微生物菌劑強(qiáng)化曝氣生物濾池處理煉油廢水

王 樂(lè),馮 蕾,聞建平

(1. 中國(guó)石化 科技部,北京 100728;2. 天津大學(xué) 化工學(xué)院,天津 300354)

近年來(lái)，很多煉油企業(yè)因摻煉高硫、高酸原油，以及受到油品深加工要求的影響，增建了催化重整和脫硫裝置，使得煉油廢水中污染物排放總量顯著增加，煉油廢水的處理難度不斷加大［1-2］，排放廢水很難滿(mǎn)足《石油化學(xué)工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》［3］（GB 31571—2015）的要求。

曝氣生物濾池（BAF）技術(shù)是集物理過(guò)濾、吸附及生物氧化為一體的深度廢水處理技術(shù)，具有污染物去除率高、抗負(fù)荷（溫度、pH和有毒化合物）能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)［4］。本實(shí)驗(yàn)室前期研究了BAF內(nèi)的填料載體、BAF工藝優(yōu)化及其菌群結(jié)構(gòu)［5］，但對(duì)外加的微生物菌劑的研究較少。

本研究根據(jù)某煉油廢水處理廠(chǎng)二沉池水質(zhì)分析結(jié)果，以正二十烷和萘為碳源和能源物質(zhì)，經(jīng)初篩和復(fù)篩獲得降解煉油廢水污染物的菌株，并優(yōu)化構(gòu)建了復(fù)合菌劑。將復(fù)合菌劑用于BAF，考察了BAF處理煉油廢水的效果。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 廢水水質(zhì)

篩選菌株用水取自某煉油廢水處理廠(chǎng)經(jīng)隔油、氣浮一級(jí)處理后的廢水，COD為（1 260±110）mg/L；BAF所處理煉油廢水取自缺氧-好氧活性污泥法（A/O）二級(jí)生化處理后的二沉池出水，其中，COD=（95±10）mg/L，ρ（NH4+-N）=（18±3）mg/L，主要有機(jī)污染物及其含量見(jiàn)表1。

表1 二沉池出水的主要有機(jī)污染物及其含量

1.2 活性污泥和椰殼活性炭

活性污泥取自某煉油廢水處理廠(chǎng)二沉池。椰殼活性炭購(gòu)自寧夏廷遠(yuǎn)活性炭有限公司，粒徑2~5 mm，比表面積590~1 350 m2/g。

1.3 培養(yǎng)基

牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基：牛肉膏5g，蛋白胨10g，NaCl 5g，蒸餾水1 000 mL，pH=7.0~7.4。

無(wú)機(jī)鹽培養(yǎng)基：KH2PO40.5g，MgSO4·7H2O 0.3g，Na2HPO41.5g，（NH4）2SO40.5g，微量元素溶液5 mL，蒸餾水1 000 mL，pH=7.0~7.2。

微量元素溶液：乙二胺四乙酸（EDTA） 0.50g，CaCl20.055g，ZnSO4·7H2O 0.22g，MnCl2·4H2O 0.051g，CuSO4·5H2O 0.015 7g，F(xiàn)eSO4·7H2O 0.049g，CoCl2·6H2O 0.016g，蒸餾水1 000 mL，pH=6.0。

富集馴化培養(yǎng)基：在無(wú)機(jī)鹽培養(yǎng)基中添加適量過(guò)濾除菌的正二十烷和萘作為菌株生長(zhǎng)的碳源和能源，pH=7.0~7.5。

篩選培養(yǎng)基：KH2PO40.5g，Na2HPO41.5g，MgSO4·7H2O 0.3g，（NH4）2SO40.5g，微量元素溶液5 mL，COD=（1 260±110）mg/L的煉油廢水1 000 mL，pH=7.5~7.8。

磷酸鹽緩沖液：Na2HPO4·2H2O 1.81g/L，K2HPO40.24g/L，NaCl 0.8g/L，KCl 0.2g/L，pH=7.4。

以上所有培養(yǎng)基于121 ℃高壓滅菌20 min，備用。

1.4 降解菌株的初篩

取活性污泥10g加入到100 mL蒸餾水中攪拌均勻成混合液，將10 mL混合液加入含90 mL無(wú)機(jī)鹽培養(yǎng)基的錐形瓶（250 mL）中，再加入稀釋后的正二十烷和萘，180 r/min、28 ℃條件下恒溫振蕩培養(yǎng)，5 d后在富集馴化培養(yǎng)基中轉(zhuǎn)接10 mL培養(yǎng)液，保持相同條件馴化5 d，逐級(jí)提高正二十烷濃度（或萘中加入5%（w）表面活性劑Tween-80進(jìn)行增溶），富集培養(yǎng)25 d后，將梯度稀釋后的培養(yǎng)液均勻涂布在牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基固體平板上，于28 ℃恒溫培養(yǎng)待菌落生出，分離純化后存儲(chǔ)于4 ℃冰箱。

