Laboratory Study of Sewage Treatment Using Immobilized PSB Beads

Frontier of Environmental Science December 2015, Volume 4, Issue 4, PP.109-117

Laboratory Study of Sewage Treatment Using Immobilized PSB Beads Shenglan Fan 1, 2, Shiyong Sun 1, 2†, Xiang Zou 1, Pengyun Guo 1, Sen Lin 1

1. Key Laboratory of Solid Waste Treatment and Resource Recycle, Southwest University of Science and Technology, Mianyang Sichuan, 621010, China 2. School of Environment and Resources, Southwest University of Science and Technology, Mianyang Sichuan, 621010, China †

Email: shiysun@163.com

Abstract Numerous studies have shown that the immobilized PSB has much more superiority to wastewater pollutants than the free suspended cells. In the presented study, the standard engineering strains of PSB was used after a series of biological engineering technology processing. The immobilized beads were prepared using sodium alginate as substrate with additive minerals of diatomite and montmorillonite. The results showed that the prepared immobilized beads have much efficiency in removal of COD, NH3-N and TP from sewage all over 70%. The optimal water purification process condition is temperature of 30℃, illumination of 100%, addition amount of 20 g∙L-1 and addition frequency of 4 d·time-1. Under the optimum conditions, the removal rate of COD, NH3-N and TP reaching maximum at 78.48%, 80.61% and 82.04%, respectively.

Keywords: Immobilization; Photosynthetic Bacteria; Wastewater; Cleaning

光合细菌固定化颗粒处理生活污水的室内模 拟研究 * 樊胜兰 1,2，孙仕勇 1,2，邹翔 1，郭鹏云 1，林森 1 1.西南科技大学 固体废物处理与资源化教育部重点实验室，四川 绵阳 621010 2.西南科技大学 环境与资源学院，四川 绵阳 621010 摘

要：固定化光合细菌对污水的处理效果优于分散的光合细菌。本文使用的光合细菌为经筛选、驯化、扩繁、定向培

养等生物工程技术培育具有超强污染物降解消耗能力的光合细菌工程菌。以海藻酸钠为光合细菌固定化基质，以硅藻土 和蒙脱石为固定化基质添加剂，制备光合细菌固化颗粒。固定化光合细菌处理污水的研究表明，使用海藻酸钠为基质， 以硅藻土和蒙脱石为添加剂的固定化光合细菌对生活污水中的 COD、NH3-N、TP 均具有较高的处理效果，达到 70%以上。 研究结果表明，环境条件（温度、光照）和投加方式（投加量、投加频率）对固定化光合细菌的处理效率均有影响。通 过 6d 去除率的检测发现，投加频率对固定化颗粒的水质净化效果影响较小，投加量和温度条件对固定化颗粒的水质净化 效果影响较大。优化的工艺技术条件是投加量为 20 g·L-1，投加频率为 4 d·time-1，温度为 30℃，对 COD、NH3-N、TP 的 去除效率分别达到了 78.48%、80.61%和 82.04%。 关键词：固定化；光合细菌；污水；净化；去除率

引言 光合细菌(Photosynthetic Bacterium, PSB)是一类具有原始光能合成体系的原核生物的总称，广泛分布于湖 *

基金项目]四川省科技厅支撑计划项目（2013FZ0018） ；西南科技大学研究生创新基金（No.14ycx035） ；国家自然科学基金项目 （41472310） 。†责任作者 - 109 http://www.ivypub.org/fes

