固定化藻菌同步脱氮除磷研究丁忠浩

颗粒学前沿问题研讨会—暨第九届全国颗粒制备与处理研讨会20的年10月SymPOsiumonRecent阮脚55运Partieuolo留一gthNationaleonferenceonPartiel。阶paration^ndTreatmentoet.2009固定化藻菌同步脱氮除磷研究丁忠浩高瑞美普敏(武汉科技学院环境与城建学院,湖北武汉430073)摘要:将硝化菌、反硝化菌和蛋白核小球藻混合固定在海藻酸钠中,对模拟废水进行净化,研究了藻密度、菌体比例以及藻菌的比例等因素对脱氮除磷的影响;利用SBR反应器,研究了包埋胶球对污水中氨氮和正磷酸盐的去除效率,并与悬浮法进行了比较。结果表明,在氨氮浓度为52.5m叭、正磷酸盐浓度为.38m叭时,包埋胶球NT的去除率比悬浮态高63%,固定化藻菌可实现同时硝化反硝化和同步除磷,出水NT、开去除率分别为71%和69.2%。关键词:固定化藻菌;SBR;脱氮除磷图文分类号:X7031前言随着现代工业的不断发展和化肥及农药的普遍应用,废水中氮、磷的含量逐渐增加,使水体富营养化现象日益严重l[,21。硝化菌、反硝化菌是生物脱氮工艺中起关键作用的微生物,而藻类在自然水体的自净过程中起着很重要的作用3[],将三者共固定在一起,不仅可以利用藻类和细菌两类生物之间在生理功能上产生的协同作用和固定化胶球内部形成的氧浓度梯度,有效去除水体中的营养物质,实现同时硝化反硝化和同步除磷,还可以避免藻菌的流失和藻类直接排放引起的二次污染,因此具有良好的应用前景【4一7]。本文研究了藻类密度、硝化菌和反硝化菌的比例对共固定化系统脱氮除磷的影响,利用SBR的运行方式,研究了包埋藻菌对废水脱氮除磷的效果,并将其与悬浮法对进行了比较。2材料与方法2.1菌种的来源硝化细菌和反硝化细菌是本实验室自行培养,蛋白核小球藻是由中国科学院武汉水生生物研究所藻种库提供。硝化细菌培养基组成为:NH4HCo3500~l000mgL/,NaCI4omgL/,NaHC03500mgL/,Na3p04·12H20120mgL/,微量的镁盐、亚铁盐、钾盐和钙盐。反硝化菌的培养基组成为:牛肉膏5000mg/L,蛋白脉10000m叭,NaNO3looom叭,调节PH.75左右。蛋白核小球藻的培养基为SE培养基。.22试验污水试验污水采用人工配制的模拟废水,将0.309NH4Heo3,0.15一0.209葡萄糖,0.04gNaCI,0.sgNaHCo3,o·039Na3Po4·12H20,微量Mgso4·7HZO、Feso;·7HZo、KCI、CaCI:溶于IL水中配合成废水,调节pH为8.0左右。.23试验装i实验装置为两套相同的透明有机玻璃制成的SBR反应器(反应器A和反应器B)。简图见图l,其中反应器内径11仓rnm,高70m0m,有效容积6L。6只40W日光灯管安装在每个反应器周围,光照强度为4000Lx左右。A反应器加入悬浮的藻菌悬液;B反应器加入包埋的藻菌胶球。两反应器运行条件相同,每个周期包括进水.0h5、曝气6h、沉淀lh和排水0.5h四个阶段。.24固定化胶球的制备及脱固定化方法将培养好的藻菌液离心浓缩(3000r/min,15min)后,加入去离子水制成一定浓度的藻菌悬液,加入到.45%(w浑)海藻酸钠和1%碳酸钙胶液中,形成3%(W浑)的海藻酸钠混合胶液,用滴管滴入2%的氯化钙溶液中,在室温下交联Zh,形成直径为4mm的胶球,取出固定化胶球,用生理盐水洗涤后用。将胶球放入1.5%的柠檬酸钠溶液中摇动至胶球完全溶解,这样就可以数胶球内部藻细胞的数量。.25分析项目及方法氨氮采用纳式试剂光度法。亚硝酸盐采用N一(1一禁基),乙二胺光度法。硝酸盐采用酚二磺酸光度法。总氮采颗粒学前沿问题研讨会—暨第九届全国颗粒制备与处理研讨会用过硫酸钾氧化一紫外分光光度法。总磷采用铝酸按分光光度法。小球藻计数采用血球计数法。