吳立波 王建龍 黃霞 劉恒 錢易
(清華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程系環(huán)境模擬與污染控制國(guó)家重點(diǎn)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室)

　　摘　要 以喹啉為唯一碳源馴化高效菌種，將其一部分附著在陶粒載體上，比較了自固定化前后菌種活性的變化，然后在用活性污泥處理焦化廢水時(shí)，以三種投加高效菌種的方式強(qiáng)化處理焦化廢水：①只投加懸浮高效菌種，②投加懸浮高效菌種和空白陶粒，③投加附著有高效菌種的陶粒，研究了不同投加方式對(duì)保持菌種高效降解特性的作用。試驗(yàn)表明，菌種自固定化后活性略有下降，但在泥齡短時(shí)活性保持較好，明顯優(yōu)于未固定化高效菌種。
　　關(guān)鍵詞 附著高效菌種 懸浮高效菌種 焦化廢水 喹啉

　　焦化廢水中含有大量難降解有機(jī)物，生物處理比較困難^［1］。投加高效菌種可有效地增強(qiáng)生物反應(yīng)器對(duì)難降解有機(jī)物的降解能力，但高效菌種的應(yīng)用必須解決兩個(gè)問(wèn)題，即①高效菌種的保持。由于一般高效菌種從難降解有機(jī)物降解過(guò)程中獲得的能量較少，世代周期較長(zhǎng)，易流失。②高效菌種活性的保持。一般菌種優(yōu)先降解易降解基質(zhì)，投加后環(huán)境的改變使菌種特殊降解活性退化。微生物固定化技術(shù)可選擇性地提高泥齡，因此對(duì)高效菌種活性的保持有一定作用。目前，此技術(shù)已廣泛應(yīng)用于難降解有機(jī)物的處理^［2～6］。T陶粒是一種多孔性載體，微生物進(jìn)入陶?？紫逗?，可利用自身的附著能力形成生物膜，這是自固定化的一種形式。本文介紹利用陶粒載體自固定化降解喹啉高效菌種，并在好氧間歇處理焦化廢水的搖瓶中采用三種方式投加此高效菌種，揭示了投加高效菌種強(qiáng)化處理焦化廢水工藝中生物自固定化技術(shù)對(duì)菌種活性保持的作用。

1 材料與方法

1.1 處理對(duì)象
1.1.1 焦化廢水
　　處理水樣取自首都鋼鐵公司焦化廠回收車間曝氣池進(jìn)水口，測(cè)得COD為1532mg/L，喹啉為112mg/L,TOC為372 mg/L。
1.1.2 喹啉配水
　　以喹啉為唯一碳源，加入適量硫酸銨和磷酸二氫鉀作為氮和磷源，以自來(lái)水配制而成。實(shí)測(cè)喹啉為411mg/L，COD為1060mg/L，TOC為381mg/L。
1.2 高效菌種馴化方法
　　取處理焦化廢水厭氧酸化—缺氧—好氧工藝好氧段污泥(簡(jiǎn)稱菌J)，以喹啉配水進(jìn)行間歇馴化4個(gè)月。此時(shí)接種污泥經(jīng)自生異化形成能夠高效降解喹啉類物質(zhì)的混合菌種(簡(jiǎn)稱菌Q)。
1.3 高效菌種自固定方法
　　以間歇式生物流化床處理喹啉配水來(lái)固定菌種，載體為0.28～0.6mm陶粒。流化床運(yùn)轉(zhuǎn)1個(gè)月，單位陶粒上附著相菌種量以VSS計(jì)達(dá)到20.4mg/g。懸浮相高效菌種簡(jiǎn)稱菌Q_S，附著相高效菌種簡(jiǎn)稱Q_A。
1.4 反應(yīng)器及運(yùn)行條件
　　采用4個(gè)500mL錐形瓶作為間歇反應(yīng)器處理焦化廢水。搖床保持28℃和200r/min。每天換水1次，先排泥10mL，然后將混合液離心棄上清液，加入待處理水樣。階段A(1～5d)混合液體積為100mL，污泥齡為10d；階段B(26～50d)混合液體積為50mL，污泥齡為5d。反應(yīng)器Ⅰ為空白反應(yīng)器，只接種菌J；反應(yīng)器Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ除接種菌J外，以3種方式一次性投加菌Q，以期強(qiáng)化處理焦化廢水中喹啉類物質(zhì)。反應(yīng)器Ⅲ、Ⅳ由于投加陶粒填料，構(gòu)成復(fù)合反應(yīng)器。各反應(yīng)器初始菌種濃度(以VSS計(jì))及陶粒量如表1所示。

