固定化菌藻小球去除猪场废水中氨氮的研究.pdf

第49卷 第 10 期2023 年 10 月Vol.49 No.10Oct.,2023水处理技术水处理技术TECHNOLOGY OF WATER TREATMENT固定化菌藻小球去除猪场废水中氨氮的研究固定化菌藻小球去除猪场废水中氨氮的研究陈渤之，郭俊元*，林智，周禺伶，张心宇，王乾（成都信息工程大学资源环境学院，四川 成都 610225）摘摘 要要:菌藻共生体系对猪场废水中的氨氮去除效果良好，但游离的菌藻易流失，将菌藻进行有效粘附是目前该体系的研究热点。以聚乙烯醇海藻酸钠为载体，采用包埋法将光合细菌和混合藻液制备成固定化菌藻小球，考察其物理特性及最优制备条件，并探讨其对猪场废水中氨氮的去除效果。实验结果表明，固定化菌藻小球的最佳制备条件为：海藻酸钠投加量0.14%（m/V）、光合细菌包埋量1.181010 cfu/mL、包埋时间3.46 h。对于初始氨氮浓度为500 mg/L的猪场废水，在不调节废水pH的条件下，经过10 g/L的固定化菌藻小球处理12 d后，氨氮去除率高达93.3%。关键词关键词:菌藻共生;氨氮去除;猪场废水;固定化菌藻小球开放科学开放科学（资源服务资源服务）标识码标识码（OSID）:中图分类号中图分类号:X703 文献标识码文献标识码:A 文章编号文章编号:10003770(2023)10-0097-005近年来随着养殖污水处理技术的发展，微生物技术表现出极大的资源化潜力，因不需要外加碳源、曝气等优势，菌藻技术受到了越来越多的关注1。研究表明，单一的微藻培养处理和细菌处理效率有限2，而构建菌藻共生系统是提高废水中氨氮去除效率的有效途径3-4。构建菌藻系统的同时将游离微生物通过物理或化学的方法固定在特定载体上，制备成固定化微生物，能够通过提高微生物密度而实现高效的生物降解作用，并实现菌藻停留和水力停留在时空上的分离5-6。郑娇莉等7采用海藻酸钠固定化小球藻处理氨氮浓度为 10200 mg/L的模拟废水，氨氮去除率可达91.08%。LANG等8采用海藻酸钠固定化斜生栅藻处理氨氮浓度10 mg/L的模拟废水，氨氮去除率为92.02%。DONG等9采用海藻酸钙固定化氨氧化菌处理氨氮浓度低于200 mg/L的模拟废水，氨氮去除率为89.51%。上述固定化技术均应用于模拟环境下的低浓度氨氮废水处理，对于废水条件更加复杂的真实废水处理效果尚不清楚10-11。响应面法能够探究多种因素间交互作用，直观获取固定化小球的最优制备参数，有助于提高固定化菌藻系统在实际废水处理中的效果12-13。本文通过筛选耐高浓度氨氮微藻，与小球藻和四尾栅藻混合，利用其适应性和生长周期的不同提升微藻的综合能力，进而加入光合细菌，促进微藻生长，将聚乙烯醇海藻酸钠对光合细菌和混合藻液进行包埋处理，构建固定化菌藻系统，并实验于实际猪场废水处理，以期为菌藻系统处理实际废水提供理论依据。1 材料与方法材料与方法1.1实验材料实验材料1.1.1光合细菌和藻种光合细菌和藻种光合细菌购于上海光语生物科技有限公司；小球藻、四尾栅藻购于中国科学院淡水藻种库，筛藻筛选自课题组实验室处理猪场废水的生态处理器。取处于对数生长期的上述三种藻按浓度1：1：1混合，作为后续实验所用藻液。1.1.2制备固定化菌藻小球材料制备固定化菌藻小球材料聚 乙 烯 醇，海 藻 酸 钠，CaCl2，硼 酸，SiO2和CaCO3均购于四川科隆药业股份有限公司，纯度为分析纯。DOI:10.16796/ki.10003770.2023.10.018收稿日期：2023-01-13基金项目：国家自然科学基金资助项目（51508043）作者简介：陈渤之（1998），男，硕士研究生，研究方向为废水处理技术；电子邮件：通讯作者：郭俊元，副教授；电子邮件：97第 49 卷 第 10 期水处理技术水处理技术1.1.3氨氮废水氨氮废水实验处理对象为夏季猪场沼液废水，其中氨氮、总磷、化学需氧量和悬浮物质浓度分别为500、70、639、1 350 mg/L，pH为7.8。1.2实验方法实验方法1.2.1固定化菌藻小球的制备固定化菌藻小球的制备准确称取一定量的海藻酸钠和聚乙烯醇溶解于50 mL蒸馏水中，得到聚乙烯醇海藻酸钠溶液，聚乙烯醇浓度控制为8%（m/V）；将100 mL菌液和100 mL藻液分别在3 000 r/min条件下离心5 min后，得到菌体和藻；将菌体、藻、聚乙烯醇海藻酸钠溶液混合，得到聚乙烯醇海藻酸钠菌藻液；将硼酸溶于蒸馏水中配制 4%（m/V）的硼酸溶液，调节 pH为7，之后加入2%（m/V）的CaCl2充分溶解，得到包埋液；将聚乙烯醇海藻酸钠菌藻液用塑料滴管滴入包埋液中，交联一定时间后形成固定化菌藻小球；用生理盐水清洗后，自然干燥24 h，保存备用。1.2.2猪场废水的处理猪场废水的处理准确取5、10、15、20、25、30、50 g/L的固定化菌藻小球，投加至猪场废水中，采用恒温搅拌器在80 r/min的条件下搅拌，每24 h取上清液测定其中的氨氮浓度，计算固定化菌藻小球对氨氮的去除效果。