高效微生物菌群强化抗生素类废水生物处理研究

陈建发

(漳州职业技术学院食品与生物工程系，福建 漳州 363000;农产品深加工及安全福建省高校应用技术工程中心，福建 漳州363000)

随着现代合成工业的发展，大量结构复杂的人工化合物(Xenobiotics)进入工业废水和城市污水中，使得常规的废水生物处理技术面临极大挑战。抗生素生产废水作为一类成分复杂、色度高、生物毒性大、含多种抑制物质的高浓度难降解有机废水，是目前国内外工业污水处理的难点和热点[1，2]。诸多学者对此类废水处理做了大量的试验研究工作，如采用Fenton试剂法、光催化氧化法、臭氧氧化法等[1～4]，由于这些技术存在占地面积大、投资和处理成本较高、废水处理达标率较低的缺点，在实际工程应用中受到限制。与传统活性污泥法相比，高效微生物菌剂技术的投资费用和运行维护费用显著降低[5]。因此，采用投加高效复合微生物菌剂的方法，提高废水生物处理系统的处理效果、运行稳定性和降低处理成本的生物强化技术得到了国内外学者的高度重视[6]。

某工业集中区内污水厂二期提标工程采用“水解酸化+改进型SBR+臭氧氧化+絮凝沉淀+曝气生物滤池” 组合技术处理该区混合工业废水，运营实践表明：该工艺能达到《污水综合排放标准》( GB 8978～1996)一级排放标准的要求，但其占地面积大、处理效率较低且处理成本较高。随着环保执法越来越严及土地资源的日益紧张，能否开发一套针对抗生素废水经济有效、处理效率高、节约用地的污水处理新工艺，一直是污水处理业界非常关注的一个重大课题。

A2O工艺直接处理工业废水的报道较少，特别是以抗生素类制药为主的工业废水未见报道[7,8]。高效复合微生物菌群强化处理污水的已有文献报道，但以针对生活污水为主[9～12]，据报道CODCr的去除率提高幅度为10%左右，对NH3-N的去除效果最好，增幅达37.62%，对磷去除率增幅约7%[13]；而强化处理工业废水极少，赵美云等[14]研究了某高效微生物菌种在用SBR法处理聚酯废水时的强化效果与机理，结果表明：该高效菌种对降解废水中的大量长链烷烃以及在缩短启动时间方面有着明显作用，且可使出水CODCr较普通系统降低100mg/L，去除率提高6%～8%。高效复合微生物菌群强化处理以抗生素类制药废水为主的混合工业废水未见报导。本研究在A2O技术的基础上，投加某种高效复合微生物菌剂，以实际工业废水为试验水质，考察该高效复合微生物菌剂对以抗生素类制药废水为主的混合工业废水的强化处理效果。

1　试验工艺流程及方法

1.1　试验工艺流程

图1　试验工艺流程图

试验工艺流程如图1所示。在试验装置中，反应器均采用有机玻璃池体。

为便于研究A2O法强化处理工艺对工业废水的处理效果，试验中各单元池体的水力停留时间参考该污水处理厂的相应单元的水力停留时间，各反应器具体尺寸及有效容积如表1所示。各个反应器之间水力连通， 其中带泥水自动分离的好氧池回流至厌氧水解池的污泥量为100% Q(进水流量Q=30.0 L/h)，进水、污泥回流及加药均通过统一型号蠕动泵实现。采用钛钢加热棒及智控恒温系统调节实验水温。

表1　各反应器尺寸及水力停留时间

1.2　高效复合微生物菌群及接种污泥

试验所用接种污泥直接取自该污水处理厂相应处理单元的活性污泥。经镜检发现，活性污泥有大量的鞭毛虫、钟虫等原生动物和轮虫等后生动物，表明污泥活性很好。

试验所选用的高效微生物菌剂为某环保公司提供的进口污水处理专用高效菌剂。该高效复合微生物菌群是一种经特殊筛选、培育出的特选微生物组成的高效活性微生物菌群，是污水处理、生物修复的优势产品[15,16]。它适用于厌氧与好氧处理系统，可应用于城市生活污水、屠宰废水、焦化废水、制革废水、垃圾渗滤液等污水处理系统。但该高效生物菌剂未应用在抗生素废水处理方面。根据该公司提供的高效微生物菌剂的使用说明及其他污水实际处理中经验参数，确定得出该菌剂的正常使用浓度为0.16g/L (菌剂干重∶废水量)。

