王瑩等

摘 要 天然橡膠加工廢水具有水質(zhì)、水量變化大的特點，沖擊負(fù)荷下厭氧生物處理通常效果不佳。針對這一問題，利用海藻酸鈣（SA）、聚乙烯醇（PVA）復(fù)合材料對本實驗室篩選到的同步脫硫除氮菌B16進(jìn)行包埋，利用包埋固定化后的菌處理天然橡膠加工廢水。結(jié)果表明：14 d后包埋菌株對實際廢水氨氮、總氮及硫酸鹽的去除效果分別為44.05%、46.29%和26.06%，并且氨氮去除速率最高可達(dá)110.59 mg/（L·d），硫酸鹽平均去除速率為13.8 mg/（L·d），均高于游離菌株。包埋小球存在一個物料內(nèi)外傳遞的時間差，可提供細(xì)菌對環(huán)境變化適應(yīng)的一個緩沖的時間，使得包埋固定化后的菌對于水質(zhì)的變化具有更好的適應(yīng)性，非常適用于處理天然橡膠加工廢水。

關(guān)鍵詞 包埋固定化；同步脫硫除氮菌；天然橡膠加工廢水處理

中圖分類號 TD926.5 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A

Simultaneous Desulfurization and Denitrification of Natural Rubber Processing Wastewater by Using Immobilized Bacterium B16

WANG Ying1， WANG Hang3， ZENG Rizhong2， HUANG Maofang1， GUI Hongxing1*

1 Agricultural Product Processing Research Institute， Chinese Academy of Tropical

Agricultural Sciences， Zhanjiang， Guangdong 524001， China

2 Rubber Research Institute， Chinese Academy of Tropical Agricultural Sciences， Danzhou， Hainan 571737， China

3 College of Food Science and Technology， Huazhong Agricultural University， Wuhan， Hubei 430070， China

Abstract Natural rubber processing wastewater has large changes in quality and quantity. The anaerobic biological treatment of wastewater is often ineffective under shock load conditions. Aimed at this， the practicability of immobilized bacterium for natural rubber processing wastewater treatment was studied in this paper. After immobilized by polyvinyl alcohol（PVA）-sodium alginate（SA）， the bacterium B16 with simultaneous desulfurization and denitrification was used to treat the fresh wastewater collected from natural rubber processing factory. After 14 days， in the immobilized bacteria beads treatment， the removal efficiency of nitrogen， total nitrogen and sulfate was 44.05%， 46.29%， 26.06%， respectively， and the maximum removal rate of nitrogen was 110.59 mg/（L·d）while the average removal rate of sulfate was 13.8 mg/（L·d）， which were higher than that treated by bacterium itself. The material transfer time of immobilized bacteria beads could provide buffer time for bacteria adapting to environmental change， so that the immobilized bacterium have better adaptability to the change of water quality， and it is very suitable for the treatment of natural rubber processing wastewater.

Key words Immobilize；Bacterium with simultaneous desulfurization and denitrification；Natural rubber processing wastewater treatment

doi 10.3969/j.issn.1000-2561.2015.09.027

天然橡膠加工廢水是一種高濃度的有機廢水，BOD5/COD通常在0.6～0.8，具有非常好的可生化降解性能，氨氮含量為800 mg/L以上，硫酸鹽含量為700 mg/L左右。該廢水具有水量、水質(zhì)變化大的特點，同一家工廠生產(chǎn)高峰期是平時用水量的30倍，水質(zhì)隨產(chǎn)品種類及用水情況的變化而改變。這一特性對廢水的生物處理沖擊負(fù)荷較大，嚴(yán)重影響處理效果。2014年僅海南澄邁一地因廢水處理不達(dá)標(biāo)而已關(guān)閉的加工廠有10多家，廢水處理已經(jīng)成為中國天然橡膠加工產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸，急需找到一種確實有效的方法。

