[论文] 含盐工业废水生化处理耐盐污泥驯化及其机制

论文作者：何健，李顺鹏＊，崔中利，陈立伟，顾向阳

摘要：通过比较在高盐和低盐条件下活性污泥驯化过程，研究了含盐工业废水生化处理耐盐污泥驯化的可行性、特点及其生物学过程。结果表明以盐份作为选择压力可以驯化出具有高降解活性的耐盐污泥，在NaCl浓度为45000mg/L，容积负荷为1。6kgCODCr/m3d时，其CODCr去除率可达到96.6%。对耐盐污泥的驯化过程中的微生物优势生理群变化分析显示，随着进水盐浓度的增加，耐盐苯乙酸降解微生物生理群数量在15d时间内从109cfu/gVSS上升到1011cfu/gVSS，成为污泥中的优势生理群。
  
  

关键词：高盐工业废水 生化处理 耐盐污泥驯化 优势生理群演替 耐盐微生物

  　　对于含盐工业废水生化处理的研究国内外虽有报道[1－6]，但多局限于可行性和工艺条件研究，而对于在高盐份条件下污泥或生物膜中微生物菌群组成和变化则未见报道，且已有的数据得出的结论也很不一致，有人认为含盐工业废水适于生化处理[1－6，11]，也有人认为含盐工业废水因盐份对微生物的毒害而不适于生化处理[8，9]，造成这种争论的原因是对污泥适应盐份的生物学机制缺乏了解。因此，研究含盐废水生化处理的污泥驯化特点和生物学过程有相当重要的理论意义和应用价值。
  　　1 材料与方法
  　　1.1 材料
  　　试验废水取自泰兴德源精细化工厂苯乙酸车间酸化废水母液，pH值为2~3，含有高浓度的NaCl(以HCl调节pH值到中性后其NaCl质量百分含量为22.5%)、苯乙酸(8600mg/L)和CODCr (18500mg/L)。
  　　接种污泥为扬子石化公司污水生化好氧处理系统脱水后的剩余污泥，含水量为86。6%，活菌数为2.6×109cfu/gVSS。
  　　1.2 方法
  　　1.2.1 污泥的驯化方法
  　　一般工厂排放的高盐废水和其他废水(生活废水、地面冲洗水等)混合后，NaCl浓度在1%~5%左右，选择45000mg/LNaCl (由原废水稀释5倍)的盐浓度作为目标进水盐浓度。为减轻瞬间高浓度盐份对污泥中微生物的冲击和毒害，驯化时采用逐步加压驯化方法，即接种污泥后，开始低浓度进水(原废水稀释40倍)，在驯化过程中视系统CODCr去除率和污泥驯化情况逐步提高进水浓度，直到预定的目标盐浓度。同时设一低盐浓度为7500mg/L(由原废水稀释30倍)下正常运行。
  　　1.2.2 分析项目和测试方法  
  　　污泥沉降比、SVI、TSS、VSS测定采用文献[10]的方法。
  　　DO测定采用JPB-607型溶解氧自动测定仪，上海安亭仪器厂生产。
  　　CODCr测定水样经硝酸银充分沉淀Cl－以消除干扰，测定方法见文献[10]。 Cl－测定硝酸银滴定法[10]。
  　　苯乙酸含量的测定水样经三氯甲烷萃取脱水后于258.8nm紫外比色测定。污泥中微生物计数和优势菌的分离，取反应器中泥水混合液，加入0.2%的焦磷酸钠作为解絮凝剂[11]，于摇床震荡30min，取1mL做梯度稀释涂平板。总菌数用含10000mg/LNaCl完全培养基平板计数;耐盐微生物总数用含45000mg/LNaCl完全培养基平板计数;苯乙酸降解微生物用含5000mg/LNaCl苯乙酸基础培养基平板计数;耐盐苯乙酸降解微生物用含45000mg/LNaCl苯乙酸基础培养基平板计数。
  　　完全培养基：酵母膏5g，蛋白胨10g，琼脂20g， NaCl视需要添加，去离子水1000mL，pH值7.2。苯乙酸基础培养基：(NH4)2SO41g，K2HPO41.4g，KH2PO40.6g，MgSO40.1g，CaCl20.1g，苯乙酸0.3g，琼脂20g，NaCl视需要添加，去离子水1000mL，pH值7.5。
  　　2 结果与讨论
  　　2.1 驯化前接种污泥活性
  　　为了解接种污泥在驯化前的降解活性和耐盐能力，考察了接种污泥在降解几种有机废水时的氧气摄入速率(OUR)。OUR反映了污泥在好氧条件下的降解活性。在人工配制的不同NaCl浓度的含葡萄糖(1000mg/L)废水中，接种污泥的OUR随废水中NaCl浓度的升高而呈下降趋势，在盐浓度为5000mg/L时，接种污泥的OUR能达到28.0mgO2/(Lh)，当盐浓度为25000mg/L时，其OUR下降到12.0mgO2/Lh，当盐浓度为45000mg/L时，其OUR只有3.2mgO2/Lh，表明接种污泥活性对盐份敏感，不能耐盐;在稀释30倍的苯乙酸酸化废水中，接种污泥的OUR只有0.3mgO2/Lh，而接种污泥内源代谢的OUR有0.5mgO2/Lh，表明接种污泥不但不能降解苯乙酸酸化废水且活性还受到抑制。
  　　2.2 污泥驯化结果
  　　试验结果表明，接种对盐份敏感的活性污泥，以盐份作为选择压力，逐步提高压力强度(图1)，可以驯化出能耐受高浓度盐份并具有良好降解性能的活性污泥。在进水NaCl浓度为45000mg/L，容积负荷为1.6kgCODCr/m3d条件下，其CODCr的去除率达到了96.6%，和对照没有明显区别(图2)。
  