1.3　试验水质及试验方法

试验在该工业区污水处理厂现场进行，参照该污水处理厂化验室的监测数据，调节池出水主要污染物的日平均浓度为：进水CODCr339～563mg/L,NH3-N22.7～65.8mg/L、总磷 (TP)5.46～17.4mg/L，pH 6～9。试验装置的进水取自污水处理厂调节池随机时段的出水。小试系统经过1周调试成功后，在30L/h的水力负荷条件下，考察了该高效复合微生物菌剂的废水强化处理效果，反应器Ⅰ为常规A2O，反应器Ⅱ、Ⅲ为生物强化反应器，3个反应器中的活性污泥浓度(MLSS)均为3.6g/L。确定实验中反应器Ⅰ用常规A2O活性污泥作对照，反应器Ⅱ高效菌种浓度为0.16g/L，而Ⅲ号菌种浓度为0.48g/L，探讨生物菌剂投加量、水温对处理效果的影响，并进行出水CODCr和NH3-N、TP的浓度与去除率的对比分析。

1.4　检测项目及分析方法

实验中检测的主要污染物指标为化学需氧量(CODCr)和氨氮(NH3-N)、TP 。水质的分析均按照《水和废水监测分析方法》( 第四版)的方法[17]测定。

2　结果与分析

2.1　高效生物菌剂不同投加量对CODCr的去除效果

图2　高效生物菌剂不同投加量对CODcr的去除效果

由图2可知，生物强化Ⅱ、Ⅲ出水明显优于常规A2O出水，说明生物强化比常规A2O的处理效果好，这是由于高效微生物菌群发挥了良好的生物降解作用。实验启动前8天，生物强化Ⅲ出水略优于生物强化Ⅱ出水，但第9天开始，生物强化Ⅱ、Ⅲ的出水相近。这表明高效生物菌剂不同的投加量对CODCr的去除效果影响不显著。这是因为该抗生素类废水中含有诸如二氧杂环类和大部分芳香族等化合物在好氧处理中很难开环，故投加菌量的提高虽然可以生物降解一部分正常情况下无法降解的物质，但仍有部分杂环化合物或芳香族化合物无法被该高效菌种降解，这也是生物强化系统Ⅱ、Ⅲ相比常规A2O系统的去除率虽有较明显提高但无法大幅度提高的原因[14]。由此确定，该高效复合微生物菌剂的最佳投加量为0.16g/L。

2.2　实验水温对处理效果的影响

由图3可知，CODCr处理与水温变化无明显规律。进水CODCr浓度为327～563mg/L，平均392mg/L；生物强化系统Ⅱ出水CODCr浓度为85～104mg/L，平均93.7mg/L；水温10.2～36.6℃，平均水温24.04℃；CODCr去除效率为68.8%～84.2%，平均去除效率为76.1%。

图4　CODCr去除效果图

即使在水温10.2℃时，该系统的CODCr处理效率仍然较高，为77.9%，仍高于平均去除效率76.1%。可见，该工艺CODCr处理对水温变化的缓冲能力很强[18]。

2.3　正常进水浓度下的去除效果

2.3.1CODCr的去除

从图4可明显看出，启动后的前6天生物强化Ⅱ的处理效率第1天为73.2%，之后逐步提高，到第6天稳定在78.4%～82.0%。生物镜检发现，生物强化Ⅱ活性污泥中有大量的鞭毛虫、钟虫等原生动物和轮虫等后生动物，表明污泥活性很好。至此，活性污泥的培养驯化阶段结束。

当实验进水CODCr浓度为339～563mg/L，平均460mg/L，常规A2O出水CODCr浓度为106～129mg/L，平均117mg/L，CODCr去除效率为63.2%～80.5%，平均去除效率为74.8%；生物强化Ⅱ出水CODCr浓度为87～110mg/L，平均98mg/L，CODCr去除效率为69.4%～84.2%，平均去除效率为78.7%，生物强化Ⅱ对CODCr的处理效率比常规A2O处理效率高3.9%。分析其原因，该高效活性微生物菌群发挥了很好的生物降解作用。进水有机物浓度波动较大，但经过处理后，出水水质相对稳定，该两工艺的去除率没有随负荷率的提高有大的降低，表现出具有较好的耐受冲击负荷能力。这也说明这类废水中可降解的比例是一定的，而该高效菌种能够降解的有机物的种类也是一定的，可以降解一部分在一般情况下无法降解的物质，但仍有部分化合物正常情况下很难开环，无法被该高效菌种降解，因而具有一定的局限性。

