自固定化高效菌种强化处理焦化废水研究

吴立波 王建龙 黄霞 刘恒 钱易
(清华大学环境科学与工程系环境模拟与污染控制国家重点联合实验室)

　　摘　要 以喹啉为唯一碳源驯化高效菌种，将其一部分附着在陶粒载体上，比较了自固定化前后菌种活性的变化，然后在用活性污泥处理焦化废水时，以三种投加高效菌种的方式强化处理焦化废水：①只投加悬浮高效菌种，②投加悬浮高效菌种和空白陶粒，③投加附着有高效菌种的陶粒，研究了不同投加方式对保持菌种高效降解特性的作用。试验表明，菌种自固定化后活性略有下降，但在泥龄短时活性保持较好，明显优于未固定化高效菌种。
　　关键词 附着高效菌种 悬浮高效菌种 焦化废水 喹啉

　　焦化废水中含有大量难降解有机物，生物处理比较困难^［1］。投加高效菌种可有效地增强生物反应器对难降解有机物的降解能力，但高效菌种的应用必须解决两个问题，即①高效菌种的保持。由于一般高效菌种从难降解有机物降解过程中获得的能量较少，世代周期较长，易流失。②高效菌种活性的保持。一般菌种优先降解易降解基质，投加后环境的改变使菌种特殊降解活性退化。微生物固定化技术可选择性地提高泥龄，因此对高效菌种活性的保持有一定作用。目前，此技术已广泛应用于难降解有机物的处理^［2～6］。T陶粒是一种多孔性载体，微生物进入陶粒孔隙后，可利用自身的附着能力形成生物膜，这是自固定化的一种形式。本文介绍利用陶粒载体自固定化降解喹啉高效菌种，并在好氧间歇处理焦化废水的摇瓶中采用三种方式投加此高效菌种，揭示了投加高效菌种强化处理焦化废水工艺中生物自固定化技术对菌种活性保持的作用。

1 材料与方法

1.1 处理对象
1.1.1 焦化废水
　　处理水样取自首都钢铁公司焦化厂回收车间曝气池进水口，测得COD为1532mg/L，喹啉为112mg/L,TOC为372 mg/L。
1.1.2 喹啉配水
　　以喹啉为唯一碳源，加入适量硫酸铵和磷酸二氢钾作为氮和磷源，以自来水配制而成。实测喹啉为411mg/L，COD为1060mg/L，TOC为381mg/L。
1.2 高效菌种驯化方法
　　取处理焦化废水厌氧酸化—缺氧—好氧工艺好氧段污泥(简称菌J)，以喹啉配水进行间歇驯化4个月。此时接种污泥经自生异化形成能够高效降解喹啉类物质的混合菌种(简称菌Q)。
1.3 高效菌种自固定方法
　　以间歇式生物流化床处理喹啉配水来固定菌种，载体为0.28～0.6mm陶粒。流化床运转1个月，单位陶粒上附着相菌种量以VSS计达到20.4mg/g。悬浮相高效菌种简称菌Q_S，附着相高效菌种简称Q_A。
1.4 反应器及运行条件
　　采用4个500mL锥形瓶作为间歇反应器处理焦化废水。摇床保持28℃和200r/min。每天换水1次，先排泥10mL，然后将混合液离心弃上清液，加入待处理水样。阶段A(1～5d)混合液体积为100mL，污泥龄为10d；阶段B(26～50d)混合液体积为50mL，污泥龄为5d。反应器Ⅰ为空白反应器，只接种菌J；反应器Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ除接种菌J外，以3种方式一次性投加菌Q，以期强化处理焦化废水中喹啉类物质。反应器Ⅲ、Ⅳ由于投加陶粒填料，构成复合反应器。各反应器初始菌种浓度(以VSS计)及陶粒量如表1所示。

