廢液種類變換時(shí)生化處理的微生物體系與污染物質(zhì)去除

1、收稿日期:2000209218(修改稿本研究課題得到了教育部留學(xué)回國(guó)人員科研啟動(dòng)基金和加拿大魁北克省教育部的資助。廣東省自然科學(xué)基金團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目資助課題。廢液種類變換時(shí)生化處理的微生物體系與污染物質(zhì)去除高揚(yáng)(華南理工大學(xué)制漿造紙工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣州,510641許瑋H.2Claude Lavall e (Universit du Qu bec T rois 2Rivi ères 摘要化學(xué)機(jī)械法制漿系統(tǒng)中有闊葉木和針葉木交替使用的情況。原料種類的變化導(dǎo)致了制漿廢液污染特性和污染負(fù)荷的差異,對(duì)廢液生化處理系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生沖擊。本文討論了不同制漿廢液的更換過(guò)程中,廢水活性污泥法處理的污染物質(zhì)去除

2、、微生物體系構(gòu)成及其變化。關(guān)鍵詞活性污泥法廢液種類變換微生物體系污染物質(zhì)基于制漿造紙工業(yè)面臨的原料短缺、能源緊張、污染嚴(yán)重的現(xiàn)實(shí)狀況,高得率制漿技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用在世界范圍引起了廣泛的重視。目前,國(guó)際上制漿造紙工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的紙漿生產(chǎn)已經(jīng)大量采用了化學(xué)機(jī)械法和熱磨化學(xué)機(jī)械法制漿技術(shù),生產(chǎn)的紙張品種不斷增加,產(chǎn)品質(zhì)量不斷提高,成為制漿造紙工業(yè)的重要技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)之一1、2。研究化學(xué)機(jī)械法制漿廢液的處理工藝與技術(shù),對(duì)于制漿造紙工業(yè)污染治理和可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義36。由于原料供給的限制和經(jīng)濟(jì)方面的因素,采用化學(xué)機(jī)械法生產(chǎn)的制漿造紙工廠在實(shí)際生產(chǎn)中,時(shí)常出現(xiàn)闊葉木和針葉木交替使用的情況?；瘜W(xué)機(jī)械法制漿廢

3、液的特性隨著原料種類和生產(chǎn)條件的不同存在著差異,廢液特性的相應(yīng)變化造成了對(duì)廢液處理系統(tǒng)運(yùn)行的影響,污染物質(zhì)去除率會(huì)發(fā)生變化,出水水質(zhì)產(chǎn)生波動(dòng),產(chǎn)生的影響需要經(jīng)過(guò)若干時(shí)間恢復(fù)。為了給工廠廢水處理系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行提供理論上的指導(dǎo),在研究廢液種類改變引起系統(tǒng)波動(dòng)并加以調(diào)控的基礎(chǔ)上,結(jié)合污染物質(zhì)變化的指標(biāo)測(cè)定和顯微鏡觀察的結(jié)果,本文討論了活性污泥法廢水處理系統(tǒng)的微生物群落構(gòu)成及其變化。1試驗(yàn)方法111廢水、處理裝置及其運(yùn)行控制化學(xué)機(jī)械法制漿廢液來(lái)自加拿大東部某大型新聞紙廠,所用針葉木材種為云杉(Epinette ,闊葉木材種為歐洲山楊(Tremble ,制漿方法為CT MP 。實(shí)驗(yàn)室處理系統(tǒng)由生化反應(yīng)器(

4、曝氣池和次級(jí)沉淀池構(gòu)成,反應(yīng)器配置了溫度、pH 值的反饋控制裝置以及供氣系統(tǒng)。沉淀池的上部為柱體、下部為錐體,內(nèi)設(shè)溢流擋板分離回流污泥與澄清的出水。廢液經(jīng)過(guò)初步處理,除去沉淀和懸浮的雜物后,進(jìn)入反應(yīng)池與活性污泥液混合,通入空氣使得混合液處于良好的懸浮狀態(tài),保證微生物代謝所需的好氧條件。廢液中的有機(jī)污染物質(zhì)被活性污泥吸附、吸收和氧化分解之后,懸浮混合液進(jìn)入沉淀池進(jìn)行固液分離,凈化的出水排放,參與循環(huán)的活性污泥定量返回反應(yīng)池,凈增殖的生物質(zhì)量作為剩余污泥排出系統(tǒng)。19中國(guó)造紙學(xué)報(bào)V ol 1162001T ransaction of China Pulp and Paper29中國(guó)造紙學(xué)報(bào)第16卷

