固化甲烷八叠球菌及处理高浓度有机废水研究杨

杨秀山¹,李　军²,田　沈¹,赵　军¹,曹亚莉¹,钱　城¹,陈新芳¹　
(1 首都师范大学生物系，北京　100037;2 北京工业大学建筑工程学院,北京　100022)

　　摘　要　为了克服PVA包埋固定化甲烷八叠球菌存在的缺点,采用吸附和包埋结合法对甲烷八叠球菌进行了固定化,并用ＵＡＳＢ反应器以高浓度人工废水和豆制品废水为底物对固定化甲烷八叠球菌特性进行研究.用人工废水运转的结果表明,最高容积负荷为147kg(COD) (m³·d),最高COD去除率为94.3%,最低水力停留时间(HRT)为16.4h,甲烷含量为65%～73%.用豆制品废水运转的结果表明,最高COD负荷17.6kg (m³·d),平均容积负荷82kg(COD) (m³·d),最低为13.7h,最高产气率7L (d·L),平均产气率固定化为非固定化的15.2倍,最高COD去除率达到了87%.
　　关键词　吸附和包埋法;固定化甲烷八叠球菌;高浓度有机废水
　　分类号　X703

Immobilization method of Methanosarcina and strength waste water treatment with immobilized Methanosarcina

YANG Xius han¹,TIAN Shen²,ZHAO Jun¹,CAO Yali¹,QIAN Cheng¹,CHEN Xinfang¹(1.Department of Biology ,Capital Normal University ,Beijing 100037;2.School of Civil Engineering and Architecture ,Beijing University of Technology ,Beijing　100022)
Abstract: To overcome the shortcomings in immobilized Methanosarcina using PVA as the entrapment matrix, a combined adsorption and en trapment was conducted to immobilize Methanosarcina. The characteristics of the immobilized Methanosarcina were demonstrated using UASB with defined and soybean cake wastewater. The results indicated that the combined adsorption and entrapment method with immobilize Methanosarcina gives a good performance of precipitating and degassing ,which over comes the defaults of the single entrapment method.
Key words: combined adsorption and entrapment ;immobilized Methonasarcina; strength wasterwater treatment

固定化细胞处理有机废水,由于具有高生物量、低污泥产量、高处理效率等优点而成为研究的热点.国内外学者在固定化厌氧微生物处理废水方面进行了大量研究[1—3],但对甲烷八叠球菌的固定化除了本实验室的研究报道外[4,5],还未见其它报道.而在高浓度有机废水厌氧消化中,由于甲烷八叠球菌(Methanosarcina)具有高μmax和Ks,在厌氧消化中发挥着重要作用,但甲烷八叠球菌的最大缺点是不能以较大颗粒滞留于消化器内.目前的研究结果表明,包埋法和吸附法是应用较多的两种固定化方法.本实验室用包埋法对甲烷八叠球菌进行了固定化,但仍然存在产气上浮、发胀粘连、对细胞活性影响大等问题,从而影响了该方法在实践中的应用.吸附法也由于细胞易脱落、抗冲击力差等原因影响了它的推广应用.本文将这两种方法相结合,试图解决上述存在的问题.这种新型的吸包法采用价格低廉、吸附效果好的载体,外面用海藻酸钠包裹,用正交法进行最优化条件的研究,确定最佳技术条件.并且用固定化甲烷八叠球菌处理人工废水,取得了较好的结果.

