優(yōu)勢降解菌群強化好氧顆粒污泥處理制漿廢水

成佳琪 陳元彩 陳洪雷 付時雨 詹懷宇

(華南理工大學制漿造紙工程國家重點實驗室，廣東廣州，510640)

優(yōu)勢降解菌群強化好氧顆粒污泥處理制漿廢水

成佳琪 陳元彩 陳洪雷 付時雨 詹懷宇

(華南理工大學制漿造紙工程國家重點實驗室，廣東廣州，510640)

以土壤桿菌、桿狀菌、腸桿菌、戈登氏菌、惡臭假單胞菌和施氏假單胞菌為出發(fā)菌株，利用統(tǒng)計學分析方法分析篩選出對制漿廢水降解作用顯著的4株菌 (土壤桿菌、桿狀菌、戈登氏菌、惡臭假單胞菌);用篩選得到的優(yōu)勢降解菌群對好氧顆粒污泥進行強化，并用普通好氧顆粒污泥和強化后的好氧顆粒污泥對經厭氧活性污泥處理后的廢水進行深度處理。結果表明，經普通好氧顆粒污泥和強化后的好氧顆粒污泥深度處理后，廢水的CODCr由538 mg/L分別降為213和176 mg/L，色度由375度分別降為206和150度。

優(yōu)勢降解菌群;好氧顆粒污泥;統(tǒng)計學方法;生物活性;制漿廢水

好氧顆粒污泥由于具有好的沉淀性能，沉淀速度可高達10 m/h以上，高的容積負荷，豐富的生物相，高的生物活性，尤其是其致密的結構，對毒性污染物有很強的抗沖擊負荷能力，近年來成為研究的熱點，并已經成功地用于工業(yè)廢水處理，如制漿廢水、漂白廢水等［1］。

在制漿廢水處理過程中起最重要作用的是優(yōu)勢菌種。陳元彩［2］從對芳香烴類有較強降解能力的微生物菌群中篩選出土壤桿菌 (Agrobacterium sp.)、桿狀菌(Bacillus sp.)、腸桿菌 (Enterobacter.Cloacae.)、戈登氏菌 (Gordonia sp.)、施氏假單胞菌 (Pseudomonas stutzeri.)、惡臭假單胞菌 (Pseudomonas putida.)，采用部分因子分析 (FFD)，通過對6種菌株的有效組合處理廢水，廢水中總有機碳 (TOC)降解率提高到97%。

然而，有關將好氧顆粒污泥進行生物強化［3］的實驗目前國內外還沒有報道，筆者試圖從這個角度出發(fā)，找到一個更加低碳環(huán)保的處理廢水方法。本研究的目的是選擇降解制漿廢水的優(yōu)勢降解菌群，用優(yōu)勢降解菌群對好氧顆粒污泥進行強化，并用普通好氧顆粒污泥和強化后的好氧顆粒污泥深度處理經厭氧活性

1 實驗

1.1 原料

廢水:由硫酸鹽法竹漿洗漿廢水及D(ClO2)、Q(螯合)、P(H2O2)三段漂白廢水混合而成，CODCr為1325 mg/L，這兩種廢水均在實驗室制得。

供試菌:土壤桿菌、桿狀菌、腸桿菌、戈登氏菌、惡臭假單胞菌、施氏假單胞菌。

培養(yǎng)基:Nutrient Broth培養(yǎng)基，牛肉膏3.0 g/L，胰蛋白胨5.0 g/L;Yeast Extract Glucose培養(yǎng)基，葡萄糖10.0 g/L，酵母粉10.0 g/L;Bacterium Medium培養(yǎng)基，牛肉膏1.5 g/L，葡萄糖1.0 g/L，胰蛋白胨6.0 g/L，酵母粉3.0 g/L;Trypticase Soy Broth培養(yǎng)基，酪蛋白17.0 g/L，KH2PO42.5 g/L，葡萄糖2.5 g/L，大豆粉3.0 g/L，NaCl 5.0 g/L;LB培養(yǎng)基，酵母提取物5 g/L，蛋白胨10 g/L，NaCl 5 g/L。以上培養(yǎng)基均由無機鹽溶液配制，并在121℃下滅菌15 min。土壤桿菌、桿狀菌和腸桿菌利用Nutrient Broth培養(yǎng)基培養(yǎng)，戈登氏菌利用Yeast Extract Glucose培養(yǎng)基培養(yǎng)，施氏假單胞菌利用Trypticase Soy Broth培養(yǎng)基培養(yǎng)，惡臭假單胞菌利用Bacterium Medium培養(yǎng)基培養(yǎng)。

