高效微生物菌群強(qiáng)化抗生素類廢水生物處理研究

陳建發(fā)

(漳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院食品與生物工程系，福建 漳州 363000;農(nóng)產(chǎn)品深加工及安全福建省高校應(yīng)用技術(shù)工程中心，福建 漳州363000)

隨著現(xiàn)代合成工業(yè)的發(fā)展，大量結(jié)構(gòu)復(fù)雜的人工化合物(Xenobiotics)進(jìn)入工業(yè)廢水和城市污水中，使得常規(guī)的廢水生物處理技術(shù)面臨極大挑戰(zhàn)。抗生素生產(chǎn)廢水作為一類成分復(fù)雜、色度高、生物毒性大、含多種抑制物質(zhì)的高濃度難降解有機(jī)廢水，是目前國內(nèi)外工業(yè)污水處理的難點(diǎn)和熱點(diǎn)[1，2]。諸多學(xué)者對此類廢水處理做了大量的試驗(yàn)研究工作，如采用Fenton試劑法、光催化氧化法、臭氧氧化法等[1～4]，由于這些技術(shù)存在占地面積大、投資和處理成本較高、廢水處理達(dá)標(biāo)率較低的缺點(diǎn)，在實(shí)際工程應(yīng)用中受到限制。與傳統(tǒng)活性污泥法相比，高效微生物菌劑技術(shù)的投資費(fèi)用和運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用顯著降低[5]。因此，采用投加高效復(fù)合微生物菌劑的方法，提高廢水生物處理系統(tǒng)的處理效果、運(yùn)行穩(wěn)定性和降低處理成本的生物強(qiáng)化技術(shù)得到了國內(nèi)外學(xué)者的高度重視[6]。

某工業(yè)集中區(qū)內(nèi)污水廠二期提標(biāo)工程采用“水解酸化+改進(jìn)型SBR+臭氧氧化+絮凝沉淀+曝氣生物濾池” 組合技術(shù)處理該區(qū)混合工業(yè)廢水，運(yùn)營實(shí)踐表明：該工藝能達(dá)到《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》( GB 8978～1996)一級排放標(biāo)準(zhǔn)的要求，但其占地面積大、處理效率較低且處理成本較高。隨著環(huán)保執(zhí)法越來越嚴(yán)及土地資源的日益緊張，能否開發(fā)一套針對抗生素廢水經(jīng)濟(jì)有效、處理效率高、節(jié)約用地的污水處理新工藝，一直是污水處理業(yè)界非常關(guān)注的一個(gè)重大課題。

A2O工藝直接處理工業(yè)廢水的報(bào)道較少，特別是以抗生素類制藥為主的工業(yè)廢水未見報(bào)道[7,8]。高效復(fù)合微生物菌群強(qiáng)化處理污水的已有文獻(xiàn)報(bào)道，但以針對生活污水為主[9～12]，據(jù)報(bào)道CODCr的去除率提高幅度為10%左右，對NH3-N的去除效果最好，增幅達(dá)37.62%，對磷去除率增幅約7%[13]；而強(qiáng)化處理工業(yè)廢水極少，趙美云等[14]研究了某高效微生物菌種在用SBR法處理聚酯廢水時(shí)的強(qiáng)化效果與機(jī)理，結(jié)果表明：該高效菌種對降解廢水中的大量長鏈烷烴以及在縮短啟動(dòng)時(shí)間方面有著明顯作用，且可使出水CODCr較普通系統(tǒng)降低100mg/L，去除率提高6%～8%。高效復(fù)合微生物菌群強(qiáng)化處理以抗生素類制藥廢水為主的混合工業(yè)廢水未見報(bào)導(dǎo)。本研究在A2O技術(shù)的基礎(chǔ)上，投加某種高效復(fù)合微生物菌劑，以實(shí)際工業(yè)廢水為試驗(yàn)水質(zhì)，考察該高效復(fù)合微生物菌劑對以抗生素類制藥廢水為主的混合工業(yè)廢水的強(qiáng)化處理效果。

1　試驗(yàn)工藝流程及方法

1.1　試驗(yàn)工藝流程

圖1　試驗(yàn)工藝流程圖

試驗(yàn)工藝流程如圖1所示。在試驗(yàn)裝置中，反應(yīng)器均采用有機(jī)玻璃池體。

為便于研究A2O法強(qiáng)化處理工藝對工業(yè)廢水的處理效果，試驗(yàn)中各單元池體的水力停留時(shí)間參考該污水處理廠的相應(yīng)單元的水力停留時(shí)間，各反應(yīng)器具體尺寸及有效容積如表1所示。各個(gè)反應(yīng)器之間水力連通， 其中帶泥水自動(dòng)分離的好氧池回流至厭氧水解池的污泥量為100% Q(進(jìn)水流量Q=30.0 L/h)，進(jìn)水、污泥回流及加藥均通過統(tǒng)一型號蠕動(dòng)泵實(shí)現(xiàn)。采用鈦鋼加熱棒及智控恒溫系統(tǒng)調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)水溫。