5、廢水處理系統(tǒng)屬于完全混合式活性污泥法。檢測(cè)項(xiàng)目包括廢液的進(jìn)出流量、混合液溶解氧含量和耗氧速率、反應(yīng)器溫度和pH值、污泥產(chǎn)率和沉降速率、混合液懸浮固體含量以及揮發(fā)性懸浮固體含量、處理前后廢液的化學(xué)耗氧量、生化耗氧量及其去除率等。調(diào)節(jié)控制的項(xiàng)目主要包括進(jìn)水流量、通入的空氣量即溶解氧含量、混合液pH值、回流的污泥量、補(bǔ)充的氮磷營(yíng)養(yǎng)物等。試驗(yàn)中定時(shí)檢測(cè)運(yùn)行參數(shù),依據(jù)檢測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)進(jìn)行調(diào)節(jié)控制,保持廢液處理系統(tǒng)始終處于最佳運(yùn)行狀態(tài)。112運(yùn)行中檢測(cè)的項(xiàng)目11211反映污泥情況的項(xiàng)目7混合液的溶解氧(DO和耗氧速率(S OUR,每天測(cè)定1次。污泥沉降比(SS V30min每周測(cè)定3次?；旌弦簯腋」腆w(M L

6、SS和揮發(fā)懸浮固體(M LVSS,每周測(cè)定2次。11212反映污泥營(yíng)養(yǎng)的項(xiàng)目8、9出水中的氨氮含量和磷含量,采用720A Benchtop PH/ISE Meter和H ACH DR/4000U S pectrophotometer測(cè)定,每周測(cè)定1次。11213反映系統(tǒng)運(yùn)行條件的項(xiàng)目pH值、反應(yīng)器混合液溫度,進(jìn)水流量,污泥回流量,通入反應(yīng)器的空氣流量等,每天測(cè)定1次。11214反映處理效果的項(xiàng)目化學(xué)耗氧量(C OD和生化耗氧量(BOD5,按照CPPA標(biāo)準(zhǔn)方法,采用H ACH DR/4000U S pectrophotometer和ORI ON Oxygen Meter測(cè)定,每周測(cè)定3次。113

7、生物相的顯微鏡觀察采用雙目鏡生物顯微鏡,更換廢水種類期間,每天取樣進(jìn)行觀察(放大倍數(shù)取×100和×200。2結(jié)果與討論211從闊葉木CT MP廢液更換為針葉木CT MP廢液時(shí)的污染負(fù)荷去除歐洲山楊化機(jī)漿廢液的污染物質(zhì)指標(biāo)(C OD、BOD、TSS均顯著高于云杉化機(jī)漿廢液的相應(yīng)檢測(cè)值,廢液中污染成分有著較大的差異,可生化性的評(píng)價(jià)分析亦顯著不同,前者的BOD5/ C OD比值為01610166,后者僅為01310133。因而,廢液種類變換時(shí),將會(huì)對(duì)活性污泥法廢水處理系統(tǒng)的運(yùn)行造成沖擊和影響。首先將歐洲山楊化學(xué)機(jī)械法制漿廢液引入廢水處理系統(tǒng),連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行,待體系中的微生物及其新陳

