沸石固定化細(xì)胞處理農(nóng)村生活污水中氨氮效果研究

1、第 32卷 沸石固定化細(xì)胞處理農(nóng)村生活污水中氨氮效果研究陳兵紅(麗水職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 浙江麗水 323000摘要:利用從農(nóng)村生活污水中篩選 、 馴化的高效菌 SHJ-1, 以沸石為載體進(jìn)行固定化, 研究了固定化細(xì)胞的降解特性 。 實(shí)驗(yàn)表明采用菌體附著載體生長(zhǎng)的方法來制備固定化細(xì)胞是可行的 。 沸石固定化細(xì)胞去除氨氮受溫度 、pH 值 、 生物沸石投加量和接觸時(shí)間的影響, 其中溫度 是最顯著因子 。 最優(yōu)條件為溫度 30 , pH 值 8, 接觸時(shí)間 60min , 生物沸石投加量 15g/L, 氨氮去除率為 99.72%。關(guān)鍵詞:氨氮; 農(nóng)村生活污水; 生物降解; 沸石; 固定化 中圖分類號(hào):X

2、172; Q819; Q93文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A文章編號(hào):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農(nóng)村生活污水成為現(xiàn)代社會(huì)嚴(yán)重的環(huán)境問題之一 1。 氨氮是農(nóng)村生活污水的主要污染物之一 。 水體中所含的氨氮, 特別是流動(dòng)較慢的湖泊 、海灣等封閉水 體中的氨氮會(huì)造成水體的富營(yíng)養(yǎng)化, 使某些藻類惡性 繁殖, 并通過食物鏈影響人類的健康, 甚至?xí)?dǎo)致湖 泊的干涸消亡 2。 選擇一種低成本 、 高效益的污水處理 技術(shù), 將農(nóng)村生活污水減量化排放 、 無害化處理和資 源化利用顯得尤為必要和迫切 。目前, 農(nóng)村生活污水處理技術(shù)研究雖有所突破, 但 大多投資多 、 能耗高 、 運(yùn)行費(fèi)用高 、 管

6、理難度大 、 應(yīng)用 性不強(qiáng) 。 實(shí)踐已經(jīng)證明, 縉云斜發(fā)沸石資源豐富, 廉價(jià) 易得, 經(jīng)過適當(dāng)改性后, 對(duì)工業(yè)廢水 、 城市生活污水中 的氨氮等污染物有較好的處理效果 3-4, 在農(nóng)村生活污 水處理中的應(yīng)用研究剛剛起步 。 課題組從農(nóng)村生活污 水中篩選 、 馴化的高效菌 SHJ-1, 以改性沸石為載體進(jìn) 行細(xì)胞固定化, 探討固定化細(xì)胞的制備條件和最優(yōu)操 作條件, 并利用固定化細(xì)胞處理農(nóng)村生活污水中的氨 氮, 為農(nóng)村生活污水處理提供技術(shù)參考和理論依據(jù) 。1材料與方法1.1實(shí)驗(yàn)材料和菌株實(shí)驗(yàn)農(nóng)村生活污水:取自麗水市蓮都區(qū)城北村, 包括人蓄糞尿及其沖洗水 、 廚房炊事用水 、 洗浴廢水 等所有的廢水

7、 。 氨氮初始濃度范圍為 1520mg/L。 實(shí)驗(yàn)沸石取自浙江省縉云縣, 為斜發(fā)沸石, 屬于單斜晶體, 顏色為白色 、淡黃色 。 呈寬板條狀 、 細(xì)板條 狀 、不規(guī)則粒狀等 。 去除氨氮的沸石為經(jīng) 450 焙燒的 3665目鈉型沸石, 稱之為型沸石 。 分離培養(yǎng)基 、 斜面培養(yǎng)基:NaCl5.0g , 蛋白胨 10.0g , 牛肉膏 5.0g , pH7.4。菌體擴(kuò)大培養(yǎng)基:豆餅粉 1%、 玉米淀粉 3%、 磷酸 二氫鉀 0.1%、 硫酸鎂 0.1%。除蛋白胨為化學(xué)純,其它試劑均為市售分析純 。 降解菌 SHJ-1由本人從農(nóng)村生活污水中篩選獲得, 用 于去除農(nóng)村生活污水中的氨氮 。1.2固定化