1 材料和方法

1.1 载体选择及固定化方法优化
1.1.1 菌种和培养基　菌种:用本实验室分离并保存的甲烷八叠球菌作为菌种,含菌量为2.280×10⁹ mL,接种量为10%.
培养基:0 2%胰蛋白胨,0 2%酵母浸粉,0 04%Ｋ2ＨＰＯ4,0 1%ＮＨ4Ｃｌ,0 01%ＭｇＣｌ2,1%甲醇,ｐＨ为7 2(用Ｈ
Ｃｌ调节).每只厌氧瓶装100ｍＬ.1
1 2　产气量的测定　用内装饱和氢氧化钠的带刻度的集气瓶测定甲烷产量.1
1 3　吸附载体　耐火砖粒、陶粒、无纺布.1
1 4　固定化方法　以海藻酸钠为包埋剂,吸附载体用36目和20目耐火砖,用2%氯化钙溶液交联.将250ｍ
Ｌ接种物均匀缓慢的与670ｇ砖粒混匀,然后加入8%海藻酸钠溶液300ｍＬ混匀,拨散于2%氯化钙溶液中,形
成0 5～1 5ｃｍ大小的固定化小球,放入4℃冰箱中交联4ｈ.无纺布作为载体时,先将菌种均匀涂在无纺布上
,再将包埋剂均匀涂在无纺布上,然后用剪刀将布剪成小块放入交联剂中交联,取出待用.1
2　ＵＡＳＢ反应器验证1
2 1　接种物、废水及反应器　接种物:吸包法和对照组分别接入本实验室分离并保存的甲烷八叠球菌250ｍ
Ｌ,含菌量为2 280×109 ｍＬ.人
工废水:0 2%胰蛋白胨,0 2%酵母浸膏,0 04%Ｋ2ＨＰＯ4,0 1%ＮＨ4Ｃｌ,0 01%ＭｇＣｌ2,0 5%甲醇,0 5%乙酸
钠,ｐＨ为7 2(用乙酸调节).ＣＯＤＣｒ浓度为8000—11000ｍｇ Ｌ左右.豆制品废水取自北京王致和腐乳厂,ＣＯＤＣｒ为
6000—11000ｍｇ Ｌ,ｐＨ3 5—6 0,用人工废水运转55ｄ后,接着用豆制品废水不经稀释直接作为进水.反
应器:两个实验室规模的ＵＡＳＢ反应器被用来处理人工废水,一个作为吸包法(Ａ),另一个作为对照(
Ｂ).该反应器用有机玻璃制成,直径为7ｃｍ,高50ｃｍ,有效体积为2Ｌ,设有外部固液分离器.8—10℃保存的废
水经恒流泵进入反应器.
1 2 2　产气量、ＣＯＤＣｒ、甲烷含量、挥发酸(乙、丙、丁酸)含量的测定　用肺活量器测量日产气量.用标准方法测
定ＣＯＤＣｒ.甲烷、挥发酸含量用气相色谱法分析(ＳＰ2304,北京分析仪器厂).2
　结果与讨论2
1　载体选择及固定化方法优化用
海藻酸钠作为包埋介质,比较耐火砖粒、陶粒、无纺布作为吸附载体的优劣.以是否产气上浮作为指标,选
择出耐火砖粒和陶粒为载体;以产气量作为指标,选择耐火砖粒作为载体.并确定耐火砖颗粒为20—36目,海
藻酸钠浓度为4%,交联时间为1ｈ,自来水浸泡2ｈ.2
2　ＵＡＳＢ反应器处理废水2
2 1　处理人工废水　2Ｌ反应器用人工废水运行了55ｄ,容积负荷与ＣＯＤ去除率见图1.由图1可知,固定化
的ＣＯＤ容积负荷和ＣＯＤ去除率明显高于与非固定化,最高ＣＯＤ去除率分别达到了94 3%和54 6%.日产气
量变化如图2所示.由图可知,固定化甲烷八叠球菌的日产气量明显高于非固定化,两者的最高日产气量分别
达到了8500ｍＬ ｄ和4350ｍＬ ｄ,平均日产气量固定化为非固定化的2 4倍.
2 2 2　处理豆制品废水　用人工废水运转55ｄ后,接着用豆制品废水不经稀释作为进水,共运转了34ｄ.运转
期间的ＣＯＤ负荷及ＣＯＤ去除率变化如图3所示.固定化与非固定化的平均ＣＯＤ负荷分别为8 2ｋｇ (ｍ3·ｄ)和
5 3ｋｇ (ｍ3·ｄ),ＣＯＤ去除率分别为87 0%和78 6%,前者明显高于后者.固定化的最高ＣＯＤ负荷达到了1
