包埋厌氧氨氧化同步脱硫除氮菌B16对天然橡胶加工废水的处理研究

王莹等

摘 要 天然橡胶加工废水具有水质、水量变化大的特点，冲击负荷下厌氧生物处理通常效果不佳。针对这一问题，利用海藻酸钙（SA）、聚乙烯醇（PVA）复合材料对本实验室筛选到的同步脱硫除氮菌B16进行包埋，利用包埋固定化后的菌处理天然橡胶加工废水。结果表明：14 d后包埋菌株对实际废水氨氮、总氮及硫酸盐的去除效果分别为44.05%、46.29%和26.06%，并且氨氮去除速率最高可达110.59 mg/（L·d），硫酸盐平均去除速率为13.8 mg/（L·d），均高于游离菌株。包埋小球存在一个物料内外传递的时间差，可提供细菌对环境变化适应的一个缓冲的时间，使得包埋固定化后的菌对于水质的变化具有更好的适应性，非常适用于处理天然橡胶加工废水。

关键词 包埋固定化；同步脱硫除氮菌；天然橡胶加工废水处理

中图分类号 TD926.5 文献标识码 A

Simultaneous Desulfurization and Denitrification of Natural Rubber Processing Wastewater by Using Immobilized Bacterium B16

WANG Ying1， WANG Hang3， ZENG Rizhong2， HUANG Maofang1， GUI Hongxing1*

1 Agricultural Product Processing Research Institute， Chinese Academy of Tropical

Agricultural Sciences， Zhanjiang， Guangdong 524001， China

2 Rubber Research Institute， Chinese Academy of Tropical Agricultural Sciences， Danzhou， Hainan 571737， China

3 College of Food Science and Technology， Huazhong Agricultural University， Wuhan， Hubei 430070， China

Abstract Natural rubber processing wastewater has large changes in quality and quantity. The anaerobic biological treatment of wastewater is often ineffective under shock load conditions. Aimed at this， the practicability of immobilized bacterium for natural rubber processing wastewater treatment was studied in this paper. After immobilized by polyvinyl alcohol（PVA）-sodium alginate（SA）， the bacterium B16 with simultaneous desulfurization and denitrification was used to treat the fresh wastewater collected from natural rubber processing factory. After 14 days， in the immobilized bacteria beads treatment， the removal efficiency of nitrogen， total nitrogen and sulfate was 44.05%， 46.29%， 26.06%， respectively， and the maximum removal rate of nitrogen was 110.59 mg/（L·d）while the average removal rate of sulfate was 13.8 mg/（L·d）， which were higher than that treated by bacterium itself. The material transfer time of immobilized bacteria beads could provide buffer time for bacteria adapting to environmental change， so that the immobilized bacterium have better adaptability to the change of water quality， and it is very suitable for the treatment of natural rubber processing wastewater.

Key words Immobilize；Bacterium with simultaneous desulfurization and denitrification；Natural rubber processing wastewater treatment

doi 10.3969/j.issn.1000-2561.2015.09.027

天然橡胶加工废水是一种高浓度的有机废水，BOD5/COD通常在0.6～0.8，具有非常好的可生化降解性能，氨氮含量为800 mg/L以上，硫酸盐含量为700 mg/L左右。该废水具有水量、水质变化大的特点，同一家工厂生产高峰期是平时用水量的30倍，水质随产品种类及用水情况的变化而改变。这一特性对废水的生物处理冲击负荷较大，严重影响处理效果。2014年仅海南澄迈一地因废水处理不达标而已关闭的加工厂有10多家，废水处理已经成为中国天然橡胶加工产业发展的瓶颈，急需找到一种确实有效的方法。

同步脱硫除氮菌是一类在厌氧条件下能同步去除氨氮与硫酸盐的一类自养型微生物，目前对工业废水的处理已有不少的应用实例。郑焕海[1]发现厌氧同步脱硫除氮高效功能菌能有效降低硫酸盐、氨氮的含量。但同步脱硫除氮菌至今还未被应用在处理天然橡胶工业废水上，如果能应用于天然橡胶加工废水的厌氧处理可极大地减少废水处理成本，增加沼气产率。但天然橡胶加工废水中含有大量的有机物，使得废水中的菌大量生长，同步脱硫除氮微生物能否成为优势菌是影响废水处理效果的关键因素，其是否能通过固定微生物的方法来提高菌体单位体积的浓度与活性值得探讨，目前国内外尚未有这方面的研究报道。

包埋法固定化是一种将菌体包埋在各种多孔载体中，使菌体固定化的方法。微生物包埋固定后，可防止微生物流失，增加其局部浓度，以实现反应器快速启动并提高活性和耐冲击性[2]。该方法在工业废水处理中多有应用，能够显著提高污染物的去除率，并降低废水处理池的产泥量，同时具有重复利用的效果[3-5]。众多研究结果发现，相比其它固定化材料，以海藻酸钙（SA）和聚乙烯醇（PVA）混合所制备的包埋材料效果较好[6-8]。

