洗浴廢水處理技術
目前，世界各國都面臨著水污染嚴重、水資源短缺的現實問題。中國是全球水資源最為缺少的13個國家之一，水資源短缺已成為制約我國可持續發展的一個重要因素〔1〕。洗浴廢水約占城市生活污水的30%，是一種可回收再利用的優質中水水源，將其處理后回用，將會緩解我國目前用水緊張的問題。因此，對洗浴廢水的處理回用是一項具有現實意義的工作。
眾多學者針對洗浴廢水的處理方法進行了大量的研究工作，并取得了一定的研究成果。所涉及的處理方法包括混凝、吸附、高級氧化和生物法〔2－4〕。本研究通過純種分離獲得LAS優勢降解菌，并以活性炭纖維為載體掛膜形成強化吸附性生物膜用于洗浴廢水的處理，通過動態實驗確定了其最佳運行參數。該項研究可為洗浴廢水處理工藝的設計提供有益的借鑒。
1LAS優勢降解菌的篩選及菌種鑒定
1.1實驗條件及測試方法
1.1.1實驗條件
本實驗采用的富集培養基成分：酵母膏1.2g，MgSO4·7H2O0.14g，FeSO4·7H2O0.0005g，K2HPO40.33g，KCl0.06g，LAS5mg，蒸餾水1000mL，pH7.0。0.1MPa下滅菌30min〔5〕。
考慮不同批次活性炭顆粒性能的差異，本研究采用深圳慧聰凈化廠生產的實驗用CF-Z黏膠基活性炭纖維氈代替活性炭顆粒，其中所含活性炭>130g/m2，規格為1m×1m×5mm，比表面積為1500m2/g。使用前用蒸餾水洗滌3次，然后煮沸1h，再用蒸餾水洗滌3次，最后在120℃下烘焙48h，備用。
為保證實驗的重現性和實驗結果的可比性，本實驗所用水樣為模擬實際洗浴廢水水質自行配制，其水質：LAS（陰離子表面活性劑）為5mg/L，CODCr為300mg/L，NH3-N為20mg/L。
1.1.2主要測試方法
LAS采用亞甲藍分光光度計法測定；COD采用COD快速消解測定儀直接測定；NH3-N采用鈉氏試劑法測定；pH采用pH計測定；微生物的生長量用比濁法測定，用OD值表示。
1.2LAS優勢降解菌的篩選及鑒定
1.2.1LAS優勢降解菌的篩選
實驗菌種取自遼寧省阜新市清源污水處理廠二沉池污泥。將新取回的污泥靜置12h后，取10g放入裝有90mL無菌水的三角燒瓶中，在30℃條件下，以200r/min在搖床上振蕩30min，形成均勻的菌懸液。用已滅菌的移液管各移取菌懸液5mL，分別加入到3個盛有200mL已滅菌富集培養基的250mL三角燒瓶中，塞好棉塞后，在30℃、150r/min的搖床上連續振蕩培養5d。觀察發現：澄清的培養基逐漸變渾濁并有顆粒物出現，在三角燒瓶液面處有乳白色黏稠物生成。通過測定3個平行樣品中的LAS濃度，發現3個平行樣品中的LAS均有部分降解，從而確定菌懸液中已有LAS降解菌存在。
1.2.2LAS優勢降解菌的富集
為了進一步提高菌懸液中LAS降解菌的數量與活性，采用重復傳種的定向培養方法多次移種傳代，以此得到既能夠降解LAS，又對LAS有良好耐性的優勢菌株。具體實驗操作：取經過前代篩選出的菌懸液5mL，分別加入到3個盛有200mL已滅菌富集培養基的250mL三角燒瓶中，其中LAS質量濃度為5mg/L。塞好棉塞后，在30℃、150r/min的搖床上連續振蕩培養5d，經過3次傳代接種，3個平行樣中LAS的去除率分別為82.2%、85.0%和85.6%，據此認為LAS優勢降解菌的富集完成。
為了同步考察LAS優勢降解菌對水樣中COD和NH3-N的降解能力，將富集得到的LAS優勢降解菌接種于LAS、COD和NH3-N分別為5、300、20mg/L的水樣中。按前述的方法，自接種后每隔24h測定一次LAS、COD、NH3-N濃度，結果表明，水樣中的COD、LAS在反應初期下降趨勢明顯，隨著時間的延長，其下降趨勢逐漸變緩；而在反應過程中NH3-N濃度不降反升。同時發現，LAS濃度在4d后基本達到穩定，因此在后續實驗中，取經過4d培養的菌懸液進行實驗。
1.2.3LAS優勢降解菌的鑒定
通過對LAS優勢降解菌菌株的實驗鑒定發現：（1）LAS優勢降解菌屬革蘭氏陰性菌（G-），并呈短桿狀；（2）呈硝酸鹽還原陽性菌；（3）呈甲基紅陰性，可以將產生的酸性物質轉化為中性；（4）呈過氧化氫陽性，能夠產生過氧化氫酶；（5）經需氧性實驗測定其為好氧菌〔6,7〕。
