优势菌群强化好氧活性污泥处理制浆中段废水的研究

齐世鑫 杨 达 张 浩 蓝惠霞，2，*

（1. 青岛科技大学环境与安全工程学院，山东青岛，266042；2. 福建省新型污染物生态毒理效应与控制重点实验室，福建莆田，351100）

制浆中段废水成分复杂、色度较高、可生化性较差［1］，一般采用物化法和生化处理相结合的工艺对其进行处理［2-3］。生化处理中，活性污泥法由于运行方式灵活、费用低、无二次污染等优点而被广泛应用［4］。然而，制浆中段废水的可生化性差，常规的好氧活性污泥法不能有效去除废水中的有机物［5］。

在传统的活性污泥中加入优势菌，能增强或改善污泥对特定污染物的降解能力，形成一个稳定的生态系统，从而缩短曝气时间，增强处理效果，使出水水质保持稳定［6］。党亚攀等［7］将筛选出的缺陷短波单胞菌投加到好氧活性污泥系统中发现，制浆中段废水的CODCr去除率提高了15%以上。熊蔚等［8］将筛选出的6株优势菌用于处理焦化废水，废水处理效果显著提高。优势菌在处理垃圾渗滤液、石化废水等难降解有机废水时也有良好的处理效果［9］。优势菌的存在提高了特定污染物的去除效果。混合优势菌（优势菌群）相对于单一的优势菌，具有功能齐全、处理效果明显等优点。孙友友等［10］把筛选出的多个纯种菌株混合组成的复合菌群投加到好氧活性污泥系统中处理造纸废水，处理效果大大改善。这些研究表明，优势菌的加入能促进活性污泥处理废水的效果，尤其是优势菌群的加入会使废水处理效果更明显。但要充分发挥优势菌群在活性污泥系统中的促进作用，菌群中各菌种的合适比例非常重要。

本课题组在前期工作中通过白水驯化获得了3株优势菌，分别为B.subtilis、B.cereus和V.pantothenticus，并发现按35%∶50%∶15%（质量比，下同）比例构建的优势菌群对造纸白水有良好的处理效果［11］。本研究将该菌群用于强化好氧活性污泥以处理制浆中段废水，考察优势菌群在不同投加量条件下对活性污泥处理废水效果和对污泥理化特性的影响，以期为实际工程应用提供参考。

1 实 验

1.1 实验材料

实验用水取自山东某造纸厂制浆中段废水，制浆原料为杨木片，采用硫酸盐法制浆。废水呈浅棕黄色，pH 值为 6～7，CODCr约为 800 mg/L。活性污泥取自李村河废水处理厂二沉池。

1.2 分析方法

CODCr采用COD测定仪（DR1010，美国HACH公司）进行测定；混合液悬浮固体（MLSS）采用重量法测定［12］；用硫酸法提取胞外多聚物，胞外多糖（PS）含量采用苯酚-硫酸法测定［13］。污泥体积指数（SVI）值采用下述方法计算。

SV30的测定：反应器停止曝气后，用玻璃棒搅拌均匀，将水样倒入100 mL 量筒内，沉淀30 min 后，读取污泥界面所在的刻度，记作mL/L。

MLSS 的测定：将定性滤纸放在烘箱中，温度调至105℃进行烘干直至质量恒定，记录质量m0，g。从反应器中取混合污泥100 mL，用滤纸过滤，将过滤后的滤纸放入105℃的烘箱中烘干，记录质量m1，g。MLSS（g/L）=（m1-m0）/V。

SVI（mL/g）=SV30/MLSS。

1.3 实验方法

向4个接种污泥量均为3 g/L的烧杯中，分别加入0.1、0.3、0.5和0.9 g/L由B.Subtilis∶B.Cereus∶V.pantothenticus=35%∶50%∶15%比例组成的优势菌群，采用制浆中段废水对污泥进行驯化，并以不投加优势菌群的体系作为空白对照组。驯化过程经历了5个阶段，制浆中段废水与营养液体积比分别为2∶8、4∶6、6∶4、8∶2和10∶0，每个阶段所经历的时间分别为8、21、12、12和7天。营养液组成如表1所示。

