優(yōu)勢菌群強化好氧活性污泥處理制漿中段廢水的研究

齊世鑫 楊 達 張 浩 藍惠霞，2，*

（1. 青島科技大學環(huán)境與安全工程學院，山東青島，266042；2. 福建省新型污染物生態(tài)毒理效應與控制重點實驗室，福建莆田，351100）

制漿中段廢水成分復雜、色度較高、可生化性較差［1］，一般采用物化法和生化處理相結合的工藝對其進行處理［2-3］。生化處理中，活性污泥法由于運行方式靈活、費用低、無二次污染等優(yōu)點而被廣泛應用［4］。然而，制漿中段廢水的可生化性差，常規(guī)的好氧活性污泥法不能有效去除廢水中的有機物［5］。

在傳統(tǒng)的活性污泥中加入優(yōu)勢菌，能增強或改善污泥對特定污染物的降解能力，形成一個穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng)，從而縮短曝氣時間，增強處理效果，使出水水質保持穩(wěn)定［6］。黨亞攀等［7］將篩選出的缺陷短波單胞菌投加到好氧活性污泥系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)，制漿中段廢水的CODCr去除率提高了15%以上。熊蔚等［8］將篩選出的6株優(yōu)勢菌用于處理焦化廢水，廢水處理效果顯著提高。優(yōu)勢菌在處理垃圾滲濾液、石化廢水等難降解有機廢水時也有良好的處理效果［9］。優(yōu)勢菌的存在提高了特定污染物的去除效果。混合優(yōu)勢菌（優(yōu)勢菌群）相對于單一的優(yōu)勢菌，具有功能齊全、處理效果明顯等優(yōu)點。孫友友等［10］把篩選出的多個純種菌株混合組成的復合菌群投加到好氧活性污泥系統(tǒng)中處理造紙廢水，處理效果大大改善。這些研究表明，優(yōu)勢菌的加入能促進活性污泥處理廢水的效果，尤其是優(yōu)勢菌群的加入會使廢水處理效果更明顯。但要充分發(fā)揮優(yōu)勢菌群在活性污泥系統(tǒng)中的促進作用，菌群中各菌種的合適比例非常重要。

本課題組在前期工作中通過白水馴化獲得了3株優(yōu)勢菌，分別為B.subtilis、B.cereus和V.pantothenticus，并發(fā)現(xiàn)按35%∶50%∶15%（質量比，下同）比例構建的優(yōu)勢菌群對造紙白水有良好的處理效果［11］。本研究將該菌群用于強化好氧活性污泥以處理制漿中段廢水，考察優(yōu)勢菌群在不同投加量條件下對活性污泥處理廢水效果和對污泥理化特性的影響，以期為實際工程應用提供參考。

1 實 驗

1.1 實驗材料

實驗用水取自山東某造紙廠制漿中段廢水，制漿原料為楊木片，采用硫酸鹽法制漿。廢水呈淺棕黃色，pH 值為 6～7，CODCr約為 800 mg/L。活性污泥取自李村河廢水處理廠二沉池。

1.2 分析方法

CODCr采用COD測定儀（DR1010，美國HACH公司）進行測定；混合液懸浮固體（MLSS）采用重量法測定［12］；用硫酸法提取胞外多聚物，胞外多糖（PS）含量采用苯酚-硫酸法測定［13］。污泥體積指數(shù)（SVI）值采用下述方法計算。

SV30的測定：反應器停止曝氣后，用玻璃棒攪拌均勻，將水樣倒入100 mL 量筒內，沉淀30 min 后，讀取污泥界面所在的刻度，記作mL/L。

MLSS 的測定：將定性濾紙放在烘箱中，溫度調至105℃進行烘干直至質量恒定，記錄質量m0，g。從反應器中取混合污泥100 mL，用濾紙過濾，將過濾后的濾紙放入105℃的烘箱中烘干，記錄質量m1，g。MLSS（g/L）=（m1-m0）/V。

SVI（mL/g）=SV30/MLSS。

1.3 實驗方法

向4個接種污泥量均為3 g/L的燒杯中，分別加入0.1、0.3、0.5和0.9 g/L由B.Subtilis∶B.Cereus∶V.pantothenticus=35%∶50%∶15%比例組成的優(yōu)勢菌群，采用制漿中段廢水對污泥進行馴化，并以不投加優(yōu)勢菌群的體系作為空白對照組。馴化過程經歷了5個階段，制漿中段廢水與營養(yǎng)液體積比分別為2∶8、4∶6、6∶4、8∶2和10∶0，每個階段所經歷的時間分別為8、21、12、12和7天。營養(yǎng)液組成如表1所示。

