SBR反應(yīng)器生物強(qiáng)化處理造紙廢水研究

劉娜娜

摘 要：將3株能適應(yīng)于造紙廢水的降解性真菌投入反應(yīng)器，對(duì)活性污泥進(jìn)行生物強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明：生物強(qiáng)化反應(yīng)器的活性污泥廢水處理能力提高，與對(duì)照組相比，曝氣時(shí)間縮短1h。進(jìn)水COD為1 352.15mg/L，生物強(qiáng)化組平均COD去除率為76.05%，對(duì)照組平均COD去除率為71.57%，COD去除率提高6.26%。提高進(jìn)水負(fù)荷至1 651.64mg/L，生物強(qiáng)化組COD去除率為68.70%，對(duì)照組COD去除率為64.09%，COD去除率提高7.19%，反應(yīng)器接入真菌后抗進(jìn)水負(fù)荷沖擊能力提高。當(dāng)進(jìn)水pH改變時(shí)，生物強(qiáng)化組仍具有較高的COD去除率。因此，反應(yīng)器引入真菌后，活性污泥的造紙廢水處理能力提高。

關(guān)鍵詞：生物強(qiáng)化；真菌；活性污泥

中圖分類號(hào) X793 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-7731（2015）05-88-04

Abstract：The effectiveness of bioaugmentation in wastewater treatment was evaluated in a sequencing batch reactor（SBR）which was augmented with three fungi which could be adapted to the degradation of papermaking wastewater.The results show that wastewater treatment capacity of activated sludge increased.Compared with the control group，aeration time shortened 1 hour after the fungi put into SBR. The removal rate of COD was 76.05% which was higher 6.26% than that of antitheses in the condition of influent COD load 1 352.15mg/L and aeration time 6 hours. The removal rate of COD was 68.70% in the fungi bioaugmentation reactor and that was 64.09% in antitheses group when influent load increased to 1 651.64mg/L.The removal rate of COD improved 7.19%.When the influent pH changed，the fungi bioaugmentation reactor had higher COD removal rate.Resist capability of change of pH and influent COD load advanced after the fungi put into SBR.It showed that wastewater treatment capability of activated sludge was strengthened after joined fungi.

Key words：Bioaugmented；Fungi；Activated sludge

生物強(qiáng)化技術(shù)（Bioaugmentation）是指為了提高廢水處理系統(tǒng)的降解能力，在生物處理體系中投加具有特定功能的微生物來(lái)改善原有處理體系的處理效果，從而使廢水的生物降解過(guò)程更具針對(duì)性、高效性[1]。目前，生物強(qiáng)化技術(shù)在廢水治理中的應(yīng)用日益引起人們的關(guān)注。

真菌是生物界中的一個(gè)大類，種類極多，分布范圍非常廣泛，它們?cè)谧匀唤绲奶妓匮h(huán)和氮素循環(huán)中起主要作用[2]。真菌的生態(tài)位決定了它們?cè)趶U水生物處理系統(tǒng)中的數(shù)量及種群結(jié)構(gòu)，其中廢水水質(zhì)是最重要的影響因素，一般認(rèn)為，某些含碳量較高（如高濃度糖類廢水、淀粉廢水和纖維素廢水）、pH較低、溶氧含量較充足的工業(yè)廢水生物處理系統(tǒng)中真菌數(shù)量較多。另外，許多文獻(xiàn)中都報(bào)道了活性污泥的膨脹、生物膜更新緩慢等都與絲狀真菌的異常增殖有關(guān)。真菌在廢水生物處理系統(tǒng)中所起的作用有正反2個(gè)方面，如何采用有效措施發(fā)揮真菌在廢水生物處理中的有益作用，減少真菌對(duì)廢水生物處理的不利影響以及開發(fā)特異性真菌來(lái)解決特殊性質(zhì)的廢水處理問(wèn)題將成為未來(lái)的研究方向之一[3]。

本研究將實(shí)驗(yàn)室篩選得到的具有造紙廢水降解能力的真菌，引入SBR中對(duì)造紙廢水進(jìn)行降解，并研究了利用SBR和生物強(qiáng)化技術(shù)工藝處理造紙廢水的處理效果，考察真菌對(duì)原有活性污泥廢水處理系統(tǒng)的影響，為真菌在SBR法處理造紙廢水中的應(yīng)用提供理論依據(jù)和技術(shù)參考。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

