1、極端環(huán)境微生物是目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的熱點(diǎn).低溫菌是極端微生物之一,并根據(jù)其生長(zhǎng)溫度特性分為嗜冷菌和耐冷菌兩類.在寒冷環(huán)境中,這類微生物仍能通過對(duì)自身細(xì)胞膜、蛋白酶的調(diào)整或合成冷凍保護(hù)劑等來適應(yīng)低溫的影響,以一定的速率繁殖、生長(zhǎng)和活動(dòng).2000年Chevalier 成功地從南極和北極分離到 4 株耐冷的絲狀藍(lán)細(xì)菌,該菌在低溫環(huán)境條件下對(duì)氮和磷有較高的去除率,從而為低溫環(huán)境下污水中氮磷等污染物的去除提供了新的思路.在所有的氣候條件中,有機(jī)污染問題普遍存在,而在寒冷的環(huán)境中,溫度對(duì)生物處理過程影響頗大,各類低溫微生物在生物降解過程中發(fā)揮越來越顯著的作用,如低溫酵母在低溫條件下對(duì)廣泛碳?xì)浠�合物的降�?在我國(guó)北方地區(qū)冬季漫長(zhǎng)、氣溫低,微生物活性降低,污水的生物處理效果難以保證,而將低溫菌應(yīng)用到污水處理中,出水的各水質(zhì)指標(biāo)都得到了良好的去除效果.但由于直接投放菌體不僅成本高,還會(huì)造成大量菌體流失,難以控制它長(zhǎng)期的處理效果,因此,找到一種成本低處理效果又好的方法極為重要.

　　固定化生物技術(shù)是從20世紀(jì)60年代開始迅速發(fā)展起來的一項(xiàng)新技術(shù),它是通過化學(xué)或物理的手段將游離的細(xì)胞或酶定位于限定的空間區(qū)域內(nèi)避免菌體或酶大量流失,使其保持活性并能夠反復(fù)利用的方法.在污水處理中,固定化后微生物密度大,抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng),作用時(shí)間長(zhǎng),固液分離效果好,并且可以選擇優(yōu)勢(shì)菌株進(jìn)行專門利用,定向處理效果好.對(duì)于固定化技術(shù)理論及實(shí)際應(yīng)用,在諸多廢水處理研究中已經(jīng)體現(xiàn)出非常大的優(yōu)勢(shì),并且針對(duì)在低溫條件下固定化微生物處理污水也有所探索.將固定化技術(shù)強(qiáng)化應(yīng)用在SBR工藝流程中進(jìn)行污水處理將更加優(yōu)化污水處理的效率及去除某些特定難降解的污染物.而本實(shí)驗(yàn)采用的固定化菌株是由南四湖底泥中分離純化出經(jīng)鑒定為黃假單胞菌屬,并命名為Pseudomonas flava WD-3的低溫菌,已確定能高效去除合成污水中的COD、總氮、總磷,其去除率可分別達(dá)到62.92%、56.42%、50.63%,并在低溫條件下應(yīng)用于人工濕地,對(duì)污水取得了良好的處理效果.而直接投加菌體,難以觀測(cè)菌體去向和流失程度,并且不能夠?qū)崿F(xiàn)重復(fù)使用.因此,本實(shí)驗(yàn)采用海藻酸鈉(SA)包埋法及海藻酸鈉(SA)加聚乙烯醇(PVA)包埋法對(duì)該類菌株進(jìn)行固定化,得出其最優(yōu)條件并加以模擬實(shí)際應(yīng)用,投加到SBR廢水處理工藝流程中處理城市生活污水.同時(shí),研究不同投加量與不同水力停留時(shí)間(HRT)對(duì)污染物去除效率的影響,并對(duì)其在SBR工藝流程應(yīng)用中對(duì)污水中各個(gè)污染物的降解效率進(jìn)行降解一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型模擬.本實(shí)驗(yàn)是對(duì)該低溫菌株應(yīng)用于城市生活污水處理的繼續(xù)探索,其實(shí)驗(yàn)結(jié)果定將為北方寒冷地區(qū)冬季廢水處理提供有力的理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持,對(duì)水資源的再利用有著十分重要的意義.