同步脫硫除氮菌是一類在厭氧條件下能同步去除氨氮與硫酸鹽的一類自養(yǎng)型微生物，目前對工業(yè)廢水的處理已有不少的應(yīng)用實例。鄭煥海[1]發(fā)現(xiàn)厭氧同步脫硫除氮高效功能菌能有效降低硫酸鹽、氨氮的含量。但同步脫硫除氮菌至今還未被應(yīng)用在處理天然橡膠工業(yè)廢水上，如果能應(yīng)用于天然橡膠加工廢水的厭氧處理可極大地減少廢水處理成本，增加沼氣產(chǎn)率。但天然橡膠加工廢水中含有大量的有機物，使得廢水中的菌大量生長，同步脫硫除氮微生物能否成為優(yōu)勢菌是影響廢水處理效果的關(guān)鍵因素，其是否能通過固定微生物的方法來提高菌體單位體積的濃度與活性值得探討，目前國內(nèi)外尚未有這方面的研究報道。

包埋法固定化是一種將菌體包埋在各種多孔載體中，使菌體固定化的方法。微生物包埋固定后，可防止微生物流失，增加其局部濃度，以實現(xiàn)反應(yīng)器快速啟動并提高活性和耐沖擊性[2]。該方法在工業(yè)廢水處理中多有應(yīng)用，能夠顯著提高污染物的去除率，并降低廢水處理池的產(chǎn)泥量，同時具有重復(fù)利用的效果[3-5]。眾多研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，相比其它固定化材料，以海藻酸鈣（SA）和聚乙烯醇（PVA）混合所制備的包埋材料效果較好[6-8]。

本研究對比同步脫硫除氮菌B16培養(yǎng)菌液對天然橡膠加工廢水的處理效果，將同步脫硫除氮菌B16進(jìn)行固定，通過提高菌株單位體積的濃度及活性，來提高天然橡膠加工廢水的厭氧處理效果；同時利用固定化菌的內(nèi)外物料傳遞的時間差來避免天然橡膠加工廢水沖擊負(fù)荷大時污泥膨脹現(xiàn)象的發(fā)生，為今后在生產(chǎn)實際中的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料

固定化同步脫硫除氮菌：選取本實驗室馴化并篩選到的菌株B16，經(jīng)實驗室純培養(yǎng)后離心濃縮懸浮備用。

實驗配水：每升液體培養(yǎng)基中含K2SO4 0.163 g、Na2SO3 0.118 g、NH4Cl 0.229 g、Na2HPO4·2H2O 1.066 g、NaH2PO4·2H2O 0.533 g、KCl 0.37 g、MgCl2·6H2O 0.16 g、CaCl2 0.08 g、蔗糖0.92 g、酸性和堿性微量元素液各1 mL。

廢水：采自中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院試驗場橡膠加工廠廢水出水口。

1.2 方法

1.2.1 包菌小球制備 SA ： PVA為7 ： 3，包埋材料總濃度為4%，采用交聯(lián)時間為24 h制備包菌小球，使得攪拌混合后每100 mL含有7.5 mL的濃縮菌液。

1.2.2 pH值對廢水處理效率的影響 調(diào)節(jié)實驗配水的pH值為5、6、7、8、9，各取400 mL倒入500 mL錐形瓶中，分別接種包菌小球25 g，厭氧環(huán)境密封，30 ℃恒溫150 r/min轉(zhuǎn)速震蕩培養(yǎng)2周，測定氨氮、硫酸根及COD濃度，計算去除效率，確定處理的最佳pH值。

1.2.3 包菌小球處理橡膠廢水實驗室小試實驗 廢水的預(yù)處理：利用CaO調(diào)節(jié)廢水pH至最佳值，過濾滅菌冷卻備用。

取400 mL預(yù)處理橡膠廢水滅菌后倒入500 mL錐形瓶中，分別接入未包菌小球25 g，2.5 mL菌液（與添加25 g包埋小球中的含菌量相當(dāng)），包菌小球25 g，同時設(shè)置空白對照組。厭氧環(huán)境密封，30 ℃恒溫150 r/min轉(zhuǎn)速震蕩培養(yǎng)2周，分別在3.5、5.5、8.5、11.5、14 d時對廢水各項指標(biāo)進(jìn)行分析，并稱重檢測小球重量損失。

1.2.4 包菌小球活性的測定 氨氮測定：采用HJ535-2009納氏試劑分光光度法；亞硝態(tài)氮測定：采用GB7493-87 N-（1-萘基）-乙二胺光度法；總氮測定：采用GB11894-89堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法；硝態(tài)氮測定：采用GB748-87酚二磺酸分光光度法；硫酸鹽的測定：采用鉻酸鋇分光光度法（試行）HJ/T 342-2007。