8、代謝達(dá)到平衡,出水質(zhì)量穩(wěn)定之后,更換為云杉化學(xué)機(jī)械法制漿廢液,考查廢水處理系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程的時(shí)間超過(guò)1個(gè)月,各項(xiàng)指標(biāo)的檢測(cè)結(jié)果如表1所示。表1從歐洲山楊CTMP廢液更換為云杉CTMP廢液過(guò)程的污染負(fù)荷去除情況廢液種類歐洲山楊CT MP廢液云杉CT MP廢液運(yùn)行天數(shù)4天之前前3天前1天更換廢水第2天第3天第5天6天之后從表1可以看出,當(dāng)歐洲山楊CT MP 廢液更換為云杉CT MP 廢液,廢水處理系統(tǒng)的運(yùn)行經(jīng)過(guò)一定程度的波動(dòng),污染成分的去除逐漸達(dá)到穩(wěn)定,這個(gè)過(guò)程大約需要5天。整個(gè)廢水更換的過(guò)程中,出水的C OD 去除率先從82%85%降低至82%83%,之后降低并穩(wěn)定在70%75%;BOD 5的去除率

9、從95%96%降低至88%92%,之后又回升并穩(wěn)定在96%97%;TSS 的去除率原先為71%79%,穩(wěn)定之后有所提高,達(dá)到了84%88%。從污染物質(zhì)去除結(jié)果的指標(biāo)測(cè)定可以看出,盡管歐洲山楊化機(jī)漿廢液的C OD 高出云杉化機(jī)漿廢液1倍,但是前者的去除率顯著高于后者,分別為82%85%和70%74%。歐洲山楊化機(jī)漿廢液的BOD 5也遠(yuǎn)較云杉化機(jī)漿廢液為高,經(jīng)過(guò)一定的波動(dòng),最后兩者的去除率同為96%97%。云杉化機(jī)漿廢液的TSS 去除率高于山楊化機(jī)漿廢液,分別為71%79%和84%88%。造成這些差異的原因,除了由于兩種廢液的特性和污染負(fù)荷不同,針葉木化機(jī)漿廢液中的樹(shù)脂酸等毒性成分對(duì)于微生物代謝的

10、影響也是重要原因。此外,也表明了活性污泥法對(duì)于處理有較高負(fù)荷的廢液,具有較好的適應(yīng)性和污染物質(zhì)的去除效果。212活性污泥的顯微鏡觀察與生物相指示對(duì)于活性污泥法廢水生化處理系統(tǒng),微生物的數(shù)量組成和優(yōu)勢(shì)種屬的類別,可以作為廢水水質(zhì)和處理效果的生物相指示10,11。活性污泥中出現(xiàn)的生物主要是細(xì)菌、放線菌、真菌、原生動(dòng)物(單細(xì)胞和少數(shù)其它微形動(dòng)物(多細(xì)胞。正常情況下,活性污泥中的細(xì)菌是以菌膠團(tuán)形式存在,顯微鏡下觀察成熟的污泥,常?？梢钥吹浇z狀菌,并且與菌膠團(tuán)交織在一起。如果絲狀菌過(guò)量增殖,外延的絲狀體纏繞在一起并粘連污泥顆粒,使得絮凝體松散,污泥容積指數(shù)增大,沉淀性能變差,就會(huì)出現(xiàn)污泥膨脹現(xiàn)象12。顯

11、微鏡下可以觀察到的原生動(dòng)物種類很多,可以看到纖毛類、鞭毛類和肉足類等,尤其以固著型纖毛類如鐘蟲(chóng)、蓋蟲(chóng)、枝蟲(chóng)等的數(shù)量為多。其中,鐘蟲(chóng)屬生物的出現(xiàn)頻率高,數(shù)量大,在生物演變中有著較為嚴(yán)密的規(guī)律性,依據(jù)文獻(xiàn)介紹可以鐘蟲(chóng)屬生物作為活性污泥法的特征指示生物。處理設(shè)施運(yùn)行狀況良好,控制條件適宜時(shí),微生物代謝活力旺盛,繁衍活躍,可以觀察到鐘蟲(chóng)的纖毛環(huán)擺動(dòng)較快,食物泡數(shù)量多,個(gè)體大。當(dāng)系統(tǒng)有機(jī)負(fù)荷增高,曝氣不足時(shí),污泥狀況惡化,此時(shí)出現(xiàn)的原生動(dòng)物主要有滴蟲(chóng)屬生物、波豆蟲(chóng)、腎形蟲(chóng)和草履蟲(chóng)等。如果曝氣過(guò)度,出現(xiàn)的原生動(dòng)物主要是變形蟲(chóng)。原生動(dòng)物以游離細(xì)菌和有機(jī)物質(zhì)作為食物,生長(zhǎng)的適宜pH 值范圍與細(xì)菌相仿。因而,在