以上结果表明，采用生物强化Ⅱ处理以抗生素类制药为主的混合工业废水，进水CODCr浓度在339～563mg/L之间，可以取得良好的有机物去除效果，而且具有较强的抗冲击负荷能力。

2.3.2NH3-N的去除

图5　NH3-N去除效果图

图6　TP去除效果图

当进水NH3-N浓度为22.7～65.8mg/L，平均40.9mg/L。常规A2O出水NH3-N浓度为7.92～14.80mg/L，平均11.84mg/L，NH3-N去除效率为55.4%～80.3%，平均去除效率为71.0%；生物强化Ⅱ出水NH3-N浓度为5.73～10.60mg/L，平均8.06mg/L，NH3-N去除效率为70.2%～86.0%，平均去除效率为80.3%。由此可见，生物强化Ⅱ对NH3-N的处理效率比常规A2O高9.3%。

从图5明显看出，生物强化Ⅱ出水优于常规A2O出水，进水NH3-N浓度波动较大，但经过该生物强化工艺处理后，出水水质相对稳定。分析其原因，该高效活性微生物菌群发挥了很好的硝化与反硝化作用。

以上分析表明，采用生物强化Ⅱ处理以抗生素类制药为主的混合工业废水，进水NH3-N浓度为22.7～65.8mg/L之间，平均40.9mg/L，出水NH3-N浓度为5.73～10.60mg/L，平均8.06mg/L，达到一级排放标准要求，而且对进水NH3-N浓度较大变化范围的抗冲击负荷能力较强。

2.3.3TP 的去除

从图6可以看出，生物强化Ⅱ的生物除磷效果很好。启动后的前3天生物强化Ⅱ的处理效率在第1天为83.7%，之后逐步提高，到第3天稳定在85.0%～93.7%。当进水TP浓度为5.46～17.4mg/L，平均8.37mg/L，常规A2O出水TP浓度为0.92～1.46mg/L，平均1.12mg/L，TP去除效率为74.2%～89.8%，平均去除效率为86.3%；生物强化Ⅱ出水TP浓度为0.62～1.03mg/L，平均0.80mg/L，TP去除效率为85.0%～93.7%，平均去除效率为90.4%，表明生物强化Ⅱ工艺对TP的处理效率比常规A2O高4.1%。显然，生物强化Ⅱ出水优于常规A2O出水，进水浓度波动较大，但经过该生物强化工艺处理后，出水水质相对稳定。分析其原因，该高效活性微生物菌群发挥了很好的生物除磷作用。

试验结果表明，采用生物强化Ⅱ工艺处理以抗生素类制药为主的混合工业废水，进水TP浓度为5.46～17.4mg/L，平均8.37mg/L，出水TP浓度为0.62～1.03mg/L，平均0.80mg/L，而且对进水TP浓度较大变化范围的抗冲击负荷能力较强。

3　讨论与结论

传统活性污泥法是水体自净的人工强化方法，是一种依靠在曝气池内呈悬浮、流动状态的微生物群体的凝聚、吸附、氧化分解等作用来去除污水中有机物的方法，目前已成为城市污水及工业废水的有效处理方法和污水生物处理的主流方法。但其在运行过程中容易出现污泥膨胀、上浮、产生泡沫及增长异常等问题，为了消除上述反常现象且进一步提高废水处理效率，可通过投加某种高效复合微生物菌剂，促进活性污泥中群落结构演替和功能优化，培养出一个多种多样微生物群落，形成一种人工的高效微生物生态系统，在这个系统中各种微生物在生长过程中形成相互间的共生增殖关系，相互作用，相互促进，起到协同的作用，快速分解有机物，并代谢出抗氧化物质，抑制有害微生物的生长、繁殖，并最终通过高效复合微生物菌和活性污泥中原始菌群的共同作用，实现污水处理系统效能的提高和完善，从而高效快速生物降解污水[19～21]。