泊海洋。光合细菌可广泛利用多种有机物在有氧、微氧和厌氧条件下进行多种方式的生长代谢，在废水处理 中有着非常重要的现实意义。早在 1960 年，日本科学家小林正泰等人发现高浓度有机废水在自然界的自净 过程是不同营养级的微生物群生态演替的结果，光合细菌在此过程中起着十分重要的作用[1]，并首先开展了 用光合细菌处理有机废水的研究。迄今已成功实现了对粪尿、食品、淀粉、皮革、豆制品等污水的光合细菌 法处理，建成了一批日处理几十、几百甚至上千吨高浓度有机废水的大中型实用系统，有的已稳定运转十多 年，效果良好。 现阶段，针对光合细菌在水处理中易被捕食、难沉降等问题，光合细菌的固定化也受到越来越多的专家 学者的青睐[2]。通过物理或化学方法，将游离光合细菌固定在限定的空间区域，使之成为生物活性好、无毒 害、满足一定力学强度的生物材料，具有细胞密度大、反应速度快、反应过程易控制等优点[3-5]，近年来广泛 的在医药、化工和环保等领域得到应用。特别是由于光合细菌可同时对废水中的有机物、氮、磷等进行去除， 且产生的菌体易回收利用，光合细菌在生活污水处理领域有较广泛的应用。但是，大部分处理研究针对的是 低浓度有机污水，且实验室研究处理条件是固定的，本文以海藻酸钠为固定化基质，硅藻土和蒙脱石为固定 化基质添加剂，就光合细菌固定化颗粒处理污水中的 COD、NH3-N、TP 及不同环境影响（温度、光照）及 人为因素影响（投加量、投加频率）进行了研究，探讨了光合细菌在水质净化方面的应用。

1 材料与方法 1.1 菌种来源 菌种菌株由中国科学院生物菌种库和农业部微生物菌种库提供，系沼泽红假单胞菌，符合《中华人民共 和国农业部公告》第 105 号和农业部第 32 号令规范，是无毒、无害的饲料级微生物菌，具有极高的生物安 全性，无二次污染。

1.2 菌种培养 5.5g 磷酸二氢钠，1.5gDL 苹果酸，2g 乙酸钠，2g 氢氧化钠，1g 氯化铵，0.25g 氯化镁，0.05g 氯化钙， 溶于 1L 蒸馏水，121℃，30min 灭菌，再分别加入 1mL 生长因子和微量元素，搅拌均匀，测定 pH 应于 6.5 至 7.0 之间。接种，培养箱培养。

1.3 矿物材料的制备 硅藻土系煤系硅藻土。硅藻土、蒙脱石，研磨，过 300 目筛分。

1.4 污水来源 人工合成污水配制参考 Nakashio 污水配制[6]。

1.5 方法 1.5.1 固定化光合细菌颗粒的制备。 B

A 10mm

图 1 光合细菌固定化颗粒图 - 110 http://www.ivypub.org/fes

10mm

采用包埋法对光合细菌进行固定化操作。称取 30g 海藻酸钠溶于 1000mL 蒸馏水中，搅拌，加热待其彻 底溶解后，121℃，30min 灭菌，冷却至室温，加入硅藻土和蒙脱石 20g，100mL 光合细菌浓缩菌液，均浆机 搅拌均匀。双通道注射泵均匀注射入 4% CaCl2 溶液中。此时海藻酸钠与 Ca2+交联，形成平均直径约为 4mm 的固定化小球，作为光合细菌固定化颗粒[9]。稳定 20min 后备用。 1.5.2 不同培养体系净化效果的单因素试验 （1）环境因素对不同培养体系净化效果的影响。 取 3 只已灭菌的 500mL 的蓝盖瓶（各装有 400mL 已灭菌人工合成污水水样），向其中加入等量已制备好 的颗粒，放入培养箱中，设置温度分别为 25、30、35℃，培养 7 天，每天测定其 COD、NH3-N 和 TP 值，研 究不同温度对水体净化效果的影响。光照对不同培养体系净化效果的影响方法同上，培养箱光照强度分别设置 为 0、60%和 100%。 （2）投加条件对不同培养体系净化效果的影响。 同环境因素对不同培养体系净化效果的影响的试验方法，加入不同量的已制备好的固定化颗粒，测定其 COD、NH3-N 和 TP 值，研究不同投加量对水体净化效果的影响。另加入等量已制备好的固定化颗粒，改变投 加频率，研究不同投加频率对水体净化效果的影响。

1.6 分析方法 COD 测定：快速消解分光光度法(HJ/T 399-2007)； NH3-N 含量测定：纳氏试剂比色法(GB7479-87)； TP 含量测定：钼酸铵分光光度法(GB11893-89)。

2 结果与讨论 2.1 光合细菌生长曲线的测定 在液体培养基中每隔一定的时间，取一定量的溶液用 721 分光光度计在 660nm 条件下，以培养基为对照， 测量其吸光度。去除背景值，按相对吸光度值作光合细菌的生长曲线如图 2。