　　2 材料與方法

        2.1 材料

　　實(shí)驗(yàn)菌株：菌株P(guān)seudomonas flava WD-3 是冬季從南四湖人工濕地的底泥中培養(yǎng)、分離、篩選出來,經(jīng)鑒定為黃假單胞菌,命名為Pseudomonas flava WD-3,基因登陸號(hào)為JX114950.挑取斜面保存的菌株于富集培養(yǎng)基中活化48 h,然后在4 ℃、1200 r·min-1下離心,收集菌體細(xì)胞,取濕菌體細(xì)胞再懸浮于無菌水中,制備成菌懸液,在600 nm波長(zhǎng)下,測(cè)定吸光度在1.2~1.6范圍內(nèi),細(xì)菌個(gè)數(shù)約為4.575×108個(gè)·mL-1.

　　模擬廢水：模擬廢水以葡萄糖為碳源、氯化銨為氮源、磷酸二氫鈉為磷源,并添加適量的微量元素,使C∶N∶P=100∶5∶1,COD、總氮、總磷、氨氮的初始值分別約為1000、50、10、15 mg·mL-1,pH=7.0.

　　生活污水：采用從曲阜市生活污水處理廠取回的新鮮污水,測(cè)定其初始COD、氨氮、總磷、總氮分別為217.8~310.2、15.9~18.2、11.1~15.3、50.2~60.1 mg·mL-1.

　　2.2 固定化小球的制備

　　Pseudomonas flava WD-3 固定化小球的制備方法見圖 1.

　　圖 1 固定化小球的制備流程

　　2.3 固定化條件的優(yōu)化

　　設(shè)計(jì)一個(gè)四因素四水平正交試驗(yàn),分別探索SA質(zhì)量分?jǐn)?shù)、PVA質(zhì)量分?jǐn)?shù)、固定化液質(zhì)量分?jǐn)?shù)及交聯(lián)時(shí)間對(duì)處理效果的影響(武心華,2009).根據(jù)預(yù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果設(shè)定正交試驗(yàn)中四水平的因子取值,選用正交表L16(44),以最終廢水中4個(gè)指標(biāo)氨氮、總磷、總氮、COD的去除率為指標(biāo),選定4個(gè)最優(yōu)水平;4個(gè)因素分別是SA質(zhì)量分?jǐn)?shù)、PVA質(zhì)量分?jǐn)?shù)、固定化液質(zhì)量分?jǐn)?shù)及交聯(lián)時(shí)間,各因素水平表見表 1.

 　　表 1 正交試驗(yàn)因素水平表

　　2.4 SBR工藝流程構(gòu)造

　　反應(yīng)器為有機(jī)玻璃制成,形狀為圓柱體,直徑15 cm,高度25 cm,體積約為3 L,有效容積2 L;反應(yīng)過程中采用機(jī)械攪拌,微孔曝氣條充氧曝氣,通過轉(zhuǎn)子流量計(jì)調(diào)節(jié)曝氣量來控制 DO 濃度;SBR 系統(tǒng)采用間歇進(jìn)水、間歇排水方式,污泥濃度2500 mg·L-1,實(shí)驗(yàn)裝置的示意圖見圖 2,運(yùn)行周期見表 2.

　　圖 2 SBR試驗(yàn)裝置示意圖(1. 進(jìn)水口, 2. 控制閥,3. 氣泵,4. 取樣口,5. 出水口,6. 曝氣頭,7. 攪拌棒,8. 攪拌器,9. 反應(yīng)器,10. 填料)

 　　表 2 SBR系統(tǒng)運(yùn)行周期

　　2.5 固定化小球投加量對(duì)SBR工藝中生活污水處理效果的影響

　　確定該菌株的最佳固定化條件后,于2013年12月初開始運(yùn)行SBR污水處理工藝,控制水溫6~8 ℃,分別投加數(shù)量不等的固定化小球(含菌懸液5~20 mL,細(xì)菌個(gè)數(shù)約為4.575×108個(gè)·mL-1)于SBR工藝流程中,以未投加固定化小球的為對(duì)照組,連續(xù)運(yùn)行3個(gè)月,測(cè)定水中NH4+-N、TP、COD和TN 濃度變化情況.

　　2.6 不同水力停留時(shí)間對(duì)SBR工藝中生活污水處理效果的影響

　　通過2.5節(jié)中的實(shí)驗(yàn),選擇最佳的固定化小球投加量進(jìn)行試驗(yàn),設(shè)置不同的水力停留時(shí)間(HRT=0~10 h),以未投加固定化小球的SBR工藝流程為對(duì)照組.連續(xù)運(yùn)行3個(gè)月,測(cè)定水中NH4+-N、TP、COD和TN 濃度變化情況.