1.1.1 供試菌株 J19、J02、J04、J89-3、J89-5、J89-6、L7401、L7402、L26、L滬、P.ch、蘇平、云芝、香菇，14株真菌均為實(shí)驗(yàn)室保藏菌株。取實(shí)驗(yàn)室斜面保藏的14株真菌接入滅菌PDA平板培養(yǎng)6d，挑取菌絲接入裝有250mL滅菌PDA培養(yǎng)液的500mL三角瓶中，于28℃，110r/min恒溫振蕩培養(yǎng)7d得到菌絲球。將上述14株真菌菌絲球按5%的接種量接入裝有200mL廢水培養(yǎng)基的500mL三角瓶中，培養(yǎng)7d后，測(cè)定COD及菌體濕重，計(jì)算COD去除率和菌體增重率，其中對(duì)COD去除效果較好的菌株有云芝、蘇平、J89-5、J04。選擇云芝、蘇平、J89-5菌株作為生物強(qiáng)化的菌種。

1.1.2 廢水及活性污泥 造紙廢水取自河南省新鄉(xiāng)市某造紙廠。廢水成分復(fù)雜，含有COD、BOD、SS、木質(zhì)素、氯化物、硫化物和揮發(fā)酚等多種成分，呈棕黑色濁狀，COD高達(dá)125 062.8mg/L，pH為7.0～8.0，引入SBR反應(yīng)器前需進(jìn)行稀釋。活性污泥取自河南省新鄉(xiāng)市某造紙廠污水處理站沉淀池，其工藝為水解酸化-好氧生物工藝。

1.1.3 實(shí)驗(yàn)器材 752紫外分光光度計(jì)（上海第三分析儀器廠）、TL-1A污水COD速測(cè)儀（承德市華通環(huán)保儀器廠）、SartφriusBS110S電子天平（北京塞多利斯天平有限公司）、LRH-250-A生化培養(yǎng)箱（廣東醫(yī)療器械廠）、MJX-250Ⅰ霉菌培養(yǎng)箱（廣東醫(yī)療器械廠）、HZQ-F160全溫振蕩箱（哈爾濱東聯(lián)電子技術(shù)開發(fā)有限公司）、LMQ.R-4060全自動(dòng)滅菌器（山東新華醫(yī)療器械股份有限公司）、SZX型超凈工作臺(tái)、Nikon顯微鏡、101A型電熱鼓風(fēng)干燥箱（天津泰斯特儀器有限公司）、SBR反應(yīng)器等。其中SBR[4]裝置為自制，如圖1所示。反應(yīng)器主體SBR槽為一圓柱形容器，高50cm，直徑10cm，總?cè)莘e4L，有效容積3L，在反應(yīng)器側(cè)壁1L、2L、3L處有出水口，在反應(yīng)器底部連接燒結(jié)砂芯作為曝氣頭，外部與空氣壓縮機(jī)相連。

用人工配制營(yíng)養(yǎng)液和造紙廢水對(duì)活性污泥進(jìn)行異步培養(yǎng)馴化，經(jīng)過(guò)22d 44次的循環(huán)運(yùn)行，污泥馴化過(guò)程完成。反應(yīng)器污水處理能力良好，COD去除率較高且穩(wěn)定，COD去除率平均值達(dá)80%以上。反應(yīng)器運(yùn)行效果已達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。反應(yīng)器在26℃恒溫下運(yùn)行，周期為8.5h，工藝參數(shù)為：進(jìn)水10min，曝氣反應(yīng)7h，沉降30min，出水和閑置50min。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法 COD[5]：重鉻酸鉀法；MLSS、MLVSS、出水SS[6]：重量法；SV30：量筒法[7]；菌絲生物量的測(cè)定：參照文獻(xiàn)[8]的方法進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

將通過(guò)篩選得到的降解性真菌云芝、蘇平、J89-5分別接入滅菌PDA培養(yǎng)液中擴(kuò)大培養(yǎng)，收集對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期的濕菌體，按濕重1g/L投入反應(yīng)器。反應(yīng)器有效容積為3L，將3株真菌各1g投入反應(yīng)器中，為真菌生物強(qiáng)化組。并設(shè)另一個(gè)相同條件不投入真菌的反應(yīng)器為對(duì)照組，考察真菌對(duì)活性污泥的強(qiáng)化作用。