氨氮去除率采用如下公式进行计算：=0-t0 100%式中：0和t分别为氨氮的初始浓度和时刻t氨氮的质量浓度，mg/L；为氨氮去除率，%。1.3数据处理数据处理采用 Origin 9.0 对实验数据进行处理与作图。实验数据的显著性差异分析利用SPSS 20.0软件进行 ANOVA 单因素方差分析，显著水平 p0.05。响应面实验采用Design-expert 8进行设计。2 结果与讨论结果与讨论2.1固定化菌藻小球的制备条件优化固定化菌藻小球的制备条件优化2.1.1海藻酸钠浓度的影响海藻酸钠浓度的影响由表1可知，海藻酸钠投加量过小（0.12%）或过大（0.18%、0.20%）都会造成固定化菌藻小球的拖尾现象。投加量较少时，载体菌藻溶液黏度过低，无法迅速沉入包埋剂中完成固定化。投加量过大时，载体菌藻溶液太过黏稠，滴加进入包埋剂时粘连、不易断开，从而造成拖尾。由图1可知，不同海藻酸钠投加量条件下制备的固定化菌藻对氨氮的去除率随着反应时间的延长逐渐上升，12 d，氨氮去除率增长较快，39 d，氨氮去除率增长较为平稳，第12天时，海藻酸钠投加量分别为0.12%、0.14%、0.16%、0.18%、0.20%时所制备的固定化菌藻对氨氮的去除率分别达到76.69%、80.28%、76.72%、75.94%、73.56%。2.1.2光合细菌投加量的影响光合细菌投加量的影响由表2可知，当光合细菌投加量较低时，载体菌藻溶液黏度过低，固定化菌藻小球漂浮易拖尾。光合细菌投加量过高时，菌藻总量过多，包埋载体相对量降低，小球硬度和弹性降低，易拖尾。当光合细菌投加量为 1.21010 cfu/mL时，固定化菌藻小球物理性状最佳。由图2可知，随着反应时间的延长，不同光合细菌投加量所制备的固定化菌藻小球对氨氮的去除率呈上升趋势，到第12 d时，光合细菌投加量分别为0.91010、1.21010、1.51010、1.81010 cfu/mL 时所制备的固定化菌藻小球对氨氮的去除率分别达到了77.84%、82.37%、77.37%和75.72%。2.1.3固定化时间的影响固定化时间的影响由表3可知，固定化时间过短时，因聚乙烯醇与表1海藻酸钠浓度对固定化菌藻小球物理性状的影响Tab.1Effects of sodium alginate on physical properties of immobilized bacteria-algal pellets海藻酸浓度/%0.120.140.160.180.20固定化菌藻小球制备过程现象描述球形，漂浮易拖尾球形，不拖尾，不粘黏球形，不拖尾，不粘黏球形，较易拖尾，粘黏球形，易拖尾，粘黏123456789 10 11 1201734516885氨氮去除率/%时间/d 0.12%0.14%0.16%0.18%0.20%图1海藻酸钠投加量对固定化菌藻小球去除氨氮的影响Fig.1Effects of sodium alginate on ammonia nitrogen removal by immobilized bacteria-algal pellets表2光合细菌剂量对固定化菌藻小球物理性状的影响Tab.2Effects of photosynthetic bacteria on physical properties of immobilized bacteria-algal pellets光合细菌投加量（cfu/mL）0.910101.210101.510101.81010固定化菌藻小球制备过程现象描述球形，漂浮易拖尾球形，不拖尾，不粘黏球形，不拖尾，较粘黏球形，极易拖尾，粘黏98陈渤之等，固定化菌藻小球去除猪场废水中氨氮的研究硼酸、海藻酸钠和CaCl2反应不充分，小球内部还有未凝固的透明凝胶，随着固定化时间增加，上述反应越充分，小球逐渐粘固并产生空心腔体，但固定化时间过长时，小球结构过于紧密，球体显著缩小，空心腔体体积相应降低。由图3可知，随着反应时间的延长，不同固定化时间条件下制备的固定化菌藻小球对氨氮的去除率逐渐上升，到第12天时，固定化时间分别为2、3、4、5、6 h所制备的固定化菌藻小球对氨氮的去除率分别为 79.62%、82.04%、81.35%、79.37%和76.22%。2.1.4响应面实验响应面实验基于上述固定化菌藻小球制备的单因素实验，采用响应面分析法优化制备条件，响应面实验的自变量因素和水平设置如表4所示，响应值（Y）为所制备固定化菌藻小球对氨氮的去除率。以氨氮去除率为响应值建立响应面二次回归模型为：Y=83.89-0.45A-0.15B-0.11C+0.11AB-0.085AC+0.080BC-3.57A2-1.31B2-2.13C2。对上述二次回归模型的方差分析以及回归系数显著性检验结果如表5所示。由表5可知，模型p0.05，说明实验误差小。图4等高线呈椭圆形，表明各影响因素之间的交互作用显著。