厭氧活性污泥，由廣西貴糖集團股份有限公司提供;好氧顆粒污泥，實驗室儲藏。

1.2 實驗及檢測方法

1.2.1 統(tǒng)計學分析方法構建優(yōu)勢降解菌群

以土壤桿菌、桿狀菌、腸桿菌、戈登氏菌、惡臭假單胞菌和施氏假單胞菌為出發(fā)菌株，首先利用統(tǒng)計學分析方法，包括部分因子分析 (FFD)、最陡爬坡法 (SAM)和響應面分析，篩選出對制漿廢水降解作用顯著的菌群，分別為土壤桿菌、桿狀菌、戈登氏菌、惡臭假單胞菌。

1.2.2 好氧顆粒污泥的強化

將篩選出的4種優(yōu)勢降解菌群按照統(tǒng)計實驗所確定的濃度轉移至300 mL錐形瓶中，加入100 mL新鮮LB培養(yǎng)基和0.5 g絕干的好氧顆粒污泥，30℃振蕩培養(yǎng) (150 r/min)24 h，使菌體附著固定到好氧顆粒污泥上，在3000 r/min下離心5 min，棄上清液，用磷酸鹽緩沖液 (PBS)洗滌1次，備用。

1.2.3 制漿廢水的生物處理

(1)厭氧生物處理 取200 mL廢水于500 mL錐形瓶中，加入1 g絕干厭氧活性污泥，密封，30℃振蕩培養(yǎng) (150 r/min)3天，在3000 r/min下離心5 min，得到厭氧活性污泥處理后的廢水，處理后廢水CODCr及色度分別為538 mg/L，375度。收集厭氧污泥，用PBS緩沖液洗滌2次，于4℃下保存。

(2)好氧生物處理 將厭氧活性污泥處理后的廢水分為2份，每份100 mL，分裝到2個300 mL的錐形瓶中，分別加入0.5 g強化后和普通的絕干好氧顆粒污泥，30℃振蕩培養(yǎng) (150 r/min)3天，然后檢測廢水CODCr及色度。

廢水的色度采用鉻鈷比色法測定，CODCr測定采用HACH COD測定儀，美國哈希 (HACH)公司。

好氧顆粒污泥基本參數的測試方法如下:粒徑采用顆粒粒度分析儀測定，沉降速度采用重力沉降法［4］測定，密度采用標準法［5］測定，污泥容積指數(SVI)采用標準法［6］測定，蛋白質 (PN)采用蒽酮-硫酸法［7］測定，多糖 (PS)采用苯酚-硫酸法［8］測定。

2 結果與討論

2.1 優(yōu)勢菌群的確定

本實驗從6株細菌中篩選出幾種菌株并組合成菌群，用以降解制漿廢水的CODCr。這部分工作參考陳洪雷等［9］在這方面的一些做法。

首先通過FFD實驗，篩選出4株對降解廢水CODCr具有較大貢獻的菌株。圖1是對不同應變組合的影響下Rmax的正態(tài)概率圖，離正態(tài)概率線 (圖中直線)較近的點 (黑色圓點)的影響不顯著，可以忽略不計，有重要影響的是那些遠離正態(tài)概率線的點，這些影響因子對降解制漿廢水CODCr有重要貢獻。

圖1 不同應變菌株組合影響下Rmax的正態(tài)概率圖

從圖1可以看出，單一菌株如土壤桿菌 (A，p=0.015)、桿狀菌 (B，p=0.016)、戈登氏菌 (D，p=0.007)和惡臭假單胞菌 (F，p=0.016)對降解CODCr有重要的意義;對其他的菌株進行水平測試，并沒有產生顯著的影響。此外，在這個模型中有4種組合菌群的作用顯著，分別是 BD(p=0.047)，AB(p=0.048)，AD(p=0.029)和 AE(p=0.044)。在具有顯著作用的菌群組合中，只有BD是對Rmax產生積極的影響，其他的都是消極的。

