造紙廢水有機(jī)污染物降解生物強(qiáng)化菌劑的篩選

李義勇，連梓彬，王廣華，李東亞，杜建軍，王寶娥,*

(1. 仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院資源與環(huán)境學(xué)院，廣東省農(nóng)業(yè)產(chǎn)地環(huán)境污染防控工程技術(shù)研究中心，廣東廣州 510225；2. 廣州市市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司，廣東廣州 510070；3. 武漢紡織大學(xué)環(huán)境工程學(xué)院，湖北武漢 430200)

據(jù)《2018年中國(guó)環(huán)境統(tǒng)計(jì)年報(bào)》統(tǒng)計(jì)，造紙與紙制品業(yè)、紡織業(yè)、煤炭開采業(yè)和洗選業(yè)為工業(yè)廢水排放量最多的4個(gè)行業(yè)，僅造紙和紙制品業(yè)廢水排放量就占我國(guó)工業(yè)廢水總排放量的13.1%[1]。造紙廢水中的有機(jī)污染物總量占我國(guó)工業(yè)廢水有機(jī)污染物總量的25%，且有機(jī)污染物的種類繁多、毒性強(qiáng)，對(duì)環(huán)境構(gòu)成了嚴(yán)重威脅[2]。

一般采用“一級(jí)物化+二級(jí)生化+深度處理”的方法處理造紙廢水[1]。其中，二級(jí)生化是整個(gè)工藝的關(guān)鍵，直接關(guān)系到處理效果和成本[3]。若能進(jìn)一步提高生物處理單元的去除能力，例如提高生物好氧池COD降解率，可顯著節(jié)約廢水處理成本，提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益[4]。

生物強(qiáng)化技術(shù)具有無(wú)需設(shè)備投入、無(wú)需基建等特點(diǎn)，且在實(shí)際應(yīng)用中被證明可普遍提高生化處理效率[5-7]。因此，將生物強(qiáng)化技術(shù)應(yīng)用于造紙廢水處理受到普遍關(guān)注[3,8-11]，對(duì)造紙廢水中的營(yíng)養(yǎng)性污染物和難降解污染物達(dá)到了良好的去除效果，提高了廢水處理效率，且已有成功案例，但面臨的一個(gè)共性問題是生物強(qiáng)化菌劑的使用成本較高[12-13]。篩選廉價(jià)、高效的生物強(qiáng)化菌劑一直是造紙廢水處理領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一。本研究探索性地利用畜禽糞便堆肥“天然菌劑”、餐廚垃圾降解物“天然菌劑”、“人工培養(yǎng)菌劑C”、“人工培養(yǎng)菌劑D”和“人工培養(yǎng)菌劑E”這5種菌劑處理造紙廢水，進(jìn)行對(duì)比研究，以COD去除及對(duì)活性污泥的影響程度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)[14]，探討了這5種菌劑強(qiáng)化造紙廢水生物處理的效果，并確定了優(yōu)選菌劑，從而為造紙廢水的生物強(qiáng)化處理提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 造紙廢水樣品和活性污泥

造紙廢水樣品和活性污泥分別取自江西某大型造紙廠污水處理系統(tǒng)的進(jìn)水口和二沉池回流污泥。廢水CODCr為4 498 mg/L，活性污泥MLSS為6 956 mg/L，SVI為141 mL/g，曝氣池溶解氧(DO)為1.6 mg/L。

1.2 菌劑

本試驗(yàn)使用的5種菌劑如表1所示。

表1 供試菌劑Tab.1 Microbial Agents for Testing

1.3 試驗(yàn)方法

(1)初篩試驗(yàn)。將200 mL的廢水分別加入500 mL的錐形瓶中，然后加入60 mL活性污泥混合均勻，再分別加入2%的5種菌劑(菌劑A、B以重量/體積百分比計(jì)，菌劑C、D和E以體積/體積百分比計(jì))，置于30 ℃、120 r/min的搖床中連續(xù)反應(yīng)。其中，在4、24、72 h和120 h時(shí)，停掉搖床靜置0.5 h，取1.5 mL上清液樣品，進(jìn)行COD測(cè)定。120 h時(shí)結(jié)束反應(yīng)，并于靜置前取樣測(cè)定SV30。測(cè)定數(shù)據(jù)與不加菌劑組試驗(yàn)結(jié)果(空白)進(jìn)行對(duì)比分析。