1增氧器2反应器3曝气头4搅拌机5流量计6阀门7储水箱8排水管9排水泵10排水箱11排泥箱12排泥泵13排泥管图1实验装置Fgi.1TheexPerimentalinstalltaion3实验结果与讨论3.1固定化条件对脱氮除磷的影响3.1.1固定化胶球藻细胞密度对脱氮除磷的影响取离心后的蛋白核小球藻制成3种浓度的藻悬液,各取10ml制备胶球,胶球内部小球藻的密度分别为5x105个/球(低密度A)、.25又10“个/球(中密度B)、1.x5l07个/球(高密度C)。然后分别装入3个各装有looml实验污水的250ml三角瓶中,置于150r/min摇床,在温度25士2℃、光照强度2000~4000Lx,连续光照的条件下反应4天,结果如图2。图2藻细胞密度对去除率的影响Fig.2Influecneofalgaldensiytontreatmenteffecst由图2可知,在反应进行的前两天内随着藻密度的增大,氮磷的去除率逐渐增高,高密度的氨氮和正磷酸盐去除率分别比低密度高24.1%、巧.2%。当反应进行到第四天时,三种藻密度对氮磷的去除率相差很小,这说明,高密度藻可以在短时间内发挥较高的去除氮磷的能力,但到一定的时间后藻密度的大小就不会影响氮磷的去除率。从提高单位体积反应速度角度考虑,选择高密度藻细胞胶球较合适。丁忠浩等:固定化藻菌同步脱氮除磷研究3.1.2硝化菌和反硝化菌的体积比对脱氮除磷的影响将硝化菌和反硝化按五个体积t匕:A(l:0)、B(l:l)、C(2:l)、D(3:l)、E(4:l)来混合,取10ml混合菌液制备胶球,然后分别放在装有looml实验污水的250ml三角瓶中,置于巧or/min摇床,在温度为25士2℃的条件下,反应h8,结果如图3。~氨氮去除率~正磷酸盐去除率nU八U八U八U八曰n甘八U八UCUQ口门汽à厅r八blóUA三OCJ乙11%\哥渔邢0ABCDE硝化菌/反硝化菌图3菌体比例对去除率的影响Fig.3Influeneeofbacteiraarteonetratmeineffects由图3可知,随着硝化菌和反硝化菌比例的增加,氨氮去除率先上升后下降,当硝化菌和反硝化菌的比例为2时,氨氮去除率达到最大为81.2%,比没加反硝化菌时高30.6%。加入反硝化菌会大大增加系统的脱氮效果,但加入的硝化菌数量过多,会出现.N02一和N03一的积累,从而抑制了硝化菌的硝化作用,导致脱氮效果下降。因此选择硝化菌和反硝化菌的比例为2。3.1.3硝化菌、反硝化菌和小球藻的体积比对脱氮除磷的影响将小球藻和混合菌按体积t匕为A(l:0)、B(4:l)、C(l:l)、D(l:2)、E(0:l)来混合藻菌,取10mL制备胶球,将胶球分别放在装有loomL试验污水的250mL三角瓶中,置于转速为巧or/min,在温度25士2℃、光照强度2000~4000Lx,连续光照的条件下反应1天,结果如图.4n曰nùnUOJ动.上nUnU八11nU只,官八匕二d%\哥渔邢-月卜-正磷酸盐去除率nùn曰ù连人qJ20ABCDE菌藻体积比图4菌藻体积对去除率的影响Fig.4nIflueneeofalgal一bacteiravolumeonetraitnenteffeest由图4可知,小球藻主要去除废水中正磷酸盐,混合菌主要去除废水中的氨氮。藻菌体积比为E时,正磷酸盐的去除率达到6.92%,比A高37.6%,而E的氨氮去除率仅为51.2%。藻菌体积比为A时,氨氮去除率为99%,比E高48.8%。因此,将两者有效的组合起来应用在废水中,就能达到脱氮除磷的效果,因此选择C。226颗粒学前沿问题研讨会—暨第九届全国颗粒制备与处理研讨会3.2固定化藻菌系统在SRB中的应用3.2.1悬浮法对废水处理的试验研究按照2.1.3确定的体积比混合藻菌,取1000ml放入A反应器,在温度25士2℃、光照强度40o0Lx左右、DO为2一3留mL、生化反应时间为h6的条件下启动。每周期处理水量为SL,反应稳定后,废弃20mL的藻菌液。处理结果如5。岁、哥渔巾n甘nùnùnU一U一UCU八UCU一UCU10“RU7.