以FFD實驗中的中心點實驗為起始實驗，4種菌株的細胞濃度按照不同的幅度逐漸增加。用最陡爬坡法快速接近各菌株在廢水處理過程中的最優(yōu)細胞濃度值。在此基礎上運用響應曲面分析方法進行進一步優(yōu)化。建立了一個二次模型檢測廢水CODCr的去除率。響應面圖可以預測不同檢測菌株水平下廢水CODCr的去除率，輪廓圖可以用于鑒定菌株之間的交互作用類型。圓形的輪廓圖說明相應菌株之間的交互作用不顯著，而橢圓形或鞍形的輪廓圖表示相應菌株之間的交互作用具有較強的顯著性。桿狀菌和惡臭假單胞菌的二維輪廓圖如圖2所示。由響應面曲線圖可以判定兩種菌株的交互作用并確定它們的最優(yōu)值。由圖2可知，B(桿狀菌)和F(惡臭假單胞菌)的二維輪廓圖為橢圓形的，說明二者的交互作用對去除廢水CODCr有顯著性影響。

表1 好氧顆粒污泥和厭氧活性污泥的性能比較

圖2 桿狀菌和惡臭假單胞菌的二維輪廓圖

研究表明，當各菌株在廢水中的細胞濃度(OD600)分別為:0.35(土壤桿菌)、0.38(桿狀菌)、0.43(戈登氏菌)、0.38(惡臭假單胞菌)時，菌株對廢水CODCr的降解效果最優(yōu)。驗證結果顯示，CODCr的去除率為 (67.0±0.5)%，與模型預測值66.7%非常接近。

2.2 好氧顆粒污泥的性質

本實驗采用實驗培養(yǎng)的好氧顆粒污泥，好氧顆粒污泥培養(yǎng)成熟后，與參考文獻 ［10］中厭氧活性污泥的性質進行比較，結果見表1。

從表1可以看出，好氧顆粒污泥的平均粒徑比厭氧活性污泥的略大;沉降速度為54.8 m/h，但低于厭氧活性污泥最大的沉降速度77.8 m/h;好氧顆粒污泥的SVI則大于厭氧活性污泥的。SVI和沉降速度反映了顆粒污泥的沉降性能，SVI值越低，表明污泥的沉降性能越好。顆粒污泥的沉降速度與顆粒的大小和結構有關。厭氧活性污泥的最低密度1.090 g/m3大于好氧顆粒污泥的1.017 g/m3。結果表明，厭氧活性污泥結構密實，沉降性能好，好氧顆粒污泥的沉降性能差。這是因為在常規(guī)曝氣條件下，污泥首先會形成直徑較大的蓬松顆粒污泥，由于好氧條件下的氧氣濃度大于厭氧條件下的，污泥在氧氣濃度較高的環(huán)境中逐漸變得蓬松，含水率增加，沉降速度降低。顆粒污泥的密度越大，含水率越低，在同樣的體積下，所含的生物量越多，沉降性能越好。

2.3 制漿廢水的生物強化

制漿廢水經厭氧活性污泥處理后再分別用普通好氧顆粒污泥和強化后的好氧顆粒污泥進行深度處理，深度處理后廢水的UV-VIS光譜圖見圖3。

圖3 好氧顆粒污泥處理后廢水的UV-VIS光譜

由圖3可知，經強化后的好氧顆粒污泥處理后的廢水，在220～500 nm處的吸光度明顯低于普通好氧顆粒污泥處理后的廢水，好氧顆粒污泥經優(yōu)勢降解菌群強化后，降解廢水的能力得到提高。

2.4 廢水色度和CODCr檢測

為了進一步證明經優(yōu)勢降解菌群強化后的好氧顆粒污泥的作用效果，設計4組對照實驗，分別是對照廢水樣 (未經好氧顆粒污泥深度處理的廢水)、添加普通好氧顆粒污泥的廢水樣、添加滅活的優(yōu)勢降解菌群強化后的好氧顆粒污泥的廢水樣及添加優(yōu)勢降解菌群強化后的好氧顆粒污泥的廢水樣，結果如圖4所示。

