功能菌株對檸檬酸廢水生化處理剩余污泥減量化研究

唐文濤， 汪 蘋， 方貴銀， 王丹陽

(北京工商大學 食品學院， 北京 100048)

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功能菌株對檸檬酸廢水生化處理剩余污泥減量化研究

唐文濤， 汪 蘋*， 方貴銀， 王丹陽

(北京工商大學 食品學院， 北京 100048)

采用具有污泥減量化功能的菌株，對檸檬酸發(fā)酵廢水生化處理二沉池剩余污泥進行搖瓶減量實驗。通過對初篩菌株進行定向馴化，再通過正交試驗與單因素實驗，確定菌株污泥處理優(yōu)化培養(yǎng)條件后進行優(yōu)選菌株污泥最終處理。研究結(jié)果表明：經(jīng)過4個周期的馴化，菌株W1- 6、W1- 10好氧處理后污泥MLSS減量與同期對照相比分別從17.62%提高到24.61%和從16.60%提高到23.17%。在優(yōu)化培養(yǎng)條件下，污泥MLSS與MLVSS分別減量27%和40%以上，污泥清液中SCOD值從521.7 mg/L提高到1 700 mg/L左右，原污泥91%的SV30可降低到54%～57%。污泥減量效果明顯，同時污泥脫水性能也得到明顯改善。

污泥減量； 功能菌株； 生物降解

我國污水處理廠一般采用活性污泥法處理污水[1-2]。剩余污泥是采用活性污泥法處理污水過程中所產(chǎn)生的副產(chǎn)物，一般重力濃縮污泥的含水率約為98%，機械脫水后的泥餅含水率約為80%[3]。食品發(fā)酵廢水的水質(zhì)濃度較高[4]，如檸檬酸廢水行業(yè)，由于檸檬酸生產(chǎn)主要以薯干、玉米等淀粉質(zhì)為原料，生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生大量高濃度、難降解的有機廢水[5]，因此其剩余污泥往往具有較高的蛋白含量，污泥黏度極高，脫水性很差，該類污泥脫水后含水率甚至還有85%～90%。如何處理大量剩余污泥是污水處理廠急需解決的一大難題。采用傳統(tǒng)的物理和化學方法來濃縮污泥或降低污泥產(chǎn)量時存在二次污染、成本高等問題，具有一定的推廣難度[6]。目前生物法在污水污泥處理中的應用研究十分廣泛，顯示出了較大的優(yōu)越性。

研究發(fā)現(xiàn)，在一定條件下，生物法不僅能夠提高對特定污染物的去除效果，改善出水水質(zhì)，而且還能改善污泥性能，增強污泥活性，減少污泥生成量[7-8]，同時提高抗負荷沖擊能力和系統(tǒng)穩(wěn)定性，減少二次污染的風險[9]。目前國內(nèi)外對于生物法在污泥處理中的應用尚缺乏系統(tǒng)性研究，研究重點往往側(cè)重于污泥減量或污泥中有機物、重金屬的去除等單方面。本研究以食品發(fā)酵行業(yè)特殊的難脫水污泥為實驗對象，通過初步篩選具有污泥減量化效果菌株，經(jīng)過污泥適應性的定向馴化，再通過正交試驗與單因素實驗，優(yōu)化菌株培養(yǎng)條件，不斷提高菌株的功能性，期望實現(xiàn)污泥高效減量的同時并改善污泥脫水性能，從而探索出一種經(jīng)濟高效的污泥原位減量途徑。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