(2)優(yōu)化試驗(yàn)。從初篩試驗(yàn)中選取2種COD去除效果較好的菌劑，開展條件優(yōu)化試驗(yàn)。與初篩試驗(yàn)相比，提高了錐形瓶裝液量(將廢水加入量提高到385 mL，同比例加入活性污泥115 mL，混合均勻)，同時(shí)降低搖床轉(zhuǎn)速(由120 r/min降低至80 r/min)以降低DO。相應(yīng)地，DO(搖床反應(yīng)1 h時(shí)監(jiān)測(cè)值)由初篩試驗(yàn)中的6.1 mg/L降低至1.6 mg/L，后者與前文的大型造紙廠污水處理系統(tǒng)的曝氣池DO水平相近。在此DO下，測(cè)試降低菌劑投加量(由2%降低至0.1%和0.01%)對(duì)COD降解效果的影響。以不加菌劑組作為空白對(duì)照。

1.4 分析測(cè)定與數(shù)理統(tǒng)計(jì)

COD：重鉻酸鉀氧化-化學(xué)滴定法，MLSS：稱重法，DO：膜電極法[15]。根據(jù)MLSS和SV30計(jì)算SVI[16]。所有指標(biāo)的測(cè)定結(jié)果為2組平行試驗(yàn)結(jié)果的平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 生物強(qiáng)化處理對(duì)比試驗(yàn)

通過(guò)初篩試驗(yàn)，對(duì)比了5種菌劑強(qiáng)化COD去除的效果。由圖1可知，隨著反應(yīng)進(jìn)行，試驗(yàn)組和空白組的COD均呈現(xiàn)逐步降低的趨勢(shì)，說(shuō)明本研究中的活性污泥具有較好的有機(jī)污染物降解能力。在24 h時(shí)，試驗(yàn)組的COD均高于空白組，原因可能是外加菌劑自身含有營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，延緩了COD降解進(jìn)程，可從4 h時(shí)COD濃度大小為E>C>D>B>A得到間接反映。液態(tài)菌劑(E/C/D)比固態(tài)菌劑(B/A)的培養(yǎng)基營(yíng)養(yǎng)物更易溶于上清液，進(jìn)而導(dǎo)致COD偏高，從而延緩COD降解進(jìn)程。但在72 h之后，試驗(yàn)組的COD均低于空白組，且均趨于穩(wěn)定，說(shuō)明5種微生物菌劑最終均表現(xiàn)出對(duì)COD降解的強(qiáng)化作用。其中，菌劑A和菌劑D的強(qiáng)化效果最明顯，72 h時(shí)CODCr濃度降低至912 mg/L和777 mg/L，降解率達(dá)到79.7%和82.7%。與空白組相比，CODCr濃度降低了96 mg/L和231 mg/L，COD降解率提高了2.7%和6.6%。Wang等[3]采用采絨革蓋菌、黃孢原毛平革菌和固氮菌等組合菌劑強(qiáng)化好氧顆粒污泥處理造紙廢水，COD降解率提高了5.7%；Chen等[10]采用一株分離自堿性過(guò)氧化氫機(jī)械漿廢水的戈登氏菌JW8強(qiáng)化SBR反應(yīng)器，COD降解率提高了6.3%；Chen等[11]采用戈登氏菌、土壤桿菌、芽孢桿菌和惡臭假單胞菌等組合菌劑強(qiáng)化好氧顆粒污泥處理造紙廢水厭氧端出水，COD降解率提高了13.4%；劉娜娜[16]采用3株真菌強(qiáng)化處理造紙廢水的SBR反應(yīng)器，COD降解率提高了6.2%以上。這些研究均取得了一定的強(qiáng)化效果，具體表現(xiàn)為COD降解率提高了5.0%～15.0%，且以接近6.0%居多，與本研究結(jié)果較為一致。

圖1 5種菌劑強(qiáng)化CODCr降解的效果Fig.1 Effect of Five Microbial Agents on Enhanced Degradation of CODCr