冉01043n`IC甘-{卜-正磷酸盐浓度一今冲一氨氮浓度-丫卜-正磷酸盐去除率一.卜-氨氮去除率-,卜一总氮去除率东二京二东=东二合二东二沽n甘nUnùn一n甘nUCùn甘n一只一,,八匕`口4勺口21之口E、侧爱234567日期ld图SA反应器的净化效果Fig.5hTeP硕ifeationeffeetoferactorA由图5可知,当A反应器运行稳定、进水氨氮浓度为5.25m叭、正磷酸盐浓度为3.8m叭时,出水氨氮浓度几乎为om叭,正磷酸盐浓度为0.8m叭,氨氮去除率在98%以上,正磷酸盐的去除率约为69.2%,总氮的去除率仅为8士1%。表明混合藻菌系统能将混合菌的高效除氮和小球藻的高效除磷结合起来,能够同时除氮除磷,但对总氮的去除率很低。3.2.2固定法对废水处理的试验研究取跟A反应器相同量的藻菌液用来制备胶球,然后将胶球放入B反应器中,跟A反应器相同的启动条件下运行,每周期处理相同的水量,但不进行排泥。处理结果如图6。求ó哥渔邢n一nUn甘onùn.óUnùnUO甘凡07.丹01匕4qgo`JJ.0ǎU冉UOǎU`é4q口0`J,.之口E、侧爱口-OesoesoesoesO-戒斗州D~{卜闷口-口-口0·01357911日期ld图6B反应器的净化效果Fig.6hTeP如ifeaitoneffeetofreactorB由图6可知,藻菌包埋固定化后由于部分细胞失活和传质阻力的增大,导致第一天的去除率仅为60%,但随着反应时间的进行,硝化菌、反硝化菌和小球藻的活性逐渐提高,8天后活性基本回复。当B反应器运行稳定、进水氨氮浓度为52.5m叭、正磷酸盐浓度为3.8m叭、COcDr为150m叭时,出水氨氮浓度几乎为om叭,正磷酸盐浓度为0.8m叭,总氮的去除率为71%。说明包埋固定化藻菌,能实现同时硝化反硝化和同步除磷。这是由于系统中协同了藻类和细菌两类生物在脱氮和除磷方面的生理功能,且固定化胶球内部形成的氧浓度梯度,为脱氮创造了丁忠浩等:固定化藻菌同步脱氮除磷研究很好的环境,可有效去除水体中的营养物质。由图还可看出与悬浮法相比,氨氮、正磷酸盐的去除率基本一样,而总氮的去除率达到71%,比悬浮法高63%。这是因为,硝化菌和反硝化菌混合固定后,载体对氧的传递产生阻力,阻碍了溶解氧由液体主体向载体内部扩散,进而形成好氧区、缺氧区和厌氧区,形成了适合硝化和反硝化两个过程进行的外部条件。好氧区由于氧气的存在主要进行硝化反应,其产物N02一石N和No3一`N在浓度推动下向内扩散,缺氧区和厌氧区在缺氧的条件下将硝化反应的产物进行反硝化作用,从而实现了同时硝化和反硝化。但固定化胶球长时间运行后,胶球会有溶解现象,需放入2%的氯化钙溶液中重新交联后再使用。4结论(l)利用硝化菌、反硝化菌与蛋白核小球藻混合固定构成的生物脱氮除磷系统进行生物脱氮除磷时,最适宜的胶球藻密度、硝化菌与反硝化菌的体积比和小球藻、混合菌的体积比分别为1.5、l护个球、2和1:1。(2)在进水氨氮浓度为52.5m叭、正磷酸盐浓度为3.8m泌、生化反应时间为h6的条件下,包埋法和悬浮法的氨氮去除率都为98%以上,正磷酸盐的去除率为692%,但包埋法总氮的去除率比悬浮法高63%。藻类和细菌两类生物之间在生理功能上产生的协同作用和固定化胶球内部形成的氧浓度梯度,可实现同时硝化反硝化和同步除磷。因此,将硝化菌、反硝化菌和小球藻混合固定构成的生物脱氮除磷系统具有良好的应用前景。(3)本实验是在实验室水平上对固定化细胞进行的研究,要使其真正用于生产,还需要解决一些问题,例如:开发价格低廉且性能良好的固定化载体等。参考文献:11〕石健华,王华.太湖富营养化改善对策明.水资源保护,1997,:112一巧.2[]冷家峰,董捷.大明湖水质污染现状与防治对策阴.山东环境,2000,97(3):16一17.[3」RuP峨J.Carggs,PaulJ.MeauleyandValeireJ.Smiht,认厄stewaternu州entr