12、觀察菌膠團(tuán)存在狀態(tài)的同時(shí),定性觀察與鑒別原生動(dòng)物種屬變化、數(shù)量增減和活動(dòng)狀況,可以作為輔助手段,結(jié)合污染物質(zhì)去除的指標(biāo)測(cè)定,幫助了解活性污泥法系統(tǒng)的運(yùn)行情況以便實(shí)施調(diào)控。213廢液更換過(guò)程中的微生物體系活性污泥主要由微生物組成,每克干活性污泥中可以容納數(shù)百億細(xì)菌。就菌體輪廓來(lái)看,細(xì)菌主要分為球菌、桿菌和螺旋菌(或弧菌。若干種類的細(xì)菌在胞壁外面分泌一定厚度的膠狀物質(zhì)層,聚集在一起形成菌膠團(tuán)。菌膠團(tuán)是活性污泥的重要組成部分,具有吸附、吸收和氧化有機(jī)物質(zhì)的能力,在廢水生化處理中起著主導(dǎo)作用。在溶解氧存在的情況下,廢水中溶解性的有機(jī)物質(zhì)可以直接透過(guò)細(xì)菌的胞壁被吸收,固體和膠體的有機(jī)物質(zhì)首先附著在細(xì)菌體

13、外,被細(xì)菌分泌的胞外酶分解為溶解物質(zhì)后再進(jìn)入細(xì)菌細(xì)胞。細(xì)菌通過(guò)自身的氧化、還原、合成等反應(yīng),使得被吸收的一部分有機(jī)物質(zhì)變成簡(jiǎn)單的無(wú)機(jī)物質(zhì),并且提供細(xì)菌生長(zhǎng)所需要的能量,另39第16卷廢液種類變換時(shí)生化處理的微生物體系與污染物質(zhì)去除49中國(guó)造紙學(xué)報(bào)第16卷一部分有機(jī)物質(zhì)轉(zhuǎn)化成為微生物生命的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),合成新的生物體。如此進(jìn)行從而完成生物代謝和廢水的凈化過(guò)程。除了上述種類的細(xì)菌之外,活性污泥中還存在一些較高等的單細(xì)胞和多細(xì)胞細(xì)菌,呈現(xiàn)分枝或者絲狀群體,稱為放線菌,主要有球衣細(xì)菌和硫絲菌等。這類細(xì)菌大量繁衍后,會(huì)造成污泥結(jié)構(gòu)松散,浮力增加,造成混合絮凝液沉淀困難,即污泥膨脹,這是不希望發(fā)生的現(xiàn)象。廢水

14、生化處理的主體微生物雖然是細(xì)菌,但是細(xì)菌觀察及其分類比較困難,檢測(cè)需要花費(fèi)較長(zhǎng)時(shí)間,不便及時(shí)指導(dǎo)廢水設(shè)施的運(yùn)行和調(diào)控。原生動(dòng)物和后生動(dòng)物雖然對(duì)于污染物質(zhì)去除不起主要作用,但是這些低等動(dòng)物是以吞食細(xì)菌為生,對(duì)于廢水性質(zhì)的變化特別是毒性物質(zhì)的存在更為敏感。因而,可以在觀察菌膠團(tuán)形態(tài)的同時(shí),觀察原生動(dòng)物及后生動(dòng)物的種類、數(shù)量和活動(dòng)規(guī)律,結(jié)合污染物質(zhì)去除的測(cè)定指標(biāo),分析廢水處理設(shè)施的運(yùn)行及其處理效果的變化情況。處理歐洲山楊化機(jī)漿廢液的運(yùn)行進(jìn)入穩(wěn)定階段直至更換廢液種類的當(dāng)天,活性污泥的顯微鏡觀察表明:菌膠團(tuán)(zoogloeae呈現(xiàn)膠狀細(xì)菌凝聚團(tuán)形態(tài),而且絮凝物整體的枝狀形態(tài)特征明顯。絮凝物內(nèi)分布有較多的

