沸石固定化细胞处理农村生活污水中氨氮效果研究

1、第 32卷 沸石固定化细胞处理农村生活污水中氨氮效果研究陈兵红(丽水职业技术学院, 浙江丽水 323000摘要:利用从农村生活污水中筛选 、 驯化的高效菌 SHJ-1, 以沸石为载体进行固定化, 研究了固定化细胞的降解特性 。 实验表明采用菌体附着载体生长的方法来制备固定化细胞是可行的 。 沸石固定化细胞去除氨氮受温度 、pH 值 、 生物沸石投加量和接触时间的影响, 其中温度 是最显著因子 。 最优条件为温度 30 , pH 值 8, 接触时间 60min , 生物沸石投加量 15g/L, 氨氮去除率为 99.72%。关键词:氨氮; 农村生活污水; 生物降解; 沸石; 固定化 中图分类号:X

2、172; Q819; Q93文献标志码:A文章编号:1003-6504(200907-0132-04Biodegradation Effect of Ammonia Nitrogen in Rural DomesticWastewater by Immobilized Cells with ZeoliteCHEN Bing-hong(Lishui Vocational and Technology College , Lishui 323000, China Abstract :Pseudomonas sp. SHJ-1isolated and domesticated from rural

3、domestic wastewater was immobilized on the zeolite as carrier , and its biodegradation characteristics of ammonia nitrogen were studied. Results showed that it was feasible to immobilize cells by the way of bacterium settling on the carrier. The effects of ammonia nitrogen biodegradation by immobili

4、zed cells with zeolite were affected by temperature , pH , dosage and contact time , especially temperature. Under the optimal conditions of zeolite 15g/L, temperature 30 , pH 8and contact time 60min , the biodegradation rate of ammonia nitrogen was 99.72%.Key words :ammonia nitrogen ; rural domesti

5、c wastewater ; biodegradation ; zeolite ; immobilization农村生活污水成为现代社会严重的环境问题之一 1。 氨氮是农村生活污水的主要污染物之一 。 水体中所含的氨氮, 特别是流动较慢的湖泊 、海湾等封闭水 体中的氨氮会造成水体的富营养化, 使某些藻类恶性 繁殖, 并通过食物链影响人类的健康, 甚至会导致湖 泊的干涸消亡 2。 选择一种低成本 、 高效益的污水处理 技术, 将农村生活污水减量化排放 、 无害化处理和资 源化利用显得尤为必要和迫切 。目前, 农村生活污水处理技术研究虽有所突破, 但 大多投资多 、 能耗高 、 运行费用高 、 管

6、理难度大 、 应用 性不强 。 实践已经证明, 缙云斜发沸石资源丰富, 廉价 易得, 经过适当改性后, 对工业废水 、 城市生活污水中 的氨氮等污染物有较好的处理效果 3-4, 在农村生活污 水处理中的应用研究刚刚起步 。 课题组从农村生活污 水中筛选 、 驯化的高效菌 SHJ-1, 以改性沸石为载体进 行细胞固定化, 探讨固定化细胞的制备条件和最优操 作条件, 并利用固定化细胞处理农村生活污水中的氨 氮, 为农村生活污水处理提供技术参考和理论依据 。1材料与方法1.1实验材料和菌株实验农村生活污水:取自丽水市莲都区城北村, 包括人蓄粪尿及其冲洗水 、 厨房炊事用水 、 洗浴废水 等所有的废水

7、 。 氨氮初始浓度范围为 1520mg/L。 实验沸石取自浙江省缙云县, 为斜发沸石, 属于单斜晶体, 颜色为白色 、淡黄色 。 呈宽板条状 、 细板条 状 、不规则粒状等 。 去除氨氮的沸石为经 450 焙烧的 3665目钠型沸石, 称之为型沸石 。 分离培养基 、 斜面培养基:NaCl5.0g , 蛋白胨 10.0g , 牛肉膏 5.0g , pH7.4。菌体扩大培养基:豆饼粉 1%、 玉米淀粉 3%、 磷酸 二氢钾 0.1%、 硫酸镁 0.1%。除蛋白胨为化学纯,其它试剂均为市售分析纯 。 降解菌 SHJ-1由本人从农村生活污水中筛选获得, 用 于去除农村生活污水中的氨氮 。1.2固定化