图 2 光合细菌生长曲线

图 3 光合细菌扫描电镜图

光合细菌在 25h 左右时开始进入对数期，75h 左右生长速率明显放缓，达到生长最大值，即达到了光合细 菌生长的静止期。一般理论认为，此时的光合细菌处理效率最高。持续时间达 75h，在 150h 左右开始稍有降低 趋势，150h 的细菌量虽然最大，但是开始进入衰亡期，出现细菌的死亡变异，不利于实验的进行，所以取 75h 左右时的细菌量进行实验。 - 111 http://www.ivypub.org/fes

2.2 细菌形态及颗粒观察 利用固体废物处理与资源化教育部重点试验室扫描电子显微镜（SEM，S440，英国 LEO）观察光合细菌 悬液中光合细菌形态。首先用 2.5%戊二醛固定液将颗粒固定 12h，随后用酒精逐级增加浓度对固定后细菌和颗 粒进行脱水，然后用临界点干燥器干燥颗粒，再在真空下喷金，最后在扫描电镜下进行观察拍照。如图 3 所示， 沼泽红假单胞菌多为短杆状或卵圆形，宽 0.5-0.9μm，长 1.2-2.0μm，无芽孢，无荚膜，单极鞭毛，可运动。光 合细菌培养一段时间后仍形态完整，表面光滑，分散较好，无团聚。

2.3 固定化颗粒作用人工合成污水 光合细菌以光作为能源，能在厌氧光照或好氧黑暗条件下利用自然界中的有机物、硫化物、氨等作为供 氢体兼碳源进行光合作用，具有原始光能合成体系，在厌氧条件下进行不放氧光合作用[7-8]。因此，光合细菌 能有效地利用水体中有机物、氮、磷进行自身的生命活动，从而达到去除水体有机物、氮、磷的目的，实现 水体的净化。 2.3.1 环境条件对处理效果的影响 近十年中，对光合细菌的研究也获得了很大的进展。研究表明，光合细菌在处理高浓度难降解有机废水、 含重金属废水、印染废水和养殖废水等领域具有十分广阔的前景[9-12]。据报道，光合细菌对养殖池中氨氮、总 磷的去除率分别为70%、50%左右[13-14]。王兰等[15]应用沸石和海藻酸钠作为包埋剂对光合细菌进行固定后作用 于养殖水体，30d，养殖水中的虾成长情况良好，氨氮与COD值也始终维持在较低水平，并在池壁上生长出了 一层光合细菌菌体；毛雪慧[16]等进行了固定化球形红单胞菌处理富含脂肪酸的餐饮业含油废水的研究，6d后含 油废水中油、氨氮、磷酸盐的去除率分别达到了80.1%、87.4%、96.3%；刘双江[17]等以琼脂和海藻酸钠作为包 埋材料制备固定化光合细菌，在对豆制品废水的处理中COD的去除率达到了62.3%-78.2%；郭文艳[18]在用光合 细菌处理富营养化水体时，发现悬浮的混合光合细菌在9d内去除了60%-80%的氨氮。以上数据表明，光合细菌 对污水中的COD、氨氮和总磷具有较好的去除效果。但是，大部分处理针对的是低浓度有机污水，且实验室研 究处理条件是固定的，在实际处理过程中，环境条件（温度、光照）的改变和人为因素（投加量、投加频率） 的存在可能会给处理效果带来一定的影响。本实验室内模拟研究固定化光合细菌同步去除有机物、氨氮和总磷 效果的同时，对污水处理过程中的环境条件的改变和人为因素的影响对水质净化效果的影响进行了研究。

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图4 不同温度条件下固定化生物对COD、NH3-N、TP的去除率曲线 - 112 http://www.ivypub.org/fes