2 結(jié)果與分析

2.1 pH值對廢水處理效率的影響

同步脫硫除氮菌能利用多種碳源[9]，而且天然橡膠加工均處于24 °N以南地區(qū)[10]，常年濕熱。適宜的氣候條件及橡膠廢水中所含的大量有機物有利于同步脫硫除氮菌的生長繁殖，當(dāng)同步脫硫除氮菌成為優(yōu)勢菌后，影響廢水處理效果最重要的因素就是廢水的pH。本實驗測定不同pH值實驗配水氨氮、硫酸根及COD濃度，計算去除效率，結(jié)果見圖1。從圖1中可看出，當(dāng)pH值為7時，去除效果最好，氨氮、硫酸根、COD的去除率分別為89.18%、78.63%、55.33%。由圖1可知，隨pH值的升高氨氮與COD去除率的變化不是很明顯，但硫酸鹽在pH值大于7時表現(xiàn)出較好的去除效果。Fdz-Polanc等[11]曾推測在同步脫硫除氮反應(yīng)式為3個生化反應(yīng)組成[見式（1）-（3）]。

3SO42-+4NH4+→4NO2-+3S2-+4H2O+8H+ （1）

3S2-+2NO2-+8H+→N2+3S+4H2O （2）

2NO2-+2NH4+→2N2+4H2O （3）

反應(yīng)過程中硫酸根的還原會產(chǎn)生H+，導(dǎo)致pH值下降。當(dāng)pH值小于6時，處理過程中會產(chǎn)生H2S，對包埋的菌株有毒性，從而影響去除效果。賴楊嵐等[12]也發(fā)現(xiàn)在硫酸鹽型厭氧氨氧化反應(yīng)器中，出水pH值低于進(jìn)水的。天然橡膠加工過程中需要加入乙酸或者硫酸進(jìn)行凝固，廢水呈酸性，一般在5左右[13]。為減少廢水預(yù)處理成本及獲得較好去除效果，預(yù)處理pH值確定為7。

2.2 天然橡膠加工廢水處理實驗室小試結(jié)果

2.2.1 天然橡膠加工廢水預(yù)處理后水質(zhì)情況 中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院試驗場橡膠加工廠主要產(chǎn)品為濃縮膠乳，受其工藝特點的影響，工廠產(chǎn)生的廢水含有大量的氨氮和硫酸鹽，是天然橡膠廢水中較難處理的一種，預(yù)處理后廢水的水質(zhì)情況見表1。預(yù)處理后去除了大部分的懸浮物及一定量的硫酸鹽，各項水質(zhì)指標(biāo)濃度依然很高（表1），同樣具有代表性。

2.2.2 包菌固定化小球處理橡膠廢水結(jié)果 為了比較菌液和包菌小球的最終處理效果，記錄各實驗組在培養(yǎng)14 d后測得的氨氮、總氮、硫酸鹽、COD數(shù)據(jù)，并計算除去空白影響后各自的去除率，實驗結(jié)果見表2。由表2可知，相對于同濃度游離菌液，包埋小球具有更高的去除效果。

為考察固定化同步脫硫除氮菌的脫氮效果，比較3.5、5.5、8.5、11.5、14 d時各實驗組氨氮、總氮、亞硝態(tài)氮的濃度及含量，計算氨氮去除速率，結(jié)果見圖2～4。由圖2可見，氨氮在處理過程中，有一部分通過揮發(fā)得到去除，包埋材料對氨氮有一定的吸附作用。由圖3可見，在廢水處理初期，游離菌液對氨氮的去除速率有一個較大的值為44.71 mg/（L·d），而后維持一個較為平緩的速度，大概為27～28 mg/（L·d）；而包菌小球在廢水處理的初期呈現(xiàn)出非常好的去除速率，可高達(dá)110.59 mg/（L·d），這證實在天然橡膠加工廢水處理中，包埋固定化能夠?qū)崿F(xiàn)快速啟動的目的；而后有一個先降低后升高的趨勢，這主要是由于包菌小球內(nèi)外物料交換需要一個時間差，可提供細(xì)菌對環(huán)境變化適應(yīng)的一個緩沖的時間，使得包埋固定化后的菌對于水質(zhì)的變化具有更好的適應(yīng)性，非常適用于處理水質(zhì)、水量變化較大的天然橡膠加工廢水。