1.5 檢測(cè)項(xiàng)目及方法
1.5.1 TOC、COD和喹啉
　　COD以標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)法測(cè)定。TOC以島津公司生產(chǎn)的TOC--5000測(cè)定。喹啉則用HP--1050高壓液相色譜儀測(cè)定，測(cè)定時(shí)固定相為杜邦公司生產(chǎn)的@ZORBAXC--18柱，流動(dòng)相為甲醇(60%)和水(40%)，流量為1mL/min，溫度為30℃，波長(zhǎng)為313 nm。
1.5.2 污泥活性的測(cè)定
　　菌種對(duì)喹啉和焦化廢水的降解活性以反應(yīng)過(guò)程中氧氣的消耗來(lái)表示，測(cè)試方法為瓦呼儀(瓦勃氏呼吸儀)法。取定量反應(yīng)器中混合液離心棄上清液，經(jīng)9%生理鹽水洗滌三次后，以無(wú)機(jī)培養(yǎng)基制成濃縮1倍的菌懸液。生物陶粒則用生理鹽水沖洗三次，濾紙吸干，然后稱取約0.2g(約合干重0.15g)?；|(zhì)分別為喹啉配水和焦化廢水。反應(yīng)時(shí)加入菌懸液和基質(zhì)溶液各1.5mL，混合液體積3.0mL；陶粒則在加入后補(bǔ)充無(wú)機(jī)鹽培養(yǎng)基至3.0mL。畫出反應(yīng)過(guò)程的累積好氧量曲線，過(guò)原點(diǎn)做曲線的切線算出初始好氧速率，除以此時(shí)的污泥量可算出初始比好氧速率。

