2004-8-2 16:53:00 1 首都師範大學生物系,2 中國科學院廣州能源所
摘 要:為了克服以PVA為包埋介質對甲烷八疊球菌進行固定化存在的缺點,采用吸附和包埋結合法對甲烷八疊球菌進行固定化,並用固定化甲烷八疊球菌處理人工廢水和豆制品廢水,對其特性進行研究。用人工廢水運行的結果表明,最高容積負荷為14 7kgCOD/m3·d,最高COD去除率為94 3%,最低水滯留期為16 4h,甲烷含量為65%～73%。用豆制品廢水運行的結果表明,最高COD負荷17 6kgCOD/m3·d,平均容積負荷8 2kgCOD/m3·d,最短水滯留期13 7h。最高產氣率7L/d·L平均產氣率固定化為非固定化的15.2倍,最高COD去除率達到了87.0%,運行期間固定化介質不上浮、不膨脹,具有很好的傳質和脫氣性能,較好的解決了包埋法固定化中存在的問題。
關鍵詞:吸附和包埋法;固定化甲烷八疊球菌;甲烷化作用
0 前 言
固定化細胞處理有機廢水,具有處理效率高、生物量高、占地少、產汙泥量少等優點而成為研究的熱點。國內外學者在固定化細胞處理廢水方面進行了大量研究[1～4],但對固定甲烷菌處理有機廢水的研究較少。除了本實驗室對固定化甲烷八疊球菌研究報道外[5～8],還未見其它報道。而在高濃度有機廢水的甲烷化作用中,由於甲烷八疊球菌(Methanosarcina)具有高μmax和Ks,它在甲烷化作用中發揮著重要作用。但其最大缺點是不能以較大顆粒滯留於消化器內。包埋法和吸附法是應用較多的兩種細胞固定化方法。本實驗室用PVA為包埋介質對甲烷八疊球菌進行固定化,固定化菌球的產氣上浮、發脹粘連仍是難題。吸附法也由於細胞易脫落、抗沖擊力差等原因影響了它的推廣應用。本文試圖將結合這兩種方法解決上述問題。這種新型的吸包法采用價格低廉、吸附效果好的載體,外面用海藻酸鈉包裹,用正交法確定最佳技術條件。並用固定化甲烷八疊球菌處理人工廢水和豆制品廢水,取得了較好的甲烷化作用效果。
1 材料和方法
1. 1 正交試驗
1. 1 .1 菌種,培養基
菌種:用本實驗室分離並保存的甲烷八疊球菌作為菌種,含菌量為2 280×109/mL,接種量為10%。
培養基:0 2%胰蛋白腖,0 2%酵母浸粉,0 04%K2HPO4,0 1%NH4Cl,0 01%MgCl2,1%甲醇,pH為7 2(用HCl調節)。每只厭氧瓶裝100mL。
1 1 2 產氣量的測定用
內裝飽和氫氧化鈉的帶刻度的集氣瓶測定甲烷產量。
1 1 3 吸附載體:耐火磚粒、陶粒、無紡布
1 1 4 固定化方法
耐火磚粒或陶粒作為載體時:先將菌種與吸附載體混合均勻,再與包埋介質混合均勻,然後撥散於交聯劑中交聯,取出待用。無紡布作為載體時:先將菌種均勻塗在無紡布上,再將包埋介質均勻塗在無紡布上,然後用剪刀將布剪成小塊放入交聯劑中交聯,取出待用。
1 2 UASB反應器驗證
1 2 1 接種物、人工廢水、反應器
接種物:吸包法和對照組分別接入本實驗室分離並保存的甲烷八疊球菌250mL,含菌量為2 280×109/mL。人工廢水:0 2%胰蛋白腖,0 2%酵母浸粉,0 04%K2HPO4,0 1%NH4Cl,0 01%MgCl2,0 5%甲醇,0 5%乙酸鈉,pH為7 2(用乙酸調節)。CODcr濃度為8000～11000mg/L左右。
豆制品廢水:豆制品廢水取自北京王致和腐乳廠,CODcr濃度為6000～11000mg/L左右,pH值為3 5～6 0。用pH值為6 0NaOH調至用人工廢水運轉55d後,接著用豆制品廢水不經稀釋直接作為進水。
反應器:兩個實驗室規模的UASB反應器被用來處理有機廢水,壹個采用吸包法(A反應器),另壹個作為對照(B反應器)。該反應器以有機玻璃制成,直徑為7cm,高50cm,有效體積為2L,設有外部固液分離器。8～10℃保存的廢水經恒流泵,由反應器底部進入反應器。
1 .2. 2 產氣量、CODcr、甲烷、揮發酸(乙、丙、丁酸)的測定
用肺活量器測量日產氣量。用標準重鉻酸鉀法測定COD。甲烷、揮發酸含量用氣相色譜儀分析(SP2304,北京分析儀器廠)。
[page]
2 結果與分析
2. 1 正交試驗
2. 1 .1 吸附載體的選擇
采用2%海藻酸鈉作為包埋介質,比較耐火磚粒、陶粒、無紡布作為吸附載體的優劣。以是否產氣上浮作為指標,用無紡布作為吸附載體,在反應第5d就全部上浮,並且阻塞排氣管,導致實驗無法進行,而耐火磚粒和陶粒不存在此問題。故此淘汰用無紡布作為吸附載體。以產氣量作為指標,實驗結果表明,耐火磚粒載體在相同條件下產氣高峰來的最早,且產氣量也高,說明耐火磚粒對菌的活性影響最小,而陶粒載體產氣高峰來得晚,且產氣量低於耐火磚粒。故此淘汰陶粒,而選用耐火磚粒作為吸附載體。
2. 1. 2 其它基本條件的確定
確定耐火磚為吸附載體後,接著需要確定其它影響吸包法效果的4個因素:耐火磚顆粒的大小;海藻酸鈉的濃度;海藻酸鈉與CaCl2交聯的時間:固定化顆粒浸泡的時間。因子水平如表1所示,正交試驗表頭設計如表2所示。試驗結果如圖1所示。