8、細(xì)胞制備及生長(zhǎng)曲線的繪制收稿日期:2008-12-23; 修回 2009-03-21基金項(xiàng)目:麗水職業(yè)技術(shù)學(xué)院科研項(xiàng)目 (LZYA200803Science &Technology第 32卷 第 7期 2009年 7月Vol. 32No.7Jul. 2009第 7期參照文獻(xiàn) 97, 在 3組裝有 2mL 培養(yǎng)基的 250mL 搖瓶中加入型沸石 5.0g ,滅菌后接種 SHJ-1菌, 在 恒溫?fù)u床上培養(yǎng) 48h (30 、 120r/min 。 在培養(yǎng)過程 中, 隨著細(xì)胞生長(zhǎng), 部分細(xì)胞自然固定于載體 。 培養(yǎng)結(jié) 束后將固定化細(xì)胞與培養(yǎng)基分離, 用去離子水洗滌固 定化細(xì)胞數(shù)次, 以去除培

9、養(yǎng)基殘液, 并作為一份固定 化細(xì)胞冷藏待用 。將各取樣時(shí)間點(diǎn)的固定化細(xì)胞, 經(jīng)抽濾不再滴濾 液, 此后在干燥箱中烘干至恒重, 稱其干重, 再減去沸 石干重即為固定化細(xì)胞的生物量 。 懸浮細(xì)胞在干燥 箱中烘干至恒重后,稱其干重即為懸浮細(xì)胞的生物 量 。 以培養(yǎng)時(shí)間為橫坐標(biāo), 細(xì)胞干重為縱坐標(biāo), 繪制生 長(zhǎng)曲線 。1.3細(xì)胞去污實(shí)驗(yàn)方法事先測(cè)定農(nóng)村生活污水中氨氮濃度, 然后再進(jìn)行 細(xì)胞固定 。對(duì)于固定化細(xì)胞, 除特殊說明外, 將制備好的一 份固定化細(xì)胞重新分散于 250mL 農(nóng)村生活污水, 在 恒溫?fù)u床 (30 、 120r/min 中振蕩一定時(shí)間后測(cè)污染 物含量, 即氨氮濃度 。1.4分析方法氨

10、氮濃度采用納氏試劑比色法 (GB7479-87 測(cè) 定 。 菌體生物量的測(cè)定采用平板菌落計(jì)數(shù)法 。2結(jié)果與分析2.1固定化細(xì)胞的制備本實(shí)驗(yàn)采用菌體附著載體生長(zhǎng)的方法來制備固 定化細(xì)胞 。 由于載體 -沸石的存在, 固定化過程中微 生物可以沸石為中心生長(zhǎng),也可以懸浮方式生長(zhǎng), 因 此實(shí)驗(yàn)需考察細(xì)胞在沸石存在下的生長(zhǎng)情況, 以確定 固定化方法是否可行 。 制備固定化細(xì)胞過程中, 每隔 2h 測(cè)定菌體個(gè)數(shù) 。從圖 1可看出, 在固定化過程中, 微生物以沸石 為中心的生長(zhǎng)速率和生長(zhǎng)量明顯高于懸浮生長(zhǎng) 。 在最 初的 6h 細(xì)胞基本無懸浮生長(zhǎng),而且培養(yǎng) 14h 后懸浮 細(xì)胞增長(zhǎng)減緩, 16h 達(dá)到最大值