2.1 真菌強(qiáng)化反應(yīng)器的COD去除率及活性污泥性質(zhì)的變化 將真菌引入反應(yīng)器，進(jìn)水COD為1 352.15mg/L，先運(yùn)行2周期，待真菌強(qiáng)化反應(yīng)器運(yùn)行穩(wěn)定，在穩(wěn)定之后的9周期內(nèi)，測(cè)定真菌生物強(qiáng)化組與對(duì)照組出水COD、出水SS，考察接菌后活性污泥廢水處理效果是否提高，測(cè)定MLSS、SV30、MLVSS、SVI考察真菌的接入對(duì)活性污泥的影響。各周期COD去除率如圖3所示。生物強(qiáng)化組整體上較對(duì)照組COD去除率高，生物強(qiáng)化組平均COD去除率為76.05%，對(duì)照組平均COD去除率為71.57%，真菌生物強(qiáng)化組較對(duì)照組COD去除率提高了6.26%。說(shuō)明接入真菌后SBR體系對(duì)造紙廢水的有機(jī)物的降解能力提高。

在真菌生物強(qiáng)化組接種真菌菌絲體后，連續(xù)運(yùn)行5個(gè)周期，待反應(yīng)器性能穩(wěn)定，測(cè)定一個(gè)周期內(nèi)曝氣反應(yīng)階段COD變化，考察真菌生物強(qiáng)化組廢水處理速度是否提高，結(jié)果如圖4所示。結(jié)果表明，在整個(gè)曝氣反應(yīng)階段，真菌生物強(qiáng)化組的COD去除率始終高于對(duì)照組，說(shuō)明造紙廢水降解性真菌引入反應(yīng)器后，使反應(yīng)器處理造紙廢水有機(jī)污染物的速度加快，在6h時(shí)就達(dá)到了最高COD去除率，較不加菌的對(duì)照組縮短1h。在較短時(shí)間內(nèi)就達(dá)到較好的廢水處理效果，節(jié)約生產(chǎn)成本。

接入造紙廢水降解性真菌后，SBR對(duì)造紙廢水的有機(jī)物的降解能力提高，而且處理速度加快，這都是由于引入的3株真菌云芝、蘇平、J89-5對(duì)造紙廢水具有降解能力，能將難降解的大分子物質(zhì)降解為小分子，這些較易被降解的小分子又可被活性污泥中的其他細(xì)菌、真菌降解，從而表現(xiàn)為反應(yīng)器整體COD去除能力提高。

真菌生物強(qiáng)化組平均出水SS為35.46mg/L，對(duì)照組平均出水SS為41.25mg/L，表明接入真菌使出水水質(zhì)有所提高。這是由于真菌菌絲的纏繞生長(zhǎng)可將一些細(xì)小污泥顆粒及碎片包裹，減少了出水中的細(xì)小污泥顆粒，增大了污泥的沉降性能，提高出水水質(zhì)。

反應(yīng)器中引入造紙廢水降解性真菌后，活性污泥性質(zhì)變化如表1所示。真菌生物強(qiáng)化組MLSS和MLVSS都增加，說(shuō)明真菌在反應(yīng)器中定殖，成為活性污泥系統(tǒng)的組成部分，使污泥量增加，也使污泥中的活性微生物增加。真菌生物強(qiáng)化組污泥SV30和SVI都有所增加，是因?yàn)檎婢纳L(zhǎng)使污泥量增加，污泥量增多使SV30和SVI有所增加，但數(shù)值仍在正常范圍之內(nèi)，污泥具有良好的沉降性能，泥水分離迅速，出水水質(zhì)良好，適量真菌的引入并不會(huì)導(dǎo)致污泥膨脹。在一定的污泥量下，SVI值能較好地反映活性污泥的松散程度和凝聚、沉降性能。SVI值過(guò)高則污泥沉降比大，說(shuō)明污泥難于沉降分離，污泥有膨脹的趨勢(shì)或已處于膨脹狀態(tài)；SVI值過(guò)低，說(shuō)明污泥顆粒細(xì)小緊密，無(wú)機(jī)物多，缺乏活性和吸附能力低。SVI與污泥沉淀性能的定性關(guān)系為：SVI<100，沉降性好；SVI=100～200，沉降性一般；SVI>200，沉降性差[9]。一般生物污水處理中污泥的SVI?？刂圃?0～150為宜。本試驗(yàn)中造紙廢水處理的活性污泥SVI在40左右，進(jìn)一步說(shuō)明真菌引入后真菌及活性污泥均能正常生長(zhǎng)，而其污泥顆粒性能良好，沉降性能良好，沒(méi)有發(fā)生污泥膨脹。