依據試驗目的確定試驗效果的指標為累積產甲烷量和固定化小球的壽命。圖1為各個指標與4個因素間接關系,9個試驗的累計甲烷量見圖2。在固定化甲烷八疊球菌試驗中,球的壽命越長越好,產氣量越多越好。由圖1分析可知,以壽命為指標,A3,B2,C2,D3為最佳條件;以產氣量為指標,則A3,B2,C2,D2為最佳條件,但D2,D3之間差距較小,據此考慮到試驗成本,選用D3。由圖2分析可知,累計產氣量較多的是No 5和No 9。所以綜合上述因素,我們通過正交試驗最終確定的最優化條件為A3,B2,C2,D3,即耐火磚顆粒大小為20～36目;海藻酸鈉的濃度為4%;交聯時間為1h;浸泡方法為自來水浸泡2h。
2.2 固定化甲烷八疊球菌處理廢水
2.2 .1 處理人工廢水
按正交試驗制備的固定化小球裝入2LUASB反應器,用人工廢水運行了55d,日產氣量見圖3。由圖可知,固定化甲烷八疊球菌日產氣量明顯高於非固定化,兩者的最高日產氣量分別達到了8500mL/d和4350mL/d,平均日產氣量固定化為非固定化的2 4倍。容積負荷與COD去除率見圖4,由圖可知,固定化和對照組的容積負荷基本壹致,COD去除率固定化明顯高於對照組,兩者的最高COD去除率分別達到了94 3%和54 6%。兩者產氣中的甲烷含量均為65%～73%。分析兩者出水揮發酸含量,主要為乙酸,幾乎不含有丙酸和丁酸。
2 2 2 處理豆制品廢水
用人工廢水運轉55d後,接著用豆制品廢水不經稀釋作為進水,了解固定化甲烷八疊球菌處理豆制品廢水的特性。此階段***運轉了34d。A和B反應器在用豆制品廢水運轉期間的水滯留期達到了13 7h、14 9h。其中B反應器有7d因為COD去除率及日產氣量偏低沒有進水,並且另有8d延長了水滯留期。
運轉期間的日產氣量的變化如圖5所示,從圖可知,最高日產氣量為14000mL/d,產氣率為7 0L/(L·d),而對照的最高日產氣量只為5250mL/d,產氣率為2 63L/(L·d)。前者是後者的2 7倍,平均產氣率固定化為非固定化的15 2倍。運轉期間所產氣體的甲烷含量A反應器穩定在65%左右,而B反應器所產氣體的甲烷含量則起伏較大。
運轉期間的COD負荷變化如圖6所示,從圖可知,兩者的平均COD負荷為8 2kgCOD/m3·d和5 3kgCOD/m3·d,固定化明顯高於非固定化,前者的最高COD負荷達到了17 6kgCOD/m3·d。兩者的最高COD去除率分別為87 0%和78 6%。運轉穩定期的平均COD去除率分別為75 6%和62 19%。很明顯,固定化甲烷八疊球菌在短水滯留期、高COD負荷情況下,仍得到較高的COD去除率和較高的產氣量。
[page]
3 結 論
1)以是否產氣上浮和日產氣量為評價指標,耐火磚顆粒作為吸附載體優於陶粒。
2)通過正交試驗,以累積產甲烷量和固定化小球的壽命為指標,確定了吸包法固定化甲烷八疊球菌處理廢水的最優化條件為:耐火磚顆粒大小為36目～20目;海藻酸鈉的濃度為4%;交聯時間為1h;浸泡方法為自來水浸泡2h。
3)用容積為2L的UASB反應器處理人工廢水,運行55d的結果表明,驗證了吸包法在日產氣量和COD去除率方面優於非固定化甲烷八疊球菌。
4)用此固定化甲烷八疊球菌處理豆制品廢水運行34d,結果表明,固定化甲烷八疊球菌在短水滯留期、高COD負荷情況下,仍得到較高的COD去除率和較高的產氣量,明顯高於非固定化甲烷八疊球菌。
[參考文獻]
[1] LinYingfeng,ChenKuochen.Denitrificationand methanogenesisinaco immobilizedmixedculturesys tem[J].WatRes,1995,29(1):35—43.
[2] KarubeI,etal.Methaneproductionfromwastewatersbyimmobilizedmethanogenicbacteriz[J].BiotechnolandBioeng,1980,12:847—857.
[3] 閔 航等.聚乙烯醇包埋厭氧活性汙泥處理廢水的最優化條件研究[J].環境科學1994,15(5):10—14.
[4] 王建龍,施漢昌.聚乙烯醇包埋固定化微生物的研究進展[J].工業微生物,1998,28(2):35～39.
[5] 楊秀山等.固定化甲烷八疊球菌研究 甲烷八疊球菌富集分離和固定化[J].中國環境科學,1997,17(3):268—270.
[6] 楊秀山等.固定化甲烷八疊球菌研究———厭氧顆粒汙泥的形成[J].中國環境科學,1998,18(4):356—359.
[7] 田 沈等.固定化甲烷八疊球菌提高甲烷化作用研究[J].應用於環境生物學報,1999,5(增刊):80—83.
[8] 楊秀山等.固定化甲烷八疊球菌(Methanosarcina)處理豆制品廢水研究[J].首都師範大學學報,1999,20(2):63—69.