包埋固定化EM菌的氨氮去除特性研究*

熊小京，李 博，林光辉，郑天凌，彭义亮

（1.厦门大学深圳研究院，广东 深圳 518057；2.浙江大学能源清洁利用国家重点实验室，浙江 杭州 310027；3.厦门大学生命科学学院，福建 厦门 361005）

包埋固定化EM菌的氨氮去除特性研究*

熊小京1，李 博2，林光辉3，郑天凌3，彭义亮1

（1.厦门大学深圳研究院，广东 深圳 518057；2.浙江大学能源清洁利用国家重点实验室，浙江 杭州 310027；3.厦门大学生命科学学院，福建 厦门 361005）

采用PVA-硼酸包埋固定化EM菌，在好氧、批式运行条件下，系统考察不同的工艺参数对固定化EM菌的氨氮去除性能的影响。结果表明：用PVA-硼酸包埋法固定EM的小球对氨氮的去除是EM生物降解、包埋小球自身吸附的共同结果；以贝壳粉末作为添加剂、包埋离心后的EM有利于提高包埋小球的强度及脱氨效果。经过6个运行周期，氨氮的去除率可达到90%以上；较多EM包埋量仅在运行初期有助于提高脱氨效果，长期使用PVA小球时的最适宜的EM包菌量体积比为10∶3。

PVA包埋固定化；EM菌；贝壳粉末；氨氮去除

EM（Effective Microorganisms） 有效微生物主要含有光合菌、乳酸菌、酵母菌、革兰氏阳性放线菌及发酵系的丝状菌，它们共生共存，具有多种特殊的生物机能。研究表明，EM菌能够有效去除废水中的COD、氮、磷等污染物质［1-3］。但是当EM菌直接投入污水处理系统时，由于EM菌处于游离态，不仅易被其他微生物捕食，而且易随出水流失，使其难以形成稳定的生物降解体系，因此如何将EM菌有效地保持于污水的生物处理系统中已成为其应用的关键。

作为微生物细胞固定化技术之一，PVA-硼酸包埋法，因具有机械强度高、耐生物分解性好、成本低、使用寿命长等优势，目前已用于固定反硝化菌去除硝氮［4］、固定复合微生物去除养殖废水中的氮［5］、固定细胞去除废水中硝氮［6］、固定硝化细菌去除水体中氨氮［7］，但在用于固定化EM菌处理废水的研究还鲜有报道。贝壳中含有丰富的CaCO3，若添加于固定化材料中，不仅能提高机械强度，而且能为生物脱氮过程提供碱度［8］。

本研究采用PVA-硼酸包埋法固定EM菌，在好氧、批式运行条件下，系统考察贝壳粉末及EM菌添加量对固定化小球的氨氮去除效果的影响，确立最佳固定化操作条件，为该技术在处理污水中的应用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试剂

EM-1（福建省诏安富裕生物技术开发有限公司）；聚乙烯醇（PVA-124），平均聚合度1 750±50（汕头市达濠精细化学品公司）；海藻酸钠（永嘉精细化工二厂）；其他试剂均为市售分析纯。

1.2 EM菌液的制备

1） EM复壮液的制备：按EM-1∶糖蜜∶水＝3∶3∶94的体积比例配制EM扩大液。室温下密封储存，待pH下降到3.5以下并有酸甜气味表示复壮成功［9］。

2）EM离心液的制备：将制备的EM复壮液以3 000 r/min的速度离心20 min，弃去上清液，离心管底部富集的EM用生理盐水稀释至一定浓度，得到EM离心液。

1.3 PVA-硼酸包埋法制备固定化小球

1）包埋剂的配制：称取一定质量的PVA和海藻酸钠溶解于80℃的蒸馏水中，冷却至室温后与一定量的EM菌液混合，使PVA和海藻酸钠的最终浓度分别为9%和1%。

2） 交联剂的配制：将2%的CaCl2溶解于饱和硼酸溶液中，温度降至4℃。

3）贝壳粉末的制备：用中药粉碎机将牡蛎壳粉碎，用200目筛分，得到贝壳粉末。

4）固定化小球制备：用注射器将混合均匀的包埋剂从10 cm的高处滴入交联剂中，交联剂用磁力搅拌器搅拌。包埋剂与交联剂交联形成直径为3 mm左右的小球。将固定化小球浸没在交联剂中储存于4℃的冰箱内继续硬化24 h。使用前用生理盐水清洗3次。

5）含贝壳粉末固定化小球制备：将制备的贝壳粉末按0.3%浓度加入包埋剂中，其他步骤同固定化小球制备。

1.4 原水组成

采用合成废水，其组成为：60 mg/L氨氮（采用硫酸氨）、555 mg/L葡萄糖、17 mg/L磷酸二氢钾、50 mg/L氯化钠、75 mg/L硫酸镁，用1 mol/L的氢氧化钠溶液调整pH。

