造紙廢水有機污染物降解生物強化菌劑的篩選

李義勇，連梓彬，王廣華，李東亞，杜建軍，王寶娥,*

(1. 仲愷農(nóng)業(yè)工程學院資源與環(huán)境學院，廣東省農(nóng)業(yè)產(chǎn)地環(huán)境污染防控工程技術(shù)研究中心，廣東廣州 510225；2. 廣州市市政工程設(shè)計研究總院有限公司，廣東廣州 510070；3. 武漢紡織大學環(huán)境工程學院，湖北武漢 430200)

據(jù)《2018年中國環(huán)境統(tǒng)計年報》統(tǒng)計，造紙與紙制品業(yè)、紡織業(yè)、煤炭開采業(yè)和洗選業(yè)為工業(yè)廢水排放量最多的4個行業(yè)，僅造紙和紙制品業(yè)廢水排放量就占我國工業(yè)廢水總排放量的13.1%[1]。造紙廢水中的有機污染物總量占我國工業(yè)廢水有機污染物總量的25%，且有機污染物的種類繁多、毒性強，對環(huán)境構(gòu)成了嚴重威脅[2]。

一般采用“一級物化+二級生化+深度處理”的方法處理造紙廢水[1]。其中，二級生化是整個工藝的關(guān)鍵，直接關(guān)系到處理效果和成本[3]。若能進一步提高生物處理單元的去除能力，例如提高生物好氧池COD降解率，可顯著節(jié)約廢水處理成本，提高企業(yè)經(jīng)濟效益[4]。

生物強化技術(shù)具有無需設(shè)備投入、無需基建等特點，且在實際應(yīng)用中被證明可普遍提高生化處理效率[5-7]。因此，將生物強化技術(shù)應(yīng)用于造紙廢水處理受到普遍關(guān)注[3,8-11]，對造紙廢水中的營養(yǎng)性污染物和難降解污染物達到了良好的去除效果，提高了廢水處理效率，且已有成功案例，但面臨的一個共性問題是生物強化菌劑的使用成本較高[12-13]。篩選廉價、高效的生物強化菌劑一直是造紙廢水處理領(lǐng)域研究的熱點之一。本研究探索性地利用畜禽糞便堆肥“天然菌劑”、餐廚垃圾降解物“天然菌劑”、“人工培養(yǎng)菌劑C”、“人工培養(yǎng)菌劑D”和“人工培養(yǎng)菌劑E”這5種菌劑處理造紙廢水，進行對比研究，以COD去除及對活性污泥的影響程度作為評價指標[14]，探討了這5種菌劑強化造紙廢水生物處理的效果，并確定了優(yōu)選菌劑，從而為造紙廢水的生物強化處理提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 造紙廢水樣品和活性污泥

造紙廢水樣品和活性污泥分別取自江西某大型造紙廠污水處理系統(tǒng)的進水口和二沉池回流污泥。廢水CODCr為4 498 mg/L，活性污泥MLSS為6 956 mg/L，SVI為141 mL/g，曝氣池溶解氧(DO)為1.6 mg/L。

1.2 菌劑

本試驗使用的5種菌劑如表1所示。

表1 供試菌劑Tab.1 Microbial Agents for Testing

1.3 試驗方法

(1)初篩試驗。將200 mL的廢水分別加入500 mL的錐形瓶中，然后加入60 mL活性污泥混合均勻，再分別加入2%的5種菌劑(菌劑A、B以重量/體積百分比計，菌劑C、D和E以體積/體積百分比計)，置于30 ℃、120 r/min的搖床中連續(xù)反應(yīng)。其中，在4、24、72 h和120 h時，停掉搖床靜置0.5 h，取1.5 mL上清液樣品，進行COD測定。120 h時結(jié)束反應(yīng)，并于靜置前取樣測定SV30。測定數(shù)據(jù)與不加菌劑組試驗結(jié)果(空白)進行對比分析。

(2)優(yōu)化試驗。從初篩試驗中選取2種COD去除效果較好的菌劑，開展條件優(yōu)化試驗。與初篩試驗相比，提高了錐形瓶裝液量(將廢水加入量提高到385 mL，同比例加入活性污泥115 mL，混合均勻)，同時降低搖床轉(zhuǎn)速(由120 r/min降低至80 r/min)以降低DO。相應(yīng)地，DO(搖床反應(yīng)1 h時監(jiān)測值)由初篩試驗中的6.1 mg/L降低至1.6 mg/L，后者與前文的大型造紙廠污水處理系統(tǒng)的曝氣池DO水平相近。在此DO下，測試降低菌劑投加量(由2%降低至0.1%和0.01%)對COD降解效果的影響。以不加菌劑組作為空白對照。

1.4 分析測定與數(shù)理統(tǒng)計

COD：重鉻酸鉀氧化-化學滴定法，MLSS：稱重法，DO：膜電極法[15]。根據(jù)MLSS和SV30計算SVI[16]。所有指標的測定結(jié)果為2組平行試驗結(jié)果的平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 生物強化處理對比試驗

