廢紙?jiān)旒垙U水封閉循環(huán)系統(tǒng)高效菌動(dòng)力學(xué)研究

涂寧宇，劉 洋

（廣東石油化工學(xué)院，廣東 茂名 525000）

廢紙?jiān)旒垙U水封閉循環(huán)系統(tǒng)高效菌動(dòng)力學(xué)研究

涂寧宇，劉 洋

（廣東石油化工學(xué)院，廣東 茂名 525000）

研究了污染物高度累積的封閉循環(huán)廢紙?jiān)旒垙U水中高效菌細(xì)胞的生長(zhǎng)和反應(yīng)基質(zhì)消耗動(dòng)力學(xué)方程。結(jié)果表明：在基質(zhì)濃度低于0.26 g/L時(shí)，微生物的生長(zhǎng)速率同基質(zhì)濃度正相關(guān)；隨著微生物生長(zhǎng)，基質(zhì)濃度將降至動(dòng)力學(xué)極限濃度，此時(shí)基質(zhì)轉(zhuǎn)化所產(chǎn)生的能量不能滿足微生物生長(zhǎng)、繁殖的需要，微生物的生長(zhǎng)處于動(dòng)態(tài)平衡。通過實(shí)驗(yàn)建立了動(dòng)力學(xué)參數(shù)模型，對(duì)實(shí)際造紙廢水生物處理工程應(yīng)用有一定的指導(dǎo)意義。

廢紙?jiān)旒垙U水； 封閉循環(huán)； 高效好氧菌

近年來，由于廢紙?jiān)偕旒埿袠I(yè)迅速發(fā)展，生產(chǎn)過程中產(chǎn)生和排放的污染物也隨之增加，對(duì)環(huán)境造成的污染日趨嚴(yán)重，尤其是廢水污染[1]。廢紙?jiān)旒埰髽I(yè)單位產(chǎn)品基準(zhǔn)排放水量限值為20 t/t漿[2]。實(shí)現(xiàn)廢紙?jiān)旒垙U水封閉循環(huán)，不僅能降低對(duì)環(huán)境的污染，同時(shí)也減少了用水量，降低生產(chǎn)的成本。但是，由于廢水不斷的循環(huán)使用，有害物質(zhì)逐漸積累，也嚴(yán)重影響到水的循環(huán)使用[3]。進(jìn)一步降低廢紙?jiān)旒垙U水中污染物的濃度直接影響到廢紙?jiān)旒垙U水封閉循環(huán)的有效實(shí)施。在各種生物處理工藝發(fā)展已經(jīng)日趨成熟的今天，選育出高效降解污染的高效菌、工程菌便顯得尤為重要。

目前，各種高效菌、工程菌在石油煉制、印染、化工等廢水處理領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛[4-5]。E.Safonova在生物膜法處理造紙廢水的研究中篩選出處理效果良好的藍(lán)藻菌[6]。Senthilkumar Sivaprakasam等從制革廢水中分離出了4株高耐鹽菌株的菌株混合體在2%～10%的鹽度下都顯示出80%的COD降解率，尤其在8%鹽度下，混合菌對(duì)COD的降解效果最好[7]。Yuanyuan Qu等從活性污泥中分離出的耐堿菌株JY-2可以含苯廢水作為唯一碳源，在批處理實(shí)驗(yàn)中表現(xiàn)出很好的酚降解能力[8]。

微生物的生長(zhǎng)、繁殖包括細(xì)胞內(nèi)的生化反應(yīng)、胞內(nèi)外的物質(zhì)交換以及胞外的物質(zhì)傳遞及反應(yīng)。廢水生物處理數(shù)學(xué)模型的建立對(duì)深入理解反應(yīng)過程的機(jī)理和工藝的優(yōu)化運(yùn)行具有十分重要的意義。本實(shí)驗(yàn)擬對(duì)實(shí)驗(yàn)條件下選育出的 COD高效降解菌進(jìn)行研究，通過建立細(xì)胞的生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)、反應(yīng)基質(zhì)的消耗動(dòng)力學(xué)模型推導(dǎo)出該 COD高效降解菌的生長(zhǎng)與基質(zhì)消耗數(shù)學(xué)公式，正確指導(dǎo)其在生產(chǎn)中的應(yīng)用。

1 實(shí)驗(yàn)水質(zhì)及菌種

1.1 實(shí)驗(yàn)廢水的水質(zhì)