由圖4可見，總氮去除包菌小球的速率及效果均比菌液好，中間產(chǎn)物亞硝態(tài)氮菌液處理組的峰值（2.5 d）出現(xiàn)比包菌小球處理組（5.5 d）的早，進(jìn)一步證實物料交換這一時間差的存在。同步脫硫除氮可能存在硫自養(yǎng)反消化作用[10]，因此，硝態(tài)氮總體呈現(xiàn)一個下降的趨勢。

為考察固定化同步脫硫除氮菌的脫硫效果，比較3.5、5.5、8.5、11.5、14 d時各實驗組硫酸鹽的含量，結(jié)果見圖5，包菌小球硫酸鹽最大去除速率與游離菌液相當(dāng)，但平均去除速率13.8 mg/（L·d）高于游離菌液12.21 mg/（L·d）。

考察COD濃度的變化見圖6，同時稱3.5、5.5、8.5、11.5、14 d時樣品中小球的質(zhì)量，制得小球質(zhì)量變化曲線圖（圖7）。由圖7可知，包埋材料浸泡在廢水的過程中，其質(zhì)量隨著時間的推移下降，相比未包菌小球，包菌小球由于存在菌的活動，會加速材料的溶出。另外，由于包埋材料由SA和PVA構(gòu)成，這些物質(zhì)的溶出會導(dǎo)致廢水中COD含量的上升，同時，材料的吸附和細(xì)菌的新陳代謝活動又會降低水中的COD含量，使COD含量不穩(wěn)定，形成COD波動曲線（圖6）。

3 討論與結(jié)論

通過比較包菌小球與菌液對橡膠廢水處理的實驗室小試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，相對于同濃度游離菌液，包菌小球具有更高的去除效果。包埋后的菌株氨氮去除速率最高可達(dá)110.59 mg/（L·d），硫酸鹽平均去除速率為13.8 mg/（L·d），均高于游離菌株。包埋后的菌株在處理初期就表現(xiàn)出較高的處理速率，包菌小球存在較高的局部濃度，有利于廢水處理的快速啟動，同時物料內(nèi)外傳遞的時間差，可提供細(xì)菌對環(huán)境變化適應(yīng)的緩沖的時間，使得包埋固定化后的菌對水質(zhì)的變化有更好的耐沖擊性，非常適用于處理水質(zhì)、水量變化較大的天然橡膠加工廢水。

本研究所使用的厭氧氨氧化同步脫硫除氮菌B16對氨氮具有高效降解的能力，且對氨氮和硫酸鹽的脫除比接近硫酸鹽型厭氧氨氧化理論上的2 ∶ 1。但對天然橡膠廢水污染物的去除率與實驗配水的比較，總氮和硫酸鹽有小幅度的升高，氨氮去除率降低程度較大。推測是因為添加的包菌小球量并非以廢水與實驗配水中氨氮倍數(shù)關(guān)系為標(biāo)準(zhǔn)，因此就氨氮而言不太合適。實驗中折中選取的5倍包菌小球添加量與13 ∶ 1（廢水中氨氮與培養(yǎng)基中氨氮的倍數(shù)關(guān)系）相差太大，致使影響了廢水對氨氮的最終處理結(jié)果，不能得到與處理實驗配水中近似的氨氮去除率。同樣，對于水質(zhì)常常隨產(chǎn)品種類及用水情況變化而改變的橡膠工廠來說，該菌種實際應(yīng)用于橡膠廢水處理時也將會面臨這個問題。

本研究雖然已經(jīng)使氮、硫酸鹽的去除率有了一定程度的提高，但培養(yǎng)2周后的橡膠廢水仍不能達(dá)到出水指標(biāo)；包埋材料在廢水處理過程中有溶解現(xiàn)象，對COD的去除效果不理想。在今后的研究中，需要探索制備包埋小球中菌的合適濃度，利用包菌小球處理廢水最佳停留時間、運行條件等一系列因素，使處理過程處在最佳狀態(tài)。也可考慮多種菌的復(fù)合包埋，利用協(xié)同作用降解橡膠廢水。

致 謝 楊春亮研究員、余和平研究員和課題組其他成員在實驗過程給予的指導(dǎo)和幫助，在此表示感謝！

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