生物活性炭纖維處理含鹽污水的試驗(yàn)研究

張曉青，王 靜，張雨山，楊 波，姜天翔

（國(guó)家海洋局天津海水淡化與綜合利用研究所，天津 300192）

生物活性炭纖維處理含鹽污水的試驗(yàn)研究

張曉青，王 靜，張雨山，楊 波，姜天翔

（國(guó)家海洋局天津海水淡化與綜合利用研究所，天津 300192）

隨著海水利用的增加，含鹽污水的排放量也逐年增加，如何對(duì)含鹽污水進(jìn)行有效的處理成為限制海水直接利用的關(guān)鍵因素。試驗(yàn)采用循環(huán)流動(dòng)法把馴化后的耐鹽菌固定在活性炭纖維上，研究了生物活性炭纖維對(duì)含鹽污水處理效果，考察了該工藝對(duì)含鹽污水中CODcr、氨氮、總磷、濁度的去除率。在系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行下，溫度為17～25℃，pH值在7.56～8.12時(shí)，系統(tǒng)對(duì)CODcr、氨氮、總磷和濁度的平均去除率分別達(dá)74.51%、75.59%、38.60%、90.06%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，生物活性炭纖維發(fā)揮了活性炭纖維吸附作用和微生物的降解作用，顯著提高了含鹽污水的凈化效果，具有廣泛的應(yīng)用前景。

生物活性炭纖維；含鹽污水；微生物固定

目前，在我國(guó)的一些沿海地區(qū)為了緩解淡水資源日益緊缺的局面，積極開發(fā)新水源替代淡水，開展海水代用，將海水直接利用于生活用水和工業(yè)生產(chǎn)，如用海水沖廁、道路清洗及將海水作為工業(yè)用水用于印染、建材、制堿及海產(chǎn)品加工等行業(yè)[1-2]。海水代用節(jié)約了淡水資源，但也導(dǎo)致排放的廢水中除了含有有機(jī)污染物外，還含有大量的無機(jī)鹽，這類污水的直接排放會(huì)對(duì)海洋環(huán)境造成嚴(yán)重的污染，如何對(duì)含鹽污水進(jìn)行有效的處理成為限制海水直接利用的關(guān)鍵因素[3]。

活性炭纖維是一種新型的活性炭材料，具有比表面積大，吸附性能好和較好的生物相容性[4-5]，可做為填料用于微生物的附著生長(zhǎng)，形成生物活性炭纖維。目前有關(guān)生物活性炭纖維的研究主要集中在微污染水源[6]、餐飲污水[7]、啤酒污水[8]等廢水的處理上，在含鹽污水處理中應(yīng)用的研究還鮮見報(bào)道。

本文采用實(shí)驗(yàn)室中已經(jīng)分離保存的5株耐鹽凈污菌，通過循環(huán)生物掛膜方法形成固定化生物活性炭纖維應(yīng)用于含鹽污水的處理。通過連續(xù)測(cè)定出水的CODcr、氨氮、總磷等指標(biāo)來分析固定化生物活性炭纖維處理含鹽污水的工藝可行性，為該工藝的推廣應(yīng)用提供理論依據(jù)和試驗(yàn)基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料和藥品

1.1.1 主要試劑和儀器

試劑：重鉻酸鉀、MgSO4、葡萄糖、碘化鉀、硫酸、硫酸亞鐵銨、硫酸銀、NH4Cl、KH2PO4等試劑均為分析純。

儀器：2100P型濁度儀 （美國(guó) HACH公司）；pHS-3C型pH計(jì) （上海精密科學(xué)儀器有限公司）；搖床 （SUZUK sky-2102C）。

1.1.2 培養(yǎng)基

2216E培養(yǎng)基：蛋白胨 5 g，酵母提取物 1 g，磷酸高鐵0.01 g，pH 值 7.2，用陳海水定容至 1 L，瓊脂 1.5%（W/V固體培養(yǎng)基），121℃滅菌20 min。

1.1.3 活性炭纖維

江蘇同康特種活性炭纖維公司生產(chǎn)的活性炭纖維氈TK-1500，比表面積 1 300～1 400 m2/g。

1.1.4 試驗(yàn)用水水質(zhì)

試驗(yàn)采用天津近岸海水，根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要添加一定濃度的葡萄糖、NH4Cl、KH2PO4等成分，用于調(diào)節(jié)試驗(yàn)污水中CODcr、N、P的比例及其他污染物指標(biāo)（表1），含鹽污水中海水比例為40%。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 材料預(yù)處理