　　2.7 水質(zhì)指標(biāo)的測(cè)定

　　氨氮的測(cè)定采用納氏試劑分光光度法,CODCr的測(cè)定采用重鉻酸鉀氧化法,總磷的測(cè)定采用鉬酸銨分光光度法,總氮的測(cè)定采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法,各指標(biāo)測(cè)定的具體操作步驟詳見《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法(第4版)》.

　　3 結(jié)果與討論

        3.1 固定化條件的優(yōu)化

　　正交試驗(yàn)的結(jié)果見表 3,比較每個(gè)因素的極值R,該值越大所對(duì)應(yīng)的因素影響越大,即為主要因素.本研究中影響吸附率的因素從主到次依次為PVA質(zhì)量分?jǐn)?shù)>交聯(lián)時(shí)間>SA質(zhì)量分?jǐn)?shù)>固定化液質(zhì)量分?jǐn)?shù),即PVA的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)固定化小球處理廢水的效果影響最大;比較每個(gè)因素在不同水平下的平均值,數(shù)值越大,綜合去除效率(結(jié)合4個(gè)水質(zhì)指標(biāo)的去除效率)越高.在本研究中,去除效率最好的水平組合為A3B2C4D3,即當(dāng)SA質(zhì)量分?jǐn)?shù)取4%,PVA質(zhì)量分?jǐn)?shù)取6%,固定化液質(zhì)量分?jǐn)?shù)取5%,交聯(lián)時(shí)間取24 h時(shí),固定化小球?qū)δ�擬廢水中COD、總磷、氨氮、總氮的去除效率分別達(dá)到了69.79%、66.07%、57.54%、64.79%,雖然總氮的去除效率在各水平不是最高,但結(jié)合固定化小球的成球效果及各個(gè)物理指標(biāo),這是最優(yōu)的一個(gè)固定化條件組合.并且Pseudomonas flava WD-3 游離狀態(tài)對(duì)模擬污水中 COD、總磷、氨氮的去除率分別為62.92%、56.42%、50.63%,固定化后對(duì)模擬廢水中COD、總磷、氨氮的去除效率分別是游離菌的1.11、1.17、1.14倍,表明該菌固定化后對(duì)污水各污染物的去除效率明顯提高.

注：表中A、B、C、D分別代表海藻酸鈉(SA)、聚乙烯醇(PVA)、固定化液(CaCl 2 )的質(zhì)量分?jǐn)?shù)及交聯(lián)時(shí)間4個(gè)因子.

表 3 正交試驗(yàn)結(jié)果：各污染指標(biāo)的去除效率和物理性能分析

　　在正交試驗(yàn)中,各因素在不同水平下對(duì)固定化小球的物理性能和處理效果都有很大的影響,最優(yōu)固定化小球如圖 3所示.首先SA作為天然凝膠載體材料,在包裹菌體成球上發(fā)揮巨大作用,質(zhì)量分?jǐn)?shù)過低時(shí),小球難以成形,成形后其強(qiáng)度差易碎,并且SA質(zhì)量分?jǐn)?shù)過低還影響小球?qū)�菌的包�?造成菌體有少量流失,影響菌體對(duì)污水的處理效果,質(zhì)量分?jǐn)?shù)過高增大其成球難度,小球粘度大易拖尾,處理效率也會(huì)隨之降低;其次PVA作為有機(jī)合成載體材料,其彈性較好但傳質(zhì)性較差,質(zhì)量分?jǐn)?shù)過低會(huì)導(dǎo)致小球抗壓性不夠影響處理效果,質(zhì)量分?jǐn)?shù)過高又會(huì)影響其傳質(zhì)性能,小球質(zhì)地硬導(dǎo)致菌體活性受阻致處理效率降低,所以固定化小球?qū)�PVA的質(zhì)量分?jǐn)?shù)有較大的要求,其質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化對(duì)去除率有較大度的影響;而固定化時(shí)間對(duì)小球的外部形態(tài)影響不是很大,但其交聯(lián)時(shí)間的長(zhǎng)短直接決定小球的成形內(nèi)部結(jié)構(gòu)及狀態(tài),對(duì)廢水處理效率有較大影響;通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),由于有機(jī)合成材料PVA的存在,制備復(fù)合載體材料的小球時(shí)對(duì)固定化液質(zhì)量分?jǐn)?shù)要求會(huì)變高,固定化液質(zhì)量分?jǐn)?shù)過低會(huì)使小球難以交聯(lián)成形,質(zhì)量分?jǐn)?shù)過高又會(huì)使小球質(zhì)地過硬,傳質(zhì)性變差,自然降低對(duì)污水的處理效率.