8、细胞制备及生长曲线的绘制收稿日期:2008-12-23; 修回 2009-03-21基金项目:丽水职业技术学院科研项目 (LZYA200803Science &Technology第 32卷 第 7期 2009年 7月Vol. 32No.7Jul. 2009第 7期参照文献 97, 在 3组装有 2mL 培养基的 250mL 摇瓶中加入型沸石 5.0g ,灭菌后接种 SHJ-1菌, 在 恒温摇床上培养 48h (30 、 120r/min 。 在培养过程 中, 随着细胞生长, 部分细胞自然固定于载体 。 培养结 束后将固定化细胞与培养基分离, 用去离子水洗涤固 定化细胞数次, 以去除培

9、养基残液, 并作为一份固定 化细胞冷藏待用 。将各取样时间点的固定化细胞, 经抽滤不再滴滤 液, 此后在干燥箱中烘干至恒重, 称其干重, 再减去沸 石干重即为固定化细胞的生物量 。 悬浮细胞在干燥 箱中烘干至恒重后,称其干重即为悬浮细胞的生物 量 。 以培养时间为横坐标, 细胞干重为纵坐标, 绘制生 长曲线 。1.3细胞去污实验方法事先测定农村生活污水中氨氮浓度, 然后再进行 细胞固定 。对于固定化细胞, 除特殊说明外, 将制备好的一 份固定化细胞重新分散于 250mL 农村生活污水, 在 恒温摇床 (30 、 120r/min 中振荡一定时间后测污染 物含量, 即氨氮浓度 。1.4分析方法氨

10、氮浓度采用纳氏试剂比色法 (GB7479-87 测 定 。 菌体生物量的测定采用平板菌落计数法 。2结果与分析2.1固定化细胞的制备本实验采用菌体附着载体生长的方法来制备固 定化细胞 。 由于载体 -沸石的存在, 固定化过程中微 生物可以沸石为中心生长,也可以悬浮方式生长, 因 此实验需考察细胞在沸石存在下的生长情况, 以确定 固定化方法是否可行 。 制备固定化细胞过程中, 每隔 2h 测定菌体个数 。从图 1可看出, 在固定化过程中, 微生物以沸石 为中心的生长速率和生长量明显高于悬浮生长 。 在最 初的 6h 细胞基本无悬浮生长,而且培养 14h 后悬浮 细胞增长减缓, 16h 达到最大值

11、, 19h 后固定化细胞增 长减缓, 24h 后有所降低 。 由此可见, 与悬浮生长相比, 以沸石为中心的细胞生长占优势, 通过此方法进行固 定化是可行的 。实验表明, 型沸石固定化细胞对氨氮的去除率 60min 就达到 99.46%, 相对于改性沸石 、 游离菌的最 适时间提前了 60min , 而且处理效率也有所提升, 对氨 氮的处理效果相当好 。2.3pH 值对固定化细胞降解率的影响实验取 5g 型沸石固定化细胞分别放入 pH 为 5、 6、 7、 8、 9的 250mL 农村生活污水中,振荡 60min 后,取上清液测定氨氮浓度,并以 2mLSHJ-1菌 液为对照, 考察 pH 对氨氮

12、去除率的影响, 结果如 图 3。可以看出, 型沸石固定化细胞去除氨氮时比游 离细胞受 pH 值影响稍小,对 pH 的适应范围更广一 些, 最适 pH 为 68, 氨氮去除率达到 99%以上, pH=8时, 氨氮去除率最高, 达到 99.68%。陈兵红 沸石固定化细胞处理农村生活污水中氨氮效果研究第 32卷 总的来看, 沸石固定化细胞降解率受 pH 的影响和 游离细胞基本一致 。 可能是因为沸石固定化为物理吸 附, pH 对固定化细胞和游离细胞的影响一致 。 2.4温度对固定化细胞降解率的影响实验图 4显 示 了 SHJ -1菌 株 分 别 在 20 、 25 、 30 、 35 、 40 温度

