Fe3+存在下制漿中段廢水好氧活性污泥的馴化

藍(lán)惠霞 耿士文 李慧潔 王傳路 王曉紅 蘭善紅

(1.青島科技大學(xué)環(huán)境與安全工程學(xué)院，山東 青島，266042;2.南京林業(yè)大學(xué)江蘇省制漿造紙科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京，210037;3.青島科技大學(xué)化工學(xué)院，山東 青島，266042;4.東莞理工學(xué)院化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，廣東 東莞，523808)

制漿中段廢水含大量不易生物降解的木素及其衍生物以及各種添加劑，屬于難處理廢水之一。對制漿中段廢水的處理方法主要包括物化法、生化法、高級氧化法。物化法一般作為生化前的預(yù)處理方法，而高級氧化法由于運(yùn)行費(fèi)用較高，往往用于廢水的深度處理[1-2］。

作為廢水的中心處理單元，生化法運(yùn)行的好壞直接關(guān)系廢水的達(dá)標(biāo)排放和后續(xù)的深度處理費(fèi)用。好氧活性污泥工藝是目前常用的處理制漿中段廢水的生化方法。但如果該系統(tǒng)運(yùn)行條件控制不好，就會(huì)發(fā)生污泥膨脹現(xiàn)象，導(dǎo)致處理效果變差，難以滿足日益嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)。因此對好氧活性污泥強(qiáng)化技術(shù)的研究成為熱點(diǎn)[3-6］，其中利用Fe3+對微生物的強(qiáng)化過程由于操作簡單、費(fèi)用低引起了人們的關(guān)注。生物鐵法可處理的廢水類型很廣，如焦化廢水、高濃度難降解的印染廢水、不同性質(zhì)企業(yè)混合廢水等，采用生物鐵法處理都能獲得較好的處理效果[7-8］。藍(lán)惠霞等人[9］研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，高鐵酸鉀氧化處理廢水后，其還原產(chǎn)物Fe3+具有一定的絮凝性和促進(jìn)微生物生長作用，改善出水水質(zhì)，采用其來強(qiáng)化活性污泥，不僅可以提高有機(jī)污染物的去除率，還可以去除SS。

本實(shí)驗(yàn)研究Fe3+存在下，處理制漿中段廢水的好氧活性污泥馴化過程中對污染物的去除效果以及污泥中微生物活性情況，以期為實(shí)際應(yīng)用提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)用廢水取自山東某造紙廠的制漿中段廢水，該廠生產(chǎn)化學(xué)木漿，漂白采用過氧化氫加二氧化氯。廢水CODCr約1300 mg/L，pH值7.0左右，經(jīng)絮凝預(yù)處理后CODCr約800～900 mg/L。以絮凝后的出水進(jìn)行生化實(shí)驗(yàn)。在馴化過程中添加的營養(yǎng)液組成為:葡萄糖 800 mg/L，硫酸銨 184 mg/L，磷酸二氫鉀70 mg/L，硫酸鎂33 mg/L，氯化鈣66 mg/L，碳酸鈉260 mg/L。接種污泥取自青島某城市污水處理廠曝氣池中的好氧活性污泥。

1.2 分析方法

采用便攜式溶解氧儀 (HQd，HACH，美國)對溶解氧進(jìn)行測定;采用精密pH值試紙對溶液pH值進(jìn)行測定;采用美國HACH公司生產(chǎn)的DR2700型便攜式水質(zhì)分析儀進(jìn)行CODCr測定。

UV-254的測定采用北京普析通用儀器有限責(zé)任公司生產(chǎn)的TU-1901型雙光束紫外可見分光光度計(jì)。UV-254是指在波長為254 nm處的單位比色皿光程下的紫外吸光度，可反映廢水中一些特殊有機(jī)物的含量[10］，本實(shí)驗(yàn)以UV-254的減少率表示實(shí)驗(yàn)所用制漿中段廢水中污染物的去除率。

脫氫酶活性的測定采用TTC(氯化三苯基四氮唑)還原法測定[11］，脫氫酶活性單位定義為:單位體積混合液在單位時(shí)間內(nèi)還原TTC所產(chǎn)生的TF(三苯基甲臜)的毫克數(shù)，單位mg TF/(L·h)。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 Fe3+用量的確定實(shí)驗(yàn)

制作液體培養(yǎng)基1500 mL，培養(yǎng)基組成同1.1中營養(yǎng)液的組成。分裝到6個(gè)錐形瓶中，各200 mL。錐形瓶中 Fe3+濃度分別為 0、10、20、30、40、50 mg/L，調(diào)節(jié)pH值至7.0～7.2，紗布包裹錐形瓶口，滅菌后，接種活化后污泥上清液1 mL至各錐形瓶，置于30℃的振蕩器中振蕩，每1 h測定1次吸光度 (600 nm下，以O(shè)D600表示)，以O(shè)D600為縱坐標(biāo)，時(shí)間為橫坐標(biāo)繪制不同的生長曲線。