1.5 操作方法

1）固定化EM小球对氨氮的去除特性：采用500 mL的锥形量杯作为批式反应装置，底部放置微孔曝气头，充分曝气保持溶解氧为2～4 mg/L。PVA小球的填充率为10%，模拟废水氨氮为60 mg/L，pH调节为8.0，反应温度为室温。批式处理周期为12 h，其中进水0.5 h、反应10 h、静置沉淀1 h、排水0.5 h。每个周期反应结束后，出水经0.45μm的微孔滤膜过滤后测定氨氮浓度。

2）未包埋EM的固定化小球对氨氮的吸附特性：向11个250 mL的锥形瓶中分别加入10 g未包埋EM的PVA小球和100 mL氨氮浓度为60 mg/L的模拟废水。将锥形瓶放入恒温培养床中，在25℃、150 r/min的条件下振荡。每隔一段时间取出1个锥形瓶，水样经0.45μm的微孔滤膜过滤后测定氨氮浓度。

1.6 分析方法

氨氮采用纳氏试剂分光光度法测定（HP-8453 UV-Vis分光光度仪）；pH采用 inoLab pH720型pH计测定；浊度采用SGZ-2型数显浊度仪测定。

2 结果与讨论

2.1 PVA小球对氨氮的吸附作用

从图1可知，包埋EM的PVA小球在8个运行周期中对氨氮去除率总体呈上升趋势，由最初的10.5%上升到86.3%。与之相对照，未包埋EM的PVA小球对氨氮的去除效果分别在第2、5和8个周期时出现了升到60%、降到20%，再次上升到77.8%的变化过程。前5个周期PVA小球对氨氮的去除主要是靠吸附作用，其吸附量在第2个周期时最大，之后因吸附接近饱和及脱附作用而使残留氨氮浓度升高。第5个周期后氨氮的去除率再次上升的原因可能是空气和水中的微生物进入装置所产生的生物降解作用所致。由此可知，包埋EM的PVA小球对氨氮的去除，在开始的5个周期中吸附作用占主导地位，此间EM菌还没有完全适应包埋环境，对氨氮的降解速度很低；当运行超过了6个周期，EM菌已适应包埋环境，对氨氮的降解速度迅速上升。

2.2 贝壳粉末添加的影响

PVA小球在水中浸泡一段时间后会膨胀并部分溶解，强度逐渐降低，最终破裂随出水流失。研究表明，向包埋剂中添加一些如CaCO3、SiO2、活性炭、铁粉等物质，可有效地改善PVA小球的性状，提高其强度和耐曝气性能。贝壳中含有丰富的CaCO3，还可为氨氮的降解提供碱度，因此实验中于包埋剂中添加一定量的贝壳粉末，以考察其对PVA小球的强度和脱氨效果的影响。EM复壮液中含有大量的糖蜜，其引入可能会改变包埋剂的性质，在小球硬化过程中也可能对EM的活性有一定保护作用。分别添加EM离心液和复壮液，以考察糖蜜对PVA小球的性状及包埋后EM的活性可能产生的影响，实验条件如表1所示。

制备过程中可以观察到A、C、D小球都能够成球形，而B小球形状极不规则。硬化24 h后，A小球的硬度明显好于C、D小球，表明在制备时适当添加贝壳粉末对增大PVA小球的硬度十分有效；A、C小球外观呈纯白色，B、D小球外观呈浅褐色，表明包埋EM复壮液的小球中含有糖蜜。B小球经过3个周期的运行后全部破裂。

表1 不同PVA小球的组成

图2给出了在6个运行周期中A、C、D 3种小球对氨氮的去除效果比较。可以看出，在第1个运行周期中，A小球略好于C、D小球，D小球并没有因为含有糖蜜而表现出更好的生物活性，说明小球制备时糖蜜不仅对维持EM活性无作用，而且对小球的强度等物理指标造成负面的影响。到第6个周期，效果最好的A小球的氨氮去除率已经达到91.1%，说明在包埋剂中添加贝壳粉末有利于生物脱氨；C小球的脱氨效果也较为稳定，说明包埋EM离心液有利于PVA小球的强度和脱氨性能的提高。3种小球对氨氮的去除率最终都达到了75%以上。

实验中，A、C、D 3种PVA小球都不同程度的溶解和膨胀而使出水混浊；反应器液面产生大量的泡沫，小球的体积膨胀为原来的2倍，外观从最初的白色和浅褐色逐步变为灰白色。在运行后期，3种小球均有少量破碎，随出水流失。A小球的韧性好于C、D小球，破碎率较低，说明贝壳粉末能够有效改善PVA小球的强度和韧性等物理性能。

2.3 EM菌包埋量的影响

制作不同EM包埋量的4种PVA小球（简称E、F、G和H小球），包菌量体积比分别为10∶1、10∶3、10∶5和 10∶8（即每 100 mL包埋剂的含菌量分别相当于10、30、50、80 mL EM复壮液）。