根据横轴和纵轴方向的作用线弯曲程度可以看出，海藻酸钠浓度和光合细菌投加量的交互作用中，海藻酸钠投加量影响更大（图4（a），当光合细菌投加量不变时，所制备固定化菌藻小球对氨氮的去除率随海藻酸钠浓度的增大呈先升后降趋势，在海藻酸钠为0.14%（m/V）时取得极大值；海藻酸钠浓度和固定化时间的交互作用中，海藻酸钠投加量的123456789 10 11 1201734516885氨氮去除率/%时间/d 1:3 1:4 1:5 1:6 图2光合细菌投加量对固定化菌藻小球去除氨氮的影响Fig.2Effects of photosynthetic bacteria on ammonia nitrogen removal by immobilized bacteria-algal pellets表3固定化时间对固定化菌藻小球物理性状的影响Tab.3Effects of embedding time on physical properties of immobilized bacteria-algal pellets固定化时间/h23456固定化菌藻小球物理性状球形，小球内部有未凝固透明胶体球形，小球较凝固，球体粒径约6 mm，有小体积空心腔体球形，小球凝固，球体粒径约6 mm，有较大体积空心腔体球形，小球凝固，球体粒径约4.5 mm，空心腔体体积相应降低球形，小球凝固，球体粒径约2.5 mm，空心腔体体积相应降低123456789 10 11 120102030405060708090100氨氮去除率/%时间/d 2 h 3 h 4 h 5 h 6 h 图3固定化时间对固定化菌藻小球去除氨氮的影响Fig.3Effects of embedding time on ammonia nitrogen removal by immobilized bacteria-algal pellets表4响应面自变量因素与水平Tab.4Response surface self-variable factors and levels水平因子A/海藻酸钠浓度B/光合细菌投加量C/包埋时间编码及水平-10.120.91010200.141.210103.510.161.510105表5回归模型方差分析Tab.5Regression model variance analysis来源模型ABCABACBCA2B2C2ResidualLack of Fit平方和90.542.350.180.0920.0440.0290.02653.787.2719.170.0170.014自由度911111111173均方10.062.350.180.0920.0440.0290.02653.787.2719.172.426E-0034.567E-003F4147.4970.6274.2038.1118.1811.9110.5522 172.052 997.017 904.705.57P0.000 10.000 10.000 10.00050.00370.01070.01410.000 10.000 10.000 10.065 3注：Std.Dev=0.0490；R-Squared=0.9998；Mean=80.5800；Adj R-Squared=0.9996；C.V.%=0.0610；Pred R-Square=0.9975：PRESS=0.2200；Adeq Precisior=170.566099第 49 卷 第 10 期水处理技术水处理技术影响更大（图4（b）；固定化时间和光合细菌投加量的交互作用中，固定化时间的影响更大（图4（c），当固定化时间不变时，所制备固定化菌藻小球对氨氮的去除率随光合细菌投加量的增加呈先升后降趋势，在光合细菌投加量1.181010 cfu/mL时取得极大值。响应面优化实验得到的固定化菌藻小球制备最佳条件为：海藻酸钠投加量0.14%（m/V），光合细菌投加量 1.181010 cfu/mL，固定化时间 3.46 h。在此条件下所制备的固定化菌藻小球对氨氮的去除率预测值为85.9%，实测值为84.3%，说明该回归模型具有较好的拟合性。2.1.5SEM分析分析由图5（a）和图5（b）可知，处理废水前固定化菌藻小球内部结构多孔网状结构，内壁上可看出有少许菌藻；外部表面更加致密，缝隙中有菌藻附着。由图5（c）和图5（d）可知，处理废水后固定化菌藻小球内部孔隙变少、直径变小、壁厚增加，内壁上菌藻大量增殖，并导致小球整体膨胀使表面孔隙裂开、稍有增大，外表面也附着有菌藻。聚乙烯醇海藻酸钠载体适宜菌藻附着生长，既能为菌藻提供广阔的栖息场所，又能氨氮传质进入小球内部，供菌藻代谢使用。2.1.6傅里叶红外分析傅里叶红外分析固定化菌藻小球处理猪场废水前后的红外光谱分析如图6所示。由6（a）可知，对于空白小球，处理废水前，3 332.66 cm-1的宽吸收峰为 O-H 键的拉伸振动，2 916.20 cm-1的吸收峰为-CH2键的不对称拉伸振动，1 637.57、1 404.87 cm-1的吸收峰为海藻酸钠分子中COO-的对称拉伸振动和不对称拉伸振动，1 094.58 cm-1的吸收峰为C-O键的拉伸振动，661.89、495.72 cm-1的吸收峰为S=O键拉伸振动和S-S键拉伸振动；由6（b）可知，固定化菌藻各自的功能基团发生了一定程度的红移或蓝移，说明在猪场废水处理过程中，上述功能基团参与了氨氮的去除过程。