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        高鹽有機廢水的生物處理技術

        發布時間:2012-2-29 14:32:45  中國污水處理工程網

        在化工、制藥、燃料的生產過程中,產生的廢水除含有高濃度的有機物外,還含有高濃度的鹽類物質,采用生物法進行處理,高濃度的鹽類物質對微生物具有抑制作用,采用物化法處理,投資大,運行費用高,且難以達到預期的凈化效果。采用生物法對此類廢水進行處理,仍是目前國內外研究的重點。本文介紹了鹽濃度對微生物的抑制作用,嗜鹽菌的特性、培馴方法,并介紹了采用生物法處理含鹽有機廢水的研究及應用現狀。

        1  鹽濃度對生物處理的影響

        高含鹽量有機廢水的有機物根據生產過程不同,所含有機物的種類及化學性質差異較大,但所含鹽類物質多為Cl-、SO42-、Na+、Ca2+等鹽類物質。雖然這些離子都是微生物生長所必需的營養元素,在微生物的生長過程中起著促進酶反應,維持膜平衡和調節滲透壓的重要作用。但是若這些離子濃度過高,會對微生物產生抑制和毒害作用,主要表現:鹽濃度高、滲透壓高、微生物細胞脫水引起細胞原生質分離;鹽析作用使脫氫酶活性降低;氯離子高對細菌有毒害作用;鹽濃度高,廢水的密度增加,活性污泥易上浮流失,從而嚴重影響生物處理系統的凈化效果。

        高鹽環境對生化處理有抑制作用,表現為微生物代謝酶活性受阻,致使生物增長緩慢, 產率系數低。早在1940年,Ingram對桿菌研究發現,當NaCl濃度>10 g/L時,能夠使微生物的呼吸速率降低。Lawton研究表明,當NaCl濃度>20 g/L時,會導致滴濾池BOD去除率降低;在此濃度下,活性污泥法的BOD去除率降低,同時污泥中的絮凝性變壞,出水SS升高,硝化細菌受到抑制。處理含高濃度鹵代有機物廢水的實驗表明,BOD的去除率隨著鹽濃度的增加而降低。Davis采用活性污泥系統,處理含鹽濃度高達12%的廢水中試實驗結果證明,廢水中的TOC去除率較低,且實驗運行相當困難。

        Kargi等利用間歇生物反應器研究了鹽的抑制作用及動力學常數, Shim等研究了高鹽環境下化工廢水的生物處理, Li等討論了鹽度對二階段接觸氧化法處理含鹽廢水的影響。一些學者認為,在高鹽度環境中,微生物生長沒有受到抑制, 相反一些嗜鹽細菌的生長得到了相應的促進, 使反應器內微生物濃度增加,降低了污泥負荷, 提高了污泥的絮凝性。Woolard等在序批式生物膜反應器( SBR) 中培養的嗜鹽微生物處理含鹽量1%-15%的合成含酚廢水,當含鹽量高達15%(150 g/L)時,對酚的去除率依然在99%左右。Hamoda等采用活性污泥法處理含鹽廢水(10 g/L 和30 g/L),生物活性和有機物去除率均有提高,當NaCl 濃度分別為0、10、30 g/L 時,TOC 去除率分別為96.3%、98.9%、99.2%。由此可見, 嗜鹽微生物比普通微生物對高鹽度環境有更強的適應能力。

        2  嗜鹽微生物的特征及其馴化

        2.1  嗜鹽微生物的分類、特征及機理

        在一定濃度鹽溶液中,生長良好的微生物,稱為嗜鹽菌。依據嗜鹽濃度的不同,嗜鹽菌可分為輕度嗜鹽菌、中度嗜鹽菌和極端嗜鹽菌。抑制細菌生長的鹽濃度,不同細菌差別很大,如大腸桿菌是6%,枯草桿菌是9%,嗜鹽菌在10%以上也能增殖。

        由淡水環境到高鹽環境時,由于菌種選擇的結果能適應高鹽的菌種很少,輪蟲、固著及游泳性纖毛蟲等原生動物迅速死亡,穩定以后游泳性纖毛蟲可以重新出現。低鹽到高鹽時,微生物有一個適應期,鹽濃度的變化可能引起微生物代謝途徑的改變。細菌馴化過程就是使代謝方式逐漸適應高鹽環境,并使耐鹽菌大量增殖的過程,但這需要一定的時間,急劇地變化鹽濃度或馴化時間過短都會使細菌受到抑制。因此,把握鹽濃度的變化程度和馴化時間是十分重要的。

        高鹽環境生物隨著高鹽生態系統中離子組成,鹽濃度、pH值、氧氣、養分供應等方面的變化而展現出復雜的微生物多樣性。為了能在高鹽環境中生存,各種嗜鹽菌具有不同的適應環境機理。嗜鹽厭氧菌,嗜鹽硫還原菌以及嗜鹽古菌是在細胞內積累高濃度鉀離子(4-5 mol/L)的平衡高滲環境。嗜鹽真核生物、嗜鹽真細菌和嗜鹽甲烷菌的嗜鹽機理是在胞內積累大量的小分子極性物質,如甘油、單糖、氨基酸及它們的衍生物。這些小分子極性物質在嗜鹽、耐鹽菌的胞內構成滲透調節物質,幫助細胞從高鹽環境中獲得水分,而這些物質在細胞內能夠被快速的合成和降解。因此,這種機制克服了高鹽環境下微生物對環境滲透壓的改變而具有較強的適應能力。