2 結果與討論

2.1 馴化過程CODCr去除率的變化

采用制漿中段廢水對污泥進行馴化的過程中，CODCr去除率的變化如圖1所示。

圖1 CODCr去除率的變化

由圖1可知，在整個馴化過程中，投加優(yōu)勢菌群體系的CODCr去除率明顯高于不加優(yōu)勢菌群的空白體系；投加優(yōu)勢菌群可以強化好氧活性污泥處理廢水過程，因此其對廢水的處理效果有所提升。當優(yōu)勢菌群投加量為0.3 g/L時，CODCr的去除率達到最大，廢水處理效果最好。投加0.1 g/L和0.5 g/L優(yōu)勢菌群體系的廢水處理效果相近，投加0.9 g/L優(yōu)勢菌群體系的處理效果最差，但也高于空白體系。各優(yōu)勢菌群體系CODCr去除率的變化趨勢基本相同。在馴化第一階段，CODCr的去除率波動較小。之后每進入下一馴化階段，CODCr的去除率先下降，之后又提高，這可能是由于提高廢水的比例，對活性污泥產生了一定的沖擊，但活性污泥能夠較好地適應。將制漿中段廢水與營養(yǎng)液的體積比例提高到8∶2后，CODCr去除率下降幅度較大，可能是因為此時廢水所占比例已經遠高于營養(yǎng)液所占比例，產生較高的沖擊負荷，導致CODCr去除率降低，但活性污泥仍然能較快地適應此配比下的廢水，表明馴化階段基本完成。在整個馴化過程中，投加0.3 g/L的優(yōu)勢菌群體系的CODCr去除率均為最大，而投加0.9 g/L的優(yōu)勢菌群體系中CODCr的去除率僅高于空白體系，這說明優(yōu)勢菌群的投加對活性污泥系統(tǒng)有影響，但并不是投加量越高，處理效果越好。投加量過多時，體系中菌密度過大，單個菌表面產生的活性物質變少，而活性物質可促進菌體對有機物的吸收［14］。因此，投菌量超過一定范圍，不利于廢水中污染物的降解。馴化過程結束后，投加優(yōu)勢菌群的體系中，CODCr去除率分別達到69.2%（0.1 g/L）、72.9%（0.3 g/L）、70.0%（0.5 g/L）和60.7%（0.9 g/L），空白體系CODCr去除率僅為51.8%。

2.2 污泥指標的變化

MLSS 是污泥理化特性的一個重要指標［15］。在制漿中段廢水馴化前后，分別測定了反應體系的MLSS，結果如圖2（a）所示。SVI 可反映污泥的沉降性能［16］，馴化前后的SVI值如圖2（b）所示。

馴化前，空白體系與投加優(yōu)勢菌群體系中的MLSS分別為5.4（空白）、6.1（0.1 g/L）、4.9（0.3 g/L）、6.3（0.5 g/L）和7.2 g/L（0.9 g/L）。馴化后，各體系的MLSS分別為7.1（空白）、9.3（0.1 g/L）、8.6（0.3 g/L）、10.4（0.5 g/L）和10.0 g/L（0.9 g/L）。由圖2（a）可知，優(yōu)勢菌群體系中，MLSS 馴化前后的增幅均高于空白組。這一結果表明，優(yōu)勢菌群的存在使體系具有較強的抗負荷沖擊能力，促進了好氧活性污泥系統(tǒng)中微生物的增殖。

圖2 馴化前后的污泥指標變化：(a)MLSS的變化；(b)SVI值的變化；(c)PS含量的變化

由圖2（b）可知，各體系的好氧活性污泥SVI值均在55～100之間，處在正常范圍內。馴化過程中，隨著制漿中段廢水負荷的提高，有毒有害物質的濃度不斷提高，空白體系中活性污泥的SVI值提高，沉降性下降；在馴化后，投加優(yōu)勢菌群體系的好氧活性污泥SVI值均下降，污泥沉降性保持在較好的范圍內（SVI 值=55～65 mL/g），投加優(yōu)勢菌群各體系的好氧活性污泥沉降性均優(yōu)于空白體系；其中優(yōu)勢菌群投加量為0.3 g/L的體系中好氧活性污泥沉降性最好，投加量為0.1和0.5 g/L的體系次之，投加量為0.9 g/L體系的好氧活性污泥沉降性最差。這一結果與2.1中優(yōu)勢菌群投加量為0.3 g/L時，體系對CODCr去除效果最好的結果相一致。