2.2固定化菌藻小球处理猪场废水性能固定化菌藻小球处理猪场废水性能由图7可知，固定化菌藻小球对猪场废水中的氨氮有着较好的去除效果，随处理时间延长，氨氮去除率逐渐增加。固定化菌藻小球投加量为 10 g/L时，对氨氮的去除效果最好，在第 12 d 时达到93.3%。固定化菌藻小球投加量较低时，菌藻总量、载体数量均较少，菌藻对废水中氨氮的利用率不高，体现为氨氮的去除率略低；随着固定化菌藻小球投加量的增加，菌藻总量增加、载体数量也增加，体现为对氨氮去除率的增加；然而，固定化菌藻小球投加量过高（50 g/L）时，菌藻的大量增殖会堵塞载体孔隙，不利于氨氮的传质，菌藻死亡产生的有害物质也会增加，导致了氨氮去除率的下降。（a）处理前切面（c）处理前表面（b）处理后切面（d）处理后表面图5扫描电镜图像Fig.5SEM images（a）（c）（b）图4海藻酸钠浓度-光合细菌投加量（a）、固定化时间和海藻酸钠浓度（b）、固定化时间和光合细菌投加量（c）的交互影响Fig.4Interaction between sodium alginate-photosynthetic bacteria(a),embedding time-sodium alginate(b)and embedding time-photosynthetic bacteria(c)3500 3000 2500 2000 1500 1000 500S-S透过率/%波数/cm-1-OH-CH2COO-C-OS=Oab 图6吸附氨氮前后固定化菌藻和空白小球的红外光谱图Fig.6FTIR spectra of immobilized bacteria and algae and blank spheres before and after ammonia nitrogen adsorption100陈渤之等，固定化菌藻小球去除猪场废水中氨氮的研究3 结结 论论本实验构造的固定化菌藻技术在氨氮浓度更高、环境更为复杂的真实废水中处理氨氮，具有菌藻黏附较好、反应速率快、运行稳定可靠、保持了较高氨氮去除效果等优点。1）采用以聚乙烯醇海藻酸钠为载体，通过包埋光合细菌和小球藻制备成固定化菌藻小球，响应面实验优化的最佳制备条件为：海藻酸钠投加量0.14%（m/V）、光合细菌包埋量1.181010 cfu/mL、包埋时间3.46 h。2）在最佳制备条件下，对固定化菌藻小球通过SEM分析和傅里叶红外分析，得出结论：在猪场废水处理过程中，聚乙烯醇海藻酸钠载体适宜菌藻附着生长，同时能使氨氮传质进入小球内部，供菌藻代谢使用，载体中对氨氮产生吸附功能的基团发挥了作用。3）对于初始氨氮质量浓度为 500 mg/L的猪场废水，在不调节pH的情况下，经过10 g/L的固定化菌藻小球处理12 d，氨氮去除率高达93.3%。参考文献：1吴春英.新型短程硝化同步反硝化除磷工艺的快速启动J.中国给水排水,2019,35(9):111-114.2荣懿,刘小钗,何音旋,等.A2/O流量分配处理低C/N污水性能与微生物结构优化J.环境科学,2019,40(9):4113-4120.3包木太,田艳敏,陈庆国.海藻酸钠包埋固定化微生物处理含油废水研究J.环境科学与技术,2012,35(2):167-172.4PENG B,HONG L,WANG S S,et al.Effects of DO on N2O emission during biological nitrogen removal using aerobic granular sludge via shortcut simultaneous nitrification and denitrification J.Environmental Technology,2020,41(2):251-259.5GONCALVES A L,PIRES J C,SIMOES M.Wastewater polishing by consortia of Chlorella vulgaris and activated sludge native bacteria J.Journal of Cleaner Production,2016,133:348-357.6BOELEE N C,TEMMINK H,JANSSEN M,et al.Balancing the organic load and light supply in symbiotic microalgal-bacterial biofilm reactors treating synthetic al wastewater J.Ecological Engineering,2014,64:213-221.7郑娇莉,曹春霞,黄大野,等.藻菌固定化对模拟养殖废水氮磷的去除效果J.