15、卵團(tuán)狀微小生物。菌膠團(tuán)中有絲狀物伸出膠團(tuán)之外,膠團(tuán)之間可見(jiàn)搭橋現(xiàn)象。顯微鏡下觀察到的單細(xì)胞原生動(dòng)物主要有鐘蟲(chóng)(Vorticelle Allongee、溝鐘蟲(chóng)(Vorticella Con2 vallaria、草履蟲(chóng)(Paramecium spp.、蓋蟲(chóng)(Opercularia spp.、枝蟲(chóng)(Epistylis spp.、游什蟲(chóng)(G enre Eulotes、盾纖蟲(chóng)(Aspidisca Costata、獨(dú)縮蟲(chóng)(Carchesium spp.。這些單細(xì)胞的纖毛類原生動(dòng)物均以細(xì)菌和有機(jī)物質(zhì)為食。在活性污泥法中觀察到的多細(xì)胞動(dòng)物以輪蟲(chóng)為多,主要有G enre Proales、G enre Colur

16、ella和G enre Adineta三種。此外,反應(yīng)器中還有線蟲(chóng)(nematode繁衍,成團(tuán)積聚在管道轉(zhuǎn)角處,生長(zhǎng)很快,需要經(jīng)常予以清理以免堵塞管道。生物相中的鐘蟲(chóng)(Vorticella microstoma和Vorticella campanula和草履蟲(chóng)數(shù)量多,并且很活躍?？梢钥吹酱罅慷芾w蟲(chóng)活動(dòng)。此外,上述的其它單細(xì)胞生物均可觀察到,數(shù)量不等,運(yùn)動(dòng)比較活躍。枝蟲(chóng)和獨(dú)縮蟲(chóng)的數(shù)量較少。多細(xì)胞生物中以輪蟲(chóng)(G enre Proales和G enre Colurella為多,也可以觀察到輪蟲(chóng)(G enre Adineta在活動(dòng)。這個(gè)時(shí)期的廢水處理效果良好,C OD去除率為82%85%;BOD5去

17、除率為96%左右;TSS 去除率為71%78%。更換為云杉化機(jī)漿廢液后的第2天至第3天,菌膠團(tuán)呈現(xiàn)塊團(tuán)狀的絮凝物形態(tài),整體的枝狀分布特征不如更換廢液之前顯著。絮凝物中仍然可見(jiàn)色澤較深的大量卵團(tuán)狀微小生物。可以觀察到草履蟲(chóng)、輪蟲(chóng)(G enre Proales和輪蟲(chóng)(G enre Colurella的存在和活動(dòng),鐘蟲(chóng)和溝鐘蟲(chóng)的活動(dòng)較少。其它單細(xì)胞和多細(xì)胞生物也可以觀察到,但是活動(dòng)不甚活躍。這個(gè)階段的廢水處理效果出現(xiàn)波動(dòng),C OD去除率為82%83%;BOD5去除率為87%92%,降低幅度比較顯著; TSS去除率有所增加,達(dá)到84%86%。第4天至第5天,顯微鏡的觀察情況與前面類似,但是菌膠團(tuán)絮凝物

18、的整體枝狀特征逐漸明顯,可以看到纖絲狀物及其搭橋現(xiàn)象。單細(xì)胞和多細(xì)胞生物的活動(dòng)逐漸恢復(fù)活躍。鐘蟲(chóng)和溝鐘蟲(chóng)的數(shù)量和活動(dòng)仍比較少。草履蟲(chóng)的數(shù)量增加,游動(dòng)相當(dāng)活躍。污染物質(zhì)去除的指標(biāo)測(cè)定表明,C OD去除率繼續(xù)降低,約為75%76%;BOD5去除率為89%95%;TSS去除率為84%90%。表明系統(tǒng)受到的沖擊和波動(dòng)正在逐漸得到恢復(fù)。第6天以后,菌膠團(tuán)發(fā)展逐漸良好,整體大多數(shù)呈現(xiàn)枝狀形態(tài)。膠團(tuán)絮凝物內(nèi)分布許多卵團(tuán)狀的色澤較深的微小生物。膠團(tuán)絮凝物中可以見(jiàn)到纖絲存在,絮凝物搭橋現(xiàn)象較多。單細(xì)胞動(dòng)物鐘蟲(chóng)和溝鐘蟲(chóng)的數(shù)量和活動(dòng)開(kāi)始增加。盾纖蟲(chóng)等大量出現(xiàn),草履蟲(chóng)的數(shù)量有所減少。很少看到枝蟲(chóng)、游什蟲(chóng)和獨(dú)縮蟲(chóng)等單細(xì)