图3给出了4种小球在9个运行周期中的氨氮去除效果比较。在前3个周期，H小球的氨氮去除效果最好，F、G小球较为接近，E小球效果较差，说明在运行开始阶段，包菌量越大对氨氮的去除效果越好。随着运行周期的增加，4种小球的氨氮去除效果逐渐接近，F小球的氨氮去除效果基本上与H小球相同。到运行后期，H小球的氨氮去除效果逐渐变差，而F小球的效果仍处于最好，其原因可能是包菌量大的小球在使用一段时间后由于其中微生物活动较为显著，导致PVA小球破碎率较高，流失后使反应器中微生物浓度降低，表现为去除率出现下降。因此，可以得出最适宜的EM包菌量体积比为10∶3。

3 结论

1）EM菌包埋固定化法能够有效去除废水中的氨氮，当进水氨氮浓度为60 mg/L时去除率能够达到90%以上。较高的脱氨效果是生物降解作用和PVA小球自身的吸附作用所致。

2） 在包埋剂中添加贝壳粉末可有效地改善PVA小球的强度，有利于生物脱氮。

3）包埋EM复壮液对维持生物活性的作用很小，而包埋EM离心液有利于PVA小球的物理性能的改善和氨氮去除能力的提高。

4）较大EM包埋量仅在运行初期能提高脱氨效果。长期使用PVA小球时，较高EM包埋量不利于保持小球的强度，最适宜的EM包菌量体积比为10∶3，即每100 mL包埋剂中投加含菌量相当于30 mL EM复壮液的EM离心液。

志谢：感谢厦门大学环境科学研究中心的凌峰计划项目对该研究工作的经费支持。

［1］朱亮，邵孝侯．EM菌富集培养及降解污水试验研究［J］．河海大学学报：自然科学版，2002，30（2）：6-8．

［2］孟范平，李桂芳，李科林．系统评价EM菌液在生活污水处理中的应用效果［J］.城市环境与城市生态，1999，12（5）：4-7.

［3］ 邵青.EM 除磷效果初探［J］.工业水处理，2001，21 （2）：16-18，46.

［4］谭佑铭，罗启芳.固定化反硝化菌去除水中硝酸盐氮的研究［J］.环境与健康杂志，2001，18（6）：371-373.

［5］刘海琴，韩士群，李国锋.固定化复合微生物对废水的脱氮效果［J］.江苏农业科学，2006（6）：432-434.

［6］闫志英，廖银章，李旭东.固定化细胞去除废水中硝态氮的试验研究［J］.水资源保护，2006，22 （3）：54-55，59.

［7］冯本秀，赖子尼，陈俊彬，等.固定化硝化细菌去除水体中氨氮的研究［J］.广东工业大学学报，2006，23（2）：29-33.

［8］叶志隆，熊小京，芦敏.贝壳填料曝气生物滤池的硝化特性研究［J］.中国给水排水，2006，22（3）：1-3，8.

［9］熊小京，曹晓婷，李博.有效微生物复壮过程特性研究［J］.厦门大学学报：自然科学版，2007，46（S1）：107-110.

Performance of Ammonia Nitrogen Removal by Immobilized Effective Microorganisms

Xiong Xiaojing1,Li Bo2,Lin Guanghui3,Zheng Tianling3,Peng Yiliang1
（1.Shenzhen Institute,Xiamen University,Shenzhen Guangdong 518057;2.State Key Laboratory of Clean Energy Utilization,Zhejiang University,Hangzhou Zhejiang 310027;3.School of Life Sciences,Xiamen University,Xiamen Fujian 361005）

Effect of different process parameters on performance of ammonia nitrogen removal by immobilized effective microorganisms with PVA-boric acid immobilization method was investigated using an aerobic sequencing batch process.The results showed that the removal of ammonia nitrogen was attributing to biodegradation ability of EM and effective adsorption by PVA-boric acid beads.The addition of shell powder and the centrifugal EM rejuvenation liquid in PVA-boric acid beads could effectively enhance the intensity of the beads and the degradation ability of ammonia nitrogen.The removal efficiency of ammonia nitrogen reached over 90%after 6 running cycles.The mass of immobilized EM in PVA-boric beads would help to improve removal efficiency of ammonia nitrogen at early run-time.The optimum immobilized EM concentration was 10:3 when PVA-boric beads were for long-term use.

PVA immobilization；effective microorganism；shell powder；ammonia nitrogen removal

X703.1

A

1005－8206（2011） 02－0039－04

深圳市科技计划项目深港创新应用研发专题（08Lh-04）；福建省科技计划项目（2009Y0048）

2010-12-02

熊小京（1963—），博士，副教授，主要从事水污染控制工程方面的研究。

E-mail：xiongxj@xmu.edu.cn。

（责任编辑：刘冬梅）