2 結(jié)果與討論

2.1 懸浮相與附著相菌Q活性比較
　　分別做瓦呼儀實(shí)驗(yàn)測(cè)定懸浮相菌Q和附著相菌Q對(duì)喹啉及焦化廢水的降解活性，結(jié)果表明，菌Q對(duì)喹啉和焦化廢水都有較好的降解活性。當(dāng)喹啉濃度為100mg/L時(shí)，其降解速率初始即達(dá)到最大值，3h內(nèi)已接近最大降解量。當(dāng)喹啉濃度為500mg/L時(shí)，其最大降解速率出現(xiàn)在3～7h，在10h內(nèi)接近最大降解量。而當(dāng)喹啉濃度為1000mg/L時(shí)，延滯期較長(zhǎng)，7h后才達(dá)到最大降解速率，23h時(shí)仍在繼續(xù)降解。菌Q對(duì)焦化廢水10h內(nèi)已接近最大降解量，焦化廢水中酚類物質(zhì)含量較高，而喹啉的降解中間產(chǎn)物有很多類酚物質(zhì)，因此菌Q對(duì)焦化廢水的降解能力較強(qiáng)。不過(guò)菌Q對(duì)焦化廢水的降解程度不高，最大降解量?jī)H為45%左右，而其對(duì)喹啉的最大降解量則約為75%。
　　附著相菌種同懸浮相菌種相比所能達(dá)到的降解程度相差不大，且與累積好氧量曲線的變化形式相同，但初始階段好氧速率稍小，約降低20%左右。菌Q這一特性可能和傳質(zhì)速度有關(guān)，主體基質(zhì)溶液到陶粒上生物膜內(nèi)部菌種的傳質(zhì)速度低于其到懸浮相菌種的傳質(zhì)速度，從而使降解速率稍低。
2.2 投菌后接種污泥活性增強(qiáng)
　　取菌J和菌Q按反應(yīng)器Ⅱ所投加比例做瓦呼儀實(shí)驗(yàn)，分別測(cè)定兩菌種單獨(dú)或混合降解喹啉配水、焦化廢水時(shí)的降解能力。接種污泥取自連續(xù)式運(yùn)轉(zhuǎn)工藝好氧完全混合反應(yīng)器，因此對(duì)較高的基質(zhì)濃度不適應(yīng)，初始降解速率很低，對(duì)焦化廢水和喹啉配水分別存在5 h和10 h的抑制期?；旌暇N則初始降解速率就很高，很快達(dá)到最大降解速率。混合菌種處理喹啉配水時(shí)兩菌種之間沒(méi)有協(xié)同作用，但處理焦化廢水時(shí)兩菌種之間協(xié)同作用明顯，這是因?yàn)榻够瘡U水成分復(fù)雜，菌Q所能降解的底物范圍有限，而接種污泥長(zhǎng)期處于焦化廢水基質(zhì)環(huán)境中，對(duì)其中某些難降解物質(zhì)有一定的降解作用，兩菌種互補(bǔ)所缺使降解能力進(jìn)一步提高。
2.3 投加方式對(duì)菌種活性保持的影響
2.3.1 進(jìn)、出水的COD變化
　　運(yùn)行過(guò)程中各反應(yīng)器總體運(yùn)行效果相差不大。這主要是因?yàn)榉磻?yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，各反應(yīng)器都能達(dá)到最大降解程度的結(jié)果。接種污泥經(jīng)運(yùn)轉(zhuǎn)馴化很快適應(yīng)了反應(yīng)器內(nèi)的基質(zhì)濃度，去除率達(dá)60%左右。但由于焦化廢水成分復(fù)雜，而所馴化菌種降解底物范圍有限，很多物質(zhì)不能被降解，因此各反應(yīng)器總的去除率不高。
2.3.2 污染物降解歷程
　　進(jìn)一步考察污染物的降解歷程如圖1和圖2所示。在階段A，泥齡為10d，反應(yīng)器Ⅰ同Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ相比，TOC和喹啉的降解都比較慢，而Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ的降解歷程相近，這說(shuō)明在泥齡長(zhǎng)時(shí)，所投加菌種在反應(yīng)器中起一定的作用。在階段B，泥齡為5d，反應(yīng)器Ⅲ和Ⅳ的TOC和喹啉的降解明顯快于Ⅰ和Ⅱ，而Ⅰ和Ⅱ的降解歷程相近，這表明在泥齡短時(shí)，所投加的懸浮相菌Q已不起作用，而固定化菌種仍在起一定的作用。反應(yīng)器Ⅲ中喹啉降解菌在A階段可附著在陶粒上，從而在B階段反應(yīng)器Ⅲ的喹啉降解菌活性高于反應(yīng)器Ⅱ。

2.3.3 污泥濃度的變化
　　由圖3看出，階段A反應(yīng)器總污泥濃度基本相同，而在階段B反應(yīng)器Ⅳ總污泥濃度明顯高于其他三個(gè)反應(yīng)器。由于反應(yīng)器內(nèi)水流紊動(dòng)較劇烈，菌種脫落量大，反應(yīng)器Ⅲ附著相菌種增加較慢，反應(yīng)器Ⅳ附著相菌種量則降到14.3mg/L后穩(wěn)定下來(lái)。反應(yīng)器負(fù)荷不變，泥齡降低后，反應(yīng)器Ⅲ附著相菌種濃度繼續(xù)增大，反應(yīng)器Ⅳ附著相菌種濃度則近乎不變，而懸浮相菌種濃度則隨泥齡的降低大幅度降低。由圖4可見(jiàn)，此時(shí)復(fù)合反應(yīng)器中附著相菌種所占的比例明顯增大。雖然普通反應(yīng)器中懸浮相菌種量稍高，但總污泥濃度卻是復(fù)合反應(yīng)器較高。

