固定化脫氮菌劑處理垃圾滲濾液尾水研究

武夏溦，湛小靜，余佳芯，陳聰

（成都理工大學 生態環境學院，四川成都 610059）

垃圾滲濾液中污染物濃度高且成分復雜[1]，經過二級處理，其尾水中依然含有較高濃度的硝態氮和部分難生物降解的有機氮[2]，硝酸鹽的積累不僅會導致環境惡化[3]，還會使動植物中毒[4]。常用的處理垃圾滲濾液尾水的方法為吸附法[5]、混凝法[6]、催化氧化法[7]等，但是這些方法主要針對有機物，對硝態氮幾乎無效，且設備成本高、流程復雜、耗能大。生物反硝化脫氮技術是目前具有發展前景的脫氮技術，其高效、低耗且環境友好[8-9]。

固定化復合菌技術是一種新型的廢水處理技術，將固定化技術與復合菌體系相結合，既具有微生物密度高、反應速度快、耐毒害能力和適應能力強等的優點[10]，又可通過不同菌株功能互補建立一個相對穩定的微生態系統，相較于單一菌種處理污水效果更優[11]。

本研究對兩種由滲濾液中分離的菌株構建的復合菌體系進行固定化，研制出能高效脫氮的固定化復合菌劑，以期為垃圾滲濾液尾水的脫氮處理提供技術選擇，實現垃圾滲濾液尾水的達標排放。

1 材料與方法

1.1 試劑與儀器

葡萄糖、KNO3、NH4Cl、KH2PO4、K2HPO4·3H2O以及MgSO4·7H2O，均為分析純，成都科龍化工試劑廠。

UV-5100型紫外可見分光光度計，上海元析儀器有限公司；BS-2F型數顯恒溫振蕩培養箱，金壇市梅香儀器有限公司；GE54TW型高壓滅菌鍋，無錫市一加生物科技有限公司；SQP型電子分析天平，賽多利斯科學儀器有限公司；SG2型便攜式pH計，梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司。

1.2 培養基

好氧反硝化培養基/模擬滲濾液尾水（1 L）：葡萄糖 3.9202 g、KH2PO41.000 0 g、K2HPO41.000 0 g、KNO30.720 0 g、MgSO4·7H2O 0.200 0 g、0.1% 微量元素，調節pH值至7.0。好氧反硝化培養基/模擬滲濾液尾水經115 ℃滅菌20 min。

1.3 菌種的篩選及鑒定

試驗所選菌株是從四川省廣元市蒼溪縣金埡子生活垃圾填埋場的垃圾滲濾液中篩選得到的2株脫硝氮性能較好的菌株，運用16S rDNA序列分析技術鑒定所篩選菌株。

1.4 固定化復合菌的制備及脫氮條件優化

1.4.1 固定化小球制備及其結構表征

兩菌株按質量比1∶1進行復配，以海藻酸鈉（Sodium Alginate，SA）為包埋材料，CaCl2為交聯劑，將SA溶液與復合菌劑（OD600約0.6）等體積混合，逐滴滴入已滅菌的CaCl2溶液中，得到成型的固定化小球（濕重約2.299 g）。

1.4.2 固定化小球制備優化

通過正交試驗對SA濃度（A）、CaCl2濃度（B）和交聯時間（C）3個因素進行探究，采用L9（33）正交表和綜合加權分析法對脫氮效率進行分析。本試驗利用NO3--N的含量、TN的去除率及NO2--N的積累，根據指標因素對包埋條件影響的貢獻大小的差異給予分配不同的權重系數，即NO3--N權重系數為0.4，NO2--N及TN權重系數都為0.3，進行加權求和，綜合評分OD的計算公式為：

式（1）中，W1為 NO3--N去除率，%；W2為NO2--N去除率，%；W3為TN去除率，%；Wmax1、Wmax2、Wmax3為其中的最大值。同時結合固定化小球脫氮性能的測試結果，確定其最優的制備條件。試驗因素水平見表1。

表1 脫氮效果優化的正交試驗因素水平表

1.4.3 脫氮條件優化分析

試驗采用3因素3水平正交設計，對投加量（A）、溫度（B）、pH（C）3個因素進行探究，將固定化小球按照試驗設置分別投加到100 mL反硝化培養基中，振蕩培養4 d后，測定水體中TN、NO2--N和NO3--N含量并計算其去除率，探究不同環境條件下固定化微生物小球的脫氮效果。試驗因素水平見表2。

表2 固定化耐受性的正交試驗因素水平表

1.5 試驗方法

本試驗參考垃圾滲濾液尾水的相關水質參數[12]進行模擬試驗（NO3--N為150 mg/L），在模擬尾水中按照1∶1的體積比接入固定化小球和活化好的菌液，每個處理設3個重復，在選定的溫度和pH下120 r/min振蕩培養，每天取上清液檢測其中TN、NO2--N和NO3--N的含量。

1.6 分析方法

1.6.1 水質指標測定

試樣中的NO3--N、NO2--N和TN，根據《水和廢水監測分析方法》（第四版增補）[13]所述，分別以紫外分光光度法、N-（1-萘基）-乙二胺分光光度法和堿性過硫酸鉀消解-紫外分光光度法方法測定。

1.6.2 固定化小球性能測試

小球的彈性系數、傳質性能等各種理化性質是檢驗固定化小球性能的重要指標，具體檢測方法如下。

（1）彈性系數。取3顆粒徑相同的小球，呈品字形放置在載玻片上并蓋上蓋玻片，測量此時蓋玻片與載玻片之間的距離，然后往蓋玻片上加砝碼，60 s過后，測量蓋玻片與載玻片之間的距離，彈性系數d計算公式為[14]：

