固定化微生物处理模拟污染地表水

固定化微生物处理模拟污染地表水*魏小娜1,2摇李摇刚1**摇吴摇波1摇郭书海1摇郑摇涛3(1中国科学院沈阳应用生态研究所,沈阳110016;2中国科学研究生院,北京100049;3沈阳市北部污水处理厂,沈阳110016)摘摇要摇以聚乙烯醇和海藻酸钠为包埋剂、驯化后的活性污泥为包埋菌剂,制备固定化微生物颗粒,其中包埋剂与包埋菌剂的比例为2颐1。将该固定化微生物颗粒按20%的填充率装填到自制反应器中,用于处理模拟污染地表水,研究该固定化微生物的性能特点及其对模拟污染地表水的净化效果。结果表明:固定化微生物反应器的最佳水力停留时间为10h,最佳进水COD负荷为1.15~1.85g·L-1·d-1。在水温为20~29益、溶解氧为3~4mg·L-1、水力停留时间为10h的条件下,当进水COD浓度为70.58~91.76mg·L-1、铵氮浓度为13.68~17.82mg·L-1时,COD去除率62.3%,铵氮去除率90.6%,表明固定化微生物能够有效地去除污染地表水中的COD和铵氮。关键词摇固定化;水力停留时间;化学需氧量;铵氮中图分类号摇X172摇文献标识码摇A摇文章编号摇1000-4890(2012)7-1882-05Usingimmobilizedmicroorganismtotreatsyntheticpollutedsurfacewater.WEIXiao鄄na1,2,LIGang1**,WUBo1,GUOShu鄄hai1,ZHENGTao3(1InstituteofAppliedEcology,Chi鄄neseAcademyofSciences,Shenyang110016,China;2GraduateUniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China;3ShenyangNorthernSewageTreatmentPlant,Shenyang110016,China).ChineseJournalofEcology,2012,31(7):1882-1886.Abstract:Takingthepolyvinylalcoholandsodiumalginateasembeddingagentandthedomesti鄄catedactivatedsludgeasembeddingmicrobialagent,immobilizedmicrobialgranuleswerepre鄄paredwiththeembeddingagentandembeddingmicrobialagentinaratioof2颐1.Thepreparedgranuleswereloadedintoahomemadereactorinafillingrateof20%,andthereactorwasusedfortreatingsyntheticpollutedsurfacewater.Theperformanceoftheimmobilizedmicrobialgran鄄ulesandtheirpollutantremovalefficiencywereinvestigated.Theresultsshowedthattheoptimumhydraulicretentiontime(HRT)andinfluentCODloadingratewere10hand1.15-1郾85g·L-1·d-1,respectively.Atwatertemperature25-29益,DOconcentration3-4mg·L-1,andHRT10h,andwhentheinfluentCODandNH4+鄄Nwere70.58-91.76mg·L-1and13.68-17.82mg·L-1,respectively,morethan62.3%oftheCODandmorethan90.6%oftheNH4+鄄Nwereremoved.ItwassuggestedthattheimmobilizedmicrobialgranulescouldeffectivelyremovetheCODandNH4+鄄Nfrompollutedsurfacewater.Keywords:immobilization;hydraulicretentiontime;COD;ammoniumnitrogen.*国家水体污染控制与治理科技重大专项(2009ZX07208)和辽宁省“百千万人才工程冶培养经费资助。**通讯作者E鄄mail:[e-mail]收稿日期:2011鄄12鄄29摇摇接受日期:2012鄄03鄄24摇摇地表水环境日趋恶化,不仅会导致水质性缺水,严重影响水生态健康,还会加剧水资源供需矛盾,制约社会经济的发展,因此污染地表水的修复迫在眉睫(李海波等,2005)。地表水污染特征表现为污染区域广,水体流动性大,污染物浓度低且以有机污染为主(Ram侏rez鄄Bacaetal.,2005;Schwarzenbachetal.,2006)。一般来说,传统生物技术对污染物的降解主要依赖于游离优势菌,在污染地表水修复中存在降解菌浓度低、菌体易流失、抗毒性侵害能力差、对水力条件变化敏感等不足(Wagner&Hempel,1988)。为解决上述不足,有研究者将固定化技术引入到水处理中(Somervilleetal.,1977)。固定化微生物技术是利用物理或化学手段将游离微生物限生态学杂志ChineseJournalofEcology摇2012,31(7):1882-1886摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇定于一定的空间区域,并使其保持活性且能反复利用的一项技术(王建龙,2002)。它具有微生物密度高、微生物流失少、能有效屏蔽土著微生物的竞争、产物易分离、能同时除碳脱氮等优点(Kiyonoetal.,2003;Gentryetal.,2004)。