齊世鑫 楊 達(dá) 張 浩 藍(lán)惠霞，2，*

（1. 青島科技大學(xué)環(huán)境與安全工程學(xué)院，山東青島，266042；2. 福建省新型污染物生態(tài)毒理效應(yīng)與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建莆田，351100）

制漿中段廢水成分復(fù)雜、色度較高、可生化性較差［1］，一般采用物化法和生化處理相結(jié)合的工藝對(duì)其進(jìn)行處理［2-3］。生化處理中，活性污泥法由于運(yùn)行方式靈活、費(fèi)用低、無(wú)二次污染等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用［4］。然而，制漿中段廢水的可生化性差，常規(guī)的好氧活性污泥法不能有效去除廢水中的有機(jī)物［5］。

在傳統(tǒng)的活性污泥中加入優(yōu)勢(shì)菌，能增強(qiáng)或改善污泥對(duì)特定污染物的降解能力，形成一個(gè)穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng)，從而縮短曝氣時(shí)間，增強(qiáng)處理效果，使出水水質(zhì)保持穩(wěn)定［6］。黨亞攀等［7］將篩選出的缺陷短波單胞菌投加到好氧活性污泥系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)，制漿中段廢水的CODCr去除率提高了15%以上。熊蔚等［8］將篩選出的6株優(yōu)勢(shì)菌用于處理焦化廢水，廢水處理效果顯著提高。優(yōu)勢(shì)菌在處理垃圾滲濾液、石化廢水等難降解有機(jī)廢水時(shí)也有良好的處理效果［9］。優(yōu)勢(shì)菌的存在提高了特定污染物的去除效果?；旌蟽?yōu)勢(shì)菌（優(yōu)勢(shì)菌群）相對(duì)于單一的優(yōu)勢(shì)菌，具有功能齊全、處理效果明顯等優(yōu)點(diǎn)。孫友友等［10］把篩選出的多個(gè)純種菌株混合組成的復(fù)合菌群投加到好氧活性污泥系統(tǒng)中處理造紙廢水，處理效果大大改善。這些研究表明，優(yōu)勢(shì)菌的加入能促進(jìn)活性污泥處理廢水的效果，尤其是優(yōu)勢(shì)菌群的加入會(huì)使廢水處理效果更明顯。但要充分發(fā)揮優(yōu)勢(shì)菌群在活性污泥系統(tǒng)中的促進(jìn)作用，菌群中各菌種的合適比例非常重要。

本課題組在前期工作中通過(guò)白水馴化獲得了3株優(yōu)勢(shì)菌，分別為B.subtilis、B.cereus和V.pantothenticus，并發(fā)現(xiàn)按35%∶50%∶15%（質(zhì)量比，下同）比例構(gòu)建的優(yōu)勢(shì)菌群對(duì)造紙白水有良好的處理效果［11］。本研究將該菌群用于強(qiáng)化好氧活性污泥以處理制漿中段廢水，考察優(yōu)勢(shì)菌群在不同投加量條件下對(duì)活性污泥處理廢水效果和對(duì)污泥理化特性的影響，以期為實(shí)際工程應(yīng)用提供參考。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)用水取自山東某造紙廠制漿中段廢水，制漿原料為楊木片，采用硫酸鹽法制漿。廢水呈淺棕黃色，pH 值為 6～7，CODCr約為 800 mg/L?；钚晕勰嗳∽岳畲搴訌U水處理廠二沉池。

1.2 分析方法

CODCr采用COD測(cè)定儀（DR1010，美國(guó)HACH公司）進(jìn)行測(cè)定；混合液懸浮固體（MLSS）采用重量法測(cè)定［12］；用硫酸法提取胞外多聚物，胞外多糖（PS）含量采用苯酚-硫酸法測(cè)定［13］。污泥體積指數(shù)（SVI）值采用下述方法計(jì)算。

SV30的測(cè)定：反應(yīng)器停止曝氣后，用玻璃棒攪拌均勻，將水樣倒入100 mL 量筒內(nèi)，沉淀30 min 后，讀取污泥界面所在的刻度，記作mL/L。