11、, 19h 后固定化細(xì)胞增 長(zhǎng)減緩, 24h 后有所降低 。 由此可見, 與懸浮生長(zhǎng)相比, 以沸石為中心的細(xì)胞生長(zhǎng)占優(yōu)勢(shì), 通過此方法進(jìn)行固 定化是可行的 。實(shí)驗(yàn)表明, 型沸石固定化細(xì)胞對(duì)氨氮的去除率 60min 就達(dá)到 99.46%, 相對(duì)于改性沸石 、 游離菌的最 適時(shí)間提前了 60min , 而且處理效率也有所提升, 對(duì)氨 氮的處理效果相當(dāng)好 。2.3pH 值對(duì)固定化細(xì)胞降解率的影響實(shí)驗(yàn)取 5g 型沸石固定化細(xì)胞分別放入 pH 為 5、 6、 7、 8、 9的 250mL 農(nóng)村生活污水中,振蕩 60min 后,取上清液測(cè)定氨氮濃度,并以 2mLSHJ-1菌 液為對(duì)照, 考察 pH 對(duì)氨氮

12、去除率的影響, 結(jié)果如 圖 3?？梢钥闯? 型沸石固定化細(xì)胞去除氨氮時(shí)比游 離細(xì)胞受 pH 值影響稍小,對(duì) pH 的適應(yīng)范圍更廣一 些, 最適 pH 為 68, 氨氮去除率達(dá)到 99%以上, pH=8時(shí), 氨氮去除率最高, 達(dá)到 99.68%。陳兵紅 沸石固定化細(xì)胞處理農(nóng)村生活污水中氨氮效果研究第 32卷 總的來看, 沸石固定化細(xì)胞降解率受 pH 的影響和 游離細(xì)胞基本一致 。 可能是因?yàn)榉惺潭ɑ癁槲锢砦?附, pH 對(duì)固定化細(xì)胞和游離細(xì)胞的影響一致 。 2.4溫度對(duì)固定化細(xì)胞降解率的影響實(shí)驗(yàn)圖 4顯 示 了 SHJ -1菌 株 分 別 在 20 、 25 、 30 、 35 、 40 溫度

13、 下 去 除 農(nóng) 村 生 活 污 水 中 有 機(jī) 物 、 氨氮和磷的效果 。 結(jié)果表明, 25 40 是最適宜 降解的溫度范圍, 其中 35 時(shí)氨氮的去除率最高, 為 99.68%。 2.5生物沸石投加量對(duì)固定化細(xì)胞降解率的影響實(shí)驗(yàn) 稱取 1.25g 、 2.50g 、 5.00g 、 12.50g 、 25.0g 和 50g 沸石 (3665目 , 分別放入 6個(gè) 250mL 的錐形瓶中, 以 生活污水自然降解為對(duì)照,按實(shí)驗(yàn)方法操作,振蕩 60min 后, 分別取上清液測(cè)定氨氮濃度, 考察沸石投 加量對(duì)去除氨氮的影響, 所得結(jié)果如圖 5。從圖 5可以看出, 沸石投加量在 520g/mL時(shí),

14、氨 氮去除率與沸石投加量呈正相關(guān)關(guān)系, 即氨氮的去除 率隨沸石投加量的增加而增長(zhǎng) 。 沸石用量超出 20g/L生產(chǎn)實(shí)踐和科學(xué)實(shí)驗(yàn)中往往需要考察多因素及 因素間相互作用對(duì)指標(biāo)的影響 。 正交試驗(yàn)就是考察多因素的一種試驗(yàn)方法 。 在實(shí)驗(yàn)中, 利用 L 9(34的正交 實(shí)驗(yàn), 考察溫度 、按照上述方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn), 有機(jī)物 、 氨氮和磷去除 率的實(shí)驗(yàn)結(jié)果分別如表 2。表 1因素水平表Table 1Factors and levels of the orthogonal test水平 123A :溫度 ( 253035B :pH 值 678C :接觸時(shí)間 (min6090120D :生物沸石投加量 (g/