　　

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　　图1NaCl浓度变化

　　Fig。1 The chronological curve of NaCl level

　　

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　　图2CODCr去除率和容积负荷的变化

　　Fig.2 The chronological curve of COD Crremoval efficiency and volumetric loading

　　—◇—　高盐CODCr去除率　—□—　对照CODCr去除率

　　—△—　高盐容积负荷　—○—　对照容积负荷

　　2.3 污泥驯化过程中的理化性质变化
  　　2.3.1 污泥形态结构的变化
  　　接种污泥呈黑色团块，块径较小，平均为0.02~0.1mm(图3A)。曝气2d后，团块变得松散(图3B)，但没有良好的絮凝性能，污泥的颜色由黑色变为灰褐色再到淡黄褐色。到驯化的第10d后，污泥开始具有良好的絮凝性能，停止曝气后，能形成较大的絮状物，絮状物平均大小为2~6mm，镜检可以看到污泥中含有大量的细菌(图3C，图3D)，而沉淀后出水中细菌数量和悬浮物很少，水质很好。
  

　　

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　　图3接种污泥驯化过程中形态结构的变化

　　Fig。3 Structure change of the inocula

　　A。接种污泥(×1000倍)      B。驯化第 2d(×1000倍)

　　C。驯化第 14d(×1000倍)    D。驯化第 38d(×1000倍)

　　2.3.2 污泥浓度的变化  
  　　在驯化期间，污泥浓度的变化如图4所示，可分为两个阶段，在驯化的前6d，污泥量呈下降趋势，其原因可能是接种污泥中不适应废水环境的微生物被淘汰以及可溶性组分的溶出而导致污泥浓度的下降。此后污泥浓度开始上升。高盐条件下驯化，污泥浓度的增加也较慢，说明盐度的升高抑制了污泥的增长。
  　　2.3.3 污泥沉降性能的变化  
  　　在驯化过程中，随着污泥中有机组分的增加和絮体结构的改善，污泥的SVI逐渐变大(图5)，耐盐污泥的SVI要比对照高出将近50%，这说明盐份可以影响污泥的沉降性能。张雨山等人[2]研究海水盐度对二沉池污泥沉降性能的影响时认为盐度增加有利于污泥沉降，SVI下降。分析原因，可能是各自试验废水中盐份种类不同所致，文中所用材料为工业废水，其中盐份较单一，只有高浓度的Na+，而海水中除Na+外，还含有较多的Ca2+、Mg2+等。盐份可以增加混合液比重(不利于沉降)和电荷强度(有利于沉降)等，从而影响污泥结构。
  

　　

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　　图4污泥浓度随驯化时间的变化

　　Fig.4 Chronological curve of sludge level

　　

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　　图5污泥SVI随驯化时间的变化

　　Fig.5 The chronological curve of SVI

  
  　2.4 污泥驯化过程中微生物生理群和种属变化 　　接种污泥为石油工业废水好氧剩余污泥，由于经过高温厌氧消化处理，其中常温好气性微生物数量级为109cfu/gVSS，用选择性培养基培养计数表明，污泥中耐盐性微生物数量级为107cfu(gVSS，能降解苯乙酸的微生物数量级为102cfu/gVSS，而既能耐盐又能降解苯乙酸的微生物未检测到，但预试验表明，通过摇瓶富集和驯化后，能检测到耐盐苯乙酸降解微生物。这表明接种污泥中虽然总菌数不多，但仍具有生理代谢上的多样性。
  　　表1是高盐驯化过程污泥中各种可培养微生物生理群的计数结果，从表1可以看出，污泥中微生物总菌数和各生理群在整个驯化期处于动态变化之中。
  总菌数在10d左右的时间内从109cfu/gVSS急剧上升到了1011cfu/gVSS，苯乙酸降解微生物生理群数量从102cfu/gVSS急剧上升到了1011cfu/gVSS，和总菌数处于同一数量级，说明总菌数的增加是苯乙酸降解生理群大量增殖的结果。而耐盐微生物生理群虽然也呈上升趋势，但并未占优势，在总菌数中所占比例不高，只有总菌数的1%左右。
  
  

　　表1污泥驯化过程中微生物生理群的变化(cfu/gVSS)