MLSS 的測(cè)定：將定性濾紙放在烘箱中，溫度調(diào)至105℃進(jìn)行烘干直至質(zhì)量恒定，記錄質(zhì)量m0，g。從反應(yīng)器中取混合污泥100 mL，用濾紙過(guò)濾，將過(guò)濾后的濾紙放入105℃的烘箱中烘干，記錄質(zhì)量m1，g。MLSS（g/L）=（m1-m0）/V。

SVI（mL/g）=SV30/MLSS。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

向4個(gè)接種污泥量均為3 g/L的燒杯中，分別加入0.1、0.3、0.5和0.9 g/L由B.Subtilis∶B.Cereus∶V.pantothenticus=35%∶50%∶15%比例組成的優(yōu)勢(shì)菌群，采用制漿中段廢水對(duì)污泥進(jìn)行馴化，并以不投加優(yōu)勢(shì)菌群的體系作為空白對(duì)照組。馴化過(guò)程經(jīng)歷了5個(gè)階段，制漿中段廢水與營(yíng)養(yǎng)液體積比分別為2∶8、4∶6、6∶4、8∶2和10∶0，每個(gè)階段所經(jīng)歷的時(shí)間分別為8、21、12、12和7天。營(yíng)養(yǎng)液組成如表1所示。

2 結(jié)果與討論

2.1 馴化過(guò)程CODCr去除率的變化

采用制漿中段廢水對(duì)污泥進(jìn)行馴化的過(guò)程中，CODCr去除率的變化如圖1所示。

圖1 CODCr去除率的變化

由圖1可知，在整個(gè)馴化過(guò)程中，投加優(yōu)勢(shì)菌群體系的CODCr去除率明顯高于不加優(yōu)勢(shì)菌群的空白體系；投加優(yōu)勢(shì)菌群可以強(qiáng)化好氧活性污泥處理廢水過(guò)程，因此其對(duì)廢水的處理效果有所提升。當(dāng)優(yōu)勢(shì)菌群投加量為0.3 g/L時(shí)，CODCr的去除率達(dá)到最大，廢水處理效果最好。投加0.1 g/L和0.5 g/L優(yōu)勢(shì)菌群體系的廢水處理效果相近，投加0.9 g/L優(yōu)勢(shì)菌群體系的處理效果最差，但也高于空白體系。各優(yōu)勢(shì)菌群體系CODCr去除率的變化趨勢(shì)基本相同。在馴化第一階段，CODCr的去除率波動(dòng)較小。之后每進(jìn)入下一馴化階段，CODCr的去除率先下降，之后又提高，這可能是由于提高廢水的比例，對(duì)活性污泥產(chǎn)生了一定的沖擊，但活性污泥能夠較好地適應(yīng)。將制漿中段廢水與營(yíng)養(yǎng)液的體積比例提高到8∶2后，CODCr去除率下降幅度較大，可能是因?yàn)榇藭r(shí)廢水所占比例已經(jīng)遠(yuǎn)高于營(yíng)養(yǎng)液所占比例，產(chǎn)生較高的沖擊負(fù)荷，導(dǎo)致CODCr去除率降低，但活性污泥仍然能較快地適應(yīng)此配比下的廢水，表明馴化階段基本完成。在整個(gè)馴化過(guò)程中，投加0.3 g/L的優(yōu)勢(shì)菌群體系的CODCr去除率均為最大，而投加0.9 g/L的優(yōu)勢(shì)菌群體系中CODCr的去除率僅高于空白體系，這說(shuō)明優(yōu)勢(shì)菌群的投加對(duì)活性污泥系統(tǒng)有影響，但并不是投加量越高，處理效果越好。投加量過(guò)多時(shí)，體系中菌密度過(guò)大，單個(gè)菌表面產(chǎn)生的活性物質(zhì)變少，而活性物質(zhì)可促進(jìn)菌體對(duì)有機(jī)物的吸收［14］。因此，投菌量超過(guò)一定范圍，不利于廢水中污染物的降解。馴化過(guò)程結(jié)束后，投加優(yōu)勢(shì)菌群的體系中，CODCr去除率分別達(dá)到69.2%（0.1 g/L）、72.9%（0.3 g/L）、70.0%（0.5 g/L）和60.7%（0.9 g/L），空白體系CODCr去除率僅為51.8%。