1.1.1 菌株來源和實驗污泥

菌株來源：本研究的基礎(chǔ)菌株來自于本實驗室已保存的9株有較強分解能力，兼具脫碳和脫氮功能菌株。

實驗污泥：泥源選自山東英軒實業(yè)檸檬酸生產(chǎn)發(fā)酵廢水二級生化處理二沉池污泥。

1.1.2 培養(yǎng)基

1)VP培養(yǎng)基：葡萄糖5 g/L，蛋白胨5 g/L，磷酸氫二鉀5 g/L。

2)液體培養(yǎng)基：氯化鈉5 g/L、牛肉膏粉3 g/L、蛋白胨10 g/L。

3)正交試驗無機營養(yǎng)儲備液：

儲備液1 NH4Cl 0.4 g/L，K2HPO40.12 g/L。

儲備液2 FeCl20.1 g/L，ZnCl20.05 g/L，CaCl2·2H2O 0.1 g/L，KAl(SO4)20.01 g/L。

儲備液1和儲備液2按999∶1的比例混合制成正交試驗營養(yǎng)儲備液。

1.2 菌株的活化與生長特性研究實驗

取150 mL VP培養(yǎng)基于121 ℃高溫滅菌20 min，待冷卻至室溫后，于無菌工作臺中用接種環(huán)從平板培養(yǎng)基中挑取一環(huán)菌苔接種到培養(yǎng)基中；包上封口膜，置于恒溫搖床中，在30 ℃、160 r/min條件下培養(yǎng)36 h，獲得菌懸液；培養(yǎng)期間每隔一段時間取等量菌懸液測定其OD600值。采用重量法測定菌干重，并折算為每升中菌質(zhì)量(mg/L)，獲得OD600與各菌濃度的關(guān)系。分別制備各株備選菌株的擴培液，以供后繼實驗。

1.3 菌株的初篩、馴化與培養(yǎng)條件優(yōu)化

1.3.1 菌株的初篩

分別取已混合均勻的污泥200 mL加入250 mL錐形瓶中，從各菌擴培液(OD600為0.8～1.2)中取20 mL加入上述活化污泥(即加菌量體積比為20∶200)，后續(xù)實驗加菌量均按照菌株擴培液體積與實驗污泥樣品體積比為20∶200，并設同期空白對照。樣品均用透氣無菌封口膜封口，使其在30 ℃，160r/min的恒溫搖床中進行好氧生物降解，期間不再添加任何營養(yǎng)物，以污泥作為唯一碳源。培養(yǎng)期間每隔24 h定時取樣對污泥的MLSS、SCOD、SV30進行測定。主要以樣品和對照組的污泥MLSS(g/L)變化率表示污泥減量效果，并根據(jù)最大減量值得到合適的培養(yǎng)天數(shù)，其他參數(shù)可以直接、間接反映污泥性質(zhì)的改變。

1.3.2 菌株的定向馴化

定向馴化實驗分別設置25%，50%，75%和100% 四個污泥濃度梯度，每個污泥濃度馴化1個周期，共4個周期，馴化周期為96 h。每個馴化周期結(jié)束后，污泥轉(zhuǎn)入下一周期繼續(xù)馴化，以此循環(huán)并設置同期對照實驗，對照樣為未經(jīng)定向馴化的原始菌株。馴化期間通過監(jiān)測污泥MLSS的變化情況來反映定向馴化結(jié)果。

1.3.3 菌株的培養(yǎng)條件優(yōu)化

通過查閱資料[10-12]，確定培養(yǎng)因素為溫度、污泥濃度、營養(yǎng)物、加菌質(zhì)量比。菌株優(yōu)化培養(yǎng)條件水平范圍在表1所給數(shù)據(jù)范圍內(nèi)，設計L9(34)正交試驗。每個樣品按照表1中培養(yǎng)條件，分別取100 mL相應質(zhì)量濃度污泥于250 mL錐形瓶中，加入10 mL對應濃度營養(yǎng)物(營養(yǎng)物儲備液，營養(yǎng)物主要成分為無機氮源NH4Cl和無機磷源K2HPO4)與對應菌量。用透氣無菌封口膜封口，分別在相應溫度的恒溫搖床中，以160r/min進行好氧生物降解。為考察功能菌株處理污泥優(yōu)化培養(yǎng)條件，以好氧培養(yǎng)96 h后的污泥MLSS為減量指標，根據(jù)極差Rj的大小可判斷出影響因素的主次順序。

