楊秀山¹,李　軍²,田　沈¹,趙　軍¹,曹亞莉¹,錢　城¹,陳新芳¹　
(1 首都師范大學(xué)生物系，北京　100037;2 北京工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院,北京　100022)

　　摘　要　為了克服PVA包埋固定化甲烷八疊球菌存在的缺點(diǎn),采用吸附和包埋結(jié)合法對(duì)甲烷八疊球菌進(jìn)行了固定化,并用ＵＡＳＢ反應(yīng)器以高濃度人工廢水和豆制品廢水為底物對(duì)固定化甲烷八疊球菌特性進(jìn)行研究.用人工廢水運(yùn)轉(zhuǎn)的結(jié)果表明,最高容積負(fù)荷為147kg(COD) (m³·d),最高COD去除率為94.3%,最低水力停留時(shí)間(HRT)為16.4h,甲烷含量為65%～73%.用豆制品廢水運(yùn)轉(zhuǎn)的結(jié)果表明,最高COD負(fù)荷17.6kg (m³·d),平均容積負(fù)荷82kg(COD) (m³·d),最低為13.7h,最高產(chǎn)氣率7L (d·L),平均產(chǎn)氣率固定化為非固定化的15.2倍,最高COD去除率達(dá)到了87%.
　　關(guān)鍵詞　吸附和包埋法;固定化甲烷八疊球菌;高濃度有機(jī)廢水
　　分類號(hào)　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

固定化細(xì)胞處理有機(jī)廢水,由于具有高生物量、低污泥產(chǎn)量、高處理效率等優(yōu)點(diǎn)而成為研究的熱點(diǎn).國(guó)內(nèi)外學(xué)者在固定化厭氧微生物處理廢水方面進(jìn)行了大量研究[1—3],但對(duì)甲烷八疊球菌的固定化除了本實(shí)驗(yàn)室的研究報(bào)道外[4,5],還未見其它報(bào)道.而在高濃度有機(jī)廢水厭氧消化中,由于甲烷八疊球菌(Methanosarcina)具有高μmax和Ks,在厭氧消化中發(fā)揮著重要作用,但甲烷八疊球菌的最大缺點(diǎn)是不能以較大顆粒滯留于消化器內(nèi).目前的研究結(jié)果表明,包埋法和吸附法是應(yīng)用較多的兩種固定化方法.本實(shí)驗(yàn)室用包埋法對(duì)甲烷八疊球菌進(jìn)行了固定化,但仍然存在產(chǎn)氣上浮、發(fā)脹粘連、對(duì)細(xì)胞活性影響大等問(wèn)題,從而影響了該方法在實(shí)踐中的應(yīng)用.吸附法也由于細(xì)胞易脫落、抗沖擊力差等原因影響了它的推廣應(yīng)用.本文將這兩種方法相結(jié)合,試圖解決上述存在的問(wèn)題.這種新型的吸包法采用價(jià)格低廉、吸附效果好的載體,外面用海藻酸鈉包裹,用正交法進(jìn)行最優(yōu)化條件的研究,確定最佳技術(shù)條件.并且用固定化甲烷八疊球菌處理人工廢水,取得了較好的結(jié)果.