2.2 污泥指標(biāo)的變化

MLSS 是污泥理化特性的一個(gè)重要指標(biāo)［15］。在制漿中段廢水馴化前后，分別測(cè)定了反應(yīng)體系的MLSS，結(jié)果如圖2（a）所示。SVI 可反映污泥的沉降性能［16］，馴化前后的SVI值如圖2（b）所示。

馴化前，空白體系與投加優(yōu)勢(shì)菌群體系中的MLSS分別為5.4（空白）、6.1（0.1 g/L）、4.9（0.3 g/L）、6.3（0.5 g/L）和7.2 g/L（0.9 g/L）。馴化后，各體系的MLSS分別為7.1（空白）、9.3（0.1 g/L）、8.6（0.3 g/L）、10.4（0.5 g/L）和10.0 g/L（0.9 g/L）。由圖2（a）可知，優(yōu)勢(shì)菌群體系中，MLSS 馴化前后的增幅均高于空白組。這一結(jié)果表明，優(yōu)勢(shì)菌群的存在使體系具有較強(qiáng)的抗負(fù)荷沖擊能力，促進(jìn)了好氧活性污泥系統(tǒng)中微生物的增殖。

圖2 馴化前后的污泥指標(biāo)變化：(a)MLSS的變化；(b)SVI值的變化；(c)PS含量的變化

由圖2（b）可知，各體系的好氧活性污泥SVI值均在55～100之間，處在正常范圍內(nèi)。馴化過(guò)程中，隨著制漿中段廢水負(fù)荷的提高，有毒有害物質(zhì)的濃度不斷提高，空白體系中活性污泥的SVI值提高，沉降性下降；在馴化后，投加優(yōu)勢(shì)菌群體系的好氧活性污泥SVI值均下降，污泥沉降性保持在較好的范圍內(nèi)（SVI 值=55～65 mL/g），投加優(yōu)勢(shì)菌群各體系的好氧活性污泥沉降性均優(yōu)于空白體系；其中優(yōu)勢(shì)菌群投加量為0.3 g/L的體系中好氧活性污泥沉降性最好，投加量為0.1和0.5 g/L的體系次之，投加量為0.9 g/L體系的好氧活性污泥沉降性最差。這一結(jié)果與2.1中優(yōu)勢(shì)菌群投加量為0.3 g/L時(shí)，體系對(duì)CODCr去除效果最好的結(jié)果相一致。

馴化前后PS 含量的變化如圖2（c）所示。由圖2（c）可以看出，馴化后各體系PS 含量均比馴化前低，且投加優(yōu)勢(shì)菌群的各體系PS 含量在馴化前后均小于空白組，優(yōu)勢(shì)菌群投加量為0.3 g/L的體系中，PS含量在馴化前后均為最低。研究表明［17］，隨著PS 含量的提高，污泥的親水性能隨之增大，絮凝性能下降。因此，投加優(yōu)勢(shì)菌群0.3 g/L體系的污泥絮凝性最好，這與MLSS和SVI值實(shí)驗(yàn)結(jié)果相一致。

2.3 處理周期的確定

CODCr去除率隨時(shí)間的變化如圖3所示。

圖3 CODCr去除率隨時(shí)間的變化

由圖3 可知，出水CODCr去除率達(dá)到穩(wěn)定值時(shí)（隨處理時(shí)間增加，CODCr去除率不再變化），空白組所需處理時(shí)間為9 h，優(yōu)勢(shì)菌群投加量為0.3和0.5 g/L的體系，所需處理時(shí)間均為8 h，比空白體系縮短1 h；優(yōu)勢(shì)菌群投加量為0.1和0.9 g/L的體系，所需處理時(shí)間為9 h。加入優(yōu)勢(shì)菌群后，能夠縮短水力停留時(shí)間；優(yōu)勢(shì)菌群投加量為0.3 g/L的體系，隨處理時(shí)間的增加，CODCr去除率均為最高，增加優(yōu)勢(shì)菌群投加量，處理效果反而會(huì)下降。尤其是優(yōu)勢(shì)菌群投加量為0.9 g/L 時(shí)，CODCr去除率下降尤為明顯，可能的原因是，優(yōu)勢(shì)菌群投加量較高時(shí)，抑制了單個(gè)菌表面所能產(chǎn)生的活性物質(zhì)，且投加的優(yōu)勢(shì)菌群及其他游離菌易隨出水流失，引起污泥絮凝結(jié)構(gòu)破壞。

