造紙廢水接觸氧化反應器的啟動及微生物特性研究
摘要：采用逐漸增加進水COD濃度、減小水力停留時間的方法啟動接觸氧化反應器,反應器啟動34 d后,COD的總去除率穩定在 88%,鄰苯二甲酸和二甲苯的總去除率分別達到75%和78%。沿水流方向,細菌數量隨有機物質的減少而逐漸減少,生物膜厚度呈遞減 趨勢,兼氧、好氧段依次出現游泳型鞭毛蟲、游泳型纖毛蟲、固著型纖毛蟲。
關鍵詞：接觸氧化;微生物;細菌;生物膜
我國造紙工業年廢水排放量約占全國工業廢水總排放 量的15.6%,排放廢水中化學耗氧量占全國工業總排放量的 43.5%[1];造紙廢水中存在一類污染面廣、毒性大、難降解的 有機污染物,這些物質結構復雜、毒性大,大多難以被微生物 快速、有效利用,且很容易進入自然環境并長期存留,對生態 環境和人體健康構成嚴重威脅。用人工強化的微生物將這 些物質轉化為無毒物質或徹底降解已成為近年來的研究熱點。
陳永靜等[2]用GC-MS聯用儀測定造紙廢水中的復雜有 機物,檢測出進水中主要有機污染物50種,包括長鏈烷烴、 酯類、苯類等。筆者以造紙廢水中2種最具代表性的有機污 染物鄰苯二甲酸二丁酯和二甲苯為研究對象,研究其在接觸 氧化反應器啟動過程中的降解情況和反應器啟動過程中生 物膜的微生物特性,以期為造紙工業廢水的微生物降解提供 指導。
1 材料與方法
1.1 廢水來源 廢水水樣為實驗室制造的OCC制漿造紙 廢水,屬于非脫墨廢紙造紙廢水。采用多級接觸氧化反應器 對廢水進行生物處理。原水主要水質指標為pH值5. 0~ 7.5,COD 1 100~1 700mg/L,SS 140~260mg/L。
1.2 試驗裝置 接觸氧化反應器的有效容積為60 L。厭 氧段有效容積為16L,兼氧、好氧段采用接觸氧化法,有效容 積為38 L,內置網狀填料,采用穿孔曝氣。接種污泥取自廣 州某污水處理廠生物處理二沉池。
1.3 測定項目及方法 對污染物在厭氧、兼氧、好氧工藝階 段的降解情況進行分析。測定的主要項目及方法如下。
1.3.1 生物相的觀察。用鑷子從填料上刮取一小塊生物膜, 用蒸餾水稀釋一定倍數制成菌液,用膠頭滴管取1滴菌液,放在干燥、潔凈的載玻片上,蓋上蓋玻片,在顯微鏡下觀察。
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1.3.2 生物膜厚度的測定。采用顯微鏡法測定生物膜總厚 度。將生物膜樣品從反應器中取出后直接放置于顯微鏡觀 察平臺上加以固定,選定觀察倍數為100倍,對生物膜表面 和載體表面分別進行對焦,直到獲得清晰圖像, 2次成像時 微調讀數之差即為生物膜厚度。對生物膜表面測量15次后 取其平均值作為生物膜的觀察厚度[3]。
1.3.3 細菌計數。培養基:牛肉膏5 g,蛋白胨10 g,氯化鈉 5 g,瓊脂15 g,加蒸餾水至1 000m,l調pH值至7.0。用微生 物稀釋平皿計數法測定生物膜上的細菌數目[4]。
1.3.4 其他分析方法。COD采用XJ-15型COD消解儀測 定;鄰苯二甲酸二丁酯和二甲苯采用紫外分光光度法測定。
2 結果與分析
2.1 反應器的啟動 將污泥按30%的池容接種于接觸氧 化反應器中。廢水的COD為1 100 mg/L,同時補充尿素、磷 酸二氫鉀,使進水的BOD∶N∶P=100∶5∶1(m∶m∶m),悶曝3 d。 開始6 d只加入葡萄糖、無機鹽溶液、微量元素,從第7天開 始由少到多加入造紙廢水,第12天后加入鄰苯二甲酸二丁 酯和二甲苯,繼續馴化22 d。
2.1.1 反應器啟動過程各隔室COD的降解情況。圖2為反應器啟動期間各格室COD濃度的變化。由圖2可知,啟動期間進水COD從1 100mg/L左右逐漸上升至1 700mg/L 左右,反應器啟動34 d后,厭氧段出水COD基本穩定在1 200mg/L左右,COD去除率達30%,而一級好氧段的COD 穩定在800mg/L左右,二級好氧段的COD穩定在230mg/L 左右,反應器運行穩定,全流程COD總去除率平均達88%, 說明微生物對營養物質的吸收和利用達到穩定狀態,反應器已成功啟動。
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2.1.2 反應器啟動過程中各隔室鄰苯二甲酸二丁酯和二甲 苯的降解情況。由圖3可知,進水鄰苯二甲酸二丁酯和二甲 苯的濃度分別約為150和86 mg/L。雖然造紙廢水較難降 解,但其中也有可溶性的易降解的有機物,這些有機物可為 微生物的生長提供碳源和能量,從而促進鄰苯二甲酸二丁酯 和二甲苯降解。微生物降解葡萄糖時可產生與降解鄰苯二 甲酸二丁酯和二甲苯相似的酶,從而促使鄰苯二甲酸二丁酯 和二甲苯較快降解。反應器啟動34 d時,鄰苯二甲酸二丁酯 的降解率從剛啟動時的49%逐漸上升到75%,出水鄰苯二 甲酸二丁酯的濃度為37.5mg/L;二甲苯的降解率從55%逐 漸上升到78%,出水二甲苯的濃度為19 mg/L,說明適應鄰苯二甲酸和二甲苯的微生物已馴化成功。