1.5 检测项目及方法
1.5.1 TOC、COD和喹啉
　　COD以标准检测法测定。TOC以岛津公司生产的TOC--5000测定。喹啉则用HP--1050高压液相色谱仪测定，测定时固定相为杜邦公司生产的@ZORBAXC--18柱，流动相为甲醇(60%)和水(40%)，流量为1mL/min，温度为30℃，波长为313 nm。
1.5.2 污泥活性的测定
　　菌种对喹啉和焦化废水的降解活性以反应过程中氧气的消耗来表示，测试方法为瓦呼仪(瓦勃氏呼吸仪)法。取定量反应器中混合液离心弃上清液，经9%生理盐水洗涤三次后，以无机培养基制成浓缩1倍的菌悬液。生物陶粒则用生理盐水冲洗三次，滤纸吸干，然后称取约0.2g(约合干重0.15g)。基质分别为喹啉配水和焦化废水。反应时加入菌悬液和基质溶液各1.5mL，混合液体积3.0mL；陶粒则在加入后补充无机盐培养基至3.0mL。画出反应过程的累积好氧量曲线，过原点做曲线的切线算出初始好氧速率，除以此时的污泥量可算出初始比好氧速率。

2 结果与讨论

2.1 悬浮相与附着相菌Q活性比较
　　分别做瓦呼仪实验测定悬浮相菌Q和附着相菌Q对喹啉及焦化废水的降解活性，结果表明，菌Q对喹啉和焦化废水都有较好的降解活性。当喹啉浓度为100mg/L时，其降解速率初始即达到最大值，3h内已接近最大降解量。当喹啉浓度为500mg/L时，其最大降解速率出现在3～7h，在10h内接近最大降解量。而当喹啉浓度为1000mg/L时，延滞期较长，7h后才达到最大降解速率，23h时仍在继续降解。菌Q对焦化废水10h内已接近最大降解量，焦化废水中酚类物质含量较高，而喹啉的降解中间产物有很多类酚物质，因此菌Q对焦化废水的降解能力较强。不过菌Q对焦化废水的降解程度不高，最大降解量仅为45%左右，而其对喹啉的最大降解量则约为75%。
　　附着相菌种同悬浮相菌种相比所能达到的降解程度相差不大，且与累积好氧量曲线的变化形式相同，但初始阶段好氧速率稍小，约降低20%左右。菌Q这一特性可能和传质速度有关，主体基质溶液到陶粒上生物膜内部菌种的传质速度低于其到悬浮相菌种的传质速度，从而使降解速率稍低。
2.2 投菌后接种污泥活性增强
　　取菌J和菌Q按反应器Ⅱ所投加比例做瓦呼仪实验，分别测定两菌种单独或混合降解喹啉配水、焦化废水时的降解能力。接种污泥取自连续式运转工艺好氧完全混合反应器，因此对较高的基质浓度不适应，初始降解速率很低，对焦化废水和喹啉配水分别存在5 h和10 h的抑制期。混合菌种则初始降解速率就很高，很快达到最大降解速率。混合菌种处理喹啉配水时两菌种之间没有协同作用，但处理焦化废水时两菌种之间协同作用明显，这是因为焦化废水成分复杂，菌Q所能降解的底物范围有限，而接种污泥长期处于焦化废水基质环境中，对其中某些难降解物质有一定的降解作用，两菌种互补所缺使降解能力进一步提高。
2.3 投加方式对菌种活性保持的影响
2.3.1 进、出水的COD变化
　　运行过程中各反应器总体运行效果相差不大。这主要是因为反应时间较长，各反应器都能达到最大降解程度的结果。接种污泥经运转驯化很快适应了反应器内的基质浓度，去除率达60%左右。但由于焦化废水成分复杂，而所驯化菌种降解底物范围有限，很多物质不能被降解，因此各反应器总的去除率不高。
2.3.2 污染物降解历程
　　进一步考察污染物的降解历程如图1和图2所示。在阶段A，泥龄为10d，反应器Ⅰ同Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ相比，TOC和喹啉的降解都比较慢，而Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ的降解历程相近，这说明在泥龄长时，所投加菌种在反应器中起一定的作用。在阶段B，泥龄为5d，反应器Ⅲ和Ⅳ的TOC和喹啉的降解明显快于Ⅰ和Ⅱ，而Ⅰ和Ⅱ的降解历程相近，这表明在泥龄短时，所投加的悬浮相菌Q已不起作用，而固定化菌种仍在起一定的作用。反应器Ⅲ中喹啉降解菌在A阶段可附着在陶粒上，从而在B阶段反应器Ⅲ的喹啉降解菌活性高于反应器Ⅱ。