式（2）中：x為小球質量，kg；S1為加砝碼前蓋玻片與載玻片之間的距離，m；S2為加砝碼60 s后蓋玻片與載玻片之間的距離，m；g為重力常數，取9.8 N/kg。

（2）成球性。形成大小均一小球的難易程度和有無拖尾現象。

（3）粘連性。在交聯期間，輕微攪動觀察小球之間是否會粘連，粘連度越低越好。

（4）彈性。以擠壓恢復的快慢程度和軟硬程度為測試依據。

（5）傳質性能。將固定化小球投入到紅墨水中浸染，測量紅墨水的浸染深度來計算其滲透率。

2 結果與分析

2.1 菌株系統發育分析鑒定

經16S rDNA序列鑒定和系統發育樹鑒定，PM02和PR07分別屬于摩氏假單胞菌（Pseudomonas mosselii）和樹脂假單胞菌（Pseudomonas resinovorans），不屬于同一種菌，如圖1（a）和圖1（b）所示。

圖1 菌株的16S rDNA基因系統發育分析

2.2 固定化條件優化

2.2.1 最佳包埋條件的確定

固定化小球的性能測試結果如表3所示。7%SA對應的固定化小球（4、5、6號）彈性系數較大，但有拖尾現象。3%SA小球形狀規則無拖尾現象，優于7%SA小球，主要因為其中的SA濃度過高導致溶液黏稠，影響小球成型。彈性系數越大，小球越不易變形但容易脆裂，使培養液變渾濁，與徐陽等[15]的實驗結果一致。SA濃度為5%時，雖有輕微拖尾現象，但1、2、8號小球的其他性能較優。但由于傳質性能在SA為3%和5%時并沒有太明顯的差異，則需對其脫氮效率進行進一步分析。

表3 固定化小球的性能測試結果

脫氮效率測試結果如表4所示。結合表4看，SA濃度越高其加權結果越低，推測可能是由于濃度較大的SA使得網狀結構更為致密，影響了一定的傳質性，因此將優先選擇3%SA的固定化小球。其中，9號小球的脫氮效率最優，最終加權結果也最高。因此，選擇9號小球進行下一步試驗。

表4 脫氮效率測試結果

2.2.2 固定化小球的脫氮條件優化

固定化小球的最優脫氮條件從NO3--N去除率和TN去除率兩個方面進行分析，正交試驗結果及極差分析見表5、表6。

表5 耐受性正交試驗結果

表6 極差分析結果

由表6可知，對于NO3--N去除率和TN的去除率，投加量、溫度和pH 3個因素的極差R值均為RC＞RB＞RA。因此，對NO3--N的最佳去除方案為A2B1C1，同理對TN的最佳去除方案為A3B1C2。包埋的菌體本身最適pH=7.0，選用pH=7.0作為固定化小球的最佳條件。最終，固定化小球的脫氮最佳條件為A2B1C2，即 22.99 g/L 投加量、溫度 25 ℃、pH=7.0。

由于試驗組里沒有A2B1C2，因此將固定化小球在該條件下重新進行實驗，并得到了最大限度的脫氮效果，其中NO3--N去除率為98.48%，TN去除率為76.91%。

2.3 模擬尾水中固定化菌劑和游離態菌劑的脫氮效果

固定化菌劑和游離態菌劑在處理尾水時均能發揮反硝化作用。如圖2（a）所示，固定化和游離態菌劑在0～96 h的NO3--N去除率迅速下降，去除率分別達到了100%、94.18%，可見固定化菌劑具有更強的脫氮性，能完全去除尾水中的NO--N。如圖2（b）3所示，在24～48 h游離態菌劑和固定化菌劑都存在NO2--N的積累，可能是因為反硝化過程中氧化還原電位高的硝酸鹽對電子的競爭能力大于亞硝酸鹽，導致少量亞硝酸鹽的積累[16]，但相對于游離組菌劑，固定化菌劑組亞硝酸鹽積累較少。如圖2（c）所示，在72～96 h TN去除率趨于穩定分別達到75.85%、82.18%，并且在每個時間點固定化菌劑的TN去除效率都優于游離態菌劑。這是因為固定化小球具有內部復雜的腔體結構，形成大量的空隙，這些空隙不僅為微生物提供了大量的附著位點，而且有利于尾水從中間穿過，凈化尾水。因此，固定化菌劑的脫氮效果比游離態菌劑的效果好。

圖2 模擬滲濾液尾水中固定化和游離菌劑的脫氮性能

3 結論

從垃圾滲濾液中分離出的兩株好氧反硝化菌PM02和PR07，根據系統發育樹鑒定為摩氏假單胞菌（Pseudomonas mosselii）和樹脂假單胞菌（Pseudomonas resinovorans）。

固定化小球中，膠聚合物的網絡可以阻止細胞的泄露，同時又能讓基質滲入和產物擴散出來，有較優的物理性能。由正交試驗設計可得固定化小球制作的最優方案為3% SA，4% CaCl2，交聯時間18 h。

通過研究菌株固定化小球的最優脫氮條件，結果表明當投加量為22.99 g/L，pH=7.0，溫度25 ℃時，好氧反硝化效果能夠達到最大限度的脫氮效果。

通過研究游離態菌劑和固定化菌劑對模擬尾水的凈化能力，結果表明，固定化菌劑的脫氮效果更優，且固定化小球易于與尾水分離，能進行重復使用，更適用于垃圾滲濾液尾水中氮污染物的處理。