2.2 真菌強(qiáng)化反應(yīng)器對(duì)高進(jìn)水負(fù)荷廢水的處理能力 鑒于廢水排放的不可預(yù)測(cè)性，造紙廢水的COD變化比較大，會(huì)對(duì)SBR產(chǎn)生沖擊。將進(jìn)水負(fù)荷由1 352.15mg/L提高至1 651.64mg/L，考察生物強(qiáng)化后在高進(jìn)水負(fù)荷下反應(yīng)器對(duì)廢水的處理效果及活性污泥性能。測(cè)定真菌生物強(qiáng)化組與對(duì)照組14周期內(nèi)的MLSS、MLVSS、出水SS、SV30、SVI、出水COD，并計(jì)算COD去除率，結(jié)果如圖5。運(yùn)行14個(gè)周期，生物強(qiáng)化組平均出水COD為529.60mg/L，平均COD去除率為68.70%，對(duì)照組平均出水COD為618.44mg/L，平均COD去除率為64.09%。生物強(qiáng)化組較對(duì)照組COD去除率提高7.19%。結(jié)果表明，真菌強(qiáng)化反應(yīng)器在提高負(fù)荷時(shí)處理能力仍然高于對(duì)照反應(yīng)器，且抗進(jìn)水負(fù)荷的能力較強(qiáng)。進(jìn)水負(fù)荷提高后，造紙廢水降解性真菌受污染物毒性的限制小，對(duì)營(yíng)養(yǎng)要求不高，抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)，能將不易降解的大分子物質(zhì)降解為易降解的小分子物質(zhì)，這些小分子物質(zhì)再被活性污泥中的其他細(xì)菌、真菌降解，從而提高真菌強(qiáng)化反應(yīng)器在高進(jìn)水負(fù)荷下的COD去除能力。

真菌強(qiáng)化反應(yīng)器平均出水SS為49.57mg/L，對(duì)照組平均出水SS為50.36mg/L。說(shuō)明真菌強(qiáng)化組與對(duì)照組出水SS均較好，出水水質(zhì)良好。雖然進(jìn)水負(fù)荷提高，但由于造紙廢水降解性真菌受污染物毒性的限制小，抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)，菌絲在高進(jìn)水負(fù)荷下仍能生長(zhǎng)，可將一些細(xì)小污泥顆粒及碎片包裹，從而增大了污泥的沉降性能，提高了出水水質(zhì)。

表2為運(yùn)行14個(gè)周期后活性污泥的性質(zhì)比較。真菌強(qiáng)化反應(yīng)器的活性污泥MLSS，MLVSS值均比對(duì)照組有所增加，說(shuō)明提高進(jìn)水負(fù)荷并不影響反應(yīng)器中真菌的正常生長(zhǎng)，真菌的生長(zhǎng)使污泥量增加，也使污泥中的活性微生物增加。與提高負(fù)荷前進(jìn)行比較，提高負(fù)荷后，真菌強(qiáng)化組較對(duì)照組MLSS增加11.56%，MLVSS增加33.42%，提高負(fù)荷前，真菌強(qiáng)化組較對(duì)照組MLSS增加5.62%，MLVSS增加43.19%。說(shuō)明提高負(fù)荷后污泥生長(zhǎng)比提高負(fù)荷前污泥生長(zhǎng)快，造紙廢水降解性真菌能利用高進(jìn)水負(fù)荷中的有機(jī)物，將其轉(zhuǎn)化為自身的生物量，同時(shí)能將不易降解的大分子物質(zhì)降解為易降解的小分子物質(zhì)，這些小分子物質(zhì)再被活性污泥中的其他細(xì)菌、真菌利用，進(jìn)而促進(jìn)活性污泥的生長(zhǎng)。真菌強(qiáng)化反應(yīng)器中污泥SV30和SVI都有所增加，是因?yàn)檎婢纳L(zhǎng)使污泥量增加，污泥量增多使SV30和SVI有所增加。與提高負(fù)荷前進(jìn)行比較，提高負(fù)荷后，真菌強(qiáng)化組較對(duì)照組SV30增加40.47%，SVI增加23.31%，提高負(fù)荷前，真菌強(qiáng)化組較對(duì)照組SV30增加13.98%，SVI增加7.92%（表2）。說(shuō)明提高負(fù)荷后由于活性污泥的快速生長(zhǎng)，使污泥沉降性能下降，但數(shù)值仍在正常范圍之內(nèi)，污泥仍具有良好的沉降性能，沒(méi)有引起污泥膨脹。