2強化吸附性生物膜處理洗浴廢水的動態實驗研究
生物活性炭纖維（BACF）是近年發展起來的新技術，它是以活性炭纖維作為載體，人為地將工程菌吸附在其表面形成生物膜，利用工程菌的生物降解和活性炭纖維吸附的協同作用去除水中的污染物，以此來提高對污水的處理效果，同時還可延長ACF的飽和周期〔8〕。
2.1動態實驗裝置設計
動態實驗裝置如圖1所示。
圖1動態實驗裝置示意
動態實驗裝置為自制的40cm×30cm×40cm的玻璃容器，用隔板平均分為3格作為3個獨立的反應器，即：反應器Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ。反應器Ⅰ、Ⅲ用作生物活性炭纖維反應器（BACF），反應器Ⅱ用作活性炭纖維反應器（ACF）。在各反應器中裝填活性炭纖維，活性炭纖維的填充量為總容積的40%，有效容積約6L。反應器Ⅱ直接用作活性炭纖維吸附床，反應器Ⅰ采用活性污泥直接掛膜，反應器Ⅲ采用LAS優勢降解菌菌懸液掛膜。實驗過程中，利用高位水箱自反應器的一端進水，在進水管路中設置控制閥，調節進水量；另一端靠近底部設置取樣口。利用充氧機在生物反應器Ⅰ、Ⅲ的進水端進行曝氣。為考察不同工藝對洗浴廢水的處理效果，在相同的進水條件下，對3個反應器的處理效果進行對比實驗。
2.2動態實驗過程及結果分析
2.2.1生物活性炭反應器掛膜法
在動態實驗裝置安裝完成后，量取備用的活性污泥樣品2L（經測定活性污泥的MLSS為21.74g/L），將其倒入反應器Ⅰ內，然后加入洗浴廢水直至恰能浸沒活性炭纖維載體材料；之后利用供氧機對反應器Ⅰ進行供氧，靜置曝氣48h后，排空反應器中的污水。按上述步驟重復操作2次，經過6d的反復操作以后，開始以1.5L/h的流量連續通入洗浴廢水，同時在反應器Ⅰ進水口處持續曝氣〔9,10〕。
取LAS優勢降解菌菌懸液（OD=0.4）2L加入到反應器Ⅲ內，采用上述相同的方法對反應器Ⅲ進行掛膜。
掛膜在常溫（20～25℃）條件下進行，經過6d的反復悶曝、排空后，肉眼可見反應器Ⅰ的曝氣口端有淡黃的膠質黏性物質產生；反應器Ⅲ的曝氣口則呈現乳白色的膜狀物質，且較反應器Ⅰ中形成的生物膜厚度略薄。自洗浴廢水流入后，隨著時間的延長，反應器Ⅰ、Ⅲ生物膜不斷地向外圍擴散。
2.2.2動態反應條件
在反應器Ⅰ、Ⅲ掛膜完成后，為對比3個反應器對洗浴廢水的處理效果，同時對3個反應器進行動態實驗研究。為增強實驗結果的可比性，反應器Ⅰ、Ⅲ采用相同的反應條件，即：進水流量為1.5L/h，HRT為4h，曝氣量為1.5mg/L；而反應器Ⅱ的進水流量為3L/h，HRT為2h（前期實驗研究表明：HRT為30min時，活性炭纖維即可達到吸附平衡），目的是為了避免由于水力停留時間過長在活性炭纖維上產生自然掛膜現象而失去比較意義。
2.2.3實驗結果分析
動態運行階段，每隔2h分別對3個反應器出水中的LAS、COD、NH3-N監測一次，在此基礎上，計算各工藝對洗浴廢水中LAS、COD、NH3-N的去除率。
3種工藝對洗浴廢水中LAS的去除效果見圖2。
圖23種工藝對洗浴廢水中LAS的去除效果
從圖2可以看出，反應器Ⅰ連續運行14d后對LAS的去除率才趨于穩定，穩定后的LAS去除率約為79.51%；反應器Ⅲ連續運行10d后即對LAS的去除率趨于穩定，穩定后的LAS去除率約為87.14%；而反應器Ⅱ在運行初始階段對LAS表現出良好的吸附性，但隨著處理時間的延長，其對LAS的去除率日漸降低，實驗觀測期間平均LAS去除率僅為66.67%。
分析其原因主要是：反應器Ⅰ采用普通活性污泥掛膜，由于普通活性污泥中菌種復雜多樣，可能引發了除LAS降解菌以外的其他菌體大量繁殖，從而影響了其對LAS的降解性能。而反應器Ⅲ采用LAS優勢降解菌菌懸液進行掛膜，其對洗浴廢水的適應能力較強，所以在較短的時間內就能達到穩定，進入穩定期后在活性炭纖維和生物膜的協同作用下，對LAS的去除率相對較高。反應器Ⅱ由于活性炭纖維的吸附容量有限，雖然在初始階段表現出良好的吸附性，但隨著對有機物吸附量的增大，多數吸附位被占用，影響了吸附的持久性，因此隨著時間的增長，吸附能力逐漸下降。