表1 正交試驗因素水平

*營養(yǎng)物加入量100%即加入10 mL營養(yǎng)物儲備液，加入量50%即加5 mL營養(yǎng)物儲備液與5 mL去離子水，加入量0%即僅加10 mL去離子水。

** 加菌質(zhì)量比是以加菌質(zhì)量干重和濕污泥質(zhì)量比表示，因每株菌擴培液濃度不同，本表中加菌質(zhì)量比是近似值。

1.4 分析項目和方法

菌體生長狀態(tài)(OD600)采用吸光度法測定，MLSS、揮發(fā)性懸浮固體濃度(mixed liquor volatile suspended solids, MLVSS)的測定方法依照國家標準[13]，可溶性化學需氧量(soluble chemical oxygen demand, SCOD)采用美國HACH測定儀測定[13]。

污泥沉降比(sludge settling ratio,SV30)測定：將錐形瓶中污泥混合液攪拌均勻，取100 mL混合液置于潔凈量筒中，靜置30 min后記錄自由沉降過程中所形成沉淀污泥的容積占原混合液容積的百分率，以%表示，即為SV30(測定后可倒回錐形瓶內(nèi)繼續(xù)培養(yǎng))。

2 結(jié)果與分析

2.1 菌株初篩測定結(jié)果

按1.3.1實驗方法測定菌株污泥減量化與污泥脫水性能改善效果。圖1顯示各菌株處理后污泥MLSS減量比，初篩標準是96 h后污泥MLSS減量比相對于同期空白(2.3%)提高到10%以上，因此初篩得到W1- 5、W1- 6、W1- 10、W2- 9、 L1- 1五株菌，減量比分別為15.35%，17.62%，16.60%，14.24%，13.52%。其余菌株對于剩余污泥降解效果不明顯，原因可能是其與剩余污泥內(nèi)的土著微生物彼此間存在明顯的生物拮抗作用，導致彼此生物活性降低，未能發(fā)揮其降解污泥的效果。

圖1 菌株處理污泥96 h后MLSS減量比Fig.1 Percentage of sludge MLSS reduction after 96 hour processing by strains

菌株處理后污泥SCOD、SV30變化趨勢分別如圖2和圖3。由圖2結(jié)果可以看出，菌株處理后污泥SCOD變化規(guī)律與污泥減量比值一致，說明在污泥處理過程中，確實由于存在的溶胞作用，使固體的TCOD轉(zhuǎn)變?yōu)镾COD，也說明減量的部分固形物并沒有降解，而是進入溶解態(tài)[14]，同時證實SCOD值可以反映菌株處理過程脫除污泥中有機物的程度。由圖3可知，污泥經(jīng)處理后SV30呈現(xiàn)明顯下降趨勢，其中W1- 5、W1- 6、W1- 10、W2- 9和L1- 1處理96 h后污泥SV30可下降至70%以下。

圖2 菌株處理前后污泥SCOD變化Fig.2 Change of sludge SCOD before and after strains processing

圖3 菌株處理前后污泥SV30變化Fig.3 Change of sludge SV30 before and after strains processing

2.2 菌株生長特性研究

由2.1實驗結(jié)果分析，確定W1- 5、W1- 6、W1- 10、W2- 9和L1- 1五株具有污泥減量化效果的菌株，為確定菌株擴培期間的較佳取樣時間。利用全自動生長曲線分析儀研究篩選菌株生長特性，生長曲線如圖4?？梢源_定W1- 5、W1- 6、W1- 10、W2- 9和L1- 1較佳取樣時間分別為20，18，22，22，24 h。其中，菌株W1- 5、W1- 6和W1- 10達到穩(wěn)定期所需時間相對較短，分別為10，12，14 h。菌株生長特性研究表明，所篩菌株具有生長速率快，達到穩(wěn)定期時間短的特點。