2.3.4 菌種對(duì)喹啉降解活性的變化
　　分別測(cè)定各階段反應(yīng)器Ⅰ～Ⅳ的懸浮相菌種和反應(yīng)器Ⅲ、Ⅳ的附著相菌種對(duì)喹啉配水和焦化廢水的降解活性，如圖5和圖6所示。反應(yīng)器開(kāi)始運(yùn)行后，菌J逐漸適應(yīng)間歇式處理工藝環(huán)境，這樣反應(yīng)器Ⅰ、Ⅳ中懸浮相菌種對(duì)喹啉和焦化廢水的降解活性均大幅度增高。反應(yīng)器Ⅱ、Ⅲ中懸浮相菌種對(duì)焦化廢水降解活性基本不變，對(duì)喹啉降解活性大幅度降低，而反應(yīng)器Ⅳ附著相菌的兩種活性都大幅度降低。焦化廢水中喹啉濃度低于喹啉配水，菌種長(zhǎng)期處于這種環(huán)境中，對(duì)喹啉的降解活性漸弱。反應(yīng)器Ⅳ中兩相菌互相競(jìng)爭(zhēng)，且菌種脫落量較大，因此附著相菌種對(duì)焦化廢水的降解活性也有所降低。在各階段，各菌種對(duì)焦化廢水的降解能力明顯高于對(duì)喹啉配水的降解能力，考慮到兩種廢水COD相近，喹啉確實(shí)是焦化廢水中一種難降解有機(jī)物。
　　階段A反應(yīng)器Ⅰ同其他三個(gè)反應(yīng)器相比，喹啉配水總降解活性明顯較低，而焦化廢水降解活性則相差不多。由此可見(jiàn)，所投入菌Q使反應(yīng)器內(nèi)菌種構(gòu)成發(fā)生改變，導(dǎo)致喹啉降解菌的活性得到定向改善。此時(shí)，反應(yīng)器Ⅲ附著相菌種濃度還很低，懸浮相菌種起主要作用，但各菌種都已有所附著。反應(yīng)器Ⅳ附著相菌種活性同懸浮相菌種對(duì)喹啉降解活性相差不大，而對(duì)焦化廢水降解活性則較低，這說(shuō)明喹啉降解菌在陶粒上處于優(yōu)勢(shì)。

　　在階段B，菌種的降解活性同階段A相比明顯降低，這主要是污泥濃度降低的結(jié)果，但反應(yīng)器Ⅱ和Ⅲ的喹啉菌比降解活性明顯降低，表明泥齡降低后，喹啉菌增殖較慢，逐漸流失。此時(shí)各反應(yīng)器懸浮相菌種的活性相近，表明所投加懸浮相菌Q已失去作用。反應(yīng)器Ⅲ附著相菌種大量增殖，活性提高，特別是對(duì)喹啉降解活性大幅度提高。反應(yīng)器Ⅳ附著相菌種活性變化不大，此時(shí)已超過(guò)懸浮相菌種起主要作用，說(shuō)明附著相菌種受泥齡的影響較小。
　　當(dāng)菌種初始吸附后，其增殖主要靠最初附著菌種的裂殖，因此當(dāng)菌種所處環(huán)境改變時(shí)，只是原菌種活性改變，而其他菌種則處于競(jìng)爭(zhēng)劣勢(shì)，從而保持了最初附著菌種的優(yōu)勢(shì)地位。吸附自固定化使高效菌種定向保持在反應(yīng)器中，與泥齡變化無(wú)關(guān)，克服了高效菌種增殖較慢的缺點(diǎn)。

3 結(jié)論

　　① 降解喹啉高效菌種自固定化后降解活性略有下降，約為20%左右。
　?、?降解喹啉高效菌種投加于處理焦化廢水的好氧污泥中可強(qiáng)化其對(duì)喹啉和焦化廢水的降解。
　　③ 投加降解喹啉高效菌強(qiáng)化活性污泥法處理焦化廢水時(shí)，若只投加懸浮相菌種，泥齡降低時(shí)，反應(yīng)器高效活性喪失。如果投加附著有高效菌種的陶粒或同時(shí)投加懸浮相高效菌種和空白陶粒，構(gòu)成復(fù)合反應(yīng)器，由于附著相菌種活性只是受反應(yīng)器內(nèi)基質(zhì)環(huán)境變化的影響，與泥齡變化無(wú)關(guān)，因此在泥齡較低時(shí)，仍能保持一定的高效降解活性。

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　　作者簡(jiǎn)介：吳立波 在讀博士生
　　通訊處：100084 北京清華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程系
　　電　　話：(010)62785684 62777927
　　(收稿日期 1998-12-31)