内聚营养源SRB固定化交联剂的选择及对含锌废水的处理
王 娜，闵小波，王云燕，周 敏，柴立元
(中南大学 冶金科学与工程学院，湖南 长沙，410083)
摘 要：以聚乙烯醇为包埋介质，对硫酸盐还原菌(SRB)进行固定化处理；以含锌废水为处理对象，考察不同交联剂对成球性能影响、营养源内聚效果、硫酸盐还原效果、锌离子去除率和出水COD(化学需氧量)等因素。研究结果表明：最佳交联剂为40% (NH4)2SO4和2% CaCl2；采用该交联体系制得固定化小球，每克小球内聚33.11 mg乳酸钠，硫酸根还原率为53.5%，锌离子去除率可达到98%，出水COD低于100 mg/L；固定化小球经过4次循环试验，出水锌离子浓度仍达到污水综合排放二级标准。
关键词：硫酸盐还原菌(SRB)；交联剂；含锌废水
中图分类号：X703.1 文献标识码：A 文章编号：1672-7207(2008)02-0273-06
Determination of crosslinking agent in immobilized beads of SRB sludge with inner cohesive carbon source and treatment of wastewater containing zinc
WANG Na, MIN Xiao-bo, WANG Yun-yan, ZHOU Min, CHAI Li-yuan
(School of Metallurgical Science and Engineering, Central South University, Changsha 410083, China)
Abstract: The sulfate-reducing-bacteria (SRB) were immobilized in polyvinyl alcohol (PVA) to treat wastewater containing zinc. The effects of different crosslinking reagents on the conglobation, cohered efficiency of the carbon source, reduction ratio of sulfate, removal ratio of Zn(Ⅱ), and COD(chemical oxygen demand) of drainage were considered. The results show that the optimum crosslinking agents is 40% (NH4)2SO4 and 2% CaCl2, the content of cohered lactate with immobilized beads cross linked by this agent is 33.11 mg, the reductive ratio of sulfate is 53.5%, removal ratio of Zn(Ⅱ) reaches 98% and COD of drainage is less than 100 mg/L. After several cycles, Zn(II) concentration of treated water is still lower than that of the second discharge standard of waste water.
Key words: sulfate-reducing bacteria (SRB); crosslinking agent; wastewater containing zinc
采用重金属废水治理新技术——内聚营养源SRB污泥固定化技术，将SRB生长所需的有机营养源经固定化后，与SRB污泥共同包埋于同一颗粒小球内部，在厌氧条件下的SRB还原硫酸盐，将硫酸盐转化为硫离子，使重金属生成不溶的金属硫化物沉淀而去除，既可以避免金属离子对SRB污泥的毒害，又可解决有机物污染的问题。
固定化生物技术是从20世纪60年代开始迅速发展起来的一项新技术，它是通过化学或物理的手段将游离细胞或酶定位于限定的空间区域内，使其保持活性并可反复利用[1-3]。
聚乙烯醇(PVA)是一种微生物包埋固定化载 体[4-6]，它具有强度高，不易生物降解，对生物无毒等优点[7]。PVA 的固定化方法主要有硼酸法、冷冻法 等[8]。其中硼酸法存在如下不足：
a. 硼酸对微生物有毒害作用，导致细胞活性低[9]；
b. PVA是一种高黏性物质，并且PVA与H3BO3反应较慢, 滴下时间相差不大的两液滴相碰时会粘结在一起，并逐步溶合成一团，即PVA颗粒有非常强的附聚倾向，使PVA凝胶成球困难[10]；