圖4 菌株生長曲線Fig.4 Growth curve of strains

經(jīng)過初篩，從實驗室保藏9株菌株中得到5株污泥高效降解株菌，分別為W1- 5、W1- 6、W1- 10、W2- 9和L1- 1，因此將這5株菌作為基礎(chǔ)菌株進入下一步的定向馴化實驗。

2.3 菌株的定向馴化結(jié)果

定向馴化是指逐步改變微生物的生長環(huán)境，使其能逐漸適應需要處理的特征對象。本實驗目的就是將初篩的5株菌經(jīng)定向馴化獲得更高耐受力和代謝活性。具體馴化方式為：將污泥進行滅菌處理后稀釋2倍，取稀釋后污泥50 mL加入到裝有50 mL VP培養(yǎng)基的250 mL錐形瓶中(即25%濃度)，按體積比為20∶200接種量接種活化的菌株擴培液，用透氣無菌封口膜封口，置入恒溫搖床于30 ℃，160r/min條件下培養(yǎng)，每隔24 h定時取樣對污泥MLSS進行測定，96 h第1周期結(jié)束；第2周期取滅菌原始污泥50 mL加入到裝有50 mL VP培養(yǎng)基的250 mL錐形瓶中(即50%濃度)，按體積比20∶200接種量接種第1周期馴化結(jié)束的菌泥混合液，同時設置對照組，并按照相同步驟操作；第3周期取滅菌原始污泥75 mL加入到裝有25 mL VP培養(yǎng)基的250 mL錐形瓶中(即75%濃度)，按相同接種量接種第2周期馴化結(jié)束的菌泥混合液，并按相同方法操作；第4周期取滅菌原始污泥100 mL加入到250 mL錐形瓶中(即100%濃度)，按相同接種量接種第3周期馴化結(jié)束的菌泥混合液，之后操作方法相同。

第4周期結(jié)束時，馴化組污泥MLSS減量比與未馴化對照組對比圖見圖5。經(jīng)過4個周期的定向馴化，菌株對污泥MLSS減量效果均有所提高，其中W1- 6和W1- 10減量效果提高了6%以上，其余3株菌因馴化適應性不強淘汰，因此確定W1- 6、W1- 10兩株菌進入下一步培養(yǎng)條件優(yōu)化實驗。

圖5 第4周期污泥MLSS馴化與對照減量比對比圖Fig.5 MLSS reduction percentage of fourth cycle domesticated sludge compared with contrast

2.4 功能菌株培養(yǎng)條件的優(yōu)選結(jié)果

2.4.1 正交試驗結(jié)果分析

根據(jù)表1的正交試驗方案，進行菌株污泥處理培養(yǎng)條件優(yōu)選實驗，正交試驗結(jié)果見表2和表3。W1- 6正交試驗表觀優(yōu)化結(jié)果(A2B3C1D2)與理論優(yōu)化結(jié)果(A2B3C1D2)一致，即試驗6，溫度為30 ℃，營養(yǎng)物濃度為100%(即NH4Cl 0.04 g/L，K2HPO40.012 g/L)，污泥質(zhì)量濃度為3 500 mg/L，加菌質(zhì)量比為0.01%，此時污泥MLSS減量比為25.86%。影響因素順序由大到小為：培養(yǎng)溫度、污泥濃度、加菌質(zhì)量比、營養(yǎng)物加入量。W1- 10正交試驗表觀優(yōu)化結(jié)果(A2B3C1D2)與理論優(yōu)化結(jié)果(A2B2C1D2)不一致，需進行實驗驗證。驗證結(jié)果W1- 10在表觀優(yōu)化下污泥減量比為24.17%，在理論優(yōu)化下為25.97%，故取理論優(yōu)化為優(yōu)化結(jié)果，即溫度為30 ℃，營養(yǎng)物加入量為50%(即NH4Cl 0.02 g/L，K2HPO40.006 g/L)，污泥質(zhì)量濃度為3 500mg/L，加菌質(zhì)量比為0.01%。影響因素順序由大到小為：加菌質(zhì)量比、污泥濃度、培養(yǎng)溫度、營養(yǎng)物加入量。