1.5 降解菌株的復(fù)篩

挑取單菌落分別接種到裝有50 mL液體牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基的250 mL錐形瓶中，于180 r/min、28 ℃條件下恒溫振蕩培養(yǎng)24 h，期間每2 h測(cè)定菌液的OD600nm值，繪制各菌株的生長(zhǎng)曲線(xiàn)，取指數(shù)生長(zhǎng)中期的種子液作為接種液。再用滅菌的無(wú)機(jī)鹽培養(yǎng)基調(diào)節(jié)菌液的質(zhì)量濃度為1.0 mg/L左右，取10 mL接種到含有100 mL篩選培養(yǎng)基的錐形瓶（250 mL）中，在180 r/min、28 ℃條件下恒溫振蕩培養(yǎng)5 d，取樣處理后測(cè)定剩余COD，復(fù)篩出具有高效降解性能的菌株。

1.6 復(fù)合菌劑的構(gòu)建

將復(fù)篩后得到的優(yōu)勢(shì)菌株進(jìn)行復(fù)合，得到10個(gè)復(fù)合菌群，在培養(yǎng)基中經(jīng)過(guò)5 d恒溫振蕩培養(yǎng)后用于處理COD為（1 260±110）mg/L的煉油廢水，通過(guò)測(cè)定各菌群的COD去除率，比較不同復(fù)合菌群的降解能力。將4株菌分別接種到含有100 mL液體牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基的錐形瓶（250 mL）中，在恒溫?fù)u床中以180 r/min，28 ℃培養(yǎng)。然后，通過(guò)8 000 r/min離心10 min，去除上清液，獲取指數(shù)生長(zhǎng)中期的培養(yǎng)物。最后，使用磷酸鹽緩沖液制備OD600nm為1.0的菌株懸浮液作為種子液。

1.7 復(fù)合菌劑BAF處理煉油廢水

在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的BAF（高度為72 cm、內(nèi)徑為5.5 cm的有機(jī)玻璃圓筒）中進(jìn)行廢水處理，工藝流程見(jiàn)圖1。采用椰殼活性炭作為微生物生長(zhǎng)的載體材料，礫石層和活性炭填充層的高度分別為5 cm和25 cm，BAF的工作體積為1.2 L。使用恒流泵向BAF連續(xù)進(jìn)水，由氣泵提供氧氣。

BAF啟動(dòng)操作：先將椰殼活性炭填充到BAF中作為微生物生長(zhǎng)的載體；然后，將占工作體積10%、混合液懸浮固體濃度（MLSS）為6g/L的活性污泥加入BAF中進(jìn)行馴化；最后，將廢水連續(xù)加入BAF系統(tǒng)（BAF1）中。通過(guò)測(cè)量廢水COD和NH4+-N的減少量，來(lái)評(píng)估BAF系統(tǒng)的生物降解性能。根據(jù)需要，向進(jìn)水中加入34 mg/L KH2PO4和100 mg/L （NH4）2SO4作為營(yíng)養(yǎng)物。BAF溫度（30±1）℃，DO為3.5 mg/L，氣水體積比5∶1。

圖1 BAF廢水處理工藝流程

單獨(dú)曝氣72 h后，向BAF連續(xù)通入廢水，在3周內(nèi)HRT逐漸從30 h降至6 h。當(dāng)BAF的COD和NH4+-N去除效果基本穩(wěn)定后，通過(guò)顯微鏡觀(guān)察到生物膜上開(kāi)始出現(xiàn)原生動(dòng)物如草履蟲(chóng)、線(xiàn)蟲(chóng)、輪蟲(chóng)等，且絲狀細(xì)菌逐漸增多時(shí)［6］，表明啟動(dòng)已經(jīng)完成。

外加微生物菌劑的BAF系統(tǒng)（BAF2）先通過(guò)活性污泥和椰殼活性炭連續(xù)穩(wěn)定地處理煉油廢水，然后將占工作體積10%的微生物菌劑加入BAF2中，每隔24 h取水樣，用0.22 μm注射器過(guò)濾后進(jìn)行分析。

1.8 分析方法

采用重鉻酸鹽法［7］測(cè)定廢水COD；采用納氏比色法［8］測(cè)定廢水ρ（NH4+-N）。

2 結(jié)果與討論

2.1 降解菌株的篩選結(jié)果

以正二十烷（或萘）質(zhì)量濃度為200，400，600，800，1 000 mg/L的富集馴化培養(yǎng)基對(duì)活性污泥進(jìn)行梯度培養(yǎng)馴化，經(jīng)過(guò)5個(gè)周期共25 d的富集馴化，獲得了7株降解煉油廢水中有機(jī)污染物的菌株，其中長(zhǎng)鏈烷烴類(lèi)降解菌4株，苯環(huán)類(lèi)降解菌3株，分別編號(hào)為FS-01至FS-07。從復(fù)篩結(jié)果可知，7株菌株對(duì)隔油、氣浮處理后煉油廢水（COD=1 260±110 mg/L）均具有一定的處理效果，其中，F(xiàn)S-01的COD去除率達(dá)48.6%；FS-02和FS-05的COD去除率分別為45.5%和41.7%；FS-07屬于芳烴類(lèi)降解菌株，也可以達(dá)到38.6%的COD去除率，而長(zhǎng)鏈烷烴類(lèi)降解菌FS-06的COD去除率最低，只有21.9%。