馴化前后PS 含量的變化如圖2（c）所示。由圖2（c）可以看出，馴化后各體系PS 含量均比馴化前低，且投加優(yōu)勢菌群的各體系PS 含量在馴化前后均小于空白組，優(yōu)勢菌群投加量為0.3 g/L的體系中，PS含量在馴化前后均為最低。研究表明［17］，隨著PS 含量的提高，污泥的親水性能隨之增大，絮凝性能下降。因此，投加優(yōu)勢菌群0.3 g/L體系的污泥絮凝性最好，這與MLSS和SVI值實驗結果相一致。

2.3 處理周期的確定

CODCr去除率隨時間的變化如圖3所示。

圖3 CODCr去除率隨時間的變化

由圖3 可知，出水CODCr去除率達到穩(wěn)定值時（隨處理時間增加，CODCr去除率不再變化），空白組所需處理時間為9 h，優(yōu)勢菌群投加量為0.3和0.5 g/L的體系，所需處理時間均為8 h，比空白體系縮短1 h；優(yōu)勢菌群投加量為0.1和0.9 g/L的體系，所需處理時間為9 h。加入優(yōu)勢菌群后，能夠縮短水力停留時間；優(yōu)勢菌群投加量為0.3 g/L的體系，隨處理時間的增加，CODCr去除率均為最高，增加優(yōu)勢菌群投加量，處理效果反而會下降。尤其是優(yōu)勢菌群投加量為0.9 g/L 時，CODCr去除率下降尤為明顯，可能的原因是，優(yōu)勢菌群投加量較高時，抑制了單個菌表面所能產生的活性物質，且投加的優(yōu)勢菌群及其他游離菌易隨出水流失，引起污泥絮凝結構破壞。

2.4 降解動力學研究

在pH 值為7 的條件下，分別對空白體系和投加優(yōu)勢菌群體系（0.1、0.3、0.5和0.9 g/L）的反應器進行降解動力學研究，并與空白組進行比較。

假設該降解體系符合一級動力學方程：

-dCOD/dt=kCOD

經積分后得到：lnCODt=-kt+lnCOD0

其中，t為反應時間，k為降解速率常數(shù)，COD0為廢水初始CODCr濃度，CODt為廢水在t時刻的CODCr濃度。

對5個體系降解制漿中段廢水動力學數(shù)據(jù)進行處理，做lnCODt～t的關系圖，得到降解動力學擬合曲線，如圖4所示。各體系的降解動力學方程及降解速率常數(shù)見表2。

由圖4和表2可知，投加優(yōu)勢菌群各體系的降解動力學方程，R2均接近0.9000，所以擬合線性關系良好，符合假設，即好氧活性污泥處理制漿中段廢水服從一級降解動力學模型。優(yōu)勢菌群投加量為0.3 g/L體系的降解速率常數(shù)最大，降解速率最快，0.5與0.1 g/L體系的降解速率常數(shù)略小于優(yōu)勢菌群投加量為0.3 g/L的體系，與之前確定處理周期實驗的結果相吻合，再一次說明了投加優(yōu)勢菌群的體系CODCr去除率要高于空白體系。投加優(yōu)勢菌群為0.9 g/L的體系降解速率常數(shù)最低，這表明優(yōu)勢菌的投加量是有閾值的，超過這個閾值反而會影響CODCr的去除效果［18］。這一結果也與馴化過程中各體系對CODCr去除率的結果一致。

圖4 降解動力學擬合曲線

表2 各體系降解動力學方程及降解速率常數(shù)

3 結 論

本課題用實驗室構建的優(yōu)勢菌群B.subtilis∶B.cereus∶V.pantothenticus=35%∶50%∶15%（質量比）強化好氧活性污泥處理制漿中段廢水，研究了優(yōu)勢菌群投加量對廢水處理效果的影響，主要結論如下。

3.1 采用制漿中段廢水對污泥進行馴化的過程中，投加優(yōu)勢菌群體系的CODCr去除率、MLSS和SVI值等污泥理化指標均優(yōu)于空白體系，但污泥絮凝性變差。優(yōu)勢菌群投加量為0.3g/L 體系的廢水處理效果最好，理化特性較優(yōu)，馴化結束后，該投加量體系的CODCr去除率可達72.9%。

3.2 投加優(yōu)勢菌群能縮短廢水處理周期，優(yōu)勢菌群投加量為0.3 g/L 時，廢水處理周期為8 h，比空白體系縮短1 h。

3.3 好氧活性污泥處理制漿中段廢水反應體系符合一級降解動力學模型，優(yōu)勢菌群投加量為0.3 g/L 的體系降解速率常數(shù)最大。