本研究对比同步脱硫除氮菌B16培养菌液对天然橡胶加工废水的处理效果，将同步脱硫除氮菌B16进行固定，通过提高菌株单位体积的浓度及活性，来提高天然橡胶加工废水的厌氧处理效果；同时利用固定化菌的内外物料传递的时间差来避免天然橡胶加工废水冲击负荷大时污泥膨胀现象的发生，为今后在生产实际中的应用奠定基础。

1 材料与方法

1.1 材料

固定化同步脱硫除氮菌：选取本实验室驯化并筛选到的菌株B16，经实验室纯培养后离心浓缩悬浮备用。

实验配水：每升液体培养基中含K2SO4 0.163 g、Na2SO3 0.118 g、NH4Cl 0.229 g、Na2HPO4·2H2O 1.066 g、NaH2PO4·2H2O 0.533 g、KCl 0.37 g、MgCl2·6H2O 0.16 g、CaCl2 0.08 g、蔗糖0.92 g、酸性和碱性微量元素液各1 mL。

废水：采自中国热带农业科学院试验场橡胶加工厂废水出水口。

1.2 方法

1.2.1 包菌小球制备 SA ： PVA为7 ： 3，包埋材料总浓度为4%，采用交联时间为24 h制备包菌小球，使得搅拌混合后每100 mL含有7.5 mL的浓缩菌液。

1.2.2 pH值对废水处理效率的影响 调节实验配水的pH值为5、6、7、8、9，各取400 mL倒入500 mL锥形瓶中，分别接种包菌小球25 g，厌氧环境密封，30 ℃恒温150 r/min转速震荡培养2周，测定氨氮、硫酸根及COD浓度，计算去除效率，确定处理的最佳pH值。

1.2.3 包菌小球处理橡胶废水实验室小试实验 废水的预处理：利用CaO调节废水pH至最佳值，过滤灭菌冷却备用。

取400 mL预处理橡胶废水灭菌后倒入500 mL锥形瓶中，分别接入未包菌小球25 g，2.5 mL菌液（与添加25 g包埋小球中的含菌量相当），包菌小球25 g，同时设置空白对照组。厌氧环境密封，30 ℃恒温150 r/min转速震荡培养2周，分别在3.5、5.5、8.5、11.5、14 d时对废水各项指标进行分析，并称重检测小球重量损失。

1.2.4 包菌小球活性的测定 氨氮测定：采用HJ535-2009纳氏试剂分光光度法；亚硝态氮测定：采用GB7493-87 N-（1-萘基）-乙二胺光度法；总氮测定：采用GB11894-89碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法；硝态氮测定：采用GB748-87酚二磺酸分光光度法；硫酸盐的测定：采用铬酸钡分光光度法（试行）HJ/T 342-2007。

2 结果与分析

2.1 pH值对废水处理效率的影响

同步脱硫除氮菌能利用多种碳源[9]，而且天然橡胶加工均处于24 °N以南地区[10]，常年湿热。适宜的气候条件及橡胶废水中所含的大量有机物有利于同步脱硫除氮菌的生长繁殖，当同步脱硫除氮菌成为优势菌后，影响废水处理效果最重要的因素就是废水的pH。本实验测定不同pH值实验配水氨氮、硫酸根及COD浓度，计算去除效率，结果见图1。从图1中可看出，当pH值为7时，去除效果最好，氨氮、硫酸根、COD的去除率分别为89.18%、78.63%、55.33%。由图1可知，随pH值的升高氨氮与COD去除率的变化不是很明显，但硫酸盐在pH值大于7时表现出较好的去除效果。Fdz-Polanc等[11]曾推测在同步脱硫除氮反应式为3个生化反应组成[见式（1）-（3）]。

3SO42-+4NH4+→4NO2-+3S2-+4H2O+8H+ （1）

3S2-+2NO2-+8H+→N2+3S+4H2O （2）

2NO2-+2NH4+→2N2+4H2O （3）

反应过程中硫酸根的还原会产生H+，导致pH值下降。当pH值小于6时，处理过程中会产生H2S，对包埋的菌株有毒性，从而影响去除效果。赖杨岚等[12]也发现在硫酸盐型厌氧氨氧化反应器中，出水pH值低于进水的。天然橡胶加工过程中需要加入乙酸或者硫酸进行凝固，废水呈酸性，一般在5左右[13]。为减少废水预处理成本及获得较好去除效果，预处理pH值确定为7。

2.2 天然橡胶加工废水处理实验室小试结果

2.2.1 天然橡胶加工废水预处理后水质情况 中国热带农业科学院试验场橡胶加工厂主要产品为浓缩胶乳，受其工艺特点的影响，工厂产生的废水含有大量的氨氮和硫酸盐，是天然橡胶废水中较难处理的一种，预处理后废水的水质情况见表1。预处理后去除了大部分的悬浮物及一定量的硫酸盐，各项水质指标浓度依然很高（表1），同样具有代表性。