通過初篩試驗，對比了5種菌劑強化COD去除的效果。由圖1可知，隨著反應(yīng)進行，試驗組和空白組的COD均呈現(xiàn)逐步降低的趨勢，說明本研究中的活性污泥具有較好的有機污染物降解能力。在24 h時，試驗組的COD均高于空白組，原因可能是外加菌劑自身含有營養(yǎng)物質(zhì)，延緩了COD降解進程，可從4 h時COD濃度大小為E>C>D>B>A得到間接反映。液態(tài)菌劑(E/C/D)比固態(tài)菌劑(B/A)的培養(yǎng)基營養(yǎng)物更易溶于上清液，進而導致COD偏高，從而延緩COD降解進程。但在72 h之后，試驗組的COD均低于空白組，且均趨于穩(wěn)定，說明5種微生物菌劑最終均表現(xiàn)出對COD降解的強化作用。其中，菌劑A和菌劑D的強化效果最明顯，72 h時CODCr濃度降低至912 mg/L和777 mg/L，降解率達到79.7%和82.7%。與空白組相比，CODCr濃度降低了96 mg/L和231 mg/L，COD降解率提高了2.7%和6.6%。Wang等[3]采用采絨革蓋菌、黃孢原毛平革菌和固氮菌等組合菌劑強化好氧顆粒污泥處理造紙廢水，COD降解率提高了5.7%；Chen等[10]采用一株分離自堿性過氧化氫機械漿廢水的戈登氏菌JW8強化SBR反應(yīng)器，COD降解率提高了6.3%；Chen等[11]采用戈登氏菌、土壤桿菌、芽孢桿菌和惡臭假單胞菌等組合菌劑強化好氧顆粒污泥處理造紙廢水厭氧端出水，COD降解率提高了13.4%；劉娜娜[16]采用3株真菌強化處理造紙廢水的SBR反應(yīng)器，COD降解率提高了6.2%以上。這些研究均取得了一定的強化效果，具體表現(xiàn)為COD降解率提高了5.0%～15.0%，且以接近6.0%居多，與本研究結(jié)果較為一致。

圖1 5種菌劑強化CODCr降解的效果Fig.1 Effect of Five Microbial Agents on Enhanced Degradation of CODCr

同時，在初篩試驗中，對比了5種菌劑強化下的SVI，了解生物強化對活性污泥沉降性能的影響。一般，SVI為50～150 mg/L時，活性污泥具有較好的沉降性能。由圖2可知，試驗組A～D和空白組的SVI均接近此范圍，說明其活性污泥均具有較好的沉降性能，尤其是前者的SVI均接近甚至低于后者，說明生物強化對活性污泥沉降性能無負面影響，反而使活性污泥的沉降性能得到改善。值得指出的是，菌劑E表現(xiàn)出較高的SVI，明顯高于空白組，說明其活性污泥沉降性能降低。綜上，菌劑A～E均表現(xiàn)出良好的COD生物強化去除效果；除菌劑E外，菌劑A～D均未對活性污泥產(chǎn)生不良影響。

圖2 5種菌劑對活性污泥沉降性能的影響Fig.2 Effect of Five Microbial Agents on Activated Sludge Settling Performance

綜上，菌劑A和菌劑D具有更好的強化COD降解效果，且不會對活性污泥產(chǎn)生不良影響，因此，選擇這2種菌劑開展下一步的條件優(yōu)化試驗。另外，考慮到72 h時，降解反應(yīng)已經(jīng)趨于完全，因此，后續(xù)優(yōu)化試驗中的反應(yīng)結(jié)束時間調(diào)整為72 h。

2.2 優(yōu)選菌劑的條件優(yōu)化

由于接種量關(guān)系到藥劑投加成本，而DO關(guān)系到曝氣能耗成本，為了降低處理成本并保證降解效果，對菌劑A和菌劑D開展了同步降低接種量和降低DO的條件優(yōu)化試驗。由圖3可知，隨著反應(yīng)進行，各組的COD均呈現(xiàn)逐步降低的趨勢，且變化趨勢與圖1一致，說明同步降低菌劑投加量和降低DO并不會影響COD的降解效果,反而全程均表現(xiàn)出更低的COD。原因可能是在降低菌劑投加量后減少了由外加菌劑帶入的營養(yǎng)物質(zhì)，加速了COD降解進程，也提高了COD降解程度，可從4、24 h和72 h時(與圖1相比)均具有更低的COD得到間接反映。同時，2種菌劑的0.01%投加量組COD降解率僅略低于0.1%投加量組，說明0.01%投加量足以發(fā)揮良好的生物強化作用。在優(yōu)化條件下，試驗組的COD均明顯低于空白組，說明微生物菌劑均表現(xiàn)出對COD降解的強化作用。另外，菌劑A與菌劑D的強化效果近似，考慮到與菌劑D相比，菌劑A還具有可直接使用、成本低廉的優(yōu)勢，確定菌劑A為優(yōu)選菌劑。其在低投加量(0.01%)、低DO(1.6 mg/L)條件下，經(jīng)72 h強化處理后的CODCr濃度仍可降低至632 mg/L，降解率達到85.9%，與空白組相比，COD降解率提高了10.7%。該結(jié)果已經(jīng)達到現(xiàn)有相關(guān)文獻報道的強化效果[3,10-11,16-17]，且該優(yōu)選菌劑具有更明顯的經(jīng)濟性，實現(xiàn)了本次篩選工作的目的。

圖3 在較低DO水平下不同菌劑投加量強化 CODCr降解的效果Fig.3 Effect of Different Dosage of Microbial Agents on Enhanced Degradation of CODCr under Lower DO Level

3 結(jié)論

為了獲得適用于造紙廢水的廉價、高效的生物強化菌劑，本研究對5種菌劑A～E開展了初篩試驗和條件優(yōu)化試驗，得出如下結(jié)論。

(1)5種菌劑最終均表現(xiàn)出了對造紙廢水COD降解的強化作用，其中菌劑A和菌劑D具有更好的強化COD降解效果。

(2)本試驗條件下，同步降低菌劑投加量和降低DO并不會影響COD降解效果。

(3)綜合考慮效果和投入成本，確定了菌劑A為優(yōu)選生物強化菌劑，在低投加量(0.01%)、低DO(1.6 mg/L)條件下，仍可使COD降解率提高10.7%。