固定化微生物处理垃圾渗滤液叶正芳

中国科学B辑:化学2008年第38卷第8期:721~727固定化微生物处理垃圾渗滤液叶正芳①*,俞红燕①②,温丽丽①,倪晋仁①②①北京大学环境工程系教育部水沙科学重点实验室,北京100871;②北京大学深圳研究生院城市人居环境科学与技术重点实验室,广州518055*联系人,Email:[e-mail]收稿日期：2008-01-07;接受日期：2008-04-18北京大学环境学院211二期项目(批准号：211−2−环境学院−09)资助摘要重点研究了固定化微生物处理垃圾渗滤液时的处理结果以及主要性能.通过对进水与出水COD及氨氮等指标进行检测分析,研究了固定化微生物对COD和氨氮的高效去除效果.并采用GC-MS对处理前后的垃圾渗滤液组分进行定性分析,同时利用Kjeldahl’s法测定了高效微生物菌群在载体上的生物负载量,最后采用电子显微镜观察了固定化微生物的形态.研究结果表明：采用固定化微生物处理渗滤液,COD和氨氮去除率分别达到98.3%和99.9%.处理后的垃圾渗滤液组分中有机物大量减少,生物负载量为38g·L−1,丝状微生物较为发达.而且200mg·L−1以上的氨氮以及150mg·L−1以上的NH3对硝化菌及亚硝化菌没有抑制作用.在有机负荷较高的情况下,固定化微生物仍具有较好的硝化作用.还在相同条件下与游离微生物性能进行了比较,说明固定化微生物技术在各个方面所表现出的性能较后者具有明显的优势.关键词固定化微生物处理垃圾渗滤液垃圾渗滤液含有高浓度难降解有机物、重金属及高氨氮污染物[1],但因磷元素缺乏,从而给生物处理带来一定的难度[2].垃圾渗滤液水质和水量受垃圾组成、垃圾含水率、垃圾体内温度、垃圾填埋时间、填埋规律、填埋工艺、降雨渗透量等因素的影响,变化极大,尤其是降雨量和填埋时间的影响最为显著[3],因此垃圾渗滤液的处理一直是一个世界性的难题[4~6].垃圾渗滤液的生物处理技术主要有活性污泥法、曝气氧化塘、生物滤池、序批式间歇反应器、上流式厌氧污泥床等[7~12].近几年来,一些以微生物固定生长为特色的生物新技术如生物滤池和移动床生物反应器以其处理效果好,不易造成微生物流失等优点,得到了广泛的关注[9].杜月等[13]采用好氧移动床生物膜反应器(MBBR)对经过厌氧脱碳处理的垃圾渗滤液进行了深度短程硝化研究.在进水氨氮浓度为400mg·L−1,HRT为24h情况下,当控制DO为2mg·L−1、pH8左右和C/N3时,氨氮去除率能达到70%以上,亚硝酸盐氮的积累率高达90%.该移动床生物膜工艺可以选择性固定和积累氨氧化细菌,从而实现较高的氨氮去除率和稳定的亚硝酸盐氮积累率.本文作者将固定化微生物技术成功地用于处理高浓度有机污水和高氨氮污水,得到了COD及氨氮去除率高于A/O工艺的结果[14~18].针对垃圾渗滤液的特点,本文采用自制功能化大孔载体FPU固定化复合微生物菌群,构建成固定化微生物-曝气生物滤池(I-BAF)系统,并以该系统对垃圾渗滤液进行了现场连续运转中试实验.本文通过对进水与出水氨氮、叶正芳等:固定化微生物处理垃圾渗滤液722表1大孔功能化载体FPU主要性能参数项目材料密度/g·cm−3发泡体密度/kg·m−3比表面积/m2·m−3持水量/倍孔径/mm孔隙度/%参数1.1~1.1525~3040×104250.5~3.096总氮的监测,研究了I-BAF系统对垃圾渗滤液的处理性能,考察了游离氨和有机负荷对固定化微生物处理性能的影响.本研究为固定化微生物技术的工程应用提供了有力证据,对废水的高效处理和资源化具有重要意义.1材料与方法1.1实验材料1.1.1载体材料实验载体采用大孔功能化载体FPU(自制),其主要性能见表1.1.1.2微生物实验所用微生物为复合微生物菌群BCP350、BCP500、BCP110(自制),含28种专用微生物及纤维酶、淀粉酶、脂肪酶和水解酶,堆密度为0.6~0.8g·cm−3,微生物数量为30~50亿个/克;BCP350主要用于直链烷烃类物质的去除,对石油类物质具有较好的去除效率,BCP500主要用于天然产物降解产物的去除,同时可提高微生物低温下的活性;BCP110主要用于复杂化合物如苯环类物质的去除,同时可去除表面活性剂等.