15、L101520注:測(cè)定有機(jī)物去除率時(shí)間時(shí), 接觸時(shí)間的三個(gè)水平改為 6h 、 8h 和 10h表 2氨氮去除率的正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 2Experimental arrangemen of ammonia-nitrogen removal計(jì)序號(hào) 水平氨氮去除率 (%注: 指水平 13的 3組試驗(yàn)結(jié)果平均值, 反映同一因子各水平的作用大小 。 R :極差, 指平均值最高與最低之差值, 反映因子的重要性, 極差越大 越重要 。對(duì)氨氮的去第 7期除率影響的程度大小結(jié)果一致, 各因子的重要性依次 為 A >B >D >C , 即:溫度 >pH值 >生物沸石投加量 >

16、;接 觸時(shí)間 。根據(jù)正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果, 并進(jìn)行方差分析, 去除氨氮 的最佳組合是 A 2B 3C 1D 2。2.7最優(yōu)條件下沸石固定化細(xì)胞處理實(shí)驗(yàn)沸石固定化細(xì)胞在最優(yōu)條件下處理農(nóng)村生活污 水, 并以游離細(xì)胞為對(duì)照, 結(jié)果如表 3。從表 3可以看出, 固定化細(xì)胞和游離細(xì)胞在最優(yōu) 條件下對(duì)農(nóng)村生活污水中的污染物的去除率相對(duì)于 單一因子的最適條件效果要好; 在最優(yōu)條件下, 固定 化細(xì)胞去污能力相對(duì)于游離細(xì)胞而言仍然要高得多, 充分展示了沸石作為固定載體的優(yōu)良性能 。為進(jìn)一步考察固定化細(xì)胞的穩(wěn)定性, 取適量的固 定化細(xì)胞, 每天進(jìn)行農(nóng)村生活污水的去污實(shí)驗(yàn), 在最 優(yōu)條件下測(cè)定去除率, 然后將固定化細(xì)胞過濾

17、 、 洗滌, 放入冰箱保存 。 實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn), 經(jīng)過 7次實(shí)驗(yàn)后, 固定化細(xì) 胞對(duì)有機(jī)物 、 氨氮和磷的去除率仍保持在較高水平, 去除率的下降幅度 <3%, 第 10次重復(fù)實(shí)驗(yàn)去除率的下 降幅度 <5%。 可以看出, 隨著使用時(shí)間的延長(zhǎng), 細(xì)胞的 活性逐漸下降, 說明該沸石固定化細(xì)胞在農(nóng)村生活污 水的處理中具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值 。3結(jié)論通過沸石 、 游離菌和沸石固定化細(xì)胞處理農(nóng)村 生活污水的比較, 發(fā)現(xiàn)采用菌體附著載體生長(zhǎng)的方 法來制備固定化細(xì)胞是可行的 。 實(shí)驗(yàn)表明, 沸石固 定化細(xì)胞效果最好,說明該固化技術(shù)能夠保持改 性沸石的最優(yōu)降污性能,還能發(fā)揮高效菌去除氨 氮的活性 。沸石固

18、定化細(xì)胞去除氨氮受溫度 、 pH 值 、 生物沸 石投加量和接觸時(shí)間的影響,其中溫度是最顯著因 子 。 沸石固定化細(xì)胞處理農(nóng)村生活污水中的氨氮的最 優(yōu)條件為:溫度 30 , pH 值 8, 接觸時(shí)間 60min , 生物 沸石投加量 15g/L, 去除率為 99.72%。參考文獻(xiàn) 1楊德明, 鄢亞玲, 彭琴 . LMB 優(yōu)勢(shì)菌處理生活污水技術(shù)探討 J.云南冶金 , 2006, 35(3 :70-74.2錢易 . 非金屬礦可持續(xù)發(fā)展 M.北京:高等教育出版社, 2000: 50-51.3李虎杰, 田煦, 易發(fā)成 . 活化沸石對(duì) Pb 2+的吸附性能研究 J.非金屬礦, 2001, 24(2 :49-51.4董秉直, 夏麗華, 高乃云 . 天然沸石去除腐殖酸和氨氮的研 究 J.環(huán)境污染與防治, 2005, 27(2 :94-96.5Sub Yeung-jean. Biodeg