圖4 廢水色度和CODCr隨處理時間的變化

與對照組相比，其他3組廢水的色度和CODCr含量均有較明顯的下降。與添加普通好氧顆粒污泥的廢水樣相比，添加優(yōu)勢降解菌群強化后好氧顆粒污泥的廢水樣的色度由375度降至150度，而前者則高達206度;CODCr含量由538 mg/L降為176 mg/L，而前者為213 mg/L。說明添加了優(yōu)勢降解菌群強化后的好氧顆粒污泥對廢水處理有明顯的促進作用。

為了進一步證明經優(yōu)勢降解菌群強化好氧顆粒污泥的生物活性，設計了添加滅活的優(yōu)勢降解菌群強化的好氧顆粒污泥廢水樣。實驗表明，經優(yōu)勢降解菌群強化后好氧顆粒污泥的降解作用比滅活的優(yōu)勢降解菌群強化的好氧顆粒污泥有明顯的增加，說明雖然好氧顆粒污泥有一定的吸附作用，但生物活性作用起的作用更大。

另外，對添加優(yōu)勢降解菌群強化后好氧顆粒污泥的廢水樣處理前后的BOD5值進行了檢測，其值由處理前的110 mg/L降至20 mg/L，廢水BOD5的大量降低同樣說明了添加優(yōu)勢降解菌群強化后的好氧顆粒污泥對制漿廢水處理的作用顯著。

3 結論

以土壤桿菌、桿狀菌、腸桿菌、戈登氏菌、施氏假單胞菌、惡臭假單胞菌為出發(fā)菌種，通過統(tǒng)計學方法分析篩選出4株對廢水CODCr降解具有較大貢獻的菌株，然后運用最陡爬坡法快速接近各菌株在廢水處理過程中的最優(yōu)細胞濃度值，運用響應曲面分析方法進行進一步優(yōu)化。建立了一個二次模型檢測 CODCr的降解率。

3.1 當各菌株在廢水中的細胞濃度(OD600)分別為:0.35(土壤桿菌)、0.38(桿狀菌)、0.43(戈登氏菌)、0.38(惡臭假單胞菌)時，菌株對廢水CODCr的降解效果最優(yōu)。同時實驗結果與預測模型也具有很高的統(tǒng)一性。

3.2 用普通好氧顆粒污泥和經優(yōu)勢降解菌群強化后的好氧顆粒污泥對經厭氧活性污泥處理后的廢水進行深度處理。經普通好氧顆粒污泥和優(yōu)勢降解菌群強化好氧顆粒污泥深度處理后，廢水的CODCr含量由538 mg/L分別降為213和176 mg/L，色度由375度分別降為206和150度。證明投加優(yōu)勢降解菌群在制漿廢水處理上具有顯著的效果。

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Bioaugmentation of Aerobic Granular Sludge with the Preponderant Bacteria Flora for Degradation of Pulping Effluent

CHENG Jia-qiCHEN Yuan-cai*CHEN Hong-leiFU Shi-yu ZHAN Huai-yu
(State Key Lab of Pulp and Paper Engineering，South China University of Technology，Guangzhou，Guangdong Province，510640)
(*E-mail:chenyc@scut．edu．cn)

In this experiment，six strains of bacteria，Agrobacterium sp．，Bacillus sp．，Enterobacter．Cloacae．，Gordonia sp．，Pseudomonas putida．and Pseudomonas stutzeri．were selected as the starting strains in pulping and papermaking wastewater treatment，from treatment efficiency point of view four of the strains Agrobacterium sp．，Bacillus sp．，Gordonia sp．and Pseudomonas putida．were chosen by using statistical analysis method．Then bioaugmentation of aerobic granular sludge was achieved successfully with adding these screened strains．The experiment results demonstrated that the CODCrand chroma of the effluent treated by bioaugumentaion system were 176 mg/L and 150 respectively，they were lower than the CODCr(213 mg/L)and chroma(206)of the effluent without bioaugumentaion system treatment．CODCrremoval efficiency increased from 45．1%to 60．0%with bioaugumentaion system treatment．

bioaugmentation;granular sludge;statistical analysis;pulp and paper effluent

X793

A

0254-508X(2011)07-0033-04

成佳琪女士，在讀碩士研究生;主要研究方向:制漿造紙過程廢水的生化處理。

2010-02-22(修改稿)

國家自然科學基金資助項目 (20977033)。污泥處理后的廢水，比較普通好氧顆粒污泥和強化后的好氧顆粒污泥的處理效果。

(責任編輯:陳麗卿)