表1　各反應(yīng)器尺寸及水力停留時(shí)間

1.2　高效復(fù)合微生物菌群及接種污泥

試驗(yàn)所用接種污泥直接取自該污水處理廠相應(yīng)處理單元的活性污泥。經(jīng)鏡檢發(fā)現(xiàn)，活性污泥有大量的鞭毛蟲、鐘蟲等原生動(dòng)物和輪蟲等后生動(dòng)物，表明污泥活性很好。

試驗(yàn)所選用的高效微生物菌劑為某環(huán)保公司提供的進(jìn)口污水處理專用高效菌劑。該高效復(fù)合微生物菌群是一種經(jīng)特殊篩選、培育出的特選微生物組成的高效活性微生物菌群，是污水處理、生物修復(fù)的優(yōu)勢產(chǎn)品[15,16]。它適用于厭氧與好氧處理系統(tǒng)，可應(yīng)用于城市生活污水、屠宰廢水、焦化廢水、制革廢水、垃圾滲濾液等污水處理系統(tǒng)。但該高效生物菌劑未應(yīng)用在抗生素廢水處理方面。根據(jù)該公司提供的高效微生物菌劑的使用說明及其他污水實(shí)際處理中經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，確定得出該菌劑的正常使用濃度為0.16g/L (菌劑干重∶廢水量)。

1.3　試驗(yàn)水質(zhì)及試驗(yàn)方法

試驗(yàn)在該工業(yè)區(qū)污水處理廠現(xiàn)場進(jìn)行，參照該污水處理廠化驗(yàn)室的監(jiān)測數(shù)據(jù)，調(diào)節(jié)池出水主要污染物的日平均濃度為：進(jìn)水CODCr339～563mg/L,NH3-N22.7～65.8mg/L、總磷 (TP)5.46～17.4mg/L，pH 6～9。試驗(yàn)裝置的進(jìn)水取自污水處理廠調(diào)節(jié)池隨機(jī)時(shí)段的出水。小試系統(tǒng)經(jīng)過1周調(diào)試成功后，在30L/h的水力負(fù)荷條件下，考察了該高效復(fù)合微生物菌劑的廢水強(qiáng)化處理效果，反應(yīng)器Ⅰ為常規(guī)A2O，反應(yīng)器Ⅱ、Ⅲ為生物強(qiáng)化反應(yīng)器，3個(gè)反應(yīng)器中的活性污泥濃度(MLSS)均為3.6g/L。確定實(shí)驗(yàn)中反應(yīng)器Ⅰ用常規(guī)A2O活性污泥作對照，反應(yīng)器Ⅱ高效菌種濃度為0.16g/L，而Ⅲ號菌種濃度為0.48g/L，探討生物菌劑投加量、水溫對處理效果的影響，并進(jìn)行出水CODCr和NH3-N、TP的濃度與去除率的對比分析。

1.4　檢測項(xiàng)目及分析方法

實(shí)驗(yàn)中檢測的主要污染物指標(biāo)為化學(xué)需氧量(CODCr)和氨氮(NH3-N)、TP 。水質(zhì)的分析均按照《水和廢水監(jiān)測分析方法》( 第四版)的方法[17]測定。

2　結(jié)果與分析

2.1　高效生物菌劑不同投加量對CODCr的去除效果

圖2　高效生物菌劑不同投加量對CODcr的去除效果

由圖2可知，生物強(qiáng)化Ⅱ、Ⅲ出水明顯優(yōu)于常規(guī)A2O出水，說明生物強(qiáng)化比常規(guī)A2O的處理效果好，這是由于高效微生物菌群發(fā)揮了良好的生物降解作用。實(shí)驗(yàn)啟動(dòng)前8天，生物強(qiáng)化Ⅲ出水略優(yōu)于生物強(qiáng)化Ⅱ出水，但第9天開始，生物強(qiáng)化Ⅱ、Ⅲ的出水相近。這表明高效生物菌劑不同的投加量對CODCr的去除效果影響不顯著。這是因?yàn)樵摽股仡悘U水中含有諸如二氧雜環(huán)類和大部分芳香族等化合物在好氧處理中很難開環(huán)，故投加菌量的提高雖然可以生物降解一部分正常情況下無法降解的物質(zhì)，但仍有部分雜環(huán)化合物或芳香族化合物無法被該高效菌種降解，這也是生物強(qiáng)化系統(tǒng)Ⅱ、Ⅲ相比常規(guī)A2O系統(tǒng)的去除率雖有較明顯提高但無法大幅度提高的原因[14]。由此確定，該高效復(fù)合微生物菌劑的最佳投加量為0.16g/L。