試驗(yàn)廢水采用東莞某造紙廠污水站一級(jí)處理出水，廢水水質(zhì)如表1。

1.2 高效菌來源

表1 廢水水質(zhì)Table 1 Quality of wastewater mg/L

注：pH為無量綱。

用15 W的紫外燈，在固定距離為30 cm的照射條件下紫外線誘變處理來源于生物氧化池中的優(yōu)良出發(fā)菌株，以致死率70%～80%所需的照射時(shí)間為最佳誘變劑量。在進(jìn)行幾輪單因子處理后，篩選獲得3株高抗性的菌株。由于3株菌株在同樣條件下誘變篩選得來，彼此之間沒有拮抗關(guān)系，且通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)3種菌株的生長(zhǎng)能力和去除CODCr能力差別不大（約 85%左右），所以將 3株菌株按 1∶1∶1的比例混合組成高效菌。

1.3 廢水培養(yǎng)基

采用廢水作為唯一碳源，添加尿素、磷酸二氫鉀作為氮源和磷源。添加的比例為 m（BOD5）/m（N）/m（P）=100∶5∶1，pH=7.0～7.2。

2 動(dòng)力學(xué)模型的建立

2.1 微生物過程反應(yīng)動(dòng)力學(xué)基本模型

可以通過類似經(jīng)典的Michaelis-Menten方程的形式來描述底物濃度與微生物比增殖速率之間的關(guān)系：

在某種微生物的培養(yǎng)體系中，菌體細(xì)胞的生長(zhǎng)速率公式表示為：

某一時(shí)刻比生長(zhǎng)速率 用式（3）定義，單位（h-1）。其中CX可以通過實(shí)驗(yàn)測(cè)定，

（2）式兩邊取倒數(shù)，方程重排為（4）式的線性形式。

X —微生物濃度；

μmax—在飽和濃度中微生物的最大比增長(zhǎng)速率；

KS—飽和常數(shù)；

CS—限制性底物的質(zhì)量濃度，g/L；

CX—培養(yǎng)液中菌體的質(zhì)量濃度，g/L。

2.2 基質(zhì)的消耗動(dòng)力學(xué)模型

在包括內(nèi)源代謝的基質(zhì)消耗動(dòng)力學(xué)模型中，基質(zhì)的消耗速率rS表示為：

在分批培養(yǎng)中，總的細(xì)胞得率YX/S用（6）式計(jì)算。

單位體積培養(yǎng)液中基質(zhì)的消耗速率rS可通過細(xì)胞得率系數(shù)與細(xì)胞生長(zhǎng)速率相互關(guān)聯(lián)，表示為：

廢水的比消耗速率qS定義為相對(duì)單位質(zhì)量細(xì)胞單位時(shí)間內(nèi)的基質(zhì)消耗量，即：

式中：rX—細(xì)胞生長(zhǎng)速率單位為，g·L-1·h-1；

rS—底物消耗速率，g·L-1·h-1；

qS—基質(zhì)的比消耗速率，h-1；

Y2—生成細(xì)胞的干重與完全消耗于細(xì)胞生長(zhǎng)的底物的質(zhì)量之

X/S比,它表示了在無維持細(xì)胞代謝時(shí)的細(xì)胞得率，是對(duì)于細(xì)胞生長(zhǎng)所消耗基質(zhì)而言的細(xì)胞得率，可稱為最大細(xì)胞得率；

YX/S—對(duì)基質(zhì)的總消耗而言的細(xì)胞得率，無量綱；

m —細(xì)胞維持系數(shù)，g·L-1·h-1。

3 結(jié)果分析與討論

3.1 高效菌的生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)的確立

表2 生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及處理過程Table 2 Date tested in experiment and process for the kinetic of cell growth

在500 mL廢水培養(yǎng)基中接種高效菌株，在30℃、150 r/min下振蕩培養(yǎng)。24 h后，每隔12 h取樣測(cè)定底物濃度和菌液濃度，如果如表2。

底物濃度和菌液濃度的測(cè)定方法：每次取樣50 mL，將樣品6 000 r/min離心10 min，取上清液，測(cè)定其 CODCr，即為底物濃度。沉淀下來的菌體細(xì)胞置于干燥器中，30 ℃下恒溫烘干5 h，稱量菌體干重并計(jì)算菌體濃度。

由圖1所示，根據(jù)線性方程，1/μmax=4.049，

圖1 1/CS—1/μ的擬合曲線Fig.1 Regression of 1/CS and1/μ

圖2 高效菌細(xì)胞的比生長(zhǎng)率與廢水濃度的關(guān)系Fig.2 Relation of μ and CS

3.2 廢水消耗動(dòng)力學(xué)參數(shù)