1.3.2 好氧活性污泥馴化實(shí)驗(yàn)

采用靜態(tài)間歇式方式進(jìn)行馴化。馴化開始時(shí)，將接種污泥混合液平分成兩部分，分別加入到兩個(gè)3000 mL的大燒杯中進(jìn)行馴化。兩反應(yīng)器中污泥濃度均為4 g/L左右。其中一個(gè)反應(yīng)器加入硫酸鐵，另外一個(gè)反應(yīng)器中不加硫酸鐵作為空白組。pH值控制在7.2左右，溶解氧濃度控制在3～4 mg/L，處理周期為24 h。

馴化過程分別經(jīng)過了6個(gè)階段，在6個(gè)階段過程中，制漿中段廢水體積與營養(yǎng)液體積之比不斷提高，分別為1∶9、2∶8、4∶6、6∶4、8∶2、10∶0。馴化過程各階段比例與時(shí)間如表1所示。

表1 馴化過程各階段比例與時(shí)間

2 結(jié)果與討論

2.1 Fe3+用量的確定

實(shí)驗(yàn)以微生物生長曲線為指標(biāo)，確定實(shí)驗(yàn)過程中Fe3+的用量。Fe3+用量對微生物生長曲線的影響如圖1所示。

從圖1可以看出，不加Fe3+的情況下，微生物在5 h左右進(jìn)入對數(shù)生長期。當(dāng)Fe3+用量為10 mg/L和20 mg/L時(shí)，微生物也均在近5 h進(jìn)入對數(shù)生長期，表明低濃度Fe3+對微生物的刺激生長作用較小。當(dāng)Fe3+用量為30 mg/L、40 mg/L、50 mg/L時(shí)，微生物在4 h左右進(jìn)入對數(shù)生長期，對縮短停滯期和提前進(jìn)入對數(shù)生長期存在積極作用。

圖1 Fe3+對微生物生長曲線的影響

Fe3+用量小于30 mg/L時(shí)，與不投加Fe3+的情況相比，OD600值增加不大，而Fe3+用量為30 mg/L時(shí)，OD600值具有明顯增加，在12 h基本達(dá)到最大(0.615)，表明Fe3+對微生物生長具有較大的刺激作用。Fe3+用量超過30 mg/L，對微生物生長的刺激作用基本上變化不大，甚至更低。Fe3+對活性污泥系統(tǒng)存在促進(jìn)作用，超出范圍促進(jìn)作用減弱甚至可能會(huì)出現(xiàn)抑制作用。

Zavuhi Vardanyan 等人[12］研究了 Fe3+和 Fe2+對細(xì)胞生長的不同影響，結(jié)果表明兩種鐵離子對微生物的影響實(shí)驗(yàn)都需要設(shè)定精確的濃度范圍，表明鐵離子對微生物促進(jìn)作用的直接因素是用量。并進(jìn)一步研究了厭氧環(huán)境中Fe3+濃度對海氏腸球菌 (Enterococcus hirae)生長的影響，結(jié)果表明Fe3+濃度在0.05～2 mmol/L范圍，對海氏腸球菌 (Enterococcus hirae)生長具有刺激作用，可明顯縮短微生物延滯期，提高微生物的比生長速率。

本研究中，F(xiàn)e3+對好氧微生物影響的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，F(xiàn)e3+濃度在0～50 mg/L的范圍內(nèi)，對好氧微生物的生長具有刺激作用，使得延滯期縮短。從效果和經(jīng)濟(jì)性考慮，F(xiàn)e3+濃度取30 mg/L比較合適。