2 结果与讨论

2.1 驯化过程CODCr去除率的变化

采用制浆中段废水对污泥进行驯化的过程中，CODCr去除率的变化如图1所示。

图1 CODCr去除率的变化

由图1可知，在整个驯化过程中，投加优势菌群体系的CODCr去除率明显高于不加优势菌群的空白体系；投加优势菌群可以强化好氧活性污泥处理废水过程，因此其对废水的处理效果有所提升。当优势菌群投加量为0.3 g/L时，CODCr的去除率达到最大，废水处理效果最好。投加0.1 g/L和0.5 g/L优势菌群体系的废水处理效果相近，投加0.9 g/L优势菌群体系的处理效果最差，但也高于空白体系。各优势菌群体系CODCr去除率的变化趋势基本相同。在驯化第一阶段，CODCr的去除率波动较小。之后每进入下一驯化阶段，CODCr的去除率先下降，之后又提高，这可能是由于提高废水的比例，对活性污泥产生了一定的冲击，但活性污泥能够较好地适应。将制浆中段废水与营养液的体积比例提高到8∶2后，CODCr去除率下降幅度较大，可能是因为此时废水所占比例已经远高于营养液所占比例，产生较高的冲击负荷，导致CODCr去除率降低，但活性污泥仍然能较快地适应此配比下的废水，表明驯化阶段基本完成。在整个驯化过程中，投加0.3 g/L的优势菌群体系的CODCr去除率均为最大，而投加0.9 g/L的优势菌群体系中CODCr的去除率仅高于空白体系，这说明优势菌群的投加对活性污泥系统有影响，但并不是投加量越高，处理效果越好。投加量过多时，体系中菌密度过大，单个菌表面产生的活性物质变少，而活性物质可促进菌体对有机物的吸收［14］。因此，投菌量超过一定范围，不利于废水中污染物的降解。驯化过程结束后，投加优势菌群的体系中，CODCr去除率分别达到69.2%（0.1 g/L）、72.9%（0.3 g/L）、70.0%（0.5 g/L）和60.7%（0.9 g/L），空白体系CODCr去除率仅为51.8%。

2.2 污泥指标的变化

MLSS 是污泥理化特性的一个重要指标［15］。在制浆中段废水驯化前后，分别测定了反应体系的MLSS，结果如图2（a）所示。SVI 可反映污泥的沉降性能［16］，驯化前后的SVI值如图2（b）所示。

驯化前，空白体系与投加优势菌群体系中的MLSS分别为5.4（空白）、6.1（0.1 g/L）、4.9（0.3 g/L）、6.3（0.5 g/L）和7.2 g/L（0.9 g/L）。驯化后，各体系的MLSS分别为7.1（空白）、9.3（0.1 g/L）、8.6（0.3 g/L）、10.4（0.5 g/L）和10.0 g/L（0.9 g/L）。由图2（a）可知，优势菌群体系中，MLSS 驯化前后的增幅均高于空白组。这一结果表明，优势菌群的存在使体系具有较强的抗负荷冲击能力，促进了好氧活性污泥系统中微生物的增殖。

图2 驯化前后的污泥指标变化：(a)MLSS的变化；(b)SVI值的变化；(c)PS含量的变化

由图2（b）可知，各体系的好氧活性污泥SVI值均在55～100之间，处在正常范围内。驯化过程中，随着制浆中段废水负荷的提高，有毒有害物质的浓度不断提高，空白体系中活性污泥的SVI值提高，沉降性下降；在驯化后，投加优势菌群体系的好氧活性污泥SVI值均下降，污泥沉降性保持在较好的范围内（SVI 值=55～65 mL/g），投加优势菌群各体系的好氧活性污泥沉降性均优于空白体系；其中优势菌群投加量为0.3 g/L的体系中好氧活性污泥沉降性最好，投加量为0.1和0.5 g/L的体系次之，投加量为0.9 g/L体系的好氧活性污泥沉降性最差。这一结果与2.1中优势菌群投加量为0.3 g/L时，体系对CODCr去除效果最好的结果相一致。