13、 下 去 除 农 村 生 活 污 水 中 有 机 物 、 氨氮和磷的效果 。 结果表明, 25 40 是最适宜 降解的温度范围, 其中 35 时氨氮的去除率最高, 为 99.68%。 2.5生物沸石投加量对固定化细胞降解率的影响实验 称取 1.25g 、 2.50g 、 5.00g 、 12.50g 、 25.0g 和 50g 沸石 (3665目 , 分别放入 6个 250mL 的锥形瓶中, 以 生活污水自然降解为对照,按实验方法操作,振荡 60min 后, 分别取上清液测定氨氮浓度, 考察沸石投 加量对去除氨氮的影响, 所得结果如图 5。从图 5可以看出, 沸石投加量在 520g/mL时,

14、氨 氮去除率与沸石投加量呈正相关关系, 即氨氮的去除 率随沸石投加量的增加而增长 。 沸石用量超出 20g/L生产实践和科学实验中往往需要考察多因素及 因素间相互作用对指标的影响 。 正交试验就是考察多因素的一种试验方法 。 在实验中, 利用 L 9(34的正交 实验, 考察温度 、按照上述方法进行实验, 有机物 、 氨氮和磷去除 率的实验结果分别如表 2。表 1因素水平表Table 1Factors and levels of the orthogonal test水平 123A :温度 ( 253035B :pH 值 678C :接触时间 (min6090120D :生物沸石投加量 (g/

15、L101520注:测定有机物去除率时间时, 接触时间的三个水平改为 6h 、 8h 和 10h表 2氨氮去除率的正交实验结果Table 2Experimental arrangemen of ammonia-nitrogen removal计序号 水平氨氮去除率 (%注: 指水平 13的 3组试验结果平均值, 反映同一因子各水平的作用大小 。 R :极差, 指平均值最高与最低之差值, 反映因子的重要性, 极差越大 越重要 。对氨氮的去第 7期除率影响的程度大小结果一致, 各因子的重要性依次 为 A >B >D >C , 即:温度 >pH值 >生物沸石投加量 >

16、;接 触时间 。根据正交实验结果, 并进行方差分析, 去除氨氮 的最佳组合是 A 2B 3C 1D 2。2.7最优条件下沸石固定化细胞处理实验沸石固定化细胞在最优条件下处理农村生活污 水, 并以游离细胞为对照, 结果如表 3。从表 3可以看出, 固定化细胞和游离细胞在最优 条件下对农村生活污水中的污染物的去除率相对于 单一因子的最适条件效果要好; 在最优条件下, 固定 化细胞去污能力相对于游离细胞而言仍然要高得多, 充分展示了沸石作为固定载体的优良性能 。为进一步考察固定化细胞的稳定性, 取适量的固 定化细胞, 每天进行农村生活污水的去污实验, 在最 优条件下测定去除率, 然后将固定化细胞过滤

17、 、 洗涤, 放入冰箱保存 。 实验发现, 经过 7次实验后, 固定化细 胞对有机物 、 氨氮和磷的去除率仍保持在较高水平, 去除率的下降幅度 <3%, 第 10次重复实验去除率的下 降幅度 <5%。 可以看出, 随着使用时间的延长, 细胞的 活性逐渐下降, 说明该沸石固定化细胞在农村生活污 水的处理中具有一定的实际应用价值 。3结论通过沸石 、 游离菌和沸石固定化细胞处理农村 生活污水的比较, 发现采用菌体附着载体生长的方 法来制备固定化细胞是可行的 。 实验表明, 沸石固 定化细胞效果最好,说明该固化技术能够保持改 性沸石的最优降污性能,还能发挥高效菌去除氨 氮的活性 。沸石固

18、定化细胞去除氨氮受温度 、 pH 值 、 生物沸 石投加量和接触时间的影响,其中温度是最显著因 子 。 沸石固定化细胞处理农村生活污水中的氨氮的最 优条件为:温度 30 , pH 值 8, 接触时间 60min , 生物 沸石投加量 15g/L, 去除率为 99.72%。参考文献 1杨德明, 鄢亚玲, 彭琴 . LMB 优势菌处理生活污水技术探讨 J.云南冶金 , 2006, 35(3 :70-74.2钱易 . 非金属矿可持续发展 M.北京:高等教育出版社, 2000: 50-51.3李虎杰, 田煦, 易发成 . 活化沸石对 Pb 2+的吸附性能研究 J.非金属矿, 2001, 24(2 :49-51.4董秉直, 夏丽华, 高乃云 . 天然沸石去除腐殖酸和氨氮的研 究 J.环境污染与防治, 2005, 27(2 :94-96.5Sub Yeung-jean. Biodeg