2016年第42卷第11期 工业安全与环保 November 2016 Industrial Safety and Environmental Protection ・6l ・ 3种包埋剂固定化硝化细菌的制备与性能* 苗娟 魏学锋 贾晓平2 李岳霖 周鸣 卢伟伟 (1.河南科技大学化工与制药学院 河南洛阳471023; 2.广东省渔业生态环境重点实验室 广州510300) 摘 要 采用琼脂、海藻酸钠、聚丙烯酰胺3种包埋方法制备出硝化细菌污泥固定小球,考察了成球的难 易及其物理机械性能,并采用制备小球进行氨氮的降解实验。结果表明,3种固定化小球对氨氮的转化均有 明显活性,琼脂固定化小球的活性最好,保存时间长,但成球较困难,聚丙烯酰胺成球容易而活性相对偏低,相 比之下,海藻酸钠固定化小球的活性较高且易成球,具有较好的应用前景。 关键词 硝化细菌包埋剂 固定化氨氮 Preparation and Performance of Immobilized Nitrobacteria by Three Embedding Materials MIAO Juan。WEI Xuefeng JIA Xiaoping2 LI Yuelin ZHOU Ming LU Weiwei (1.College ofChemical En#neering&Pharmaceutics,Henan University ofScience and Technology h,oyang,Henan 471023) Abstract In this work,the nitrobaeteria immobilized cells are prepared using three embedding materials,such as agar, sodium alginate and polyacrylamide.The balling complexities and physical and mechanical properties are investigated.The prepared immobilized nitrobacteria cells are also employed to degrade the ammonia wastewater.Experimental results show that the three cells have activity to ammonia nitrogen conversion.Agar immobilized nitrobacteria cells have higher activity and longer store life,but poor balling property.Polyaerylamide immobilized nirtobacteria cells have good balling property, but lower activity.In comparison,sodium alginate immobilized nitrobacteria ceUs have both good balling prope ̄y and better degradation activity,which is prospective. Key Words ni ̄obacteria embedding material immobilization ammonia nitrogen 0 引言 活性等因素 6,其中,载体本身的性质及细胞包埋量 氨氮是水产养殖系统的主要污染物,水中的氨 尤为重要_7 J。在低温和低pH值的条件下,与未包 浓度达到养殖生物的致死浓度时,会造成养殖动物 埋的细胞相比,固定化细胞能够保留更高的脱氨活 的大量死亡L1 j。硝化细菌在生物脱氮过程中发挥 性,减轻溶解氧对脱氮的抑制作用,而且脱氮微生物 主要作用,它在有氧条件下使NH4+一N及NO —N 可以在固定化载体增殖_8j。赵兴利等 采用PVA— 转化成NO;一N。硝化细菌具有严格自养、生长缓 H1BO 包埋粉末活性炭和驯化硝化菌,在流化床生 慢、对环境因子敏感的特性,其在与异养菌的竞争中 物反应器中,以SBR方式运行,发现固定化硝化菌 没有优势,容易在水处理系统中流失,因此,需设法 寿命长达7个月以上。周珊等 叫将含有硝化菌和 提高脱氮系统中硝化细菌浓度_3I4 J。 反硝化菌等菌种的微生物菌剂经驯化后固定在竹炭 人为创造低温、干燥或缺氧条件,抑制微生物的 上,并处理模拟氨氮水样,随固定化微生物投加量的 代谢作用,可使其生命活动降至最低程度或处于休 增加,氨氮去除率趋于增大。黄正等¨ 选用聚乙烯 眠状态 J,根据这个特点,考虑将硝化细菌进行一定 醇作为包埋载体,添加适量粉末活性炭包埋固定化 时间的储存和固定。将固定化硝化细菌用于去除水 硝化污泥,用于处理养殖废水。