生物活性炭纤维处理含盐污水的试验研究

张晓青，王 静，张雨山，杨 波，姜天翔

（国家海洋局天津海水淡化与综合利用研究所，天津 300192）

生物活性炭纤维处理含盐污水的试验研究

张晓青，王 静，张雨山，杨 波，姜天翔

（国家海洋局天津海水淡化与综合利用研究所，天津 300192）

随着海水利用的增加，含盐污水的排放量也逐年增加，如何对含盐污水进行有效的处理成为限制海水直接利用的关键因素。试验采用循环流动法把驯化后的耐盐菌固定在活性炭纤维上，研究了生物活性炭纤维对含盐污水处理效果，考察了该工艺对含盐污水中CODcr、氨氮、总磷、浊度的去除率。在系统连续运行下，温度为17～25℃，pH值在7.56～8.12时，系统对CODcr、氨氮、总磷和浊度的平均去除率分别达74.51%、75.59%、38.60%、90.06%。实验结果表明，生物活性炭纤维发挥了活性炭纤维吸附作用和微生物的降解作用，显著提高了含盐污水的净化效果，具有广泛的应用前景。

生物活性炭纤维；含盐污水；微生物固定

目前，在我国的一些沿海地区为了缓解淡水资源日益紧缺的局面，积极开发新水源替代淡水，开展海水代用，将海水直接利用于生活用水和工业生产，如用海水冲厕、道路清洗及将海水作为工业用水用于印染、建材、制碱及海产品加工等行业[1-2]。海水代用节约了淡水资源，但也导致排放的废水中除了含有有机污染物外，还含有大量的无机盐，这类污水的直接排放会对海洋环境造成严重的污染，如何对含盐污水进行有效的处理成为限制海水直接利用的关键因素[3]。

活性炭纤维是一种新型的活性炭材料，具有比表面积大，吸附性能好和较好的生物相容性[4-5]，可做为填料用于微生物的附着生长，形成生物活性炭纤维。目前有关生物活性炭纤维的研究主要集中在微污染水源[6]、餐饮污水[7]、啤酒污水[8]等废水的处理上，在含盐污水处理中应用的研究还鲜见报道。

本文采用实验室中已经分离保存的5株耐盐净污菌，通过循环生物挂膜方法形成固定化生物活性炭纤维应用于含盐污水的处理。通过连续测定出水的CODcr、氨氮、总磷等指标来分析固定化生物活性炭纤维处理含盐污水的工艺可行性，为该工艺的推广应用提供理论依据和试验基础。

1 材料与方法

1.1 试验材料和药品

1.1.1 主要试剂和仪器

试剂：重铬酸钾、MgSO4、葡萄糖、碘化钾、硫酸、硫酸亚铁铵、硫酸银、NH4Cl、KH2PO4等试剂均为分析纯。

仪器：2100P型浊度仪 （美国 HACH公司）；pHS-3C型pH计 （上海精密科学仪器有限公司）；摇床 （SUZUK sky-2102C）。

1.1.2 培养基

2216E培养基：蛋白胨 5 g，酵母提取物 1 g，磷酸高铁0.01 g，pH 值 7.2，用陈海水定容至 1 L，琼脂 1.5%（W/V固体培养基），121℃灭菌20 min。

1.1.3 活性炭纤维

江苏同康特种活性炭纤维公司生产的活性炭纤维毡TK-1500，比表面积 1 300～1 400 m2/g。

1.1.4 试验用水水质

试验采用天津近岸海水，根据实验需要添加一定浓度的葡萄糖、NH4Cl、KH2PO4等成分，用于调节试验污水中CODcr、N、P的比例及其他污染物指标（表1），含盐污水中海水比例为40%。

1.2 试验方法

1.2.1 材料预处理

将活性炭纤维剪成3～4 mm长的碎屑，用高纯水冲洗数遍，加热煮沸5～6 h，期间每隔1 h过滤换水。冲洗后活性炭纤维放入烘箱中，130℃烘干，取出置于密闭容器内，备用。