19、胞動(dòng)物。多細(xì)胞動(dòng)物輪蟲(chóng)比較活躍,而且出現(xiàn)較多的體形較小的新生輪蟲(chóng),主要是輪蟲(chóng)G enre Proales 和G enre Colurella ,也可以見(jiàn)到輪蟲(chóng)G enre Adineta 。纖毛類原生動(dòng)物可以分為兩類,草履蟲(chóng)周身長(zhǎng)有纖毛,活動(dòng)能力大,以游動(dòng)方式進(jìn)食;鐘蟲(chóng)為固著型原生動(dòng)物,只在上端鐘口周?chē)L(zhǎng)纖毛。當(dāng)活性污泥成熟時(shí),游離細(xì)菌大多已被吞食,絮凝混合液中大量是原生動(dòng)物無(wú)法吞食的菌膠團(tuán)。這種情況下,游動(dòng)型的原生動(dòng)物有所減少,活性污泥的主體為菌膠團(tuán)和鐘蟲(chóng)、蓋纖蟲(chóng)之類的固著型原生動(dòng)物,表明此時(shí)活性污泥生化處理系統(tǒng)的運(yùn)行狀況較好。C OD 去除率保持在70%72%;BOD 5去除率恢復(fù)為95

20、%97%;TSS 去除率明顯增加,保持在84%88%。系統(tǒng)開(kāi)始進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。綜合上述分析,從菌膠團(tuán)的形態(tài)、原生動(dòng)物及后生動(dòng)物的種類、數(shù)量和活動(dòng)情況,可以從一個(gè)側(cè)面了解廢液種類變換時(shí)生化系統(tǒng)的運(yùn)行狀況。研究結(jié)果表明,生化處理系統(tǒng)采用的生物群落在制漿廢液種類改變的情況下,經(jīng)過(guò)波動(dòng)和恢復(fù)的過(guò)程,依然具有很高的降解污染物質(zhì)的效率。在制漿原料種類從歐洲山楊改變?yōu)樵粕嫉那闆r下,對(duì)于CT MP 廢液中的污染物質(zhì)依然保持了較高的降解效率,污泥的沉降性能良好。由于廢液所含污染成分和特性的改變,針葉木CT MP 廢液可生化降解性較闊葉木CT MP 廢液為低,表現(xiàn)在C OD 的去除率顯著降低。3結(jié)論311本研究

21、采用的活性污泥法處理系統(tǒng)具有高效菌種群體,對(duì)于闊葉木和針葉木兩種原料的化機(jī)漿廢液均有著良好的處理效果。當(dāng)廢液種類改變時(shí),通過(guò)采取適當(dāng)?shù)恼{(diào)控措施,廢水處理系統(tǒng)顯示出了較好的適應(yīng)性。312由于兩種原料化機(jī)漿廢液的污染成分和特性不同,當(dāng)引入廢水處理系統(tǒng)的廢水種類改變時(shí),會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成沖擊和影響,污染指標(biāo)去除率表現(xiàn)出變化。歐洲山楊CT MP 廢液的可生化降解性顯著高于云杉CT MP 廢液,在C OD 的去除率上表現(xiàn)尤為明顯。313在觀察菌膠團(tuán)形成和存在狀態(tài)的同時(shí),定性觀察與鑒別原生動(dòng)物種屬變化、數(shù)量增減和活動(dòng)狀況,可以作為輔助手段,結(jié)合污染物質(zhì)去除的指標(biāo)測(cè)定,幫助了解活性污泥法系統(tǒng)的運(yùn)行情況以便實(shí)施調(diào)控。參考文獻(xiàn)2Leslie W ebb.Environmental Protection through S ound W ater M anagement in t