此外,微生物固定化 体中氨氮具有较高的研究意义,可以有选择地在夏 技术还应用于酚类_12 和染料_10j废水的处理。 季对硝化细菌需求较大时投加,对于养殖业具有重 本研究选取琼脂、海藻酸钠和聚丙烯酰胺3种 要的实用价值。 包埋材料,对富集培养后的硝化细菌进行固定化,比 固定化硝化菌载体的筛选主要考虑固定细胞凝 较它们的特性和处理氨氮废水的效果。 胶颗粒的机械强度、缩水性能、化学稳定性和微生物 1实验部分 *基金项目:河南科技大学大学生研究训练计 ̄(SRTP)(2014091),广东省渔业生态环境重点实验室开放基金资助(ErE一2014—6)。 ・ 62 ・ 1.1材料与仪器 化学试剂:琼脂(上海蓝秀科技发展有限公司), 分析纯;液体石蜡(天津市德恩化学试剂有限公司), 分析纯;海藻酸钠(天津市风船化学试剂科技有限公 司),分析纯;聚乙烯醇(天津市科密欧化学试剂开发 中心),分析纯。 硝化细菌:对洛阳市涧西污水处理厂二沉池的 回流污泥进行培养,使其中异养细菌减少,硝化细菌 数量增加,成为优势菌。将富集培养的硝化细菌以 1 000 r/min的速度离心3 rain,弃去上清液,用生理 盐水重复洗涤2~3次,稀释4倍,制成菌悬液备用 实验仪器:721型分光光度计(上海精密科学仪 器有限公司);HH电子恒温不锈钢水浴锅(巩义市 英峪予华仪器厂);DT200A电子天平(常熟市佳衡天 平仪器有限公司);TDL一50B台式离心机(上海安亭 科学仪器厂);ACO系列电磁式空气泵(森森集团股 份有限公司);磁力搅拌器(上海司乐仪器有限公 司)。 1.2固定化硝化细菌制备方法 1.2.1琼脂固定化硝化细菌的制备 称量0.9 g琼脂粉,熬成琼脂糊状液,取5 mL菌 悬液稀释2倍,在45℃下将二者混匀,采用滴加装 置将胶体状液体滴加到上层为石蜡下层为水的烧杯 中 待固化成小球后滤出,用生理盐水洗涤2~3 次 装入密封袋,放入冰箱保存? 1.2.2海藻酸钠固定化硝化细菌的制备 将浸泡24 h的海藻酸钠(SA)加热溶解,然后冷 却至室温,取5 mL菌悬液稀释4倍,将两者混匀,海 藻酸钠浓度为2%,用滴加装置将其慢慢滴入5% CaC1,溶液(凝胶化剂),不断搅拌,冰浴条件下交联 4 h,滤出小球颗粒,洗涤2~3次。密封,放入冰箱 保存。 1.2.3 聚丙烯酰胺固定化硝化细菌的制备 称取0.3 g海藻酸钠、3 g丙烯酰胺单体、0.225 g N,N一亚甲基双丙烯酰胺,加水溶解。加入0.07 mL四甲基乙二胺(TEMED),冷却后加菌悬液,稀释 至30 mL,最终浓度为海藻酸钠1%、丙烯酰胺单体 l0%、N,N一亚甲基双丙烯酰噱0.75%、TEMED 0.25% 滴入含0.5%TEMED、5%CaCI2、1%K2S20 的混合 溶液中,成球。 1.3 固定化硝化细菌活性的恢复 在500 mL烧杯中加入质量浓度为100 mg/L的 氨氮溶液100 mI ,加入200 mL硝化细菌培养液,将 pH值调至8.0~8.5间,加入5 g自制固定化硝化细 菌,用蒸馏水加至450 mL,室温条件下,不连续曝气 处理,每24 h测氨氮质量浓度.调整pH值,活性恢 复后的小球固定化硝化细蔺用于氨氮的降解 1.4水样中氨氮的测定 固定化硝化细菌经过3 d活性恢复后,每天测 定水体中氨氮质量浓度,分析氨氮去除牢,氨氮的测 定采用纳氏试剂分光光度法 ¨ 2结果与讨论 2.1琼脂固定硝化细菌小球形貌与性能 2.1.1琼脂固定硝化细菌小球形貌 以天然高分子多糖的琼脂为载体包埋硝化细菌 制备的小球如图1所示: 图1琼脂固定化硝化细菌小球【电子显微镜) 琼脂固定化小球的制备相对来说比较容易,成 球比较规则,但是小球表面粗糙,弹性和机械强度不 够,氧和底物及产物的扩散受到 口囫一 2.1.2琼脂固定硝化细菌小球去除氨氮效能 取100 mL氨氮质量浓度分别为1【)(】,50和20 m如如mg/L的模拟氨氮废水为降解对象,加入2 g制备出 L L■—■曩覆藉的琼脂一石蜡同定化小球,25℃,140 r/rain条件下 振荡处理,每24 h测氦氮质 浓度,将pH值凋至8.II0 ~8.5之间。氨氮的去除效果如图2所示. .100 80 60 40 20 0 24 48 72 96 l20 ll,]-fHJlh 图2琼脂固定化小球氨氦去除效果 由图2可见,初始质量浓度为20 rag/[ 的氨氮 废水,降解96 h.氨氮去除牢达到100%;氨氯初始质 量浓度为100 rag/[ 时,反应120 h,氨氮的去除率接 近80% 2.2海藻酸钠固定硝化细菌小球形貌与性能 2.2.1海藻酸钠固定硝化细菌小球肜貌 海藻酸钠足一类天然高分子多糖类,对微生物 没有毒害作用,但其浓度会影响固定化细胞的机械 .■_I— 强度、质量传递等,进而影响到微生物的活性。海藻 酸钠浓度越低越易成球,但饥械强度也随之降低.