2.3 真菌強(qiáng)化反應(yīng)器對(duì)進(jìn)水pH變化的緩沖能力 在生物處理過(guò)程中，適宜微生物生長(zhǎng)的最大pH范圍一般為4～9，最佳pH范圍為6.5～8.5。細(xì)菌在pH呈弱堿性環(huán)境中生長(zhǎng)最好，而藻類和真菌在pH呈弱酸性時(shí)生長(zhǎng)最好[10]。但造紙廢水具有較強(qiáng)的堿性，并且因?yàn)樯a(chǎn)過(guò)程中各種因素的影響，造紙廢水pH波動(dòng)比較大。為了考察在不同進(jìn)水pH條件下真菌強(qiáng)化反應(yīng)器的廢水處理能力，通過(guò)加酸、加堿來(lái)調(diào)節(jié)進(jìn)水的pH，測(cè)定在不同進(jìn)水pH條件下反應(yīng)器的COD去除能力，考察真菌強(qiáng)化反應(yīng)器對(duì)進(jìn)水pH變化的緩沖能力。

不同進(jìn)水pH條件下反應(yīng)器的COD去除率，如表3所示。結(jié)果表明，無(wú)論是真菌生物強(qiáng)化反應(yīng)器還是對(duì)照反應(yīng)器，進(jìn)水pH的變化都會(huì)影響廢水的COD去除率，反應(yīng)器對(duì)中性pH的進(jìn)水COD去除率最高，進(jìn)水pH向酸性或堿性變化，COD去除率都有一定下降，向酸性變化時(shí)的影響更大。但這種影響對(duì)生物強(qiáng)化反應(yīng)器和對(duì)照反應(yīng)器的影響存在差異，當(dāng)pH降低至6.0時(shí)，對(duì)照組的COD去除率下降3.75%，而強(qiáng)化組下降1.32%；當(dāng)pH增加至8.0時(shí)，對(duì)照組的COD去除率下降3.15%，而強(qiáng)化組下降1.94%。數(shù)據(jù)表明進(jìn)水pH向酸、堿變化對(duì)強(qiáng)化組的影響顯著小于對(duì)照組，說(shuō)明真菌強(qiáng)化反應(yīng)器有比對(duì)照組更好的抗酸堿變化的緩沖能力，而且真菌強(qiáng)化反應(yīng)器在進(jìn)水為中性及偏酸性時(shí)的COD去除率高，抗酸堿變化的緩沖能力強(qiáng)。因?yàn)檎婢m宜在pH呈中性及偏酸性條件下生長(zhǎng)，當(dāng)進(jìn)水pH為6.0、7.0時(shí)，反應(yīng)器中的pH適宜真菌的生長(zhǎng)。造紙廢水降解性真菌迅速生長(zhǎng)，將難降解的大分子物質(zhì)降解為小分子，這些較易被降解的小分子又可被活性污泥系統(tǒng)降解，從而表現(xiàn)為反應(yīng)器整體COD去除能力提高。

3 結(jié)論

由本次實(shí)驗(yàn)可知，將云芝、蘇平、J89-5這3株真菌菌絲體培養(yǎng)物直接接種到SBR系統(tǒng)中進(jìn)行強(qiáng)化處理，結(jié)果表明反應(yīng)器對(duì)COD的去除能力、反應(yīng)速度及對(duì)pH變化的緩沖能力都有顯著提高，3株造紙廢水降解性真菌對(duì)造紙廢水活性污泥具有生物強(qiáng)化作用。在進(jìn)水COD為1 352.15mg/L時(shí)，真菌生物強(qiáng)化反應(yīng)器的COD去除率較對(duì)照組提高6.26%，在相同出水質(zhì)量下反應(yīng)時(shí)間可以縮短1h。提高進(jìn)水負(fù)荷至1 651.64mg/L，生物強(qiáng)化反應(yīng)器的COD去除率較對(duì)照組提高7.19%，說(shuō)明接種真菌明顯提高了反應(yīng)器的處理能力，對(duì)進(jìn)水負(fù)荷及pH變化的緩沖能力都有所改善。適量引入真菌菌絲體，在提高污泥活性的同時(shí)，污泥SVI、SV30、MLSS、MLVSS都有所增加，說(shuō)明外源真菌的引入增加了污泥中的生物量，但污泥參數(shù)值仍在正常范圍之內(nèi)，適量真菌的引入并不會(huì)導(dǎo)致污泥膨脹。

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（責(zé)編：張宏民）