7 6ｋｇ (ｍ3·ｄ).运转期间的日产气量变化如图4所示,两者的最高日产气量分别为14Ｌ ｄ(产气率为7 0Ｌ (Ｌ·ｄ
))和5 3(Ｌ ｄ)(产气率为2 6Ｌ (Ｌ·ｄ),前者是后者的2 7倍.Ａ、Ｂ反应器的水力停留时间的变化如图5所示,Ａ
反应器的水力停留时间明显低于Ｂ反应器,而且波动较大.
图5　豆制品废水水力停留时间变化曲线Ｆ
ｉｇ.5　Ｈｙｄｒａｕｌｉｃｒｅｔｅｎｔｉｏｎｔｉｍｅｏｆｓｏｙｂｅａｎｃａｋｅｗ
ａｓｔｅｗａｔｅｒ3
　结论(
1)以20—36耐火砖颗粒为载体,4%海藻酸钠作为包
埋剂,2%氯化钙为交联剂,交联时间1ｈ,自来水浸泡2ｈ
,对甲烷八叠球菌固定化,得到;得到了满意的甲烷八叠球
菌固定化效果.(
2)用该方法制得的固定化甲烷八叠球菌处理人工废水
,反应器的ＣＯＤ容积负荷和ＣＯＤ去除率明显高于后者,最
高ＣＯＤ去除率分别达到了94 3%和54 6%,平均ＣＯＤ去
除率固定化为非固定化的1 95倍.固定化甲烷八叠球菌
的日产气量明显高于非固定化,平均日产气量固定化为非
固定化的2 4倍.(
3)用该方法制得的固定化甲烷八叠球菌处理豆制品废水,固定化甲烷八叠球菌的ＣＯＤ容积负荷是非固定
化的1 55倍,ＣＯＤ去除率两者分别为87 0%和78 6%,前者明显高于后者.固定化的最高ＣＯＤ负荷达到了1
7 6ｋｇ ｍ3·ｄ.两者的最高日产气量分别为14Ｌ ｄ(产气率为7 0Ｌ (Ｌ·ｄ))和5 3Ｌ ｄ(产气率为2 6Ｌ (Ｌ·ｄ)),前者
是后者的2 7倍.参
考文献:[
1]　ＬｏｚｉｎｓｋｙＶＩ,ＰｌｉｅｖａＦＭ.Ｐｏｌｙ(ｖｉｎｙｌａｌｃｏｈｏｌ)ｃｒｙｏｇｅｌｓｅｍｐｌｏｙｅｄａｓｍａｔｒｉｃｅｓｆｏｒｃｅｌｌｉｍｍｏｂｉｌｉｚａｔｉｏｎ.3.Ｏｖｅｒｖｉｅｗｏｆｒｅｃｅｎｔｒｅｓｅａｒｃｈａｎｄｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｓ[Ｊ].ＥｎｚｙｍｅａｎｄＭｉｃｒｏｂｉａｌＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ,1998,23:227—242[
2]　ＣｈｉｈＣｈｅｎｇＣｈａｎｇ,ＳｚｕＫｕｎｇＴｓｅｎｇ.ＩｍｍｏｂｉｌｉｚａｔｉｏｎｏｆＡｌｃａｌｉｇｅｎｅｓｅｕｔｒｐｈｕｓｕｓｉｎｇＰＶＡｃｒｏｓｓｌｉｎｋｅｄｗｉｔｈｓｏｄｉｕｍｎｉｔｒａｔｅ[Ｊ].Ｂｉｏｔｅｃｈ ｎ
ｏｌｏｇｙＴｅｃｈｎｉｑｕｅｓ,1998,12:865—868[
3]　王建龙,施汉昌.聚乙烯醇包埋固定化微生物的研究及进展[Ｊ].工业微生物,1998,28:35—39[
4]　田沈,杨静,张伟等,固定化甲烷八叠球菌提高甲烷化作用研究[Ｊ].应用与环境生物学报,1999,5(增刊):80—83[
5]　杨小红,田沈,赵军,等,甲烷八叠球菌的富集培养和固定化介质的选择[Ｊ].太阳能学报,2002,23(3):253—256

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收稿日期:2002 06 03;修订日期:2002 10 08
基金项目:国家自然科学资金(59976024)和北京市自然科学基金(5992004)项目
作者简介:杨秀山(1946—),男,教授