环境科学与技术,2020,43(S2):107-112.8WANG P T,LI Z Y,BAI J,et al.Optimization of microalgal bead preparation with Scenedesmus obliquus for both nutrient removal and lipid production J.Ecological Engineering,2016,92:236-242.9DONG Y,ZHANG Y,TU B,et al.Immobilization of ammonia-oxidizing bacteria by calcium alginateJ.Ecological Engineering,2014,73:809-814.10 张正红,何文辉,向天勇,等.菌藻共生序批式生物膜反应器处理猪场沼液J.水处理技术,2018,44(1):118-122.11 陈润锋,魏春海,张立秋,等.畜禽养殖废水预处理技术研究进展J.水处理技术,2022,48(4):11-17.12 贾晓彤,何小娟,封吉猛,等.菌藻共生系统净化污水处理厂尾水的条件探究与优化J.环境工程技术学报,2022,12(4):1177-1184.13 孙霓,左薇,张军,等.污泥停留时间对菌藻共生系统水处理效能的影响研究J.水处理技术,2017,43(1):52-56.Removal of Ammonia Nitrogen from Swine Wastewater by Immobilized Bacteria-Algal PelletsCHEN Bozhi,GUO Junyuan*,LIN Zhi,ZHOU Yuling,ZHANG Xinyu,WANG Qian(College of Resources and Environment,Chengdu University of Information Technology,Chengdu 610225,China)Abstract:The symbiotic system of bacteria and algae has a good effect on the removal of ammonia nitrogen from swine wastewater,but the free bacteria and algae are easy to be lost.The effective fixation of bacteria and algae is currently a research hotspot of this system.In this study,the PVA and sodium alginate were used as carriers to prepare immobilized bacteria-algal pellets by embedding the photosynthetic bacteria and algal solution.The physical characteristics and optimal preparation conditions of the immobilized bacteria-algal pellets were investigated,and the removal effect of ammonia nitrogen from swine wastewater by these pellets was discussed.The results showed that the optimum preparation conditions were as follows:sodium alginate dosage of 0.14%(m/V),photosynthetic bacteria embedding amount of 1.181010 cfu/mL,and embedding time of 3.46 h.For swine wastewater with an initial ammonia concentration of 500 mg/L,the ammonia nitrogen removal efficiency reached 93.3%after the immobilized treatment of 12 days with 10 g/L bacteria-algal pellets without adjusting the pH of the wastewater.Keywords:symbiosis of bacteria and algae;ammonia nitrogen removal;swine wastewater;immobilized bacteria-algal pellets0123456789 10 11 122030405060708090100 5 g/L 10 g/L 15 g/L 20 g/L 25 g/L 30 g/L 50 g/L氨氮去除率/%时间/d 图7固定化菌藻小球对氨氮去除的影响Fig.7Ammonia nitrogen removal by immobilized bacteria-algal pellets101