这3种微生物都含有硝化菌.1.1.3垃圾渗滤液垃圾渗滤液由深圳东江环保股份公司采集提供,为早期渗滤液,并经储存池调节、沉淀及自然厌氧处理,其主要水质指标COD为4000~6500mg·L−1,氨氮浓度为450~700mg·L−1.1.2实验工艺实验工艺见图1.其中固定化微生物-曝气生物滤池(I-BAF)的总容积为300L,共分为6级,池内装填专用自制大孔功能化载体FPU,占总体积的40%,池底铺设微孔曝气管,水、气均用流量计自行控制.图1实验工艺流程实验共分两个阶段：第一阶段为微生物的驯化和固定化阶段,时间为15天;第二阶段为工艺参数、运行控制研究阶段,时间为30~120天.实验步骤如下：第一阶段：将垃圾渗滤液用泵抽送至调节池,投加适量的磷酸三钠,调节pH值为7.0~9.0.沉淀1h后,将上清液抽送入6个曝气生物滤池,达到设计水位后开始曝气.前3个反应池保持DO为1.0~2.0mg·L−1,后3个池DO为3.0mg·L−1~5.0mg·L−1.运行初期,在每个生物滤池中投入适量复合微生物进行闷曝.3天后以3L·h−1流量连续进水并定时检测调节池废水和出水中的COD、氨氮以及载体上固定的微生物量浓度.第二阶段：若当出水中COD≤300mg·L−1、氨氮≤25mg·L−1,且载体中微生物量≥8g·L−1,则认为驯化、固定化阶段基本完成.再随后逐渐加大进水流量并定时检测各项指标.1.3仪器与设备COD/CSB型COD快速测定仪(德国),BSB/BOD型BOD5测定仪(美国),HI93715型NH4+-N测定仪(美国),HI93728型NO3−测定仪(美国),HI93708型NO2−测定仪(美国),YSI55型溶解氧测定仪(美国),DP5000pH值在线检测仪(美国),HI93706型总磷测定仪(美国),Agient6890/5973型GC-MS测定仪(美国),Quanta200FEG型环境扫描电子显微镜.2结果与讨论2.1I-BAF系统的运行结果2.1.1I-BAF系统对COD的去除效果垃圾渗滤液中COD物质组成主要为有机酸、醇、醛以及苯、甲苯、二甲苯、萘、喹啉、吡啶等难于生中国科学B辑:化学2008年第38卷第8期723物降解的物质a),传统的生物法对上述物质处理效果低,出水COD难以达到排放标准[19,20].本实验采用I-BAF系统处理垃圾渗滤液,该系统进水负荷约为1.85kgCOD·m−3·d−1,水力停留时间为72h.图2是I-BAF系统稳定运行时期一段时间的进、出水COD变化图.I-BAF系统进口COD浓度较高且波动较大(4450~6200mg·L−1),平均为5550mg·L−1,而I-BAF系统出水COD值较为稳定(80~280mg·L−1),平均为98mg·L−1,去除率为98.3%.图2表明,固定化微生物对难生物降解物质具有优异的降解作用.图2I-BAF系统进出水COD随时间变化图2.1.2I-BAF系统对氨氮的去除效果氨氮的去除是废水处理的难题之一,尤其对于中等浓度的氨氮(50~1000mg·L−1)的去除.氨氮的生物降解是利用硝化-反硝化原理[21,22].在常规的生物处理中,碳氧化和氨氮的硝化是分开进行的,即先进行碳的氧化,后再进行氨氮的硝化,因为硝化菌、亚硝化菌在有机物存在的情况下是不能生存的[23~25],且硝化菌、亚硝化菌易受各种因素的抑制[22~27],如温度、pH值、碱度、DO、NO2−、NO3−、氨氮和游离氨的浓度、有机负荷等.因此在废水中氨氮浓度超过200mg·L−1时将对硝化过程产生抑制[22].