將活性炭纖維剪成3～4 mm長(zhǎng)的碎屑，用高純水沖洗數(shù)遍，加熱煮沸5～6 h，期間每隔1 h過濾換水。沖洗后活性炭纖維放入烘箱中，130℃烘干，取出置于密閉容器內(nèi)，備用。

1.2.2 微生物固定

將實(shí)驗(yàn)室保存的 5株耐鹽凈污菌 NY0931、NY0932、NY0933、NY0934、NY0935 （其中 NY0931 為 Exiguobacterium sp.，NY0932 為 Pseudidiomarina sp.，NY0933 為 Pseudidiomarina sp.，NY0934 為 Corynebacterium sp.，NY0935 為 Zobellella sp.），按2:1:2:1:2比例混合接種于2216E液體培養(yǎng)基中，30℃培養(yǎng)24 h后得到混合菌液。在獲得的混合菌液中間歇加入一定量的含鹽污水，持續(xù)曝氣，進(jìn)行菌群的貧營(yíng)養(yǎng)馴化。馴化后菌液中的細(xì)菌數(shù)保持在108個(gè)/mL左右。

混合菌液采用循環(huán)流動(dòng)法固定，菌液在恒流泵的提升下通過活性炭纖維柱，反復(fù)循環(huán)8 h，使培養(yǎng)液中耐鹽凈污菌附著在活性炭纖維上，形成固定化生物活性炭纖維。

表1 試驗(yàn)用污水水質(zhì)

1.2.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法

每隔24 h測(cè)定水樣，檢測(cè)CODcr、氨氮、總磷、濁度和pH值。其中，化學(xué)需氧量（CODcr）采用重鉻酸鉀法，氨氮（NH3-N）采用納氏試劑光度法，總磷（TP）為鉬銻抗分光光度法，pH采用電極法測(cè)定，濁度采用分光光度法測(cè)定。

1.3 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置見圖1，活性炭纖維柱由有機(jī)玻璃制成，內(nèi)徑35 mm，高1 m?；钚蕴坷w維裝填的密度為0.08 g/cm2，有效高度為50 cm，墊層為石英砂，高度15 cm。每隔15 d進(jìn)行反沖洗一次，沖洗時(shí)間為5 min。

圖1 試驗(yàn)裝置

2 結(jié)果與討論

2.1 固定化生物活性炭纖維對(duì)CODcr的去除效果

有機(jī)污染物是含鹽污水中的主要污染物，CODcr的去除率是衡量污水處理效果的重要指標(biāo)之一。固定化生物活性炭纖維對(duì)含鹽污水中CODcr的去處效率見圖2。

從圖2可以看出，生物活性炭纖維對(duì)含鹽污水中的CODcr有較高的去除率。在系統(tǒng)運(yùn)行的前4 d，耐鹽凈污菌剛附著在活性炭上，生長(zhǎng)較慢，CODcr去除率在45%左右；隨著活性炭纖維對(duì)有機(jī)物的富集，耐鹽凈污菌生長(zhǎng)迅速，活性炭纖維的物理吸附和微生物的降解協(xié)同發(fā)揮作用，CODcr去除率呈上升趨勢(shì)，第12 d達(dá)86.18%；之后微生物進(jìn)入生長(zhǎng)穩(wěn)定期，生物活性炭纖維對(duì)CODcr的去除率略有下降，然后升高，處于一種動(dòng)態(tài)平衡變化狀態(tài)，去除率維持在74%左右。

圖2 BACF對(duì)含鹽污水COD去除效果

微生物的生長(zhǎng)、繁殖、死亡是一個(gè)動(dòng)態(tài)過程[9]。隨著微生物的富集，生物活性炭纖維對(duì)CODcr去除率逐漸升高，而微生物的死亡，造成生物活性炭纖維上的活性位堵塞，影響微生物生長(zhǎng)繁殖，從而導(dǎo)致去除率下降。因此通過對(duì)處理系統(tǒng)進(jìn)行反沖洗，可以讓死亡的微生物脫落，釋放出活性炭纖維的活性位，有利于吸附進(jìn)行和微生物的生長(zhǎng)，延長(zhǎng)炭柱的使用周期。