　　圖 3 固定化小球成型圖片

　　3.2 固定化小球在SBR工藝中對(duì)生活污水的處理效果

        3.2.1 不同固定化小球投加量對(duì)生活污水的處理效果

　　連續(xù)運(yùn)行3個(gè)月,控制水溫為6~8 ℃,不同固定化小球的投加量對(duì)SBR工藝流程中廢水的NH4+-N、TP、COD和TN去除效果如圖 4所示.由圖 4可知,Pseudomonas flava WD-3的固定化小球在SBR工藝流程中對(duì)生活污水的處理效果很好,隨著小球數(shù)量(含菌量5~20 mL)的增加,生活污水中NH4+-N、TP、COD和TN的去除效率也隨之增大.當(dāng)含菌量在0~10 mL時(shí),污水中各項(xiàng)指標(biāo)的去除效果增幅明顯,但達(dá)到10 mL以后,雖然各項(xiàng)污水指標(biāo)去除效率依舊呈增大趨勢(shì),但增幅明顯縮小,從實(shí)驗(yàn)操作、運(yùn)行成本等各方面考慮宜選用含菌量為10 mL時(shí)為最佳固定化小球投加量.當(dāng)固定化小球的投加量取最佳時(shí),Pseudomonas flava WD-3的固定化小球?qū)ξ鬯甆H4+、TP、COD和TN的去除率分別介于72.78%~77.48%、62.04%~69.26%、89.08%~92.72%和85.08%~89.08%,且平均去除效率分別為未投加該菌的1.13、1.91、1.25、1.56倍,固定化后,污水處理效果明顯提升,與同類實(shí)驗(yàn)效果相吻合;并且相比先前實(shí)驗(yàn)中未固定化的低溫菌Pseudomonas flava WD-3對(duì)污水的處理效果,去除效率明顯增加.

　　圖 4 不同投菌量時(shí)進(jìn)出水中NH4+-N、TP、COD 和TN 濃度變化情況

　　3.2.2 不同水力停留時(shí)間對(duì)生活污水的處理效果

　　連續(xù)運(yùn)行3個(gè)月,控制水溫為6~8 ℃,在SBR工藝流程中不同的水力停留時(shí)間對(duì)廢水的NH4+-N、TP、COD和TN去除效果如圖 5所示.由圖 5可知,取最佳固定化小球投加量時(shí),隨著水力停留時(shí)間(HRT)的延長(zhǎng)(0~10 h),Pseudomonas flava WD-3的固定化小球在SBR工藝流程中對(duì)生活污水中COD、TN、NH4+-N和TP的去除效率也隨之增大.當(dāng)水力停留時(shí)間由0 h延長(zhǎng)至8 h時(shí),SBR工藝流程中各項(xiàng)污水指標(biāo)的去除效果增幅明顯,但超過8 h之后,雖然各項(xiàng)污水指標(biāo)去除效率依舊呈增大趨勢(shì),但增幅明顯縮小,從實(shí)驗(yàn)操作、運(yùn)行成本等各方面考慮宜選用8 h為最佳水力停留時(shí)間.當(dāng)水力停留時(shí)間為8 h時(shí),Pseudomonas flava WD-3的固定化小球?qū)ξ鬯甆H4+-N、TP、COD和TN的去除率分別介于66.54%~75.61%、63.24%~73.68%、89.78%~91.03%和82.84%~87.26%.

　　圖 5 不同水力停留時(shí)間時(shí)進(jìn)出水中NH4+-N、TP、COD 和TN濃度變化情況

　　隨著在低溫菌方面的深入研究及微生物固定化技術(shù)的不斷成熟,必將改善寒冷地區(qū)在低溫條件下處理污水困難的局面,固定化低溫菌也將在城市污水處理、濕地處理污水、廢水環(huán)境改善再利用方面發(fā)揮更大的作用.

　　3.3 污水處理動(dòng)力學(xué)方程

　　在SBR運(yùn)行系統(tǒng)中,低溫菌Pseudomonas flava WD-3對(duì)污水中污染物質(zhì)的代謝降解即污染物質(zhì)的衰減,可用一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程來模擬其降解效率：

　　式中,Ce為出水濃度(mg·L-1),C為進(jìn)水濃度(mg·L-1);t為水力停留時(shí)間(h); KT為某溫度下的一階反應(yīng)速率.