温度对光合细菌固化颗粒处理污水效果的影响通过调节培养箱温度进行控制。分别设定其温度为25℃、 30℃、35℃，在此温度下光合细菌固化颗粒对污水中有机物、氮磷的去除率如图6所示。在进行室内模拟研 究过程中发现，固定化光合细菌在6d左右对水体COD、NH3-N、TP的去除率均达到了70%以上。光合细菌固 化颗粒投加前期，COD、NH3-N、TP去除率的变化趋势都是初期稍平缓后上升最后趋于平稳。培养初期，由 于固定化过程中光合细菌培养基含有有机物、N和P，同时光合细菌处于适应期，活性较低，因此对于水体中 的COD、NH3-N和TP去除率较低，其主要去除是依靠固定化颗粒的吸附作用进行。第2d以后，固定化颗粒能 快速去除水体COD、NH3-N和TP。培养6d后，固定化颗粒对COD、NH3-N和TP的去除率分别为79.71%，78.74% 和79.51%。后期浓度较低时，固定化颗粒的富集作用能有效的富集有机物质，以供光合细菌生命活动所需。 温度对污水中COD、NH3-N、TP的去除率的影响与其对光合细菌的生长速率的影响是一致的。在30℃时， COD、NH3-N、TP的去除率最高，在35℃和25℃时较低。光合细菌通过自身的生命活动消耗有机物、氮磷， 其生长速率的快慢直接决定了其对水体中有机物、氮磷的去除，因此，在30℃时光合细菌固化颗粒对水体中 有机物、氮磷的去除效果最好。

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图5 不同光照条件下固定化生物对COD、NH3-N、TP的去除率曲线

光源及光强度可通过影响细菌叶绿素的稳定性对光合细菌活性及生长状态产生影响，从而影响水质净化效 果。黄宝兴等[19]在对海洋光合细菌的研究中发现，海洋光合细菌体内密集的包含着细菌叶绿素和类胡萝卜素， 能够进行光合磷酸化反应和光氧化还原反应，在有氧条件下，细胞内缺少这种载色体，但只要将其置于光照厌 氧条件下，载色体就会很快的形成，从细胞结构上为海洋光合细菌灵活的进行物质和能量代谢提供了可能。Li Zongli 等[20]对沼泽红假单胞菌的光合色素进行了分离，研究了光对不产氧光合细菌类胡萝卜素和细菌叶绿素 a 稳定性的影响规律。本文在对光强对光合细菌水质净化影响的研究中发现，固定化光合细菌在完全光照条件下 对水体中 COD、NH3-N、TP 的去除效果最好，分别达到了 78.48%、78.98%、76.89%。60%光照强度和黑暗条 件下也具有显著的去除效果，均达到了 50%以上，部分去除依靠于海藻酸钠和矿物的吸附作用。 2.3.2 投加条件对处理效果的影响 光合细菌降解有机物时，首先利用废水中小分子可溶性有机物进行代谢活动，并将大分子的有机物吸附在 细胞表面，随后这些大分子有机物在胞外酶的作用下分解成小分子有机物以供微生物的代谢活动，从而有效降 低了水体中有机物的含量。图 6 所示，随着投加量的增大处理效果有上升趋势，投加量为 20 g·L-1 时固定化颗 - 113 http://www.ivypub.org/fes

粒同时进行的吸附作用和光合细菌的生长作用所消耗的有机物、氮、磷的量高于投加固定化颗粒时带入的有机 物、氮、磷的量，光合细菌在经过短暂的适应后迅速的生长，6d 左右，COD、NH3-N、TP 的去除率分别达到 了 75.16%、80.61%、79.51%。 不同投加频率对光合细菌固定化颗粒水质净化效果的影响如图 7 所示，不同投加频率下，其 COD、NH3-N 和 TP 的去除率变化情况总体趋势一样，处理效果相差较小。

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图 6 不同投加量条件下固定化生物对 COD、NH3-N、TP 的去除率曲线

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图 7 不同投加频率条件下固定化生物对 COD、NH3-N、TP 的去除率曲

随着投加频率的提高其处理效果相对降低，由于其每一次加入的过程中均会带入大量的有机物、氮和磷， 在处理过程中光合细菌所处的环境波动较大，不利于其降解 COD、NH3-N 和 TP。同时考虑到经济因素，投加 - 114 http://www.ivypub.org/fes

频率为 4d·time-1 最好。 投加频率为 4d·time-1 时， 在 6d 左右， 对 COD、 NH3-N 和 TP 的去除率分别达到了 70.08%、 71.88%、72.56%。 a

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图 8 固定化生物对 COD、NH3-N、TP 的 6d 去除率柱状图