1.2.2 微生物固定

将实验室保存的 5株耐盐净污菌 NY0931、NY0932、NY0933、NY0934、NY0935 （其中 NY0931 为 Exiguobacterium sp.，NY0932 为 Pseudidiomarina sp.，NY0933 为 Pseudidiomarina sp.，NY0934 为 Corynebacterium sp.，NY0935 为 Zobellella sp.），按2:1:2:1:2比例混合接种于2216E液体培养基中，30℃培养24 h后得到混合菌液。在获得的混合菌液中间歇加入一定量的含盐污水，持续曝气，进行菌群的贫营养驯化。驯化后菌液中的细菌数保持在108个/mL左右。

混合菌液采用循环流动法固定，菌液在恒流泵的提升下通过活性炭纤维柱，反复循环8 h，使培养液中耐盐净污菌附着在活性炭纤维上，形成固定化生物活性炭纤维。

表1 试验用污水水质

1.2.3 测定项目及方法

每隔24 h测定水样，检测CODcr、氨氮、总磷、浊度和pH值。其中，化学需氧量（CODcr）采用重铬酸钾法，氨氮（NH3-N）采用纳氏试剂光度法，总磷（TP）为钼锑抗分光光度法，pH采用电极法测定，浊度采用分光光度法测定。

1.3 试验装置

试验装置见图1，活性炭纤维柱由有机玻璃制成，内径35 mm，高1 m。活性炭纤维装填的密度为0.08 g/cm2，有效高度为50 cm，垫层为石英砂，高度15 cm。每隔15 d进行反冲洗一次，冲洗时间为5 min。

图1 试验装置

2 结果与讨论

2.1 固定化生物活性炭纤维对CODcr的去除效果

有机污染物是含盐污水中的主要污染物，CODcr的去除率是衡量污水处理效果的重要指标之一。固定化生物活性炭纤维对含盐污水中CODcr的去处效率见图2。

从图2可以看出，生物活性炭纤维对含盐污水中的CODcr有较高的去除率。在系统运行的前4 d，耐盐净污菌刚附着在活性炭上，生长较慢，CODcr去除率在45%左右；随着活性炭纤维对有机物的富集，耐盐净污菌生长迅速，活性炭纤维的物理吸附和微生物的降解协同发挥作用，CODcr去除率呈上升趋势，第12 d达86.18%；之后微生物进入生长稳定期，生物活性炭纤维对CODcr的去除率略有下降，然后升高，处于一种动态平衡变化状态，去除率维持在74%左右。

图2 BACF对含盐污水COD去除效果

微生物的生长、繁殖、死亡是一个动态过程[9]。随着微生物的富集，生物活性炭纤维对CODcr去除率逐渐升高，而微生物的死亡，造成生物活性炭纤维上的活性位堵塞，影响微生物生长繁殖，从而导致去除率下降。因此通过对处理系统进行反冲洗，可以让死亡的微生物脱落，释放出活性炭纤维的活性位，有利于吸附进行和微生物的生长，延长炭柱的使用周期。

2.2 固定化生物活性炭纤维对氨氮的去除效果

固定化生物活性炭纤维对含盐污水中氨氮去除效果见图3。

图3 BACF对含盐污水氨氮去除效果

从图3可以看出，在系统运行前4 d，生物活性炭纤维对氨氮去除率呈快速上升的趋势，从16.90%上升到70.84%；第5天后，氨氮的去除率保持在76%左右，最高达88.67%，使含盐污水中氨氮浓度由24.33 mg/L下降到2.76 mg/L。

污水中氨氮的去除主要是靠生物降解作用。在系统运行的初期，由于固定化前对耐盐净污菌进行寡营养驯化，使菌株保持较高的活性，且随着活性炭纤维对含盐污水中氨氮的吸附，为耐盐净污菌快速生长提供营养物质，菌株快速繁殖，对氨氮去除率迅速升高。而随着运行时间的延长，微生物进入生长稳定期，耐盐净污菌的生物降解作用和活性炭纤维的吸附作用达到平衡，系统对氨氮的去除维持在一个较稳定的状态。

