包埋固定化微生物技术的应用研究

包埋固定化微生物技术的应用研究

包埋固定化微生物技术是目前水处理领域的研究热点之一。其中以PVA作包埋固定化载体的报道较多,但大多数涉及的是应用效果方面的研究,而关于包埋固定化微生物凝胶体在运行过程中特性变化及包埋后微生物活性改变的研究尚未见报道。本试验在这些方面做了有意义的尝试。1材料和方法1.1来源和繁殖取兰州雁儿湾污水厂二沉池中活性污泥,再经校园生活污水驯化15天后作为固定化用菌种。1.2带嵌入式设备和接收器聚乙烯醇(PVA),海藻酸钠,硼酸和CaCl21.3废水的来源试验废水取自兰州交通大学生活小区下水道污水,主要组成为食堂废水、冲厕、洗浴废水及学生区生活污水。1.4固定化凝胶球cacl2将2份已知浓度的驯化稳定的活性污泥经离心浓缩(3000r/min,10min)后,与凝胶包埋剂PVA、海藻酸钠和水形成悬浮液,由滴定管滴入(成球)含1%CaCl2的饱和硼酸中,交联时间24h,取出得固定化凝胶球,其中含活性污泥浓度约为11%,用生理盐水洗涤备用。1.5分析设计和方法COD值采用标准重铬酸钾标准法;DO采用便携式OX-128B型溶解氧仪。2试验结果及分析2.1海藻酸钠凝胶球的制备经过前期大量的实验研究发现:PVA和海藻酸钠是较为理想的包埋载体。本次实验重点对这两种载体的性能作了对比试验,最终确立最佳的包埋载体(见表1)。试验发现单独使用PVA作载体粘度太大易粘联成片,成球极困难;同时传质阻力较大。而单独使用海藻酸钠作载体成球容易,传质性好;但试验中发现将海藻酸钠凝胶球投入反应器中运行大约12天左右就完全溶解了,分析原因一方面是海藻酸钠的凝胶是一种多糖类物质在水中有一定的水溶性,另一方面也能被微生物降解一部分。实验最终确定:以PVA为主要载体,加入少量海藻酸钠改善成球难、传质阻力大的不足,发挥两者的优势。2.2有机物的去除笔者在利用包埋固定化活性污泥系统降解有机物的实验过程中,惊奇地发现在运行初期有机物浓度不降反而增加,随着运行时间的延长,有机物的去除率才有所提高,由此说明一方面凝胶物质可能有溶出,另外活性污泥的活性也会逐渐变化。同时还发现系统内包埋凝胶球的物理性状也有所改变,为此,笔者对这些特性的变化又作了大量反复的研究。2.2.1固定化活性污泥系统的运行效果取两个相同的反应器A、B,A中投入一份备用的包埋活性污泥凝胶球;B中投入与A中等量的游离活性污泥。两反应器同时启动,曝气条件下处理生活污水,污水体积500mL,连续进水,对比两反应器的运行效果(见图1)。由图1可看出在A反应器中起初几天CODcr值的去除率呈负值,大约经过15天的连续运行后,有机物的去除率超过B反应器,说明固定化活性污泥系统要经过一段时间的驯化适应,最终体现出好于普通活性污泥系统的优越性。分析原因可能与包埋凝胶载体及微生物活性两方面有关,为此笔者作了进一步研究。2.2.2凝胶载体的溶出情况试验将一份备用的包埋凝胶球放在500mL蒸馏水中,在曝气条件下考察其溶出程度随时间的变化情况,定时测定水中CODcr值,再换算成有机物含量以表征凝胶物质的溶出量。溶出情况如图2所示:由图2可看出:包埋固定化活性污泥凝胶球运行第一天时溶出有机物现象较剧烈,同时伴有大量泡沫出现。随时间的延长溶出量逐渐增多,1d后达到最大量2173mg;之后每天溶出量逐渐下降,7d后溶出量平均维持在7mg左右,主要是由泄漏浮游微量微生物造成,表征此时凝胶载体溶出基本停止。由此看出刚投入反应器的固定化凝胶球要经过大约7～8天的恢复,凝胶物质溶出才会停止。2.2.3微生物相对活性分析为了考证微生物在经过包埋工艺后活性是否有损伤,试验分别测定A、B两反应器运行初期及运行稳定两阶段微生物的耗氧速率,借此表征微生物相对活性并进行对比(见图3、图4)。由图3、4中的趋势线可近似定量得出微生物的相对活性,即相对活性=固定化微生物耗氧速率/等量游离微生物耗氧速率。图3中运行初期包埋的微生物的相对活性=0.0035/0.0129=0.27。图4运行稳定期包埋微生物的相对活性=0.85。分析原因:启动初期固定化微生物耗氧速率较慢,主要是在固定化包埋工艺中微生物在交联时间内缺氧、缺养分有部分死亡,而使活性相对游离态微生物有较大程度的损伤;而当系统运行达到稳定期时,固定化微生物经驯运行化培养,活性又逐渐恢复。虽然从数值上看仍有较小差距,主要受小球传质阻力的影响。2.2.4包埋固定化小鼠物理特性变化前期的实验发现包埋凝胶球的物理性状也有变化,为此实验也作了定量研究。见图5、6分别为固定化微生物凝胶球的随时间的变化情况。由图5及图6分析得出包埋固定化小球的物理特性在运行初期会有波动变化。粒径随时间呈先增加后下降,最后趋于稳定维持在0.55cm左右的状态,分析原因小球在反应器中运行初期因吸水膨胀粒径变大,而后吸水饱和载体有少量溶出又使粒径开始下降,当溶出停止粒径趋于稳定;比重呈先下降后上升,最后趋于稳定维持在1.151g/cm3左,这主要受粒径及载体溶出影响;形状由最初的不规则逐渐规则;颜色由白色变为灰白;硬度下降弹性略有增强。2.2.5包埋固定化微生物运行的耐久性研究包埋固定化微生物技术由于其优越的特性而被应用于水处理领域,但对其耐久性的报道还很少,为此通过近一年的试验运行进行研究(见