2.2 固定化生物活性炭纖維對(duì)氨氮的去除效果

固定化生物活性炭纖維對(duì)含鹽污水中氨氮去除效果見圖3。

圖3 BACF對(duì)含鹽污水氨氮去除效果

從圖3可以看出，在系統(tǒng)運(yùn)行前4 d，生物活性炭纖維對(duì)氨氮去除率呈快速上升的趨勢(shì)，從16.90%上升到70.84%；第5天后，氨氮的去除率保持在76%左右，最高達(dá)88.67%，使含鹽污水中氨氮濃度由24.33 mg/L下降到2.76 mg/L。

污水中氨氮的去除主要是靠生物降解作用。在系統(tǒng)運(yùn)行的初期，由于固定化前對(duì)耐鹽凈污菌進(jìn)行寡營(yíng)養(yǎng)馴化，使菌株保持較高的活性，且隨著活性炭纖維對(duì)含鹽污水中氨氮的吸附，為耐鹽凈污菌快速生長(zhǎng)提供營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，菌株快速繁殖，對(duì)氨氮去除率迅速升高。而隨著運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，微生物進(jìn)入生長(zhǎng)穩(wěn)定期，耐鹽凈污菌的生物降解作用和活性炭纖維的吸附作用達(dá)到平衡，系統(tǒng)對(duì)氨氮的去除維持在一個(gè)較穩(wěn)定的狀態(tài)。

2.3 固定化生物活性炭纖維對(duì)總磷的去除效果

固定化生物活性炭纖維對(duì)總磷去除效果見圖4。從圖4可以看出，在連續(xù)運(yùn)行條件下，固定化生物活性炭纖維對(duì)含鹽污水中總磷有一定的去除效果，進(jìn)水的總磷濃度在1.04～2.79 mg/L，出水為 0.42～2.14 mg/L，平均去除率為 38.60%，但去除效果不穩(wěn)定，波動(dòng)較大，其中最大去除率達(dá)64.41%，最小去除率僅為13.37%。

圖4 BACF對(duì)含鹽污水總磷去除效果

生物活性炭纖維系統(tǒng)中總磷的去除主要通過生物除磷作用進(jìn)行[10]。生物除磷是指聚磷菌生長(zhǎng)繁殖攝取污水中的磷，以磷酸鹽的形式累積于細(xì)胞內(nèi)，從而達(dá)到除磷的效果，這個(gè)過程需要厭氧和好氧交替運(yùn)行的動(dòng)態(tài)條件，以實(shí)現(xiàn)微生物好氧攝取磷、厭氧水解磷的過程[11]。在生物活性炭纖維連續(xù)運(yùn)行過程中，不能完全提供好氧和厭氧交替的環(huán)境，使得聚磷菌的有氧呼吸過程不能很好完成，只能依靠活性炭纖維的吸附截留作用和部分耐鹽凈污菌的同化作用消耗含鹽污水中的磷，因此該工藝對(duì)磷的去處能力有限。

2.4 固定化生物活性炭纖維對(duì)濁度的去除效果

固定化生物活性炭纖維對(duì)含鹽污水濁度處理效果見圖5。從圖5可以看出，BACF對(duì)濁度有較高去除率，且處理效果穩(wěn)定。進(jìn)水的濁度在15.6～50.2 NTU，經(jīng)過處理后含鹽污水濁度下降到1.27～5.62 NTU，平均去除率為90.06%。

圖5 BACF對(duì)含鹽污水濁度去除效果

活性炭纖維比表面積大，吸附性能好，孔徑分布狹窄而均勻，微孔孔徑在1 nm左右，對(duì)不溶性顆粒有機(jī)物和膠體有機(jī)物有良好的截留能力[12-13]。隨著耐鹽凈污菌快速生長(zhǎng)，在活性炭纖維表面上形成生物膜，加快有機(jī)物的降解，有利于有機(jī)物吸附進(jìn)行，使系統(tǒng)對(duì)濁度保持較高去除率。

3 結(jié)論

本研究將篩選分離出的耐鹽凈污菌，經(jīng)過馴化處理后進(jìn)行人工掛膜形成固定化生物活性炭纖維用于含鹽污水的處理。試驗(yàn)結(jié)果表明，固定化生物活性炭纖維對(duì)含鹽污水有較好的處理效果。在系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定后，含鹽污水中CODcr、氨氮、總磷、濁度平均去除率分別達(dá)74.51%、75.59%、38.60%、90.06%。生物活性炭纖維發(fā)揮了活性炭纖維吸附作用和微生物的降解作用，顯著提高其對(duì)污染物的去除率，具有吸附容量大，出水水質(zhì)穩(wěn)定等特點(diǎn)，具有廣泛的應(yīng)用前景。