3種工藝對洗浴廢水中COD的去除效果見圖3。
圖33種工藝對洗浴廢水中COD的去除效果
從圖3可以看出，反應器Ⅰ連續運行12d后對COD的去除率趨于穩定，穩定后的COD去除率約為81.67%；反應器Ⅲ連續運行13d后對COD的去除率趨于穩定，穩定后的COD去除率約為85.87%；而反應器Ⅱ在運行初始階段對COD表現出良好的吸附性，但隨著處理時間的延長，其對COD的去除率日漸降低，COD去除率最高可達73.67%。
分析其原因主要是：反應器Ⅰ在運行初期由于微生物剛剛附著于活性炭纖維表面，營養匱乏，生長較為緩慢，同時微生物的附著又占據了活性炭纖維的有效吸附位，因此在初始階段其對COD的去除率相對較低；隨著處理時間的延長，活性炭纖維不斷使污水中的營養物質聚集在表面上，異養菌大量繁殖，COD去除率顯著增加；達到穩定運行后，污泥中的雜質和菌種的代謝產物在掛膜期間占據了活性炭纖維上一定量的吸附位，致使出水COD相對較高。反應器Ⅲ由于菌種相對單一，其適應能力較弱，達到穩定運行的時間相對較長；但達到穩定運行后，活性炭纖維的吸附中心不會被大量占用，因此廢水處理階段反應器Ⅲ的吸附能力與微生物降解作用的協同效果明顯，出水效果更佳。反應器Ⅱ單純依靠活性炭纖維的吸附作用，對洗浴廢水中COD的去除在運行初期比較穩定；隨著運行時間的延長，其對COD的去除率逐漸下降，連續運行18d后達到吸附平衡，測試期間平均COD去除率為59.94%。
3種工藝對洗浴廢水中NH3-N的去除效果如圖4所示。
圖43種工藝對洗浴廢水中NH3-N的去除效果
從圖4可以看出，反應器Ⅰ對NH3-N的去除相對較好，達到穩定去除NH3-N用時15d，穩定后的平均NH3-N去除率為78.63%；反應器Ⅱ對NH3-N的去除率從運行初期就一直比較穩定，但NH3-N去除率僅為42.18%；反應器Ⅲ在啟動初期NH3-N去除率較低，僅為12.90%，啟動12d后，NH3-N去除率開始迅速增加，直到第17天后，NH3-N去除率接近穩定，穩定后的平均NH3-N去除率為74.89%。
分析其原因主要是：NH3-N的去除依賴于生物膜中硝化菌的數量和活性，在反應初期，環境中有機物含量高，造成異養菌優勢生長，對硝化菌的生長產生抑制作用，因此運行初期氨氮的去除效果較差，消耗的氮素營養僅用于異養菌的同化作用。隨著對有機物去除的穩定，異養菌對硝化細菌的抑制減弱，大量的硝化細菌附著在載體上開始生長繁殖，氨氮去除率增大。活性污泥掛膜對NH3-N的處理效果之所以好于菌懸液掛膜，是由于接種用活性污泥中原本含有硝化細菌，掛膜初期被直接截留并附著于載體表面生長繁殖，待生物膜生長穩定后，在生物膜中硝化細菌所占的比例較高，因此其對氨氮的去除效果相對較好。
3結論
通過對微生物樣品的富集培養、純種分離獲得LAS優勢降解菌，并對其進行了菌種鑒定。在此基礎上，通過設計動態實驗，對3種工藝處理洗浴廢水的效果進行了對比實驗研究。得出的結論如下：
（1）對LAS優勢降解菌菌種的鑒定結果表明，LAS優勢降解菌屬革蘭氏陰性菌（G-），并呈短桿狀；為硝酸鹽還原陽性菌；呈甲基紅陰性，可以將產生的酸性物質轉化為中性；呈過氧化氫陽性，能夠產生過氧化氫酶；經需氧性實驗測定其為好氧菌。
（2）通過動態對比實驗研究發現，在反應器Ⅰ、Ⅲ進水流量為1.5L/h，HRT為4h，曝氣量為1.5mg/L；反應器Ⅱ進水流量為3L/h，HRT為2h的實驗條件下，反應器Ⅲ對洗浴廢水中LAS和COD的去除效果均好于反應器Ⅰ、Ⅱ，達到穩定運行后其去除率分別為87.14%和85.87%；對洗浴廢水中NH3-N的去除效果，反應器Ⅰ好于反應器Ⅱ、Ⅲ，達到穩定運行后，其去除率為78.63%。
（3）在進水流量為1.5L/h，HRT為4h，曝氣量為1.5mg/L的動態實驗條件下，采用LAS優勢降解菌菌懸液掛膜形成的強化吸附性生物膜處理洗浴廢水，LAS、COD和NH3-N去除率可分別達到87.14%、85.87%和74.89%。
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