2.3 固定化生物活性炭纤维对总磷的去除效果

固定化生物活性炭纤维对总磷去除效果见图4。从图4可以看出，在连续运行条件下，固定化生物活性炭纤维对含盐污水中总磷有一定的去除效果，进水的总磷浓度在1.04～2.79 mg/L，出水为 0.42～2.14 mg/L，平均去除率为 38.60%，但去除效果不稳定，波动较大，其中最大去除率达64.41%，最小去除率仅为13.37%。

图4 BACF对含盐污水总磷去除效果

生物活性炭纤维系统中总磷的去除主要通过生物除磷作用进行[10]。生物除磷是指聚磷菌生长繁殖摄取污水中的磷，以磷酸盐的形式累积于细胞内，从而达到除磷的效果，这个过程需要厌氧和好氧交替运行的动态条件，以实现微生物好氧摄取磷、厌氧水解磷的过程[11]。在生物活性炭纤维连续运行过程中，不能完全提供好氧和厌氧交替的环境，使得聚磷菌的有氧呼吸过程不能很好完成，只能依靠活性炭纤维的吸附截留作用和部分耐盐净污菌的同化作用消耗含盐污水中的磷，因此该工艺对磷的去处能力有限。

2.4 固定化生物活性炭纤维对浊度的去除效果

固定化生物活性炭纤维对含盐污水浊度处理效果见图5。从图5可以看出，BACF对浊度有较高去除率，且处理效果稳定。进水的浊度在15.6～50.2 NTU，经过处理后含盐污水浊度下降到1.27～5.62 NTU，平均去除率为90.06%。

图5 BACF对含盐污水浊度去除效果

活性炭纤维比表面积大，吸附性能好，孔径分布狭窄而均匀，微孔孔径在1 nm左右，对不溶性颗粒有机物和胶体有机物有良好的截留能力[12-13]。随着耐盐净污菌快速生长，在活性炭纤维表面上形成生物膜，加快有机物的降解，有利于有机物吸附进行，使系统对浊度保持较高去除率。

3 结论

本研究将筛选分离出的耐盐净污菌，经过驯化处理后进行人工挂膜形成固定化生物活性炭纤维用于含盐污水的处理。试验结果表明，固定化生物活性炭纤维对含盐污水有较好的处理效果。在系统运行稳定后，含盐污水中CODcr、氨氮、总磷、浊度平均去除率分别达74.51%、75.59%、38.60%、90.06%。生物活性炭纤维发挥了活性炭纤维吸附作用和微生物的降解作用，显著提高其对污染物的去除率，具有吸附容量大，出水水质稳定等特点，具有广泛的应用前景。

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Experimental Study on Treatment of Saline Wastewater by Biological Activated Carbon Fiber

ZHANG Xiao-qing,WANG Jing,ZHANG Yu-shan,YANG Bo,JIANG Tian-xiang
（The Institute of Seawater Desalination and Multi-purpose Utilization,SOA,Tianjin 300192,China）

With the increase of seawater utilization,discharge of saline wastewater has been increasing year by year.Effective treatment of saline wastewater become a key element which limits the direct utilization of seawater.Circulating method was used to fix the domesticated salt tolerant micro-organisms to the active carbon fiber.The treatment effect of saline wastewater was investigated using biological activated carbon fiber.The removal efficiency of CODcr,ammonia nitrogen,total phosphorous,turbidity were also studied.When the temperature of saline wastewater was 17～25 ℃,pH was controlled between 7.56～8.12,the average removal rates of CODcr,ammonia nitrogen,TP and turbidity were 74.51%,75.59%,38.60%,90.06%,respectively.Results showed the biological active carbon fiber played both adsorption effect of carbon fiber and degradation function of microorganisms.Biological active carbon had improved pollutant removal efficiency of the saline wastewater signally and had broad prospect of application.

biological activated carbon fiber;saline wastewater;microorganism immobilization

X703.1

A

1003-2029（2011）02-0123-04

2011-03-18

海洋公益性行业科研专项项目（201105026）；中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金项目 （K-JBYWF-2010-G20）

张晓青（1983-），女，福建人，助理工程师，主要从事海水利用技术研究。

张雨山，Tel：（022）87898171，E-mail:yushanzhang@hotmail.com