2.2 馴化階段CODCr去除率的變化

馴化階段CODCr去除率的變化如圖2所示。

圖2 馴化過程中CODCr去除率的變化

由圖2可知，在前兩個(gè)階段，即制漿中段廢水與營養(yǎng)液體積比為1∶9和2∶8階段，不論是加Fe3+組還是空白組經(jīng)歷比較短的時(shí)間，CODCr去除率就達(dá)到較高的值，且兩組實(shí)驗(yàn)差別不大。在馴化開始階段，營養(yǎng)液的比例大于制漿中段廢水的比例，活性污泥中以葡萄糖為主要碳源的菌種多于降解制漿中段廢水中有害物質(zhì)的菌種。當(dāng)制漿中段廢水與營養(yǎng)液體積比提高為4∶6，即馴化的第12天，CODCr去除率有較為明顯的下降，經(jīng)過4天的適應(yīng)期，即馴化的第15天，加Fe3+組和空白組CODCr去除率分別為75%和74%左右。在馴化的第16天，制漿中段廢水與營養(yǎng)液體積比提高為6∶4，CODCr的去除率產(chǎn)生了大幅度的下降，一直處于較低水平。出現(xiàn)這種情況的原因是4∶6階段持續(xù)時(shí)間太短，CODCr去除率沒有達(dá)到足夠好，能夠處理制漿中段廢水中有害物質(zhì)的優(yōu)勢菌種數(shù)量不足，另外由于此時(shí)的制漿中段廢水所占比例已經(jīng)高于營養(yǎng)液所占比例，所以產(chǎn)生較高的負(fù)荷沖擊，活性污泥中的以葡萄糖為第一碳源的大部分微生物活性受到抑制甚至死亡，而優(yōu)勢菌由于可利用碳源不足而不能快速生長。但在這個(gè)階段經(jīng)歷20天的馴化后，即在第35天加Fe3+組和空白組CODCr去除率分別達(dá)到84.3%和82.9%。在馴化第36天制漿中段廢水與營養(yǎng)液的體積比提高為8∶2，在此馴化階段的5天內(nèi)，CODCr去除率先下降后上升，雖然制漿中段廢水比例的提高對活性污泥造成了一定沖擊，由于6∶4階段結(jié)束時(shí)大量優(yōu)勢菌已經(jīng)存在，因此這個(gè)階段僅經(jīng)歷了5天，即在馴化的第40天加Fe3+組和空白組CODCr去除率分別達(dá)到80.8%和78.1%。馴化的第41天，制漿中段廢水與營養(yǎng)液的體積比提高為10∶0，即進(jìn)水全部由制漿中段廢水組成，經(jīng)過6天，加Fe3+組和空白組CODCr去除率分別達(dá)到78.2%和76.0%。

整個(gè)馴化過程，加Fe3+組CODCr去除率始終高于空白組，尤其是在制漿中段廢水比例較高時(shí)，兩組CODCr去除率相差比較明顯。Fe3+的存在提高了微生物中酶的活性，同時(shí)促進(jìn)了微生物的生長繁殖，從而使得在Fe3+的存在下，活性污泥對廢水的處理效果有所提升[13］。Qi Zhou 等人[14］的研究中發(fā)現(xiàn) Fe2+和Fe3+的存在，可以大大提高好氧菌綠膿假單胞菌(Pseudomonas aeruginosa)對硝酸鹽和銨鹽的利用率。表明了Fe3+在合適的濃度范圍會(huì)促進(jìn)好氧微生物的代謝活性，這與本研究的結(jié)果相一致。

2.3 馴化階段污染物去除率的變化

馴化過程污染物去除率的變化如圖3所示。馴化結(jié)束后加Fe3+組和空白組出水的紫外可見頻譜圖如圖4所示。

圖3 馴化過程中污染物去除率的變化

圖4 馴化結(jié)束后紫外光可見頻譜圖

由圖3可以看出，污染物去除率的變化趨勢與CODCr去除率的相似。在整個(gè)馴化過程中，加Fe3+組對污染物的去除始終高于空白組，馴化結(jié)束加Fe3+組和空白組的污染物去除率分別為50.0%和37.7%。這主要是由于Fe3+能夠提高微生物中酶的活性，并促進(jìn)活性污泥中優(yōu)勢菌的生長繁殖，從而使得降解廢水中苯環(huán)類物質(zhì)以及大分子物質(zhì)的優(yōu)勢菌富集量大，且酶的活性高。在有機(jī)物的好氧降解過程中，加氧酶和脫氫酶起著重要的作用。加氧酶分為單加氧酶和雙加氧酶，在苯環(huán)類物質(zhì)的開環(huán)反應(yīng)和非極性有機(jī)物的氧化過程中，可以使苯環(huán)通過加氧發(fā)生開環(huán)或非極性烴類物質(zhì)加氧形成醇和酸，有利于后續(xù)在脫氫酶作用下的礦化。Fe2+和Fe3+是許多加氧酶活性中心的組成成分[15-16］，當(dāng)外界環(huán)境中存在適當(dāng)濃度的鐵離子時(shí)，有利于加氧酶活性的提高，從而有利于苯環(huán)類物質(zhì)的開環(huán)反應(yīng)，相應(yīng)地，出水的吸光度 (UV-254值)降低，表現(xiàn)為污染物去除率升高。

