挥， 因而提高硝化反应的进程。同时，从图6、7还可以看出，养殖污水无论在混凝前还是在混凝后，两种方法在不同时间对其氨氮的去除率，固定化法都优于悬浮细胞法。其原因可以解释为： 固定化的硝化细菌处在相对稳定的微环境中，抵抗各种不利因素影响的能力增强，因此，间接地使固定化硝化细菌的代谢活性提高； 固定化细胞的形态会发生变化，这种变化可能进一步影响其生理活性，导致代谢活性提高，许多学者已借助于各种手段观察到固定化细胞的形态发生变化 ，而这些形态的改变可能是导致固定化细胞代谢活性提高的原因之一 例如，细胞膜的改变使膜通透性增加，从而使细胞的氧及底物利用速率增加。但也有学者认为固定化细胞的代谢活性提高并非由于其形态改变所致，而是由于固定化细胞所处的微环境的诸多因素，如pH、温度、离子浓度、营养及代谢产物浓度、氧及营养物的扩散速度等对细胞的综合影响，使细胞的生理活性发生改变，从而导致固定化细胞的代谢活性提高 ”总之固定化细胞代谢活性的提高是由许多复杂的生理、生化机制引起，有待进一步探讨】00i 80l：O亭馑慝糍l00806040O0 2 4 6 8 10 12 0 2 4 6 8 】u 12r，h r，h图6 两种方法对养殖污水 图7 两种方法对养殖污水混凝前氨氯的去障率 混凝后氪氯的去障率3 结论1)对采集的污泥应用硝化细菌富集培养基经l2周的摇床培养可获得硝化细菌占绝对优势的硝化活性污泥，硝化细菌达到5610 MPN L，而异养细菌仅为7310cPumL。驯化的硝化活性污混经离心浓缩后采用固定化工艺制成的小球，其中硝化细菌的数量可以达到1010 MPNmL以上：2)载体PVA浓度以8O gL所制成的固定化小球，其形状规则，能形成外密内疏的多孔结构，且具有一定的机械强度。经5周 化固定化小球细胞呼吸活性可以达到4026 mg(Lh)。3)在最适降解环境条件下， 固定化小球对氨氮的降解能力比悬浮硝化活性污泥略低但在偏离最适降解条件时，固定小球的耐受性明显增强。4)采用