經(jīng)過(guò)復(fù)篩最終獲得4株菌株（FS-01、FS-02、FS-05和FS-07）。結(jié)合菌落形態(tài)特征觀(guān)察、生理生化特性和16S rDNA序列分析，F(xiàn)S-01為假單胞菌屬（Pseudomonassp.）的假單胞菌；FS-02為芽孢桿菌屬（Bacillussp.）的蘇云金芽孢桿菌；FS-05為微桿菌屬（Microbacteriumsp.）的氧化微桿菌；FS-07為不動(dòng)桿菌屬（Acinetobactersp.）的瓊氏不動(dòng)桿菌。

2.2 復(fù)合微生物菌劑的優(yōu)選

將FS-01、FS-02、FS-05和FS-07進(jìn)行復(fù)合（各菌株分別等量加入，總量為工作體積10%），得到10個(gè)復(fù)合菌群，各復(fù)合微生物菌劑對(duì)煉油廢水的COD去除率見(jiàn)表2。

由表2可見(jiàn)：復(fù)合微生物菌劑對(duì)煉油廢水的處理效果都比較理想，相比于單一菌株，復(fù)合微生物菌群之間存在協(xié)同代謝或共代謝機(jī)制，致使COD去除率提高，由FS-01和FS-02組成的復(fù)合菌群COD去除率最高，達(dá)67.9%，具有作為微生物強(qiáng)化菌劑的優(yōu)質(zhì)潛力。

2.3 微生物菌劑強(qiáng)化處理煉油廢水的效果

穩(wěn)態(tài)時(shí)BAF2的HRT保持在6 h，當(dāng)進(jìn)水平均COD為95.3 mg/L、平均ρ（NH4+-N）為18.4 mg/L時(shí)，出水平均COD為32.6 mg/L，平均ρ（NH4+-N）為0.45 mg/L，COD去除率為65.8%，NH4+-N去除率為97.5%。

表2 復(fù)合微生物菌劑對(duì)煉油廢水的COD去除率

BAF1和BAF2出水中有機(jī)污染物的差異見(jiàn)表3。由表3可見(jiàn)，經(jīng)BAF處理后，BAF1出水中仍然存在復(fù)雜的硅氧烷和酯類(lèi)，而B(niǎo)AF2出水中僅檢測(cè)到簡(jiǎn)單的芳烴類(lèi)和低分子化合物。這表明生物強(qiáng)化使BAF2對(duì)特征性有機(jī)污染物的降解更加徹底。

表3 BAF1和BAF2出水中有機(jī)污染物的差異

BAF2的COD去除率和NH4+-N去除率較高，同時(shí)表現(xiàn)出更高的抗水力沖擊性能。其原因是：一方面由于BAF2中存在多株高效降解有機(jī)污染物的菌株，優(yōu)勢(shì)菌株能在以特征性污染物為碳源和能源的無(wú)機(jī)培養(yǎng)基上生長(zhǎng)，極大地提高了系統(tǒng)對(duì)煉油廢水的處理效率；另一方面是系統(tǒng)中形成了由高效降解菌株組成的功能性生物膜，該生物膜可以保留足夠的且緩慢生長(zhǎng)的功能性菌株，極大地促進(jìn)了微生物與煉油廢水中頑固污染物的接觸反應(yīng)，致使BAF2具有較高的煉油廢水污染物去除能力。

3 結(jié)論

a）以正二十烷和萘為碳源和能源，經(jīng)分離篩選和馴化培養(yǎng)，獲得7株降解煉油廢水中有機(jī)污染物的菌株，其中長(zhǎng)鏈烷烴類(lèi)降解菌4株，芳烴類(lèi)降解菌3株，分別編號(hào)為FS-01至FS-07。

b）采用經(jīng)隔油、氣浮處理后的COD為（1 260±110）mg/L的煉油廢水對(duì)7株菌進(jìn)行復(fù)篩，其中FS-01、FS-02、FS-05和FS-07菌株降解活性較高。

c）任意組合4株高效降解菌，相比于單一菌株，復(fù)合微生物菌群之間存在協(xié)同代謝或共代謝機(jī)制，COD去除率均提高。其中，由FS-01和FS-02組成的復(fù)合菌群COD去除率最高，達(dá)67.9%。

d）外加復(fù)合微生物菌劑后，穩(wěn)態(tài)時(shí)BAF2的HRT保持在6 h，當(dāng)進(jìn)水平均COD為95.3 mg/L、平均ρ（NH4+-N）為18.4 mg/L時(shí)，出水平均COD為32.6 mg/L、平均ρ（NH4+-N）為0.45 mg/L，COD去除率為65.8%，NH4+-N去除率為97.5%。