c. 固定反应后形成的高聚物凝胶小球上残留有亲水性的—OH，使得固定化颗粒在应用中存在很大的水溶胀性[10]，随着使用时间的增长，强度大大减 弱，出现了颗粒膨胀、粘连、破损等情况。而冷冻法操作过程需冷冻、解冻多次，最后再切块成形[8]。
为了有效地克服上述问题，本文作者拟选用其他交联剂替代硼酸，通过对几种用不同交联剂制成的固定化小球进行含硫酸盐的重金属废水处理试验，以期对交联剂的使用实现优化选择。
1 实 验
1.1 实验方法
1.1.1 污泥驯化
取自长沙市金霞污水厂剩余污泥，去除悬浮杂质及固体颗粒杂质，装入污泥瓶中培养，每3 d补充1次SRB专属一体培养基(Postgate’s C 型培养基)，每天通氮气15 min，35 ℃生化培养箱恒温培养15 d。
1.1.2 Postgate’s C 型培养基的组成
培养基组成为[11]：KH2PO4，0.5 g/L；NH4Cl，1.0 g/L；MgSO4·7H2O，0.06 g/L；CaSO4，1.0 g/L；FeSO4·7H2O，0.01 g/L；Na2SO4，4.5 g/L；CaCl2·H2O，0.06 g/L；柠檬酸钠，0.3 g/L；乳酸钠，3.5 g/L；酵母浸膏，1.0 g/L；pH=7。
1.1.3 模拟废水的组成
模拟废水组成为：KH2PO4，0.5 g/L；NH4Cl，1.0 g/L；MgSO4·7H2O，0.06 g/L；CaSO4，1.0 g/L；FeSO4·7H2O，0.01 g/L；Na2SO4，4.5 g/L；CaCl2·H2O，0.06 g/L；Zn(Ⅱ)，200 mg/L。
1.2 实验过程
称取50 g PVA，20 g活性炭，0.5 g CA，6.67 g SiO2，1.67 g CaCO3和3.33 g Fe，于90 ℃恒温水浴溶解，作为包埋材料；称取83.3 g SRB离心污泥(转速为 3 000 r/min，时间为8 min)与冷却后的包埋材料均匀混合。将混合体用蠕动泵压入交联剂中，于室温条件下搅拌凝固24 h。
A组：交联剂为饱和硼酸与2%的CaCl2混合 溶液[12]。
B组：交联剂为5% Ca(NO3)2溶液[13]。
C组：交联剂为饱和NH4Cl与2% CaCl2混合溶液。
D组：交联剂分别为10%，20%和30%的(NH4)2SO4与2%的CaCl2混合溶液。
E组：交联剂分别为40%，60%和80%的(NH4)2SO4与2%的CaCl2混合溶液。
F组：交联剂为5% CaCl2溶液[14]。
G组：交联剂为70% (NH4)2SO4与10% 硼酸混合溶液[15]。
将固定化小球置于30 g/L乳酸钠溶液[16]中，球液配比为1?10(g?mL)，在35 ℃恒温培养箱中内聚营养源(启动过程)。7.5 h后取出洗净置于模拟废水中，球液配比为1?10(g?mL)[17]，在35 ℃恒温振荡水浴摇床 (50 r/min)中进行试验。1次试验结束后取出小球洗净，重复上述步骤3次。
1.3 分析方法
水溶液中锌离子浓度采用WFX120型原子吸收分光光度计火焰原子化法测定；硫酸根离子采用铬酸钡分光光度法测定；COD采用重铬酸钾回流法测定[18]。
2 结果与分析
2.1 交联剂对成球性能影响
包埋材料和污泥混合体压入到7组交联剂中，其成球效果与处理模拟废水效果见表1。
表1 不同交联剂对成球性能影响
Table 1 Effects of different reagents on capability of conglobation
由表1可知，将包埋材料和污泥混合体压入到B，C，D和F组交联剂中，混合体部分或全部溶解；压入到A，E和G组交联剂中，可以成球(见图1(a)~(c))。将A，E和G组交联剂制备的固定化小球用于处理模拟废水，结果A和G组小球出现粘连、破损等情况(见图1(d)和1(f))；而E组小球未出现上述情况(见图1(e))。因此需确定E组中(NH4)2SO4的最佳浓度(滴入40%，60%和80%(NH4)2SO4溶液制成的固定化小球分别称为a，b和c小球)。
(a) A组交联剂制备固定化小球；(b) E组交联剂制备固定化小球；(c) G组交联剂制备固定化小球；(d) 处理重金属废水后图1(a)小球；(e) 处理重金属废水后图1(b)小球；(f) 处理重金属废水后图1(c)小球
图1 A、E、G组交联剂制备的固定化小球及其处理废水后照片
Fig.1 Photos of immobilized beads by A, E, G crosslinking agent and after wastewater treatment
2.2 一次循环试验
2.2.1 交联剂对内聚营养源的影响