[1] 王靜，張雨山．大生活用海水生化處理技術(shù)研究進(jìn)展[J]．海洋技術(shù)，2002，21（4）：51-53．

[2] 崔有為，王淑瑩，朱巖，等．海水代用及其含鹽污水的生物處理[J]．工業(yè)水處理，2005，25（10）：1-5．

[3] 楊曄，陸芳，潘志彥，等．高鹽度有機(jī)廢水處理研究進(jìn)展[J]．中國(guó)沼氣，2003，21（1）：22-25．

[4]Miyake Y,Sakoda A,amanashi H,et a1.Activated carbon adsorption of trichloroethylene (TCE)vapor stripped from TCE-contaminated water[J].Water Research,2003,37(8):1852-1858.

[5]Quinlivan P A,Lei L,Knappe D R U.Effects of activated carbon characteristics on the simultaneous adsorption of aqueous organic micropollu-tants and natural organic matter[J].Water Research,2005,39(8):1663-1673.

[6] 蔡巧巧，胡中華，尹艷娥，等．臭氧-生物活性炭纖維處理微污染水源的研究[J]．水處理技術(shù)，2007，27（8）：29-42．

[7]叢俏，肖振林，曲蛟．固定化生物活性纖維處理洗浴廢水的研究[J]．安全與環(huán)境學(xué)報(bào)，2009，9（6）：44-46．

[8]李善評(píng)，李沖，連軍鋒，等．活性炭纖維的改性及其表面特性對(duì)掛膜啟動(dòng)的影響[J]．水處理技術(shù)，2009，35（8）：80-88．

[9]尹艷娥，胡中華，沈新強(qiáng)．生物活性炭纖維對(duì)氨氮、亞硝酸鹽氮的去除及其優(yōu)勢(shì)降解菌的鑒定[J]．環(huán)境科學(xué)研究，2008，21（6）：197-200．

[10]鄭廣寧，徐竟成，朱曉燕．微絮凝強(qiáng)化除磷生物活性炭處理人工景觀水體研究[J]．給水排水，2010，36（1）：122-125．

[11] 邵友元，姚創(chuàng)，汪義勇，等．生物廢水處理中除磷機(jī)理及工藝分析[J]．化學(xué)與生物工程，2007，24（10）：5-8．

[12] 周娟娟，胡中華，劉亞菲，等．生物活性炭纖維的制備及其水處理[J]．新型炭材料，2006，21（1）：64-69．

[13]李文松，金臘華，陳冠宏，等．折流式活性炭纖維生物膜工藝處理景觀水研究[J]．水處理技術(shù)，2009，35（12）：68-72．

Experimental Study on Treatment of Saline Wastewater by Biological Activated Carbon Fiber

ZHANG Xiao-qing,WANG Jing,ZHANG Yu-shan,YANG Bo,JIANG Tian-xiang
（The Institute of Seawater Desalination and Multi-purpose Utilization,SOA,Tianjin 300192,China）

With the increase of seawater utilization,discharge of saline wastewater has been increasing year by year.Effective treatment of saline wastewater become a key element which limits the direct utilization of seawater.Circulating method was used to fix the domesticated salt tolerant micro-organisms to the active carbon fiber.The treatment effect of saline wastewater was investigated using biological activated carbon fiber.The removal efficiency of CODcr,ammonia nitrogen,total phosphorous,turbidity were also studied.When the temperature of saline wastewater was 17～25 ℃,pH was controlled between 7.56～8.12,the average removal rates of CODcr,ammonia nitrogen,TP and turbidity were 74.51%,75.59%,38.60%,90.06%,respectively.Results showed the biological active carbon fiber played both adsorption effect of carbon fiber and degradation function of microorganisms.Biological active carbon had improved pollutant removal efficiency of the saline wastewater signally and had broad prospect of application.

biological activated carbon fiber;saline wastewater;microorganism immobilization

X703.1

A

1003-2029（2011）02-0123-04

2011-03-18

海洋公益性行業(yè)科研專項(xiàng)項(xiàng)目（201105026）；中央級(jí)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)目 （K-JBYWF-2010-G20）

張曉青（1983-），女，福建人，助理工程師，主要從事海水利用技術(shù)研究。

張雨山，Tel：（022）87898171，E-mail:yushanzhang@hotmail.com