2.3.3 污泥浓度的变化
　　由图3看出，阶段A反应器总污泥浓度基本相同，而在阶段B反应器Ⅳ总污泥浓度明显高于其他三个反应器。由于反应器内水流紊动较剧烈，菌种脱落量大，反应器Ⅲ附着相菌种增加较慢，反应器Ⅳ附着相菌种量则降到14.3mg/L后稳定下来。反应器负荷不变，泥龄降低后，反应器Ⅲ附着相菌种浓度继续增大，反应器Ⅳ附着相菌种浓度则近乎不变，而悬浮相菌种浓度则随泥龄的降低大幅度降低。由图4可见，此时复合反应器中附着相菌种所占的比例明显增大。虽然普通反应器中悬浮相菌种量稍高，但总污泥浓度却是复合反应器较高。

2.3.4 菌种对喹啉降解活性的变化
　　分别测定各阶段反应器Ⅰ～Ⅳ的悬浮相菌种和反应器Ⅲ、Ⅳ的附着相菌种对喹啉配水和焦化废水的降解活性，如图5和图6所示。反应器开始运行后，菌J逐渐适应间歇式处理工艺环境，这样反应器Ⅰ、Ⅳ中悬浮相菌种对喹啉和焦化废水的降解活性均大幅度增高。反应器Ⅱ、Ⅲ中悬浮相菌种对焦化废水降解活性基本不变，对喹啉降解活性大幅度降低，而反应器Ⅳ附着相菌的两种活性都大幅度降低。焦化废水中喹啉浓度低于喹啉配水，菌种长期处于这种环境中，对喹啉的降解活性渐弱。反应器Ⅳ中两相菌互相竞争，且菌种脱落量较大，因此附着相菌种对焦化废水的降解活性也有所降低。在各阶段，各菌种对焦化废水的降解能力明显高于对喹啉配水的降解能力，考虑到两种废水COD相近，喹啉确实是焦化废水中一种难降解有机物。
　　阶段A反应器Ⅰ同其他三个反应器相比，喹啉配水总降解活性明显较低，而焦化废水降解活性则相差不多。由此可见，所投入菌Q使反应器内菌种构成发生改变，导致喹啉降解菌的活性得到定向改善。此时，反应器Ⅲ附着相菌种浓度还很低，悬浮相菌种起主要作用，但各菌种都已有所附着。反应器Ⅳ附着相菌种活性同悬浮相菌种对喹啉降解活性相差不大，而对焦化废水降解活性则较低，这说明喹啉降解菌在陶粒上处于优势。

　　在阶段B，菌种的降解活性同阶段A相比明显降低，这主要是污泥浓度降低的结果，但反应器Ⅱ和Ⅲ的喹啉菌比降解活性明显降低，表明泥龄降低后，喹啉菌增殖较慢，逐渐流失。此时各反应器悬浮相菌种的活性相近，表明所投加悬浮相菌Q已失去作用。反应器Ⅲ附着相菌种大量增殖，活性提高，特别是对喹啉降解活性大幅度提高。反应器Ⅳ附着相菌种活性变化不大，此时已超过悬浮相菌种起主要作用，说明附着相菌种受泥龄的影响较小。
　　当菌种初始吸附后，其增殖主要靠最初附着菌种的裂殖，因此当菌种所处环境改变时，只是原菌种活性改变，而其他菌种则处于竞争劣势，从而保持了最初附着菌种的优势地位。吸附自固定化使高效菌种定向保持在反应器中，与泥龄变化无关，克服了高效菌种增殖较慢的缺点。

3 结论

　　① 降解喹啉高效菌种自固定化后降解活性略有下降，约为20%左右。
　　② 降解喹啉高效菌种投加于处理焦化废水的好氧污泥中可强化其对喹啉和焦化废水的降解。
　　③ 投加降解喹啉高效菌强化活性污泥法处理焦化废水时，若只投加悬浮相菌种，泥龄降低时，反应器高效活性丧失。如果投加附着有高效菌种的陶粒或同时投加悬浮相高效菌种和空白陶粒，构成复合反应器，由于附着相菌种活性只是受反应器内基质环境变化的影响，与泥龄变化无关，因此在泥龄较低时，仍能保持一定的高效降解活性。

参考文献

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　　作者简介：吴立波 在读博士生
　　通讯处：100084 北京清华大学环境科学与工程系
　　电　　话：(010)62785684 62777927
　　(收稿日期 1998-12-31)