驯化时间(d)	总菌数	苯乙酸降解生理群物	耐盐微生生理群	耐盐苯乙酸生理群
1	4.3×109	7.1×102	2.1×107	n.d.
4	4.7×109	5.6×105	3.6×107	n.d.
6	6.8×1010	4.3×1010	3.1×109	3.6×103
10	5.4×1011	2.1×1011	5.6×109	1.5×105
14	4.4×1011	3.3×1011	1.2×109	1.3×106
20	3.9×1011	5.6×1011	4.2×1011	2.7×108
26	1.7×1011	2.3×1011	5.3×1011	1.5×1010
30	3.5×1011	3.5×1011	5.1×1011	1.2×1011
38	5.1×1011	6.2×1011	2.5×1011	3.9×1011
50	3.7×1011	4.1×1011	3.9×1011	2.3×1011

　　注：n.d.为未检出
  　　在驯化的第14d后，高盐驯化的反应器污泥已经具有良好的苯乙酸降解活性，此时开始减少进水稀释倍数，增加进水盐浓度(反应器容积负荷通过进水量来调节)，以盐份为驯化压力对污泥进行驯化。在高浓度盐份冲击下，总菌数在整个冲击过程中变化不大，只是略有下降，数量一直维持在1011cfu/gVSS以上，但污泥中微生物生理群则发生了较大的变化，能够耐高盐又能降解苯乙酸的微生物在总菌数中所占比例在盐浓度升高后开始上升，到第30d上升到了1.2×1011cfu/gVSS，和总菌数在同一个数量级。到第38d，耐盐苯乙酸降解生理群和总菌数在数量上已相当接近，说明耐盐苯乙酸降解生理群在污泥中已占据绝对优势。
  　　从污泥计数涂布平板上菌落形态，个体显微形态和生理生化特征来判断污泥中的优势菌属的变化，在受到高盐份冲击前的稳定运行期，污泥中优势微生物主要为3种微生物，经初步鉴定为假单胞菌属(Pseudomonassp.，编号为P1)，邻单胞菌属(Plesiomonassp.，编号为PL1)，假单胞菌属 (Pseudomonassp.，编号为P2)。受到高浓度盐份冲击后，污泥活性急剧下降，但对微生物计数表明，原有的3种优势菌并没有立即死亡或消失，而是呈逐渐下降到非优势菌的趋势，这一过程大约经历了10d左右。同时，污泥中另外2种细菌[经初步鉴定为节细菌属(Arthrobactersp.编号为A1)，假单胞菌属(Pseudomonassp.编号为P3)]数量逐步增加，到第30d，其在数量上已超过前3种细菌，并在重新平稳运行的污泥中稳定存在。测定了这5种细菌在不同的盐浓度条件下的生长情况(测定培养液在610nm的吸光度，吸光度越大生长越好)，结果见表2，由表2可见P1、P2、PL1生长的最适盐浓度为5000~10000mg/L，而A1和P3的最适盐浓度为45000~60000mg/L，A1、P3明显要比P1、P2、PL1耐盐能力强，所以在高盐环境中得到了增殖，成为耐盐微生物生理群中的主要种属。
  

　　表2 优势菌株耐盐能力比较

菌株	盐浓度(mg/L)
	5000	10000	25000	45000	60000
P1	0.623	0.591	0.252	0.041	0.012
P2	0.685	0.550	0.154	-0.012	-0.010
PL1	0.516	0.498	0.137	0.001	-0.031
A1	0.084	0.131	0.356	0.497	0.512
P3	0.103	0.154	0.367	0.479	0.491

　　试验结果表明，在一定的进水条件下，通过逐步提高反应器中盐浓度的方法，以高浓度盐作为选择压力，可以把污泥中的非耐盐微生物淘汰，而使耐盐能力较强的菌群得到增殖，使之成为优势菌，从而使污泥逐步适应高盐浓度环境。耐盐污泥驯化的本质是在一定外部条件下，污泥通过改变其生物相组成来适应外界盐浓度的变化。
  　　3 结论　
  　　3.1 以盐份作为选择压力，能驯化出在NaCl浓度为45000mg/L环境中具有高降解活性的耐盐污泥。
  　　3.2 与低盐条件下运行的活性污泥驯化相比，耐盐污泥的驯化期较长。
  　　3.3 在耐盐污泥驯化过程中耐盐苯乙酸降解性微生物生理群在选择压力驯化下逐步成为污泥中优势微生物生理群，从而使污泥能耐受高浓度盐份。
  　　参考文献：
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  　　[3]冯叶成，占新民，文湘华，等。活性污泥处理系统耐含盐废水冲击负荷性能[J]。环境科学，2000，21(1)：106－108。
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  　　[6]  Hamoda M F, Al-atlar I M S.Effects of high sodium chloride concentration on activated sludge treatment [J]. Wat.Sci.Tech.,1995,31(9)：61－72。
  　　[7]文湘华，占新民，王建龙，等。含盐废水的生物处理进展[J]。环境科学，1999，20(3)：104－106。
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  　　[9]沈东升，周旭辉。废水生物处理中的毒物影响及其工程对策[J]。中国沼气，2000，18(1)：3－7。
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  　　[11] An Li， Gu Guowei. The treatment of saline wastewater using a two-stage contact oxidation method [J]. Wat. Sci. Tech。， 1993，28 (7)：31－37.

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