表2 W1- 6正交試驗結(jié)果

表3 W1- 10正交試驗結(jié)果

2.4.2 單因素實驗結(jié)果分析

由表3可知，W1- 6優(yōu)化培養(yǎng)溫度為30 ℃，加菌質(zhì)量比為0.010%，污泥質(zhì)量濃度在3 500 mg/L的條件下MLSS減量比較高，并與濃度呈負相關(guān)趨勢。表3中，營養(yǎng)物加入量越多，菌株污泥處理效果雖然越好，但由于MLSS減量比提升不明顯，且營養(yǎng)物加入量范圍取值跨度較大，優(yōu)化營養(yǎng)物的加入量尚不能明確判定，因此W1- 6選取污泥濃度與營養(yǎng)物濃度進行單因素實驗；W1- 10優(yōu)化培養(yǎng)溫度為30 ℃，營養(yǎng)物加入量為50%(即NH4Cl 0.02 g/L，K2HPO40.006 g/L)，污泥MLSS減量比與污泥質(zhì)量濃度呈負相關(guān)趨勢。隨著加菌質(zhì)量比的增加，污泥減量比先快速增大后逐漸減小，因此優(yōu)化的加菌質(zhì)量比可能大于0.010%，故W1- 10選取污泥質(zhì)量濃度與加菌質(zhì)量比進行單因素實驗。

污泥質(zhì)量濃度選取范圍為2 000，3 000，4 000，5 000，6 000 mg/L；營養(yǎng)物濃度選取范圍為NH4Cl 0.04g/L，K2HPO40.012 g/L的10%，30%，50%，70%，90%；加菌質(zhì)量比選取范圍為0.01%，0.012%，0.014%，0.016%，0.018%。按選取條件進行實驗，培養(yǎng)96 h。同樣通過測定污泥MLSS減量比確定較佳處理污泥濃度、營養(yǎng)物添加濃度和加菌量。

W1- 6單因素實驗結(jié)果如圖6、圖7，優(yōu)化污泥質(zhì)量濃度為4 000 mg/L，優(yōu)化營養(yǎng)物加入量為稀釋比例70%，即NH4Cl 0.028 g/L，K2HPO40.008 g/L，此時污泥減量比為28.46%；W1- 10單因素實驗結(jié)果見圖8、圖9，優(yōu)化污泥質(zhì)量濃度為4 000 mg/L，加菌質(zhì)量比為0.016%，此時污泥減量比為27.06%。

圖6 不同污泥質(zhì)量濃度下W1- 6對MLSS的減量比Fig.6 MLSS reduction percentage of W1- 6 under different sludge concentrations

圖7 不同營養(yǎng)物濃度下W1- 6對MLSS的減量比Fig.7 MLSS reduction percentage of W1- 6 under different nutrient concentrations

圖8 不同污泥質(zhì)量濃度下W1- 10對MLSS的減量比Fig.8 MLSS reduction percentage of W1- 10 under different sludge concentrations

圖9 不同加菌質(zhì)量比下W1- 10對MLSS的減量比Fig.9 MLSS reduction percentage of W1- 10 under different strains concentrations

綜合正交試驗及單因素實驗，得到優(yōu)選2株菌的污泥處理優(yōu)化培養(yǎng)條件，并在所有優(yōu)化條件下對污泥MLSS、MLVSS、SCOD、SV30等多指標進行綜合評價，具體結(jié)果見表4。由表4可知，在優(yōu)化培養(yǎng)條件下污泥MLSS減量比又有所提高，菌株污泥減量比可以達到27%以上。和原污泥91%的SV30相比，污泥SV30可顯著降低至54%～57%，優(yōu)選菌株具有明顯改良污泥濃縮與脫水性能。處理后SCOD值明顯提高，證明是污泥固形物中有機物有效減量所導致，而MLVSS數(shù)據(jù)恰好驗證了這一觀點。