然而,关于固定化微生物的应用研究,国内外已有报道基本集中在工业废水(孙艳等,1999;沈齐英,2007;Mahantyetal郾,2008)和城市污水(Cassidyetal.,1996;翟艳芝和李道棠,2009;Saminaetal.,2011)的处理研究领域,而对地表水污染修复方面报道较少。本研究采用包埋技术制备固定化微生物,研究其对模拟污染地表水的处理效果。通过对固定化微生物的性能研究,确定最佳的试验条件,并对固定化微生物法和游离微生物法进行了比较,为建立适用于污染地表水的固定化微生物修复方法提供理论依据和技术支持。1摇材料与方法1郾1摇试验用水本试验采用人工模拟水作为试验用水,配制试验用水所用药品:C6H12O6、NH4Cl、KH2PO4、NaCl、NaHCO3(Mahantyetal郾,2008;王亚娥等,2009),水质指标见表1。1郾2摇固定化微生物的制备活性污泥取自沈阳市北部污水处理厂回流污泥。由于试验用水中营养物质相对缺乏,与污水处理厂污水在水质上有较大差异,包埋前用试验用水对活性污泥进行驯化,以培养富集贫营养条件下的优势菌种。驯化条件:温度25~29益,污泥浓度3g·L-1,溶解氧(DO)3~4mg·L-1,水力停留时间(HRT)3h。驯化30d后,将活性污泥以3500r·min-1离心15min,得到浓度为41郾35g·L-1的活性污泥沉淀,在-4益保存备用(Songetal郾,2005)。固定化微生物包埋剂选择聚乙烯醇、海藻酸钠和二氧化硅,各组成比例分别为10%(W/V)、0郾8%(W/V)和2%(W/V)。将离心后的高浓度活性污泥与包埋剂按质量比1颐2混合,充分搅拌,混合均匀,室温静置4h(李花子,2002;王建龙等,2006),将上述混合液滴加到含2%CaCl2的饱和硼酸溶液中,交联成球,在-4益固化交联24h,制得粒径为4mm的固定化微生物颗粒,用蒸馏水洗涤3次,在-4益保存备用(Chenetal.,2002;李海波等,2005)。表1摇试验用水水质Table1摇Influentwaterquality指标pH值溶解氧(mg·L-1)COD(mg·L-1)NH4+鄄N(mg·L-1)范围7郾1~8郾21~1郾570郾58~91郾7613郾68~17郾82图1摇试验装置示意图Fig.1摇Schematicdiagramofexperimentalequipment淤高位水箱;于水阀;盂蠕动泵;榆溶解氧测定仪;虞滤网;愚反应柱;舆转子流量计;余气泵。1郾3摇试验装置试验装置为自制柱状有机玻璃反应器,反应器尺寸:直径100mm,高550mm,有效容积3郾5L。反应器配备蠕动泵、气泵及流量计保证均匀进水、进气。试验装置见图1。1郾4摇试验方案将制备好的固定化微生物颗粒按填充率为20%的比例投入反应器中,反应器运行条件:间歇进水,温度20~29益,DO3~4mg·L-1。试验启动阶段HRT为14h,待出水水质稳定后,逐步缩短HRT。首先研究不同HRT下固定化微生物对COD及铵氮的去除效能,并确定反应器运行的最佳HRT;其次考察不同进水COD负荷下固定化微生物的污染物去除性能,确定最佳进水COD负荷;最后比较固定化微生物法与活性污泥法对污染物的去除效果,试验中2种方法所含活性污泥质量相等。1郾5摇分析项目及方法COD采用重铬酸钾法、NH4+鄄N采用纳氏试剂分光光度法(国家环境保护总局,2002)进行分析测定,DO采用快速溶解氧测定仪测定。2摇结果与讨论2郾1摇不同HRT下污染物的处理效果启动完成后,在连续稳定运行条件下,研究HRT分别为14、10、8、6和4h时固定化微生物对污3881魏小娜等:固定化微生物处理模拟污染地表水染物的去除效果。每个工况运行10d,前2d作为适应期,后8d每天取样进行分析。反应器运行参数见表2。由图2可以看出,HRT为14h时,COD去除率稳定在62郾3%以上,出水COD保持在31郾14mg·L-1以下,缩短HRT到10h,COD去除率变化不明显。继续缩短HRT,COD去除率持续下降,且出水水质不稳定,当HRT为4h时,COD去除率仅有29郾6%。试验结果表明,要保持对COD稳定的去除效果,反应器适宜的HRT为10h。鲁剑等(2010)采用人工草生物载体固定化微生物处理北京温榆河水,进水COD55~80mg·L-1,HRT为10h时COD平均去除率仅为25郾4%,低于本研究HRT为10h时62郾3%的去除率。原因可能是与人工草生物载体相比,包埋法固定化技术对微生物的固定化效果稳定,微生物流失少,因而能长时间保持较高的微生物密度。同样,HRT对铵氮的去除效果也有明显影响(图3)。在进水铵氮浓度较低的情况下,HRT6h时,铵氮去除率稳定在90郾6%以上,出水铵氮浓度低于1郾45mg·L-1,HRT的改变对铵氮去除效果影响不明显。缩短HRT到4h,铵氮去除率降低了16郾1%。因此,在满足HRT6h的情况下,反应器表2摇反应器运行参数Table2摇Operatingparametersofthereactor试验阶段运行时间(d)HRT(h)进水COD浓度(mg·L-1)进水NH+4鄄N浓度(mg·L-1)11~101477郾76~90郾5012郾57~18郾94210~201075郾30~89郾5012郾73~19郾33320~30872郾80~89郾7612郾33~19郾76430~40674郾80~89郾7610郾92~19郾82540~50472郾60~84郾6711郾57~18郾27图2摇HRT对COD去除效果的影响Fig.2摇EffectofHRTonCODremoval图3摇HRT对铵氮去除效果的影响Fig.3摇EffectofHRTonNH+4鄄Nremoval可以达到较好的铵氮去除效果。表明对铵氮浓度较低的废水固定化微生物能够在较短的HRT内实现良好的铵氮去除效果(李彦秋,2009;温丽丽等,2011)。以上试验结果表明,HRT在一定范围内改变时对污染物去除效果有明显影响。原因可能是当原水中污染物