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2.2 微生物特性觀察
2.2.1 不同格室中微生物的數量。分析不同格室中微生物 數量的差異,可了解被微生物利用的有機物的降解情況。圖 5是反應器運行第25天各格室中微生物的數量。由圖5可 知,由于剛進入反應器的廢水中含有較多的有機物質,所以 厭氧段菌落數達到1.8×107CFU/m,l且一級兼氧、一級好氧 段中微生物數量明顯多于二級兼氧段和二級好氧段,隨著廢 水的推進,可被微生物利用的有機物越來越少,所以微生物 數量呈遞減趨勢。
2.2.2 不同格室生物膜的厚度。由表1可知,隨水流方向 COD降低,生物膜平均厚度逐漸減小;生物膜厚度隨反應器 啟動時間的延長逐漸增厚,最后基本穩定在一定范圍內。到 第33天,一級兼氧段生物膜平均厚度達到2 412μm,而二級 好氧段生物膜厚度只有754μm,說明COD濃度越高,為微生 物提供的能量越多,生物膜越厚。一級兼氧段、一級好氧段生物膜顏色較深(深褐色),二級兼氧段、二級好氧段生物膜 顏色較淺(黃褐色)。第12天加入鄰苯二甲酸二丁酯、二甲苯后生物膜發黑,微生物受到有毒物質沖擊, 7d后,生物膜 又逐漸恢復到原來的顏色,說明不適應這種水質的微生物已被淘汰。觀察生物膜可及時了解微生物的生長狀況,從而及時發現反應器運行過程中存在的問題。
表 1各格室生物膜的平均厚度
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2.2.3 生物相觀察。運行初期第1~8 d,反應器COD的去 除率低于75%,反應器的污水處理能力較低,生物膜呈黑褐 色,污泥結構松散。鏡檢發現,游泳型鞭毛蟲最早出現并逐 漸增多。反應器運行至20 d時,COD去除率達80%,隨著細 菌數量的增多,以細菌為食的螺旋狀蟲和纖毛蟲類開始出 現,最早出現的是小型游泳型纖毛蟲類,如腎形蟲等,隨后出 現掠食性較強的游泳型纖毛蟲如游仆蟲等。
從第20天開始,反應器穩定運行, COD去除率穩定在 80%以上,固著型纖毛蟲出現,游泳型纖毛蟲、鞭毛蟲數量逐 漸減少,隨后出現變形蟲等肉足綱原生動物。反應器運行30 d時,二級兼氧段和二級好氧段出現暗紅色的藻類和線蟲、鐘 蟲等原生動物,這些生物的出現標志著反應器的穩定運行。 原生動物和細菌之間存在相互依存的關系。前段廢水中有 機物較多,微生物可利用水中的有機物滿足自身生長的需 要,所以,一級兼氧段和一級好氧段廢水中原生動物較二級 兼氧段和二級好氧段多。有資料顯示[5],活性污泥系統中的 原生動物有纖毛蟲160種,鞭毛蟲約36種,肉足蟲約29種, 但由于造紙廢水中含有鄰苯二甲酸二丁酯和二甲苯等有毒 物質,所以微生物種類相對較少。觀察廢水中的微生物可了 解反應器的運行狀況,從而及時控制、調整其運行條件。
3 結論
(1)該研究采用逐漸增加進水COD濃度、固定水力停留時間的方法啟動反應器,34 d即可達到較好的啟動效果。反應器運行穩定,COD總去除率平均達88%。
(2)反應器啟動的34 d,鄰苯二甲酸二丁酯的降解率從 49%逐漸上升至75%,二甲苯的降解率從55%逐漸上升至 78%,說明微生物已馴化成功。
(3)各格室的生物膜在時間和空間上呈不均勻分布。一級兼氧段和一級好氧段生物膜較厚,顏色為深褐色;二級兼氧段和二級好氧段生物膜顏色為褐色和淺褐色。隨著時間 的推移,生物膜逐漸變厚。
(4)厭氧段原生動物種類較單一,以能生活在厭氧且高 有機物濃度條件下的微生物為主,且數量較少;厭氧段廢水 COD濃度較高,含有較多的營養物質,所以細菌數目較多,達 1.8×107CFU/ml。沿水流方向微生物數量逐漸減少,二級好 氧段微生物僅有7×105CFU/ml。
參考文獻
[1]卞衛華.膜技術在電廠水處理中的應用[J].能源與環境,2005(3):42 -44.
[2]陳永靜,馬邕文.廢紙造紙廢水有機污染物的降解研究[J].環境科學與 技術,2008,31(6):127-131.
[3]劉雨.生物膜法污水處理技術[M].北京:中國建筑工業出版社,2000.
[4]肖琳,楊柳燕,尹大強,等.環境微生物實驗技術[M].北京:中國環境科 學出版社,2004:34-35.
[5]顧福康.原生動物學概論[M].北京:高等教育出版社,1991:282-286.
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