白腐真菌活性污泥联合处理棉浆黑液的研究

生态环境学报2009,18(2):[e-mail]基金项目：国家自然科学基金项目（50808029）作者简介：赵丽红(1974年生)，女，副教授，博士，主要从事环境微生物技术应用研究。E-mail:[e-mail]收稿日期：2008-12-15白腐真菌-活性污泥联合处理棉浆黑液的研究赵丽红1，金若菲2，孙洪军1，高艳娇11.辽宁工业大学土木建筑工程学院，辽宁锦州121001；2.大连理工大学环境与生命学院，辽宁大连116024摘要：棉浆黑液是一类较难处理的工业有机废水，其中含有大量木质素，木质素不仅是化纤工业废水中主要污染物，而且也是造纸工业的副产物，由于得不到充分利用，变成环境污染物，严重污染了环境。因此，迫切需要一种高效低成本的处理方法来解决这一问题。为了有效处理化纤厂棉浆黑液，采用以白腐真菌糙皮侧耳（Pleutrotusostreatus）B1为降解菌的鼓泡塔反应器与活性污泥法联合处理棉浆黑液，初步摸索可行的处理工艺并确定相关参数。棉浆黑液经鼓泡塔反应器预处理、活性污泥法后处理，废水COD去除率为94%~97%，出水COD低于国家污水三级排放标准（1000mg·L-1）。将白腐真菌糙皮侧耳B1投加到活性污泥中，逐渐增加进水负荷，COD去除率为55%~83%，明显好于活性污泥单独处理工艺。实验结果表明了白腐真菌-活性污泥联合处理棉浆黑液是可行的。关键词：白腐真菌；糙皮侧耳；活性污泥；棉浆黑液；木质素中图分类号：X703文献标识码：A文章编号：1674-5906（2009）02-0422-04棉浆黑液是化纤厂在利用棉短绒为原料，生产粘胶、高档纸过程中产生的高污染负荷的废水。含有大量的纤维素、半纤维素、腐植酸、木质素、蜡质、果胶等有机污染物，COD通常在3000~40000mg·L-1之间，pH值高，色度高[1]。目前国内还缺乏有效的处理方法，因此寻找一种合理且经济的治理措施正是当今环境领域中一个亟待解决的大问题。白腐真菌是生物界中一类奇特的丝状真菌，由于其对各种难降解有机物及异生物质具有独特的降解能力[2-7]，近年来受到世界各国包括科学界及工业界在内的高度重视[8-13]。为了能够在实际应用当中充分发挥该菌种的生理特点，本工作在完成了白腐真菌糙皮侧耳（Pleutrotusostreatus）B1培养的优化条件实验基础上[14]，利用白腐真菌-活性污泥联合工艺处理化纤厂的棉浆黑液，探索可行的处理工艺并确定相关的基本参数。1材料与方法1.1实验用水实验用水来自四川某化纤厂，颜色为深红棕色，测得COD为20000~25000mg·L-1，pH为11.0~12.0。1.2实验菌种和培养基实验所用菌种为P.ostreatusB1，购自辽宁省大连市菌种研究所，由本实验室转接保存。菌种于4℃下冷藏保存，每1~2月转接一次。实验中使用的培养基有三种：土豆培养基：水（1000mL），土豆（质量分数20%），葡萄糖（质量分数2%），用于菌种的繁殖、扩增和保存。液体限氮培养基[15]：KH2PO42g·L-1，MgSO4·7H2O0.5g·L-1，葡萄糖10g·L-1，VB10.02g·L-1，酒石酸铵0.2g·L-1，用于建立B1菌的降解体系。活性污泥培养基：葡萄糖、氯化铵和磷酸二氢钾分别作为碳源、氮源和磷源，按COD∶N∶P=100∶5∶1的质量比用自来水配制而成，另外补充少量硫酸镁、氯化铁、氯化钙等无机盐。培养基配制好之后用10%氢氧化钠溶液调节pH值在7.0~7.5范围内。1.3实验方法1.3.1活性污泥的驯化活性污泥处理黑液废水前需进行培养驯化，使其逐步适应废水水质，培养驯化出一批能处理黑液废水的菌种。本实验采用接种培养法。实验所用的接种污泥取自大连春柳污水处理厂的回流污泥，将该污泥用自来水清洗后接入污泥驯化反应器中，按容积加入2%的棉浆黑液废水，营养成分比例按(COD∶N∶P=100∶5∶1)补充营养物质，加入活性污泥培养基，开启曝气泵间歇曝气培养。