造纸废水接触氧化反应器的启动及微生物特性研究
摘要：采用逐渐增加进水COD浓度、减小水力停留时间的方法启动接触氧化反应器,反应器启动34 d后,COD的总去除率稳定在 88%,邻苯二甲酸和二甲苯的总去除率分别达到75%和78%。沿水流方向,细菌数量随有机物质的减少而逐渐减少,生物膜厚度呈递减 趋势,兼氧、好氧段依次出现游泳型鞭毛虫、游泳型纤毛虫、固着型纤毛虫。
关键词：接触氧化;微生物;细菌;生物膜
我国造纸工业年废水排放量约占全国工业废水总排放 量的15.6%,排放废水中化学耗氧量占全国工业总排放量的 43.5%[1];造纸废水中存在一类污染面广、毒性大、难降解的 有机污染物,这些物质结构复杂、毒性大,大多难以被微生物 快速、有效利用,且很容易进入自然环境并长期存留,对生态 环境和人体健康构成严重威胁。用人工强化的微生物将这 些物质转化为无毒物质或彻底降解已成为近年来的研究热点。
陈永静等[2]用GC-MS联用仪测定造纸废水中的复杂有 机物,检测出进水中主要有机污染物50种,包括长链烷烃、 酯类、苯类等。笔者以造纸废水中2种最具代表性的有机污 染物邻苯二甲酸二丁酯和二甲苯为研究对象,研究其在接触 氧化反应器启动过程中的降解情况和反应器启动过程中生 物膜的微生物特性,以期为造纸工业废水的微生物降解提供 指导。
1 材料与方法
1.1 废水来源 废水水样为实验室制造的OCC制浆造纸 废水,属于非脱墨废纸造纸废水。采用多级接触氧化反应器 对废水进行生物处理。原水主要水质指标为pH值5. 0~ 7.5,COD 1 100~1 700mg/L,SS 140~260mg/L。
1.2 试验装置 接触氧化反应器的有效容积为60 L。厌 氧段有效容积为16L,兼氧、好氧段采用接触氧化法,有效容 积为38 L,内置网状填料,采用穿孔曝气。接种污泥取自广 州某污水处理厂生物处理二沉池。
1.3 测定项目及方法 对污染物在厌氧、兼氧、好氧工艺阶 段的降解情况进行分析。测定的主要项目及方法如下。
1.3.1 生物相的观察。用镊子从填料上刮取一小块生物膜, 用蒸馏水稀释一定倍数制成菌液,用胶头滴管取1滴菌液,放在干燥、洁净的载玻片上,盖上盖玻片,在显微镜下观察。
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1.3.2 生物膜厚度的测定。采用显微镜法测定生物膜总厚 度。将生物膜样品从反应器中取出后直接放置于显微镜观 察平台上加以固定,选定观察倍数为100倍,对生物膜表面 和载体表面分别进行对焦,直到获得清晰图像, 2次成像时 微调读数之差即为生物膜厚度。对生物膜表面测量15次后 取其平均值作为生物膜的观察厚度[3]。
1.3.3 细菌计数。培养基:牛肉膏5 g,蛋白胨10 g,氯化钠 5 g,琼脂15 g,加蒸馏水至1 000m,l调pH值至7.0。用微生 物稀释平皿计数法测定生物膜上的细菌数目[4]。
1.3.4 其他分析方法。COD采用XJ-15型COD消解仪测 定;邻苯二甲酸二丁酯和二甲苯采用紫外分光光度法测定。
2 结果与分析
2.1 反应器的启动 将污泥按30%的池容接种于接触氧 化反应器中。废水的COD为1 100 mg/L,同时补充尿素、磷 酸二氢钾,使进水的BOD∶N∶P=100∶5∶1(m∶m∶m),闷曝3 d。 开始6 d只加入葡萄糖、无机盐溶液、微量元素,从第7天开 始由少到多加入造纸废水,第12天后加入邻苯二甲酸二丁 酯和二甲苯,继续驯化22 d。
2.1.1 反应器启动过程各隔室COD的降解情况。图2为反应器启动期间各格室COD浓度的变化。由图2可知,启动期间进水COD从1 100mg/L左右逐渐上升至1 700mg/L 左右,反应器启动34 d后,厌氧段出水COD基本稳定在1 200mg/L左右,COD去除率达30%,而一级好氧段的COD 稳定在800mg/L左右,二级好氧段的COD稳定在230mg/L 左右,反应器运行稳定,全流程COD总去除率平均达88%, 说明微生物对营养物质的吸收和利用达到稳定状态,反应器已成功启动。
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2.1.2 反应器启动过程中各隔室邻苯二甲酸二丁酯和二甲 苯的降解情况。由图3可知,进水邻苯二甲酸二丁酯和二甲 苯的浓度分别约为150和86 mg/L。虽然造纸废水较难降 解,但其中也有可溶性的易降解的有机物,这些有机物可为 微生物的生长提供碳源和能量,从而促进邻苯二甲酸二丁酯 和二甲苯降解。微生物降解葡萄糖时可产生与降解邻苯二 甲酸二丁酯和二甲苯相似的酶,从而促使邻苯二甲酸二丁酯 和二甲苯较快降解。反应器启动34 d时,邻苯二甲酸二丁酯 的降解率从刚启动时的49%逐渐上升到75%,出水邻苯二 甲酸二丁酯的浓度为37.5mg/L;二甲苯的降解率从55%逐 渐上升到78%,出水二甲苯的浓度为19 mg/L,说明适应邻苯二甲酸和二甲苯的微生物已驯化成功。