固定化光合细菌在不同的环境条件下对 COD、NH3-N 和 TP 的 6d 去除率如图 8 所示。可以看出固定化 光合细菌在不同条件下 COD、NH3-N 和 TP 的 6d 去除率也有变化，投加频率对固定化颗粒的水质净化效果 影响较小，投加量和温度条件对固定化颗粒的水质净化效果影响稍大，且同等条件下，从 COD、NH3-N 和 TP 的去除效果来看环境条件的改变和人为因素的作用对 COD 和 NH3-N 的影响较大，对 TP 的影响较小。生 物除磷就是利用聚磷菌能够过量的从外部摄取磷，并将磷以聚合形式贮存在菌体内，形成高磷污泥，排出系 统外，达到从废水中除磷的效果。生物除磷过程中最重要的影响因素为溶解氧，而光合细菌可广泛利用多种 有机物在有氧、微氧和厌氧条件下进行多种方式的生长代谢，因此受溶解氧的限制较少。 总的来说，固定化颗粒能够固定分散的光合细菌，有利于世代时间较长的光合细菌生长，促进处理过程 中的作用。而硅藻土、蒙脱石本身具有较大的比表面积，较多的孔隙，同时由于颗粒尺寸的超微细化而与普 通材料相比具有更高的通透性和柔韧性，从而加大了固定化颗粒的通透性。特别是蒙脱石，立体结构明显， 方便污水有机物、氮、磷等物质的物质输运，大大缩短了污染物质进入颗粒内部与光合细菌作用的时间，同 时也缩短了光合细菌生长所需的营养物质进入颗粒内部的时间，为光合细菌的增殖和处理能力的提高提供了 机会。其结构中的 Si-O 四面体和 Al-O 八面体的中心离子很容易被低价阳离子、同晶不等价阳离子交换，并 导致带负电，对氨氮的去除能力的提高也具有一定的贡献。因此添加硅藻土、蒙脱石后，提高了光合细菌固 定化颗粒对 COD、NH3-N、TP 的去除能力。

3 结论 （1）本实验中，主要利用标准的 PSB 菌种，经筛选、驯化等生物工程技术培育具有超强的污染物降解消 耗能力的工程菌，以海藻酸钠为固定化基质，硅藻土和蒙脱石为固定化基质添加剂，形成平均直径约为 4mm 的海藻酸钙小球。在不影响海藻酸钠小球通透性和生物相容性的同时，增强光合细菌固定化颗粒的稳定性、 抗压性及污染物质富集性。 （2）确定光合细菌固定化颗粒水质净化最优工艺条件：投加量 20g·L-1，投加频率 4d·time-1，温度 30℃， 此时对水体中 COD、NH3-N、TP 的去除效果最高分别达到了 78.48%，80.61%和 82.04%。6d 左右，光合细菌 固定化颗粒对水体中 COD、NH3-N、TP 的去除率均在 70%以上。且 COD、NH3-N、TP 的 6d 去除率的研究 中发现，投加频率对固定化颗粒的水质净化效果影响较小，投加量和温度条件对固定化颗粒的水质净化效果影 响稍大，且同等条件下，从 COD、NH3-N 和 TP 的去除效果来看，环境条件的改变和人为因素的作用对 COD - 115 http://www.ivypub.org/fes

和 NH3-N 的影响较大，对 TP 的影响较小。 （3）光合细菌不受溶解氧限制，能在多种环境条件下高效去除各种废水中的有机物，而且所承受的有 机负荷远高于一般好氧生物处理，在高浓度废水处理中具有显著优势。在实际处理中，光合细菌用量少，无 二次污染，处理后的剩余污泥还可以回收利用，在污泥的减量化中也有一定的作用。

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【作者简介】 1

樊胜兰（1990-） ，女，汉，硕士研究生，

研究方向：水污染控制工程。 Email: 13990128862@126.com

2

孙仕勇（1980-） ，男，汉，西南科技大学环境与资源学院副

教授，研究方向：矿物与微生物相互作用及其资源环境效应。 Email: shiysun@163.com 3

邹翔（1990-） ，男，汉，硕士研究生，研究方向：矿物与微

生物交互作用。Email: zxiang3354@163.com

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