存 实验过程中选择海藻酸钠的浓度为3% 以海藻酸 钠为载体包埋硝化细菌制备的小球,如图3所示 、 图3海藻酸钠固定化硝化细菌小球(电子显微镜) 海藻酸钠 定化小球在制备过程L}】比较容易, 机械强度与弹性好.但足 成球 蓐,而且受海藻酸 钠浓度和CaCI,浓度的 2.2.2海藻酸钠阎定硝化i_IlI菌小球去除氪氮效能 取100 mL氯氮质丝浓度分别为100,50币¨20 nlg/I 的模拟氮氮废水为降解对象,加入2 g制备f}J 的海藻酸钠固定化小球,25 ,140 ・/min条件下振 荡处理,每24 h测氨氮质鲢浓度,将ptj值凋至8.0 ~8.5之问,氯氮的去除效果如图4所示。 由图4可见,海藻酸钠包埋硝化细菌对氨氮具 有较好的去除效果,初始氨氮质量浓度为20 mg/1 的水样,降解l20 h,氨氮去除率达100%;初始质量 浓度为100 mg/1 和50 rag/L的水样,降解120 l1后, 氨氮去除率分别为43.5%和70.8% l00 80 60 40 20 0 24 48 72 96 l2O 时I、HJ/h 图4海漂酸钠固定化小球氨氯去除效果 2.3聚丙烯酰胺固定硝化细茼小球形貌与性能 2.3.1聚丙烯酰胺固定硝化细菌小球形貌 聚丙烯酰胺(PAM)为水溶性高分子聚合物,不 溶于大多数有机溶剂,具有良好的絮凝性,以聚丙烯 酰胺为载体包埋硝化细菌制备的小球,如图5所示 聚丙烯酰胺固定化颗粒制备相对容易.所制备 的固定化颗粒成球性好,机械强度高,弹性好,菌体 不会泄露,不易破碎.. 口 一 O O 0■l图5聚丙烯酰胺固定化硝化细菌小球(电子显微镜)儿儿 J 2.3.2 聚丙烯酰胺『占1定硝化细 小球 除氨氮效 能 ● 定反应条件25 ,l40 r/lnh1条件F振荡处 理,将ptI值删叠8.0~8.5之』1_IJ,2 g的聚 烯酰胺 l 『士1定化小球对l【)()mI 氰氮质链浓度分圳为l()(),5() 卞¨20 mg/I 的模拟氨氮废水降解效果女U 6』听 10() 80 6O 40 20 0 24 48 72 96 l20 11’『fHJ/h 图6聚丙烯酰胺固定化小球氨氮去除效果 由 6可见,聚丙烯酰胺同定化小球对氨氮去 除效果不如海藻酸钠和琼脂旧定小球、町能足 为 聚丙烯酰胺为包埋材料时所需的一些试刹如 TEMED,K,S,O 对细菌细胞有毒性,敛使其活性降 低。此外,聚合时问和反应温度也lJf能影Ⅱ向固定化 细菌的数量和活性。 将3种吲定化小球分别装入密封袋中置于冰箱 冷藏保存,一个月后取}jI观察,发现琼脂陶定化的硝 化细菌完好,其他『蜘种密封袋中均有液体析出,且小 球明 变小,即琼脂固定的硝化细菌小球容易保存。 3 结论 (1)琼脂同定化法固定硝化细茼,操作时温度不 易5控制,不易成型,机械强度高,氨氮去除效果较好。 (2)海藻酸钠法固定硝化细莆,易成型,但机械 强度不高,弹性好通透性不错,氨氮太除效果较好。 (3)聚乙烯醇作为固定化材料,有很高的机械强 度,不易q!物降解,但聚乙烯醇对硝化细菌有破坏的 作用,故其固定的硝化细菌小球对氨氮的处理效果 比琼脂法和海藻酸钠法要差一些 (下转第82页) , ’ ・82.- 剩 进入除尘器的粉尘除了含有MgS04之外,还有 过量的S ,又由于空气中有水蒸气存在,s0 会转 质剂的方法达到的调质效果最明显。 (3)对于粉尘调质在袋式除尘器中的实验研究, 化为H's0d。此时进入除尘器的粉尘混合物带有一 定的酸性,如果不加处理可能会腐蚀除尘器滤袋。 应该适当加大NH 的用量,与生成的H2S04发生中 通过添加不同调质剂,比较分析其除尘效率,采用 SO +NH 作为调质剂除尘效率达到了99.50%,比 采用SO 调质效率高。 和反应,降低其酸性腐蚀作用,延长滤袋使用寿命。 (3)当S0 与MgO的质量比小于2:1时,说明 (4)当s0 过多或过少都会降低除尘效率,可 以通过调节NH 的用量来改善粉尘的粘性,SO 起 主要调质作用,NH 起辅助凝结作用。因此,对于不 同的工业粉尘要控制好SO 和NH 的喷射量。 参考文献 MgO过剩,进入除尘器的粉尘混合物就含有多余的 Mg,导致粉尘粘性变大。此时应加大入口处NH3的 用量,加剧粉尘的凝结,减少二次扬尘。 为了降低粉尘的比电阻,烟气中必须有足够的 SO 调质剂。此外,对于与S0 发生化学反应后过 [1]刘金荣.烟气调质在除尘方面的应用和新发展[J].华东 电力,2007,35(4):96—98. 剩的粉尘混合物,则主要依靠加入NH。的浓度及用 量来降低粉尘粘性。所以,sO 的喷射量不能过多 也不能过少,应根据烟气中MgO的浓度来确定喷射 SO 以及NH 的用量,既能够降低粉尘粘性避免糊 [2]安军.浅谈烟气调质在除尘方面的应用和发展[J].企业 技术开发(学术版),2012,31(10):64—65. 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