2.4 降解動(dòng)力學(xué)研究

在pH 值為7 的條件下，分別對(duì)空白體系和投加優(yōu)勢(shì)菌群體系（0.1、0.3、0.5和0.9 g/L）的反應(yīng)器進(jìn)行降解動(dòng)力學(xué)研究，并與空白組進(jìn)行比較。

假設(shè)該降解體系符合一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程：

-dCOD/dt=kCOD

經(jīng)積分后得到：lnCODt=-kt+lnCOD0

其中，t為反應(yīng)時(shí)間，k為降解速率常數(shù)，COD0為廢水初始CODCr濃度，CODt為廢水在t時(shí)刻的CODCr濃度。

對(duì)5個(gè)體系降解制漿中段廢水動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，做lnCODt～t的關(guān)系圖，得到降解動(dòng)力學(xué)擬合曲線，如圖4所示。各體系的降解動(dòng)力學(xué)方程及降解速率常數(shù)見表2。

由圖4和表2可知，投加優(yōu)勢(shì)菌群各體系的降解動(dòng)力學(xué)方程，R2均接近0.9000，所以擬合線性關(guān)系良好，符合假設(shè)，即好氧活性污泥處理制漿中段廢水服從一級(jí)降解動(dòng)力學(xué)模型。優(yōu)勢(shì)菌群投加量為0.3 g/L體系的降解速率常數(shù)最大，降解速率最快，0.5與0.1 g/L體系的降解速率常數(shù)略小于優(yōu)勢(shì)菌群投加量為0.3 g/L的體系，與之前確定處理周期實(shí)驗(yàn)的結(jié)果相吻合，再一次說(shuō)明了投加優(yōu)勢(shì)菌群的體系CODCr去除率要高于空白體系。投加優(yōu)勢(shì)菌群為0.9 g/L的體系降解速率常數(shù)最低，這表明優(yōu)勢(shì)菌的投加量是有閾值的，超過(guò)這個(gè)閾值反而會(huì)影響CODCr的去除效果［18］。這一結(jié)果也與馴化過(guò)程中各體系對(duì)CODCr去除率的結(jié)果一致。

圖4 降解動(dòng)力學(xué)擬合曲線

表2 各體系降解動(dòng)力學(xué)方程及降解速率常數(shù)

3 結(jié) 論

本課題用實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建的優(yōu)勢(shì)菌群B.subtilis∶B.cereus∶V.pantothenticus=35%∶50%∶15%（質(zhì)量比）強(qiáng)化好氧活性污泥處理制漿中段廢水，研究了優(yōu)勢(shì)菌群投加量對(duì)廢水處理效果的影響，主要結(jié)論如下。

3.1 采用制漿中段廢水對(duì)污泥進(jìn)行馴化的過(guò)程中，投加優(yōu)勢(shì)菌群體系的CODCr去除率、MLSS和SVI值等污泥理化指標(biāo)均優(yōu)于空白體系，但污泥絮凝性變差。優(yōu)勢(shì)菌群投加量為0.3g/L 體系的廢水處理效果最好，理化特性較優(yōu)，馴化結(jié)束后，該投加量體系的CODCr去除率可達(dá)72.9%。

3.2 投加優(yōu)勢(shì)菌群能縮短廢水處理周期，優(yōu)勢(shì)菌群投加量為0.3 g/L 時(shí)，廢水處理周期為8 h，比空白體系縮短1 h。

3.3 好氧活性污泥處理制漿中段廢水反應(yīng)體系符合一級(jí)降解動(dòng)力學(xué)模型，優(yōu)勢(shì)菌群投加量為0.3 g/L 的體系降解速率常數(shù)最大。