反应器中接种污泥浓度为2.0g·L-1，污泥沉降比为30%，溶解氧控制在2.0~4.0mg·L-1，pH7.0~8.0，温度20~30℃。废水中COD浓度从487mg·L-1逐步提高到1000mg·L-1，运行20d。驯化过程中定期测定活性污泥各项指标，并取样镜检，观察污泥中生物相的变化，同时测定COD去除情况[16]。赵丽红等：白腐真菌-活性污泥联合处理棉浆黑液的研究4231.3.2白腐真菌B1的预培养将活化后的菌株接入1000mL锥形瓶（400mL土豆培养液），在摇床上30℃，150r/min培养7d，白腐真菌B1生长良好，菌丝缠绕成球状，平均直径2.0~3.0mm。1.3.3以白腐真菌菌株B1为降解菌的鼓泡塔反应器(BCR)预处理、活性污泥法后处理①BCR中加入2L液体限氮培养基、预培养的白腐真菌菌株B15.0g(干重)，调整pH值为6.0，曝气速率调整为0.24m3·m-2·h-1，温度控制为30℃，然后分别加入10%(体积分数)黑液和20%(体积分数)黑液，开始曝气。测定初始COD值，每隔两天测定一次COD，以观察其降解率，运行时间为12d。②鼓泡塔反应器处理后的废水静置沉降，然后用虹吸的方式引入到已经驯化好的活性污泥反应器进行后处理，停留时间48h，连续运行10d，以保证系统的稳定性。测定活性污泥反应器进出水的COD值，研究白腐真菌菌株B1与活性污泥联合处理棉浆黑液的效果。1.3.4白腐真菌菌株B1投加到活性污泥体系实验中采用两套装置：1#为活性污泥中投加白腐真菌菌株B1体系，投加菌量为1g·L-1(干重)，2#为普通活性污泥体系。两套装置同时运行，研究两套体系的运行情况。实验中进水负荷逐渐增加，停留时间48h，每阶段进水均运行6d，以保证系统的稳定性(所有数据均为连续运行的平均值)。1.4分析方法COD采用重铬酸钾法测量[17]。2结果与讨论2.1驯化期运行结果活性污泥驯化初期，增加进水COD负荷时，出水COD去除率有所下降，随着驯化时间的增加，COD去除率又有所上升，直至趋于稳定。在此过程中活性污泥慢慢适应进水水质。由图1可知，反应器进水COD负荷为1000mg·L-1左右时，COD去除率基本稳定在70%左右。取少量污泥镜检，发现活性污泥以菌胶团为主，菌落形态多样。活性污泥结构紧密，絮粒大，边缘清晰，菌胶团结构良好，污泥絮体中存在大量固着型纤毛类原生动物，说明活性污泥已经驯化成熟。这些结果表明微生物对黑液废水已具较强的适应能力，反应器在较高黑液COD负荷下可获得较稳定的运行能力。2.2活性污泥工艺参数的确定控制活性污泥反应器溶解氧在2.0~4.0mg·L-1，加入棉浆黑液，pH=7.0-7.5，分别在水温15~20℃、25~30℃，停留时间12~72h条件下进行实验。每隔12h测定一次COD，实验结果见图2。可以看出，水温25-30℃时反应器中黑液废水的COD去除率明显高于在水温15~20℃时的去除率，表明温度对COD去除率的影响较大，反应器的温度控制在25~30℃较好。同时由COD去除率曲线的趋势可以看出，COD去除率在48h达到了71%，随着时间的增加，COD去除率并没有明显增加，因此停留时间可取48h。2.3以白腐真菌菌株B1为降解菌的鼓泡塔反应器预处理、活性污泥法后处理在以菌株B1为降解菌的鼓泡塔反应器和活性污泥反应器串联运行实验中，棉浆黑液经BCR预处理后，木质素等大分子有机物降解为小分子有机物，色度大大降低，废水可生化性有所提高，但是COD值仍然较高，设计采用活性污泥反应器后处理，进一步降低出水的COD值。由图3(a)可知，10%(体积分数)的黑液在BCR中COD去除率为83%，处理后废水COD为2000mg·L-1。