2.2　實(shí)驗(yàn)水溫對處理效果的影響

由圖3可知，CODCr處理與水溫變化無明顯規(guī)律。進(jìn)水CODCr濃度為327～563mg/L，平均392mg/L；生物強(qiáng)化系統(tǒng)Ⅱ出水CODCr濃度為85～104mg/L，平均93.7mg/L；水溫10.2～36.6℃，平均水溫24.04℃；CODCr去除效率為68.8%～84.2%，平均去除效率為76.1%。

圖4　CODCr去除效果圖

即使在水溫10.2℃時(shí)，該系統(tǒng)的CODCr處理效率仍然較高，為77.9%，仍高于平均去除效率76.1%。可見，該工藝CODCr處理對水溫變化的緩沖能力很強(qiáng)[18]。

2.3　正常進(jìn)水濃度下的去除效果

2.3.1CODCr的去除

從圖4可明顯看出，啟動(dòng)后的前6天生物強(qiáng)化Ⅱ的處理效率第1天為73.2%，之后逐步提高，到第6天穩(wěn)定在78.4%～82.0%。生物鏡檢發(fā)現(xiàn)，生物強(qiáng)化Ⅱ活性污泥中有大量的鞭毛蟲、鐘蟲等原生動(dòng)物和輪蟲等后生動(dòng)物，表明污泥活性很好。至此，活性污泥的培養(yǎng)馴化階段結(jié)束。

當(dāng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)水CODCr濃度為339～563mg/L，平均460mg/L，常規(guī)A2O出水CODCr濃度為106～129mg/L，平均117mg/L，CODCr去除效率為63.2%～80.5%，平均去除效率為74.8%；生物強(qiáng)化Ⅱ出水CODCr濃度為87～110mg/L，平均98mg/L，CODCr去除效率為69.4%～84.2%，平均去除效率為78.7%，生物強(qiáng)化Ⅱ?qū)ODCr的處理效率比常規(guī)A2O處理效率高3.9%。分析其原因，該高效活性微生物菌群發(fā)揮了很好的生物降解作用。進(jìn)水有機(jī)物濃度波動(dòng)較大，但經(jīng)過處理后，出水水質(zhì)相對穩(wěn)定，該兩工藝的去除率沒有隨負(fù)荷率的提高有大的降低，表現(xiàn)出具有較好的耐受沖擊負(fù)荷能力。這也說明這類廢水中可降解的比例是一定的，而該高效菌種能夠降解的有機(jī)物的種類也是一定的，可以降解一部分在一般情況下無法降解的物質(zhì)，但仍有部分化合物正常情況下很難開環(huán)，無法被該高效菌種降解，因而具有一定的局限性。

以上結(jié)果表明，采用生物強(qiáng)化Ⅱ處理以抗生素類制藥為主的混合工業(yè)廢水，進(jìn)水CODCr濃度在339～563mg/L之間，可以取得良好的有機(jī)物去除效果，而且具有較強(qiáng)的抗沖擊負(fù)荷能力。

2.3.2NH3-N的去除

圖5　NH3-N去除效果圖

圖6　TP去除效果圖

當(dāng)進(jìn)水NH3-N濃度為22.7～65.8mg/L，平均40.9mg/L。常規(guī)A2O出水NH3-N濃度為7.92～14.80mg/L，平均11.84mg/L，NH3-N去除效率為55.4%～80.3%，平均去除效率為71.0%；生物強(qiáng)化Ⅱ出水NH3-N濃度為5.73～10.60mg/L，平均8.06mg/L，NH3-N去除效率為70.2%～86.0%，平均去除效率為80.3%。由此可見，生物強(qiáng)化Ⅱ?qū)H3-N的處理效率比常規(guī)A2O高9.3%。

從圖5明顯看出，生物強(qiáng)化Ⅱ出水優(yōu)于常規(guī)A2O出水，進(jìn)水NH3-N濃度波動(dòng)較大，但經(jīng)過該生物強(qiáng)化工藝處理后，出水水質(zhì)相對穩(wěn)定。分析其原因，該高效活性微生物菌群發(fā)揮了很好的硝化與反硝化作用。