        2.2  嗜鹽微生物的馴化

        Woolard采用一種含鹽量為15%的溶液作為實驗用廢水,其中含有140 g/L NaCl;2 g/L KCl;  0.5 g/L MgSO4;7.6 g/L MgCl2;0.2 g/L NaHCO3和1.7 g/L CaCl2,其他營養元素比如氮、磷、鐵等以NH4Cl、K2HPO4和FeCl2·4 H2O的形式分別加入培養基中。在室溫下培養,經過篩選,得到所需的微生物對苯酚的去處效果顯著。宋應民等則采取漸進的方式來馴化污泥,取400 mL活性污泥于1 000 mL燒杯中,加入經復合的優勢菌液50 mL,連續曝氣24 h,加入10 mL高含鹽化工有機廢水;5 h后再加入20 mL廢水,18 h后加入20 mL廢水,經過5 h,再加入20 mL廢水;第三天加入30 mL廢水。從第四天起每天上、下午各加入25 mL廢水,至累計加入200、300、400 mL時,各鏡檢水樣一次。至第九天,共加入高含鹽化工有機廢水400 mL為止。得到的污泥處理效果顯著。

        此外,還有其他一些馴化污泥的方法,具體步驟不盡相同,但是原理相似,都是利用微生物對環境的逐漸適應,優勝劣汰,最終獲得高效、優質菌種。但是,上述馴化方法所需時間長,操作較為繁瑣。更加廉價,方便,快捷的方式還有待進一步的研究和發現。

        3  高含鹽有機廢水生物處理技術

        3.1  好氧微生物法

        在實際的工程應用中,Ludzack和 Noran的研究表明,當氯化物的含量高于5-8 g/L的時候,將對傳統的好氧廢水處理工藝產生影響。盡管鹽的含量對生物活性存在著致命性的影響,但活性污泥對高含鹽環境的適應并非不可實現。工程上通常采用從低含鹽量逐漸增加的方式來培養微生物,以使之適應高含量的環境,使廢水得到凈化。Doudoroff研究表明,埃希氏菌群在生長的停滯期對NaCl的適應能力最強。研究表明,鹽濃度頻繁改變比起逐漸改變對微生物能產生更加不利的影響,且鹽濃度的大幅度改變將會導致細胞質的釋放,從而使可溶COD上升。雖然可以證明通過馴化活性污泥可適應高鹽環境,但是一個主要的瓶頸是此類適鹽系統的正常運行通常需要在5%含鹽量以下。具體參見http://www.j5687.com更多相關技術文檔。

        Kargi和Dincer于1997年開始使用逆流床反應器研究鹽濃度對好氧生物處理的影響。反應器中采用活性污泥接種,人工合成廢水由溶解蜜糖、尿素、磷酸二氫鉀和氯化鈉組成,濃度為50 g/L,COD∶N∶P的比例為100∶10∶1。研究發現,當鹽度從零上升到5%的時候,出水COD去除率從85%降至59%。此后,又進行了包括好氧生物轉盤在內的一系列創造性的實驗,得出嗜鹽菌是改善好氧處理工藝的最佳途徑。

        3.2  厭氧生物法

        早于1965年,Kugelman和McCarty就得出結論,Na+濃度超過10 g/L的時候,將強烈抑制甲烷的產生。然而,Omil等于1995年的研究表明,活性產甲烷菌群對廢水鹽度的適應是可能的,其效率取決于讓菌群適應高含鹽量所采取的方法。此外,Feijoo于1995年得出,污泥中Na+的毒性取決于多種因素,其中尤為重要的一點是,污泥的特征和對高含鹽水的逐漸適應性。

        近年來,利用嗜鹽微生物厭氧消化對廢水中的有機物進行生物降解的研究和應用越來越廣泛。不過相比好氧生物的相關研究,研究成果還相對較少,其中大多數探索的鹽濃度在10-71 g/L之間,遠比好氧研究的范圍要小。

        Aspé等于2001年模擬了金屬元素鉬對厭氧消化的抑制作用,認為產甲烷階段是最受抑制的階段。后來,人們采用厭氧過濾器;上流式厭氧污泥床反應器;厭氧接觸反應器等工藝;處理海產品加工廢水,上述方式進行廢水處理時,COD去除率在70%到90%之間,其有機負荷率為1-15 kg COD m3/d。Lefebvre等使用UASB技術研究皮革廠浸泡廢水的厭氧消化處理,適宜的工況限制在較低有機負荷下。限制了此類工藝的應用。

        3.3  厭氧/好氧處理技術

        由于單獨的好氧和厭氧工藝在處理工業廢水中COD去除率無法達到預期的效果,因此為了更好的處理廢水中的有機物,兩種方法的結合成了研究人員的又一選擇。Panswad和Anan于1999年采用了好氧/缺氧/厭氧工藝對含有3%鹽分的合成廢水進行處理,COD去除率達到71%的。2006年,Lefebvre等處理皮革廢水實驗,UASB技術與活性污泥后處理的結合改善了廢水處理工藝總體效果,COD去除率可達96%[35]。采用厭氧/好氧處理工藝,物化手段的使用主要體現在廢水的預處理上,其目的主要在于降低廢水中的有機物和鹽度,為微生物處理創造良好的環境。采取的整體工藝流程:廢水首先經過調節池,然后經過物化的預處理(通常采用調節pH值、混凝、沉淀、電解、微電解等方法),而后加入預先培養好的嗜鹽菌進行生物處理。

        4  結  語

        廢水中較高鹽濃度對生物處理有抑制作用,針對利用污泥對高鹽濃度的適應性,對微生物進行篩選和馴化,獲得的嗜鹽菌可承受較高鹽度,使生物處理高含鹽有機廢水成為可能。嗜鹽菌廉價,來源廣,可以利用許多有機物(包括難降解和有毒物質)作為碳源,因此,利用嗜鹽細菌處理高含鹽量有機廢水有廣闊的應用前景,研究快捷的嗜鹽菌選擇馴化方法,對實際應用和理論研究均具有重要意義。(谷騰水網)

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