处理后废水引入驯化好的活性污泥反应器，连续10d的实验结果见图3(b)，经活性污泥法处理后，出水COD可降至400mg·L-1左右，COD去除010203040506070020406080100COD去除率(%时间(h)25-30℃15-20℃图2活性污泥反应器温度对黑液COD去除率的影响Fig.2EffectsoftemperatureonCODremovalofblackliquorinactivatedsludgereactor0510152020040060080010001200进水COD出水CODCOD去除率驯化时间/dCOD/(mg·L-1)020406080100COD去除率%图1活性污泥驯化结果Fig.1ResultsofactivatedsludgedomesticationCOD去除率/%时间/hCOD去除率/%424生态环境学报第18卷第2期（2009年3月）率为80%，全流程对黑液COD去除率为97%。由图3(c)可知，20%(体积分数)的黑液在BCR中COD去除率为78%，处理后废水COD为3084mg·L-1。处理后废水引入驯化好的活性污泥反应器，连续10d的实验结果见图3(d)，经活性污泥法处理后，出水COD可降至800mg·L-1左右，COD去除率为74%，全流程对黑液COD去除率为94%。当进水浓度增高时，COD去除率有所降低，这是因为底物抑制作用，从而影响到菌株B1的生理活动，降低了其对黑液的处理能力，但出水的COD均低于国家污水三级排放标准(GB8978-1996)。2.4白腐真菌菌株B1投加到活性污泥体系实验各阶段去除COD的情况见图4，在整个运行期间，两套体系均保持了较高的去除率。在第一和第二阶段，COD负荷较低，两套体系对COD去除效果相接近，随着负荷的提高，在其他四个阶段，1#系统对COD的去除效果明显好于2#系统。由图中的第三阶段还可知，1#系统抗冲击负荷能力比2#系统强。实验结果表明菌株B1投加到活性污泥中有利于提高处理效果。123456020004000600080001000012000COD(mg·L-1)实验阶段污泥进水污泥出水污泥＋菌进水污泥＋菌出水123456020406080100COD去除率%实验阶段污泥污泥＋菌图4不同体系在不同阶段对黑液COD的去除效果Fig.4CODremovalefficiencyofblackliquorindifferentsystemsandstages02468101214020004000600080001000012000CODCOD去除率时间(d)COD/(mg·L-1)020406080100COD去除率%2468102004006008001000120014001600180020002200COD(mg·L-1)进水COD出水CODCOD去除率020406080100COD去除率%时间/d(a)(b)024681012140400080001200016000CODCOD去除率时间(d)COD/(mg·L-1)020406080100COD去除率%246810400800120016002000240028003200COD/(mg·L-1)时间/d020406080100进水COD出水CODCOD去除率COD去除率%(c)(d)图3BCR-活性污泥反应器处理棉浆黑液Fig.3BlackliquortreatmentinBCR-activatedsludgereactor(a)-(b)10%(v/v)；(c)-(d)20%(v/v)时间/d时间/d时间/d时间/dCOD去除率/%COD去除率/%COD去除率/%COD去除率/%COD/(mg·L-1)赵丽红等：白腐真菌-活性污泥联合处理棉浆黑液的研究4253结论（1）活性污泥法的工艺参数为：停留时间48h，pH7.0~8.0，温度25~30℃。（2）所测试棉浆黑液经以白腐真菌菌株B1为降解菌的鼓泡塔反应器预处理、活性污泥反应器后处理，黑液COD去除率为94%~97%，出水COD低于国家污水三级排