1 材料和方法

1.1 載體選擇及固定化方法優(yōu)化
1.1.1 菌種和培養(yǎng)基　菌種:用本實(shí)驗(yàn)室分離并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(yǎng)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為7 2(用Ｈ
Ｃｌ調(diào)節(jié)).每只厭氧瓶裝100ｍＬ.1
1 2　產(chǎn)氣量的測(cè)定　用內(nèi)裝飽和氫氧化鈉的帶刻度的集氣瓶測(cè)定甲烷產(chǎn)量.1
1 3　吸附載體　耐火磚粒、陶粒、無(wú)紡布.1
1 4　固定化方法　以海藻酸鈉為包埋劑,吸附載體用36目和20目耐火磚,用2%氯化鈣溶液交聯(lián).將250ｍ
Ｌ接種物均勻緩慢的與670ｇ磚粒混勻,然后加入8%海藻酸鈉溶液300ｍＬ混勻,撥散于2%氯化鈣溶液中,形
成0 5～1 5ｃｍ大小的固定化小球,放入4℃冰箱中交聯(lián)4ｈ.無(wú)紡布作為載體時(shí),先將菌種均勻涂在無(wú)紡布上
,再將包埋劑均勻涂在無(wú)紡布上,然后用剪刀將布剪成小塊放入交聯(lián)劑中交聯(lián),取出待用.1
2?。眨粒樱路磻?yīng)器驗(yàn)證1
2 1　接種物、廢水及反應(yīng)器　接種物:吸包法和對(duì)照組分別接入本實(shí)驗(yàn)室分離并保存的甲烷八疊球菌250ｍ
Ｌ,含菌量為2 280×109 ｍＬ.人
工廢水: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
鈉,ｐＨ為7 2(用乙酸調(diào)節(jié)).ＣＯＤＣｒ濃度為8000—11000ｍｇ Ｌ左右.豆制品廢水取自北京王致和腐乳廠,ＣＯＤＣｒ?yàn)?br> 6000—11000ｍｇ Ｌ,ｐＨ3 5—6 0,用人工廢水運(yùn)轉(zhuǎn)55ｄ后,接著用豆制品廢水不經(jīng)稀釋直接作為進(jìn)水.反
應(yīng)器:兩個(gè)實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的ＵＡＳＢ反應(yīng)器被用來(lái)處理人工廢水,一個(gè)作為吸包法(Ａ),另一個(gè)作為對(duì)照(
Ｂ).該反應(yīng)器用有機(jī)玻璃制成,直徑為7ｃｍ,高50ｃｍ,有效體積為2Ｌ,設(shè)有外部固液分離器.8—10℃保存的廢
水經(jīng)恒流泵進(jìn)入反應(yīng)器.
1 2 2　產(chǎn)氣量、ＣＯＤＣｒ、甲烷含量、揮發(fā)酸(乙、丙、丁酸)含量的測(cè)定　用肺活量器測(cè)量日產(chǎn)氣量.用標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)
定ＣＯＤＣｒ.甲烷、揮發(fā)酸含量用氣相色譜法分析(ＳＰ2304,北京分析儀器廠).2
　結(jié)果與討論2
1　載體選擇及固定化方法優(yōu)化用
海藻酸鈉作為包埋介質(zhì),比較耐火磚粒、陶粒、無(wú)紡布作為吸附載體的優(yōu)劣.以是否產(chǎn)氣上浮作為指標(biāo),選
擇出耐火磚粒和陶粒為載體;以產(chǎn)氣量作為指標(biāo),選擇耐火磚粒作為載體.并確定耐火磚顆粒為20—36目,海
藻酸鈉濃度為4%,交聯(lián)時(shí)間為1ｈ,自來(lái)水浸泡2ｈ.2
2　ＵＡＳＢ反應(yīng)器處理廢水2
2 1　處理人工廢水　2Ｌ反應(yīng)器用人工廢水運(yùn)行了55ｄ,容積負(fù)荷與ＣＯＤ去除率見圖1.由圖1可知,固定化
的ＣＯＤ容積負(fù)荷和ＣＯＤ去除率明顯高于與非固定化,最高ＣＯＤ去除率分別達(dá)到了94 3%和54 6%.日產(chǎn)氣
量變化如圖2所示.由圖可知,固定化甲烷八疊球菌的日產(chǎn)氣量明顯高于非固定化,兩者的最高日產(chǎn)氣量分別