廢水消耗動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)分析結(jié)果見表 3。菌株以廢水為唯一的碳源來維持細(xì)菌細(xì)胞的生長(zhǎng)與代謝等生命活動(dòng)，因此用包括內(nèi)源代謝的基質(zhì)消耗動(dòng)力學(xué)模型為基礎(chǔ)來描述廢水中有機(jī)物的消耗過程。

表3 廢水消耗動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)分析結(jié)果Table 3 Result of date-process for wastewater

圖3 1/μ—1/ YX/S的擬合曲線Fig.3 Regression of 1/μ and 1/YX/S

4 結(jié) 論

（2）在基質(zhì)濃度較低時(shí)，細(xì)胞生長(zhǎng)速率同基質(zhì)濃度成正比；隨著微生物生長(zhǎng)，當(dāng)基質(zhì)濃度降至某一值時(shí)，基質(zhì)轉(zhuǎn)化所產(chǎn)生的能量不能滿足細(xì)胞生長(zhǎng)、繁殖的需要，此時(shí)微生物的增長(zhǎng)速率與死亡速率達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，該濃度為動(dòng)力學(xué)極限濃度。因此在實(shí)際的工程應(yīng)用中，應(yīng)盡量提高水解酸化的時(shí)間，從而降低生物接觸氧化池中的負(fù)荷。

［1］陳慶蔚.廢紙?jiān)旒垬I(yè)的未來前瞻[J].中華紙業(yè)，2010，31（19）：28-38.

［2］制漿造紙工業(yè)水污染排放標(biāo)準(zhǔn)GB3544-2008[S]．

［3］錢世通，黃勝炎.廢紙制漿造紙廢水封閉循環(huán)處理工藝[J].中國(guó)環(huán)保產(chǎn)業(yè)，2006(11)：31-33.

［4］丁華，金若菲，周集體.基因工程菌在厭氧膜生物反應(yīng)器中對(duì)偶氮染料廢水的脫色[J].環(huán)境工程學(xué)報(bào)，2007，1（3）：25-29.

［5］裘湛.用于高礦化度含油廢水處理的高效菌株的分離及特性研究[J].環(huán)境科學(xué)與管理，2009，34（6）：101-108.

［6］E safonova, et al. Biotreatment of industrial wastewater by selected algal bacterial consortia[J]. Eng.Life Sci, 2004，4（4）：347-353.

［7］Senthilkumar Sivaprakasam1, Surianarayanan Mahadevan, Sudharshan Sekar, Susheela Rajakumar. Biological treatment of tannery wastewater by using salt-tolerant bacterial strains[J]. Microbial Cell Factories,2008(7):14-15．

［8］Yuanyuan Qu，Ruijie Zhang，F(xiàn)ang Ma，Jiti Zhou，Bin Yan.Bioaugmentation with a novel alkali-tolerant Pseudomonas strain for alkaline phenol wastewater treatment in sequencing batch reactor[J].World J Microbiol Biotechnol，2011，(published online:DOI 10.1007/s11274-011-0653-2).

Biodegradability and Growth of Efficient Aerobic Bacteria in the Closed Circulation of Wastewater From Regenerated Papermaking

TU Ning-yu, LIU Yang
（Guangdong University of Petrochemical Technology, Guangdong Maoming 525000, China）

Equations describing intrinsic kinetics of microbial growth and substrate consumption in the closed circulation of wastewater from regenerated papermaking were discussed. The results indicate that the bacterial growth rate is proportional to substrate concentration when concentration of organic substrate is lower than 0.26g/L. However there is a descent of substrate concentration after bacterial growth. The balance is achieved when the bacterial growth rate is equal to death rate, corresponding substrate concentration is kinetic threshold concentration. The established kinetic model has a guiding significance for treatment of wastewater from papermaking in engineering practice.

Wastewater from regenerated papermaking; Closed circulation; Efficient aerobic bacterial stains

X793

A

1671-0460（2011）07-0745-04

廣東石油化工學(xué)院2008年自然科學(xué)研究基金。

2011-05-20

涂寧宇（1980-），女，湖北石首人，講師，碩士，2004年畢業(yè)于廣東工業(yè)大學(xué)環(huán)境工程專業(yè)，研究方向：環(huán)境影響評(píng)價(jià)與水污染控制。

劉洋（1979-），男，講師，碩士，研究方向?yàn)樗廴究刂啤?/p>