表4 菌株優(yōu)化培養(yǎng)條件以及其改善污泥性能情況

MLSS、MLVSS減量比“/”前數(shù)據(jù)為初篩(即培養(yǎng)條件優(yōu)化前)值；SCOD、SV30“/”前為未經(jīng)處理的原始污泥性能值。

3 結(jié) 論

1)通過初篩、定向馴化、正交試驗和單因素實驗的培養(yǎng)條件優(yōu)化途徑，得到W1- 6和W1- 10兩株具有高效污泥減量與改善污泥脫水性能的菌株。優(yōu)選菌株在優(yōu)化培養(yǎng)條件下，對山東濰坊英軒實業(yè)檸檬酸廢水生化處理剩余污泥進行好氧處理后，污泥MLSS減量比可達27%以上，同時可將原污泥91%SV30降低至54%～57%，污泥減量效果明顯，污泥濃縮與脫水性能也有明顯改善。

2)在溶胞作用下污泥固體中TCOD進入溶解態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)镾COD，污泥清液中SCOD值從521.7 mg/L提高到1 700 mg/L左右，同時MLVSS減量比達到40%以上。說明污泥MLSS減量主要是有機物有效減量所導致，并附帶水分釋放。

3)以食品發(fā)酵廢水處理的二沉池剩余污泥進行單菌株的定向馴化，污泥濃度逐步升高直至100%。每次接種菌源來自上一周期菌泥混合液，每次接種量與新污泥體積比為1∶10(可以視為污泥回流比)。定向馴化其實質(zhì)類似污泥處置模擬，具有實際現(xiàn)場擴大實驗借鑒作用。

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(責任編輯：葉紅波)

Research on Residual Sludge Reduction of Citric Acid Wastewater Biochemical Treatment by Using Function Strains

TANG Wentao, WANG Ping*, FANG Guiyin， WANG Danyang

(SchoolofFoodandChemicalEngineering，BeijingTechnologyandBusinessUniversity，Beijing100048，China)

Function strains have been used for carrying out shake-flash reduction test of the second pond sludge which were derived from citric acid fermentation wastewater. The strains were acclimated by adding sterile original sludge with different concentrations. The optimum cultivate conditions of the strains processing were determined by the orthogonal and single factor tests. Experimental results indicated that the percentage of sludge MLSS reduction with the processing by W1- 6 and W1- 10 were improved obviously compared with the check sample after 4 cycles acclimation, which increased from 17.62% to 24.61% and 16.60% to 23.17%, respectively. The percentage of sludge MLSS and MLVSS reduction were more than 27% and 40% under the optimum cultivate conditions. The SCOD in sludge centrifugal supernatant were raised from 521.7 mg/L to around 1 700 mg/L, and the SV30was dropped to 54%-57% from 91%. Therefore, the sludge reduction effect was obvious, and at the same time the sludge dewatering performance significantly improved.

sludge reduction; function strains; biodegradable

10.3969/j.issn.2095-6002.2017.02.009

2095-6002(2017)02-0058-07

唐文濤，汪蘋，方貴銀，等. 功能菌株對檸檬酸廢水生化處理剩余污泥減量化研究[J]. 食品科學技術(shù)學報，2017,35(2):58-64. TANG Wentao, WANG Ping, FANG Guiyin，et al. Research on residual sludge reduction of citric acid wastewater biochemical treatment by using function strains[J]. Journal of Food Science and Technology, 2017,35(2):58-64.

2016-09-21

“十二五”國家科技支撐計劃項目(2014BAC28B01)。

唐文濤，男，碩士研究生，研究方向為水污染控制；

*汪 蘋，女，教授，主要從事水污染控制工程方面的研究，通信作者。

TS208; X703.1

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