2.2.2 包菌固定化小球处理橡胶废水结果 为了比较菌液和包菌小球的最终处理效果，记录各实验组在培养14 d后测得的氨氮、总氮、硫酸盐、COD数据，并计算除去空白影响后各自的去除率，实验结果见表2。由表2可知，相对于同浓度游离菌液，包埋小球具有更高的去除效果。

为考察固定化同步脱硫除氮菌的脱氮效果，比较3.5、5.5、8.5、11.5、14 d时各实验组氨氮、总氮、亚硝态氮的浓度及含量，计算氨氮去除速率，结果见图2～4。由图2可见，氨氮在处理过程中，有一部分通过挥发得到去除，包埋材料对氨氮有一定的吸附作用。由图3可见，在废水处理初期，游离菌液对氨氮的去除速率有一个较大的值为44.71 mg/（L·d），而后维持一个较为平缓的速度，大概为27～28 mg/（L·d）；而包菌小球在废水处理的初期呈现出非常好的去除速率，可高达110.59 mg/（L·d），这证实在天然橡胶加工废水处理中，包埋固定化能够实现快速启动的目的；而后有一个先降低后升高的趋势，这主要是由于包菌小球内外物料交换需要一个时间差，可提供细菌对环境变化适应的一个缓冲的时间，使得包埋固定化后的菌对于水质的变化具有更好的适应性，非常适用于处理水质、水量变化较大的天然橡胶加工废水。

由图4可见，总氮去除包菌小球的速率及效果均比菌液好，中间产物亚硝态氮菌液处理组的峰值（2.5 d）出现比包菌小球处理组（5.5 d）的早，进一步证实物料交换这一时间差的存在。同步脱硫除氮可能存在硫自养反消化作用[10]，因此，硝态氮总体呈现一个下降的趋势。

为考察固定化同步脱硫除氮菌的脱硫效果，比较3.5、5.5、8.5、11.5、14 d时各实验组硫酸盐的含量，结果见图5，包菌小球硫酸盐最大去除速率与游离菌液相当，但平均去除速率13.8 mg/（L·d）高于游离菌液12.21 mg/（L·d）。

考察COD浓度的变化见图6，同时称3.5、5.5、8.5、11.5、14 d时样品中小球的质量，制得小球质量变化曲线图（图7）。由图7可知，包埋材料浸泡在废水的过程中，其质量随着时间的推移下降，相比未包菌小球，包菌小球由于存在菌的活动，会加速材料的溶出。另外，由于包埋材料由SA和PVA构成，这些物质的溶出会导致废水中COD含量的上升，同时，材料的吸附和细菌的新陈代谢活动又会降低水中的COD含量，使COD含量不稳定，形成COD波动曲线（图6）。

3 讨论与结论

通过比较包菌小球与菌液对橡胶废水处理的实验室小试结果发现，相对于同浓度游离菌液，包菌小球具有更高的去除效果。包埋后的菌株氨氮去除速率最高可达110.59 mg/（L·d），硫酸盐平均去除速率为13.8 mg/（L·d），均高于游离菌株。包埋后的菌株在处理初期就表现出较高的处理速率，包菌小球存在较高的局部浓度，有利于废水处理的快速启动，同时物料内外传递的时间差，可提供细菌对环境变化适应的缓冲的时间，使得包埋固定化后的菌对水质的变化有更好的耐冲击性，非常适用于处理水质、水量变化较大的天然橡胶加工废水。

本研究所使用的厌氧氨氧化同步脱硫除氮菌B16对氨氮具有高效降解的能力，且对氨氮和硫酸盐的脱除比接近硫酸盐型厌氧氨氧化理论上的2 ∶ 1。但对天然橡胶废水污染物的去除率与实验配水的比较，总氮和硫酸盐有小幅度的升高，氨氮去除率降低程度较大。推测是因为添加的包菌小球量并非以废水与实验配水中氨氮倍数关系为标准，因此就氨氮而言不太合适。实验中折中选取的5倍包菌小球添加量与13 ∶ 1（废水中氨氮与培养基中氨氮的倍数关系）相差太大，致使影响了废水对氨氮的最终处理结果，不能得到与处理实验配水中近似的氨氮去除率。同样，对于水质常常随产品种类及用水情况变化而改变的橡胶工厂来说，该菌种实际应用于橡胶废水处理时也将会面临这个问题。

本研究虽然已经使氮、硫酸盐的去除率有了一定程度的提高，但培养2周后的橡胶废水仍不能达到出水指标；包埋材料在废水处理过程中有溶解现象，对COD的去除效果不理想。在今后的研究中，需要探索制备包埋小球中菌的合适浓度，利用包菌小球处理废水最佳停留时间、运行条件等一系列因素，使处理过程处在最佳状态。也可考虑多种菌的复合包埋，利用协同作用降解橡胶废水。

致 谢 杨春亮研究员、余和平研究员和课题组其他成员在实验过程给予的指导和帮助，在此表示感谢！

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