脫氫酶在脂肪類極性有機(jī)物的礦化作用及生物體內(nèi)能量的產(chǎn)生過程中起著重要的作用。在有機(jī)物好氧礦化途徑三羧酸循環(huán)過程中，每一步脫酸脫氫的氧化過程均有脫氫酶的參與，因此脫氫酶的活性決定著有機(jī)物的礦化率。Fe2+和Fe3+構(gòu)成脫氫酶活性中心4Fe-4S成分，如琥珀酸脫氫酶、NADH脫氫酶、乙醇脫氫酶等。當(dāng)鐵離子濃度范圍合適時(shí)，對脫氫酶具有活化作用。當(dāng)脫氫酶活性高時(shí)，有利于有機(jī)物的徹底礦化，即出水CODCr降低，CODCr去除率升高。因此在Fe3+的影響下，活性污泥對于制漿中段廢水中的污染物和CODCr去除 (圖1)明顯提高。從圖4中原水、空白組出水和加Fe3+組出水的紫外光可見頻譜圖可以看出，加Fe3+組的250～500 nm處吸光度低于空白組，而空白組又明顯低于原水。

此外三價(jià)鐵化合物作為常用的絮凝劑，對于反應(yīng)器中的有利細(xì)菌起凝聚作用，減少隨排水洗脫的微生物，使反應(yīng)器中微生物量尤其是優(yōu)勢菌的量增加，有利于處理效果的提高。

2.4 Fe3+對活性污泥活性的影響

好氧活性污泥除了微生物的降解作用外，還具有吸附作用 (死細(xì)胞同樣具有吸附作用)，而且Fe3+的加入還具有絮凝作用，對廢水中的污染物質(zhì)具有去除作用，因此僅依據(jù)CODCr去除率和污染物去除率不能真實(shí)反映微生物活性。可通過脫氫酶的活性變化來反映生物降解的真正效果。

Fe3+對脫氫酶活性的影響如圖5所示。

圖5 馴化過程中脫氫酶活性的變化

脫氫酶的活性可以表示活性污泥的活性。由圖5可以看出，在馴化的前3個(gè)階段，無論是空白組還是加Fe3+組，脫氫酶的活性隨著馴化的進(jìn)行逐漸上升。雖然馴化開始階段污染物負(fù)荷有所提升，但總體而言污染物濃度并達(dá)不到很高的程度，此3個(gè)階段營養(yǎng)液比例過半，能夠降解制漿中段廢水的優(yōu)勢菌種不斷繁殖的同時(shí)，依然有大量的只利用葡萄糖的非優(yōu)勢菌存在，且數(shù)量減少不明顯。因此在前3個(gè)階段，隨著馴化的進(jìn)行，脫氫酶的活性不斷升高。

當(dāng)制漿中段廢水與營養(yǎng)液比例達(dá)到6∶4、8∶2的階段，脫氫酶活性呈下降趨勢，活性污泥中微生物的生存環(huán)境發(fā)生了很大變化，突然的沖擊負(fù)荷使得很多只以葡萄糖為碳源的非優(yōu)勢菌被嚴(yán)重抑制甚至死亡，而此時(shí)能夠降解制漿中段廢水中有害物質(zhì)的優(yōu)勢菌還沒有富集到足夠的數(shù)量。而當(dāng)制漿中段廢水占100%后，脫氫酶的活性又明顯提高，由于此時(shí)，只以葡萄糖為碳源的非優(yōu)勢菌已經(jīng)死亡殆盡，而能夠降解制漿中段廢水的優(yōu)勢菌已經(jīng)大量繁殖并有了相當(dāng)?shù)臄?shù)量。

整個(gè)馴化過程加Fe3+組脫氫酶活性高于空白組。Fe3+是構(gòu)成脫氫酶中鐵氧化還原蛋白或鐵硫蛋白的主要成分，F(xiàn)e3+的存在，一方面有利于細(xì)菌中脫氫酶的合成，使得脫氫酶濃度及活性增加;另一方面Fe3+刺激微生物的生長，使微生物量增加，又可進(jìn)一步增加脫氫酶活性。脫氫酶直接影響生物氧化過程，脫氫酶活性及濃度的增加，會(huì)使活性污泥系統(tǒng)的代謝活性增加，從而提高活性污泥系統(tǒng)的處理效果。

3 結(jié)論

3.1 Fe3+用量對微生物生長曲線影響實(shí)驗(yàn)表明，F(xiàn)e3+用量在0～50 mg/L范圍內(nèi)，對微生物生長均具有刺激生長作用，F(xiàn)e3+最佳用量為30 mg/L。

3.2 制漿中段廢水濃度由低到高對活性污泥進(jìn)行馴化，整個(gè)馴化過程中，加Fe3+組的CODCr和污染物去除率均高于空白組的，馴化結(jié)束后，加Fe3+組和空白組的CODCr去除率分別達(dá)到78.2%和76.0%，污染物去除率分別為50.0%和37.7%。

3.3 整個(gè)馴化過程中，加Fe3+組脫氫酶活性高于空白組，表明Fe3+的存在可以提高活性污泥中微生物酶的活性，具有刺激微生物生長的作用。

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