在初始乳酸钠浓度为30 g/L(相当于ρ(CODCr)= 15.529 5 g/L)条件下进行3种固定化小球对营养源内聚试验，结果如图2所示。由图2可知，小球对乳酸钠的吸附是一个动态过程，开始1.5 h，a，b和c小球对乳酸钠没有吸附，从1.5 h到7.5 h，内聚乳酸钠量随时间延长而增加，7.5 h后吸附稳定，确定吸附平衡时间为7.5 h，此时每克a，b和c小球内聚乳酸钠含量分别为33.11，34.88和34.34 mg。这是由于PVA 凝胶传质阻力较大，有机物质的传输过程受到一定程度的阻碍，开始时较难扩散到小球内部，时间延长，小球PVA膜通透性增强，乳酸钠逐渐扩散到小球内部，占据吸附位点，最终达到吸附平衡。
2.2.2 交联剂对硫酸盐还原的影响
实验在初始硫酸盐浓度为5.875 4 g/L，锌离子浓度为200 mg/L条件下进行，硫酸盐浓度对时间的关系曲线如图3所示。可见，由于SRB固定化小球经内聚营养源启动7.5 h，0~4 h固定化小球还原硫酸盐的速率比较快，处于对数生长期；之后SRB在营养源硫酸盐体系中4~20 h处于生长适应期，还原硫酸盐的速率明显低于前4 h，在20 h时，a，b和c小球溶液硫酸根残留量分别为2.730 5，2.787 1和2.760 3 g/L。
图2 吸附时间对内聚乳酸钠含量的影响
Fig.2 Effect of absorbed time on cohered lactate amount
图3 反应时间对硫酸根质量浓度的影响
Fig.3 Effect of reaction time on sulfate mass concentration
2.2.3 交联剂对锌离子去除的影响
图4所示为锌离子去除与时间的关系。实验在初始锌离子浓度为200 mg/L，硫酸盐浓度为5.875 4 g/L条件下进行。结果表明，3种固定化小球除锌率随时间延长而增加，在处理时间为4 h时，去除率达到60%以上，这与前4 h还原硫酸盐速率快吻合，继续延长处理时间到20 h，去除率达到98%左右，a，b和c小球溶液锌离子残留量分别为3.8，4.3和4.0 mg/L，达到了二级污水综合排放标准(GB 8978—1996)。
图4 反应时间对锌离子去除率的影响
Fig.4 Effect of reaction time on Zn(Ⅱ) removal rate
2.2.4 交联剂对出水COD效果的影响
固定化小球处理模拟废水过程中，由于球表面存在通道，就会引起内聚于小球内部的营养源进出于溶液与小球之间，从而引起溶液中COD的变化，如图5所示。可见，3种固定化小球在反应过程中引起的出水COD没有明显的规律，但都低于100 mg/L，达到了一级污水综合排放标准(GB 8978—1996)。
图5 反应时间对出水COD的影响
Fig.5 Effect of reaction time on COD of drainage
2.3 多次循环试验
1次循环试验结果说明，3种固定化小球在硫酸盐还原、锌离子去除和出水COD效果上没有明显区别，因此，进行多次循环试验，进一步确定交联剂硫酸铵的最佳浓度。
将处理1次模拟废水的3种固定化小球进行多次循环试验，去除锌离子效果随循环次数的变化见表2。可见，在4次循环使用的试验中，3种固定化小球没有明显差别，锌离子去除率基本保持不变，在98%左右，锌离子可达标排放。
表2 3种固定化小球循环4次锌离子去除效果实验结果
Table 2 Experimental results of Zn2+ removal effect on three beads by four recycle times
3 结 论
a. PVA-硫酸铵固定化方法制备的固定化小球在废水处理过程中，没有出现颗粒膨胀、粘连、破损等情况。
b. 3种固定化小球一次处理模拟废水，当反应时间为20 h时，锌离子去除率为98%，达到污水综合排放二级标准，出水COD在100 mg/L以下，达到污水综合排放一级标准。
c. 3种固定化小球循环4次处理模拟废水，锌离子去除率都在98%左右，均达到污水综合排放二级 标准。
d. 3种固定化小球在处理含硫酸盐的重金属废水过程中，没有明显的区别，考虑经济成本因素，内聚营养源SRB污泥固定化小球最佳交联剂为 40% (NH4)2SO4和2% CaCl2。
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收稿日期：2007-07-09；修回日期：2007-10-15
基金项目：国家自然科学基金资助项目(50508044)；湖南省科技计划攻关重大专项项目(05SK1003-1)
通信作者：闵小波(1973-)，男，湖南澧县人，副教授，从事重金属废水生物治理研究；电话：0731-8830875；E-mail: mxb@mail.csu.edu.cn