本文所研究的垃圾渗滤液中氨氮高达1500mg·L−1,经预处理后的氨氮浓度仍然较高且波动大(630~489mg·L−1),平均浓度为565mg·L−1,已远远超出了生物处理的界限.图3是I-BAF系统进、出水中氨氮浓度的变化图,由图3可以看出,I-BAF系统出水氨氮接近于0且极为稳定,没有出现抑制现象,表明固定化微生物具有较好的抗氨氮冲击能力和良好的脱氮效果.实验结果突破了生物法处理氨氮浓度的界限,将生物脱氮研究提到了新的水平.图3I-BAF系统进出水氨氮浓度随时间变化图由图2和图3可以得出：用I-BAF系统处理垃圾渗滤液效果明显,工艺运行稳定,显示出固定化微生物在处理高浓度、难降解有机物和高氨氮方面的独特优势.这种优势主要是因为大孔功能化载体具有较大的比表面积,复合微生物在其表面附着生长,可保持较高的生物量.2.1.3垃圾渗滤液处理前后组成表征图4是固定化微生物处理前、后的垃圾渗滤液组成的GC-MS定性分析结果.图4(a)显示在垃圾渗滤液中检出213种有机物,匹配度大于50%的有72种.其中,烷烃烯烃类5种,芳烃类16种,羧酸类2种,酯类5种,醇类12种,酚类8种,酮类12种,醛类1种,胺类9种,其他2种.图4(b)为固定化微生物处理后的垃圾渗滤液组成GC-MS定性分析结果.图中显示匹配度大于等于50%的有机物只有8种.烷烃烯烃类2种,羧酸类1种,酯类1种,醛类2种,胺类1种,芳烃类1种.比较图4(a)和(b)的分析结果可知,处理后的垃圾渗滤液中有机物大幅度减少,表明固定化微生物对垃圾渗滤液中的有机物具有较好的降解效果.2.1.4固定化微生物负载量的测定和表征从稳定运行的I-BAF系统中取一定量的载体,放置于漏斗上滤干后,小心用蒸馏水冲洗2~3次,放a)a)ÖmanCB,JunestedtC.Chemicalcharacterizationoflandfillleachates——400parametersandcompounds.WasteManage,2007,[inpress]叶正芳等:固定化微生物处理垃圾渗滤液724图4固定化微生物处理前(a)、后(b)的垃圾渗滤液组成分析入烘箱在102~105℃条件下烘干至恒重,用Kjeldahl’s法测定固定化微生物的含氮量,折算为水中的微生物量为23~68g·L−1(H2O),平均为38g·L−1(载体以40%体积计).图5是FPU载体固定化微生物电子显微镜照片,由图5可以看出,固定化微生物种类较多,特别是丝状微生物非常发达,这为处理难降解有机物和大分子污染物提供了保障.而在活性污泥法的曝气池中,丝状微生物是被抑制的,因为丝状微生物的过度繁殖可导致污泥膨胀.2.2固定化微生物与游离微生物性能比较为了论证固定化微生物的特征和优点,实验中制作了体积为100L的SBR反应池,只投加复合微生物菌群.投加量为3g·L−1,在驯化15天后以96h为一个反应周期,对垃圾渗滤液进行实验.2.2.1COD和氨氮去除效果表2是SBR一个周期与同期I−BAF系统的实验结果的比较.由表2可以看出,相对于普通SBR系统,I-BAF对于COD和氨氮的去具有明显的优势.在SBR处理出水中,氨氮的去除率较低,这主要是反应系统中亚硝化菌和硝化菌受到抑制的结果.氨氮的降低主要是曝气吹脱和细胞合成消耗所导致;I-BAF系统中,出水氨氮、NO2−、NO3−浓度低,说明硝化菌、亚硝化以及反硝化菌均比较活跃,即在固定化微生物系统中发生了同步硝化反硝化作用.在I-BAF系统中存在的好氧、兼性及厌氧菌提高了去除有机物的广谱性,反硝化作用也增强了去除COD的能力.中国科学B辑:化学2008年第38卷第8期725图5固定化微生物SEM照片(a):×5000;(b):×3000表2同期SBR与I-BAF系统实验结果比较(mg·L−1)工艺进水COD进水氨氮出水COD出水氨氮SBR423~589323~407I-BAF5321~5672493~591142~2650.356~1.23