同時(shí)，在初篩試驗(yàn)中，對(duì)比了5種菌劑強(qiáng)化下的SVI，了解生物強(qiáng)化對(duì)活性污泥沉降性能的影響。一般，SVI為50～150 mg/L時(shí)，活性污泥具有較好的沉降性能。由圖2可知，試驗(yàn)組A～D和空白組的SVI均接近此范圍，說(shuō)明其活性污泥均具有較好的沉降性能，尤其是前者的SVI均接近甚至低于后者，說(shuō)明生物強(qiáng)化對(duì)活性污泥沉降性能無(wú)負(fù)面影響，反而使活性污泥的沉降性能得到改善。值得指出的是，菌劑E表現(xiàn)出較高的SVI，明顯高于空白組，說(shuō)明其活性污泥沉降性能降低。綜上，菌劑A～E均表現(xiàn)出良好的COD生物強(qiáng)化去除效果；除菌劑E外，菌劑A～D均未對(duì)活性污泥產(chǎn)生不良影響。

圖2 5種菌劑對(duì)活性污泥沉降性能的影響Fig.2 Effect of Five Microbial Agents on Activated Sludge Settling Performance

綜上，菌劑A和菌劑D具有更好的強(qiáng)化COD降解效果，且不會(huì)對(duì)活性污泥產(chǎn)生不良影響，因此，選擇這2種菌劑開展下一步的條件優(yōu)化試驗(yàn)。另外，考慮到72 h時(shí)，降解反應(yīng)已經(jīng)趨于完全，因此，后續(xù)優(yōu)化試驗(yàn)中的反應(yīng)結(jié)束時(shí)間調(diào)整為72 h。

2.2 優(yōu)選菌劑的條件優(yōu)化

由于接種量關(guān)系到藥劑投加成本，而DO關(guān)系到曝氣能耗成本，為了降低處理成本并保證降解效果，對(duì)菌劑A和菌劑D開展了同步降低接種量和降低DO的條件優(yōu)化試驗(yàn)。由圖3可知，隨著反應(yīng)進(jìn)行，各組的COD均呈現(xiàn)逐步降低的趨勢(shì)，且變化趨勢(shì)與圖1一致，說(shuō)明同步降低菌劑投加量和降低DO并不會(huì)影響COD的降解效果,反而全程均表現(xiàn)出更低的COD。原因可能是在降低菌劑投加量后減少了由外加菌劑帶入的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，加速了COD降解進(jìn)程，也提高了COD降解程度，可從4、24 h和72 h時(shí)(與圖1相比)均具有更低的COD得到間接反映。同時(shí)，2種菌劑的0.01%投加量組COD降解率僅略低于0.1%投加量組，說(shuō)明0.01%投加量足以發(fā)揮良好的生物強(qiáng)化作用。在優(yōu)化條件下，試驗(yàn)組的COD均明顯低于空白組，說(shuō)明微生物菌劑均表現(xiàn)出對(duì)COD降解的強(qiáng)化作用。另外，菌劑A與菌劑D的強(qiáng)化效果近似，考慮到與菌劑D相比，菌劑A還具有可直接使用、成本低廉的優(yōu)勢(shì)，確定菌劑A為優(yōu)選菌劑。其在低投加量(0.01%)、低DO(1.6 mg/L)條件下，經(jīng)72 h強(qiáng)化處理后的CODCr濃度仍可降低至632 mg/L，降解率達(dá)到85.9%，與空白組相比，COD降解率提高了10.7%。該結(jié)果已經(jīng)達(dá)到現(xiàn)有相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道的強(qiáng)化效果[3,10-11,16-17]，且該優(yōu)選菌劑具有更明顯的經(jīng)濟(jì)性，實(shí)現(xiàn)了本次篩選工作的目的。

圖3 在較低DO水平下不同菌劑投加量強(qiáng)化 CODCr降解的效果Fig.3 Effect of Different Dosage of Microbial Agents on Enhanced Degradation of CODCr under Lower DO Level

3 結(jié)論

為了獲得適用于造紙廢水的廉價(jià)、高效的生物強(qiáng)化菌劑，本研究對(duì)5種菌劑A～E開展了初篩試驗(yàn)和條件優(yōu)化試驗(yàn)，得出如下結(jié)論。

(1)5種菌劑最終均表現(xiàn)出了對(duì)造紙廢水COD降解的強(qiáng)化作用，其中菌劑A和菌劑D具有更好的強(qiáng)化COD降解效果。

(2)本試驗(yàn)條件下，同步降低菌劑投加量和降低DO并不會(huì)影響COD降解效果。

(3)綜合考慮效果和投入成本，確定了菌劑A為優(yōu)選生物強(qiáng)化菌劑，在低投加量(0.01%)、低DO(1.6 mg/L)條件下，仍可使COD降解率提高10.7%。