驯化前后PS 含量的变化如图2（c）所示。由图2（c）可以看出，驯化后各体系PS 含量均比驯化前低，且投加优势菌群的各体系PS 含量在驯化前后均小于空白组，优势菌群投加量为0.3 g/L的体系中，PS含量在驯化前后均为最低。研究表明［17］，随着PS 含量的提高，污泥的亲水性能随之增大，絮凝性能下降。因此，投加优势菌群0.3 g/L体系的污泥絮凝性最好，这与MLSS和SVI值实验结果相一致。

2.3 处理周期的确定

CODCr去除率随时间的变化如图3所示。

图3 CODCr去除率随时间的变化

由图3 可知，出水CODCr去除率达到稳定值时（随处理时间增加，CODCr去除率不再变化），空白组所需处理时间为9 h，优势菌群投加量为0.3和0.5 g/L的体系，所需处理时间均为8 h，比空白体系缩短1 h；优势菌群投加量为0.1和0.9 g/L的体系，所需处理时间为9 h。加入优势菌群后，能够缩短水力停留时间；优势菌群投加量为0.3 g/L的体系，随处理时间的增加，CODCr去除率均为最高，增加优势菌群投加量，处理效果反而会下降。尤其是优势菌群投加量为0.9 g/L 时，CODCr去除率下降尤为明显，可能的原因是，优势菌群投加量较高时，抑制了单个菌表面所能产生的活性物质，且投加的优势菌群及其他游离菌易随出水流失，引起污泥絮凝结构破坏。

2.4 降解动力学研究

在pH 值为7 的条件下，分别对空白体系和投加优势菌群体系（0.1、0.3、0.5和0.9 g/L）的反应器进行降解动力学研究，并与空白组进行比较。

假设该降解体系符合一级动力学方程：

-dCOD/dt=kCOD

经积分后得到：lnCODt=-kt+lnCOD0

其中，t为反应时间，k为降解速率常数，COD0为废水初始CODCr浓度，CODt为废水在t时刻的CODCr浓度。

对5个体系降解制浆中段废水动力学数据进行处理，做lnCODt～t的关系图，得到降解动力学拟合曲线，如图4所示。各体系的降解动力学方程及降解速率常数见表2。

由图4和表2可知，投加优势菌群各体系的降解动力学方程，R2均接近0.9000，所以拟合线性关系良好，符合假设，即好氧活性污泥处理制浆中段废水服从一级降解动力学模型。优势菌群投加量为0.3 g/L体系的降解速率常数最大，降解速率最快，0.5与0.1 g/L体系的降解速率常数略小于优势菌群投加量为0.3 g/L的体系，与之前确定处理周期实验的结果相吻合，再一次说明了投加优势菌群的体系CODCr去除率要高于空白体系。投加优势菌群为0.9 g/L的体系降解速率常数最低，这表明优势菌的投加量是有阈值的，超过这个阈值反而会影响CODCr的去除效果［18］。这一结果也与驯化过程中各体系对CODCr去除率的结果一致。

图4 降解动力学拟合曲线

表2 各体系降解动力学方程及降解速率常数

3 结 论

本课题用实验室构建的优势菌群B.subtilis∶B.cereus∶V.pantothenticus=35%∶50%∶15%（质量比）强化好氧活性污泥处理制浆中段废水，研究了优势菌群投加量对废水处理效果的影响，主要结论如下。

3.1 采用制浆中段废水对污泥进行驯化的过程中，投加优势菌群体系的CODCr去除率、MLSS和SVI值等污泥理化指标均优于空白体系，但污泥絮凝性变差。优势菌群投加量为0.3g/L 体系的废水处理效果最好，理化特性较优，驯化结束后，该投加量体系的CODCr去除率可达72.9%。

3.2 投加优势菌群能缩短废水处理周期，优势菌群投加量为0.3 g/L 时，废水处理周期为8 h，比空白体系缩短1 h。

3.3 好氧活性污泥处理制浆中段废水反应体系符合一级降解动力学模型，优势菌群投加量为0.3 g/L 的体系降解速率常数最大。