以上分析表明，采用生物強(qiáng)化Ⅱ處理以抗生素類制藥為主的混合工業(yè)廢水，進(jìn)水NH3-N濃度為22.7～65.8mg/L之間，平均40.9mg/L，出水NH3-N濃度為5.73～10.60mg/L，平均8.06mg/L，達(dá)到一級排放標(biāo)準(zhǔn)要求，而且對進(jìn)水NH3-N濃度較大變化范圍的抗沖擊負(fù)荷能力較強(qiáng)。

2.3.3TP 的去除

從圖6可以看出，生物強(qiáng)化Ⅱ的生物除磷效果很好。啟動(dòng)后的前3天生物強(qiáng)化Ⅱ的處理效率在第1天為83.7%，之后逐步提高，到第3天穩(wěn)定在85.0%～93.7%。當(dāng)進(jìn)水TP濃度為5.46～17.4mg/L，平均8.37mg/L，常規(guī)A2O出水TP濃度為0.92～1.46mg/L，平均1.12mg/L，TP去除效率為74.2%～89.8%，平均去除效率為86.3%；生物強(qiáng)化Ⅱ出水TP濃度為0.62～1.03mg/L，平均0.80mg/L，TP去除效率為85.0%～93.7%，平均去除效率為90.4%，表明生物強(qiáng)化Ⅱ工藝對TP的處理效率比常規(guī)A2O高4.1%。顯然，生物強(qiáng)化Ⅱ出水優(yōu)于常規(guī)A2O出水，進(jìn)水濃度波動(dòng)較大，但經(jīng)過該生物強(qiáng)化工藝處理后，出水水質(zhì)相對穩(wěn)定。分析其原因，該高效活性微生物菌群發(fā)揮了很好的生物除磷作用。

試驗(yàn)結(jié)果表明，采用生物強(qiáng)化Ⅱ工藝處理以抗生素類制藥為主的混合工業(yè)廢水，進(jìn)水TP濃度為5.46～17.4mg/L，平均8.37mg/L，出水TP濃度為0.62～1.03mg/L，平均0.80mg/L，而且對進(jìn)水TP濃度較大變化范圍的抗沖擊負(fù)荷能力較強(qiáng)。

3　討論與結(jié)論

傳統(tǒng)活性污泥法是水體自凈的人工強(qiáng)化方法，是一種依靠在曝氣池內(nèi)呈懸浮、流動(dòng)狀態(tài)的微生物群體的凝聚、吸附、氧化分解等作用來去除污水中有機(jī)物的方法，目前已成為城市污水及工業(yè)廢水的有效處理方法和污水生物處理的主流方法。但其在運(yùn)行過程中容易出現(xiàn)污泥膨脹、上浮、產(chǎn)生泡沫及增長異常等問題，為了消除上述反?，F(xiàn)象且進(jìn)一步提高廢水處理效率，可通過投加某種高效復(fù)合微生物菌劑，促進(jìn)活性污泥中群落結(jié)構(gòu)演替和功能優(yōu)化，培養(yǎng)出一個(gè)多種多樣微生物群落，形成一種人工的高效微生物生態(tài)系統(tǒng)，在這個(gè)系統(tǒng)中各種微生物在生長過程中形成相互間的共生增殖關(guān)系，相互作用，相互促進(jìn)，起到協(xié)同的作用，快速分解有機(jī)物，并代謝出抗氧化物質(zhì)，抑制有害微生物的生長、繁殖，并最終通過高效復(fù)合微生物菌和活性污泥中原始菌群的共同作用，實(shí)現(xiàn)污水處理系統(tǒng)效能的提高和完善，從而高效快速生物降解污水[19～21]。

本研究探討了生物強(qiáng)化A2O處理工藝處理難生物降解的抗生素類制藥廢水為主的混合工業(yè)廢水的方法。在進(jìn)水CODCr濃度339～563mg/L，NH3-N濃度22.7～65.8mg/L、TP濃度5.46～17.4mg/L、pH 6～9、設(shè)計(jì)流量30.0L/h 條件下，系統(tǒng)取得了較好的處理效果，其CODCr、NH3-N和TP的平均去除效率分別達(dá)到78.7%%、80.3%和90.4%，出水CODCr、NH3-N和TP的處理效率分別比常規(guī)A2O處理效率高出3.9%、9.3%和4.1%。

與常規(guī)A2O相比，本研究提出的生物強(qiáng)化A2O處理工藝處理效果較佳，更具技術(shù)優(yōu)越性。但是，由于抗生素類制藥廢水的難生物降解特性，生物強(qiáng)化措施并不是特別理想，可精心篩選馴化對此類抗生素廢水降解性更強(qiáng)的菌種或菌群，進(jìn)一步提高生物強(qiáng)化處理效果。

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