本研究探讨了生物强化A2O处理工艺处理难生物降解的抗生素类制药废水为主的混合工业废水的方法。在进水CODCr浓度339～563mg/L，NH3-N浓度22.7～65.8mg/L、TP浓度5.46～17.4mg/L、pH 6～9、设计流量30.0L/h 条件下，系统取得了较好的处理效果，其CODCr、NH3-N和TP的平均去除效率分别达到78.7%%、80.3%和90.4%，出水CODCr、NH3-N和TP的处理效率分别比常规A2O处理效率高出3.9%、9.3%和4.1%。

与常规A2O相比，本研究提出的生物强化A2O处理工艺处理效果较佳，更具技术优越性。但是，由于抗生素类制药废水的难生物降解特性，生物强化措施并不是特别理想，可精心筛选驯化对此类抗生素废水降解性更强的菌种或菌群，进一步提高生物强化处理效果。

[参考文献]

[1]陈建发，林诚，刘福权，等.MicroFA四相催化氧化技术在二级生化处理出水深度处理的应用[J].四川大学学报( 自然科学版)，2014.8，51(4):797～803.

[2]陈建发，陈艺敏，黄慧珍，等.新型填料曝气生物滤池处理抗生素类废水[J].环境工程学报,2014,8(8):3315～3323.

[3]陈建发,刘福权,姚红照，等.厌氧水解与MSBR组合工艺处理以抗生素类制药为主的混合工业废水研究[J].长江大学学报( 自然科学版),2013,10(17):57～61.

[4]潘碌亭,王文蕾,吴锦峰.水解酸化/SBR/强化絮凝处理抗生素废水[J].中国给水,2011,27(4):78～80.

[5]蔡勋江,范洪波,吕斯濠，等.高效微生物菌剂用于城镇污水分散式处理的研究[J].中国给水排水,2010,26(7):58～61.

[6]郭静波,崔凤国,杨世东，等.生物强化技术在污水处理中的应用研究现状及发展展望[J].东北电力大学学报,2011,31( 5/6):1～6.

[7]陈级新.AAO法污水处理运行浅谈[J].燃料与化工,2007,38(6):50～52.

[8]陈建发，刘福权，姚红照，等.“A2O法+生物滤池+絮凝沉淀”组合技术处理以抗生素类制药为主的混合工业废水试验研究[J].工业水处理.2014,34(5)：21～24.

[9]范俊,沈树宝,杨维本，等.高效复合生态链微生物菌群处理污水的研究——城市综合污水的处理[J].南京工业大学学报(自然科学版),2003,25(4):10～13.

[10]裴廷权.复合微生物制剂处理垃圾渗滤液的应用及其机理研究[D].重庆:重庆大学,2009.

[11]黄木辉,江晓莹,林淮杰，等.复合微生物菌剂与填料联用处理生活污水的实验研究[J].东莞理工学院学报,2009,16(5):78～83.

[12]李晓岩.生物菌剂:广谱降解协同作用[J].中国石油和化工,2013,(5):21～22.

[13]刘双发,安德荣,张勤福，等.新型微生物菌剂在生活污水处理中的应用研究[J].环境工程学报,2008,2(9):1177～1180.

[14]赵美云,雷中方.高效微生物菌种强化聚脂( PET)废水生物处理的试验研究[J].复旦学报( 自然科学版),2004,43(4):646～649.

[15]杨维本.高效复合微生物菌群处理城市污水的初步研究[D].南京：南京工业大学，2002.

[16]邱立平,马军.曝气生物滤池的生物膜及其微生物种群特[J].中国环境科学,2005，( 2):241～247.

[17]国家环境保护总局《水和废水监测分析方法》编委会.水和废水监测分析方法[M].北京:中国环境科学出版社,2002.

[18]陈建发.水温对抗生素制药废水处理效率的影响[J].过程工程学报，2014,14(6)：1010～1014.

[19]宋昆衡.EM生物技术处理污水[J].给水排水,1995,( 3):17.

[20]苏晓梅,张慧芳,申秀英，等.复合菌群产絮凝剂MAC37的特征及其在黏合剂废水中的应用[J].环境科学研究,2012，(3):340～345.

[21]向连城,邱光磊,郑丙辉，等.生物膜法污水处理工艺中微生物量的对比研究[J].环境科学研究,2007，(3):93～96.