達(dá)到了8500ｍＬ ｄ和4350ｍＬ ｄ,平均日產(chǎn)氣量固定化為非固定化的2 4倍.
2 2 2　處理豆制品廢水　用人工廢水運(yùn)轉(zhuǎn)55ｄ后,接著用豆制品廢水不經(jīng)稀釋作為進(jìn)水,共運(yùn)轉(zhuǎn)了34ｄ.運(yùn)轉(zhuǎn)
期間的ＣＯＤ負(fù)荷及ＣＯＤ去除率變化如圖3所示.固定化與非固定化的平均ＣＯＤ負(fù)荷分別為8 2ｋｇ (ｍ3·ｄ)和
5 3ｋｇ (ｍ3·ｄ),ＣＯＤ去除率分別為87 0%和78 6%,前者明顯高于后者.固定化的最高ＣＯＤ負(fù)荷達(dá)到了1
7 6ｋｇ (ｍ3·ｄ).運(yùn)轉(zhuǎn)期間的日產(chǎn)氣量變化如圖4所示,兩者的最高日產(chǎn)氣量分別為14Ｌ ｄ(產(chǎn)氣率為7 0Ｌ (Ｌ·ｄ
))和5 3(Ｌ ｄ)(產(chǎn)氣率為2 6Ｌ (Ｌ·ｄ),前者是后者的2 7倍.Ａ、Ｂ反應(yīng)器的水力停留時(shí)間的變化如圖5所示,Ａ
反應(yīng)器的水力停留時(shí)間明顯低于Ｂ反應(yīng)器,而且波動(dòng)較大.
圖5　豆制品廢水水力停留時(shí)間變化曲線Ｆ
ｉｇ.5?。龋洌颍幔酰欤椋悖颍澹簦澹睿簦椋铮睿簦椋恚澹铮妫螅铮猓澹幔睿悖幔耄澹?br> ａｓｔｅｗａｔｅｒ3
　結(jié)論(
1)以20—36耐火磚顆粒為載體,4%海藻酸鈉作為包
埋劑,2%氯化鈣為交聯(lián)劑,交聯(lián)時(shí)間1ｈ,自來(lái)水浸泡2ｈ
,對(duì)甲烷八疊球菌固定化,得到;得到了滿意的甲烷八疊球
菌固定化效果.(
2)用該方法制得的固定化甲烷八疊球菌處理人工廢水
,反應(yīng)器的ＣＯＤ容積負(fù)荷和ＣＯＤ去除率明顯高于后者,最
高ＣＯＤ去除率分別達(dá)到了94 3%和54 6%,平均ＣＯＤ去
除率固定化為非固定化的1 95倍.固定化甲烷八疊球菌
的日產(chǎn)氣量明顯高于非固定化,平均日產(chǎn)氣量固定化為非
固定化的2 4倍.(
3)用該方法制得的固定化甲烷八疊球菌處理豆制品廢水,固定化甲烷八疊球菌的ＣＯＤ容積負(fù)荷是非固定
化的1 55倍,ＣＯＤ去除率兩者分別為87 0%和78 6%,前者明顯高于后者.固定化的最高ＣＯＤ負(fù)荷達(dá)到了1
7 6ｋｇ ｍ3·ｄ.兩者的最高日產(chǎn)氣量分別為14Ｌ ｄ(產(chǎn)氣率為7 0Ｌ (Ｌ·ｄ))和5 3Ｌ ｄ(產(chǎn)氣率為2 6Ｌ (Ｌ·ｄ)),前者
是后者的2 7倍.參
考文獻(xiàn):[
1]?。蹋铮椋睿螅耄郑?ＰｌｉｅｖａＦＭ.Ｐｏｌｙ(ｖｉｎｙｌａｌｃｏｈｏｌ)ｃｒｙｏｇｅｌｓｅｍｐｌｏｙｅｄａｓｍａｔｒｉｃｅｓｆｏｒｃｅｌｌｉｍｍｏｂｉｌｉｚａｔｉｏｎ.3.Ｏｖｅｒｖｉｅｗｏｆｒｅｃｅｎｔｒｅｓｅａｒｃｈａｎｄｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｓ[Ｊ].ＥｎｚｙｍｅａｎｄＭｉｃｒｏｂｉａｌＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ,1998,23:227—242[
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5]　楊小紅,田沈,趙軍,等,甲烷八疊球菌的富集培養(yǎng)和固定化介質(zhì)的選擇[Ｊ].太陽(yáng)能學(xué)報(bào),2002,23(3):253—256

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收稿日期:2002 06 03;修訂日期:2002 10 08
基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)資金(59976024)和北京市自然科學(xué)基金(5992004)項(xiàng)目
作者簡(jiǎn)介:楊秀山(1946—),男,教授