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2.2 微生物特性观察
2.2.1 不同格室中微生物的数量。分析不同格室中微生物 数量的差异,可了解被微生物利用的有机物的降解情况。图 5是反应器运行第25天各格室中微生物的数量。由图5可 知,由于刚进入反应器的废水中含有较多的有机物质,所以 厌氧段菌落数达到1.8×107CFU/m,l且一级兼氧、一级好氧 段中微生物数量明显多于二级兼氧段和二级好氧段,随着废 水的推进,可被微生物利用的有机物越来越少,所以微生物 数量呈递减趋势。
2.2.2 不同格室生物膜的厚度。由表1可知,随水流方向 COD降低,生物膜平均厚度逐渐减小;生物膜厚度随反应器 启动时间的延长逐渐增厚,最后基本稳定在一定范围内。到 第33天,一级兼氧段生物膜平均厚度达到2 412μm,而二级 好氧段生物膜厚度只有754μm,说明COD浓度越高,为微生 物提供的能量越多,生物膜越厚。一级兼氧段、一级好氧段生物膜颜色较深(深褐色),二级兼氧段、二级好氧段生物膜 颜色较浅(黄褐色)。第12天加入邻苯二甲酸二丁酯、二甲苯后生物膜发黑,微生物受到有毒物质冲击, 7d后,生物膜 又逐渐恢复到原来的颜色,说明不适应这种水质的微生物已被淘汰。观察生物膜可及时了解微生物的生长状况,从而及时发现反应器运行过程中存在的问题。
表 1各格室生物膜的平均厚度
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2.2.3 生物相观察。运行初期第1~8 d,反应器COD的去 除率低于75%,反应器的污水处理能力较低,生物膜呈黑褐 色,污泥结构松散。镜检发现,游泳型鞭毛虫最早出现并逐 渐增多。反应器运行至20 d时,COD去除率达80%,随着细 菌数量的增多,以细菌为食的螺旋状虫和纤毛虫类开始出 现,最早出现的是小型游泳型纤毛虫类,如肾形虫等,随后出 现掠食性较强的游泳型纤毛虫如游仆虫等。
从第20天开始,反应器稳定运行, COD去除率稳定在 80%以上,固着型纤毛虫出现,游泳型纤毛虫、鞭毛虫数量逐 渐减少,随后出现变形虫等肉足纲原生动物。反应器运行30 d时,二级兼氧段和二级好氧段出现暗红色的藻类和线虫、钟 虫等原生动物,这些生物的出现标志着反应器的稳定运行。 原生动物和细菌之间存在相互依存的关系。前段废水中有 机物较多,微生物可利用水中的有机物满足自身生长的需 要,所以,一级兼氧段和一级好氧段废水中原生动物较二级 兼氧段和二级好氧段多。有资料显示[5],活性污泥系统中的 原生动物有纤毛虫160种,鞭毛虫约36种,肉足虫约29种, 但由于造纸废水中含有邻苯二甲酸二丁酯和二甲苯等有毒 物质,所以微生物种类相对较少。观察废水中的微生物可了 解反应器的运行状况,从而及时控制、调整其运行条件。
3 结论
(1)该研究采用逐渐增加进水COD浓度、固定水力停留时间的方法启动反应器,34 d即可达到较好的启动效果。反应器运行稳定,COD总去除率平均达88%。
(2)反应器启动的34 d,邻苯二甲酸二丁酯的降解率从 49%逐渐上升至75%,二甲苯的降解率从55%逐渐上升至 78%,说明微生物已驯化成功。
(3)各格室的生物膜在时间和空间上呈不均匀分布。一级兼氧段和一级好氧段生物膜较厚,颜色为深褐色;二级兼氧段和二级好氧段生物膜颜色为褐色和浅褐色。随着时间 的推移,生物膜逐渐变厚。
(4)厌氧段原生动物种类较单一,以能生活在厌氧且高 有机物浓度条件下的微生物为主,且数量较少;厌氧段废水 COD浓度较高,含有较多的营养物质,所以细菌数目较多,达 1.8×107CFU/ml。沿水流方向微生物数量逐渐减少,二级好 氧段微生物仅有7×105CFU/ml。
参考文献
[1]卞卫华.膜技术在电厂水处理中的应用[J].能源与环境,2005(3):42 -44.
[2]陈永静,马邕文.废纸造纸废水有机污染物的降解研究[J].环境科学与 技术,2008,31(6):127-131.
[3]刘雨.生物膜法污水处理技术[M].北京:中国建筑工业出版社,2000.
[4]肖琳,杨柳燕,尹大强,等.环境微生物实验技术[M].北京:中国环境科 学出版社,2004:34-35.
[5]顾福康.原生动物学概论[M].北京:高等教育出版社,1991:282-286.
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