　　在SBR運(yùn)行系統(tǒng)中,污水中各個(gè)指標(biāo)去除率的一階方程描述如下：

　　式中,R0為污水污染指標(biāo)NH4+、TP、COD和TN的去除率;Q為水力負(fù)荷(m3·h-1);A為SBR運(yùn)行面積(m2);F為污染物質(zhì)的非生物降解比例.

　　根據(jù)上述動(dòng)力學(xué)模型,將SBR系統(tǒng)中各污染物的平均出水濃度記作Ce,平均進(jìn)水濃度記作C,以ln(Ce/C)為縱坐標(biāo),分別以不同投菌量(HRT為8 h),不同水力停留時(shí)間(投菌量為10 mL)為橫坐標(biāo)做圖,結(jié)果如圖 6所示;以lnR0為縱坐標(biāo),再以不同投菌量(HRT為8 h),不同水力停留時(shí)間(投菌量為10 mL)為橫坐標(biāo)做圖,結(jié)果如圖 7所示.

　　圖 6 6~8 ℃下SBR系統(tǒng)在不同投菌量(a)和不同水力停留時(shí)間(b)條件下對(duì)有機(jī)污染物降解的一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型

　　圖 7 6~8 ℃下SBR系統(tǒng)中污染物去除效率與投菌量(a)、水力停留時(shí)間(b)的關(guān)系

　　通過對(duì)SBR運(yùn)行系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè),在不同投菌量和不同水力停留時(shí)間條件下對(duì)污染物降解效率進(jìn)行分析,在6~8 ℃低溫環(huán)境中,低溫菌Pseudomonas flava WD-3 對(duì)生活污水污染指標(biāo)NH4+-N、TP、COD、TN的降解效率符合一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型.

　　由圖 6可得出如下方程式：

　　式中,k為污水污染指標(biāo)的降解速率常量(h-1),b為污水污染指標(biāo)降解趨勢(shì)線斜率,結(jié)果如表 4所示.以上一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程表明,不同投菌量和水力停留時(shí)間(HRT)分別與降解效率的函數(shù)關(guān)系影響SBR的系統(tǒng)性能,進(jìn)一步說明在低溫條件下,低溫菌Pseudomonas flava WD-3 對(duì)生活污水污染指標(biāo)NH4+-N、TP、COD和TN的去除效率符合一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型,并且其去除效率與投菌量和水力停留時(shí)間(HRT)成正向關(guān)系,R2值均在0.85以上.

 　　表 4 在6~8℃低溫環(huán)境下NH4+-N、TP、COD和TN的降解速率常量k和非生物降解殘余部分比例F

　　4 結(jié)論

　　1)對(duì)于Pseudomonas flava WD-3,最佳的優(yōu)化條件為：SA質(zhì)量分?jǐn)?shù)4%,PVA質(zhì)量分?jǐn)?shù)6%,固定化液(CaCl2)質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%,交聯(lián)時(shí)間24 h,此時(shí)固定化小球在低溫條件下對(duì)模擬廢水中COD、氨氮、總磷、總氮的去除效率分別為69.79%、57.54%、66.07%、64.79%,分別是游離菌對(duì)COD、TP和NH4+-N去除效率的1.11、1.17、1.14倍.具體參見污水寶商城資料或http://wlmqsb.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

　　2)Pseudomonas flava WD-3在最優(yōu)化條件下制備的固定化小球投加到連續(xù)運(yùn)行的SBR工藝流程中,通過試驗(yàn)監(jiān)測(cè),10 mL菌懸液制備的固定化小球?yàn)樵囼?yàn)最佳投加量,對(duì)污水中COD、氨氮、總磷、總氮的去除率分別介于72.78%~77.48%、62.04%~69.26%、89.08%~92.72%和85.08%~89.08%;在最佳投加量條件下,SBR工藝中水力停留時(shí)間越長(zhǎng)處理效果越好,綜合考慮取取最佳水力停留時(shí)間為8 h,對(duì)污水中COD、氨氮、總磷、總氮的去除率分別介于66.54%~75.61%、63.24%~73.68%、89.78%~91.03%和82.84%~87.26%.

　　3)在SBR工藝流程中,Pseudomonas flava WD-3 對(duì)生活污水中各污染物NH4+-N、TP、COD和TN的降解效率符合一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型.