復(fù)合菌群降解苯系物的生物強(qiáng)化效能研究*

馬小麗，岳秀萍，趙博瑋

(太原理工大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，山西 太原 030012)

0 引 言

苯系物(BTEX)污染危害大，范圍廣，有“三致效應(yīng)”，已被許多國(guó)家列為優(yōu)先控制污染物[1]. 因存在的環(huán)境介質(zhì)不同，BTEX治理技術(shù)亦有所不同. 按照修復(fù)機(jī)理可分為物理法、化學(xué)法和生物法等. 近年來(lái)，隨著B(niǎo)TEX 降解菌的發(fā)現(xiàn)，微生物降解技術(shù)因無(wú)二次污染、修復(fù)費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)[2-3]，越來(lái)越受到關(guān)注. 但由于微生物修復(fù)有時(shí)并不能將污染物全部去除，因此，如何縮短修復(fù)周期、提高修復(fù)的效率是微生物修復(fù)技術(shù)的關(guān)鍵所在[4].

本文以含有苯、甲苯、乙苯(BTE)的廢水為研究對(duì)象，利用BTE降解菌劑進(jìn)行生物強(qiáng)化修復(fù)，考察在SBR反應(yīng)器中，不同時(shí)期系統(tǒng)對(duì)COD、苯、甲苯、乙苯的處理情況，分析復(fù)合菌劑及工藝運(yùn)行條件等因素應(yīng)對(duì)污染變化的效力，探索生物強(qiáng)化技術(shù)應(yīng)用于實(shí)際工程的可行性.

1 實(shí)驗(yàn)裝置與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

生物強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)的模型裝置采用SBR工藝形式，并加密封蓋，有效體積為3 L，運(yùn)行周期為12 h，其中進(jìn)水15 min，反應(yīng)11 h，沉淀30 min，排水15 min，裝置示意圖如圖 1 所示.

圖 1 生物強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig.1 The setting drawing of bioaugmentation experiment

1.2 實(shí)驗(yàn)用水

為保證苯、甲苯、乙苯的濃度，實(shí)驗(yàn)中先對(duì)焦化廢水進(jìn)行稀釋(原水與無(wú)菌去離子水以1∶5的比例混合，原水取自清徐縣某焦化廠). 然后對(duì)水質(zhì)進(jìn)行測(cè)定，再按濃度要求進(jìn)行配水. 水質(zhì)如表 1 所示.

表 1 廢水的主要水質(zhì)指標(biāo)Tab.1 Quality index of the wastewater

1.3 實(shí)驗(yàn)菌種

強(qiáng)化菌種為M4菌劑，該菌劑由實(shí)驗(yàn)構(gòu)建得到，由B1-2 (假單胞菌，Pseudomonassp.)、Y3-1(Proteobacteriumsp.)和PD7(Diaphorobactersp.)三種菌以1∶1∶1的比例組成.

1.4 苯系物濃度及其它項(xiàng)目測(cè)定

苯系物濃度采用頂空氣相色譜法測(cè)定，所用頂空瓶容量為20 mL.

頂空條件：爐溫80 ℃，定量環(huán)溫度90 ℃，傳輸線溫度100 ℃，平衡時(shí)間 30 min.

色譜條件：柱溫：40 ℃保持 3 min，之后15 ℃/min 升溫到 90 ℃，保持 3.5 min； 進(jìn)樣口溫度：220 ℃； 載氣(N2)流量2 mL/min； H2流量30 mL/min； 空氣流量 300 mL/min； 分流比10∶1. 該氣相色譜條件下，苯、甲苯和乙苯的出峰時(shí)間分別在 2.797, 4.142 和 6.975 min.

COD、NH4-N等的測(cè)定方法參照《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》.

2 結(jié)果與討論

2.1 SBR反應(yīng)器的啟動(dòng)與運(yùn)行

在運(yùn)行周期為12 h(進(jìn)水15 min，反應(yīng)11 h，沉淀30 min，排水15 min)，曝氣強(qiáng)度為1.0 mL/ mL· min-1，pH值為7.5條件下，啟動(dòng)并運(yùn)行SBR反應(yīng)器. 此階段試驗(yàn)是為生物強(qiáng)化試驗(yàn)做基礎(chǔ)準(zhǔn)備，并提供對(duì)比參照.

2.1.1 SBR反應(yīng)器的啟動(dòng)

啟動(dòng)期SBR系統(tǒng)進(jìn)水為人工配水，水質(zhì)詳見(jiàn)表 1 所示，接種污泥取自清徐縣某焦化廢水處理廠二沉池，進(jìn)出水COD、苯、甲苯和乙苯去除率情況如圖 2 所示.

圖 2 SBR啟動(dòng)期COD、苯、甲苯、乙苯去除率變化Fig.2 Removal rate of COD, benzene，methylbenzene，ethyl benzene in the SBR during startup process

啟動(dòng)期運(yùn)行天數(shù)為30 d，由圖 2 可知，在啟動(dòng)期的0～17 d，出水COD快速降低，去除率隨之提高，17 d時(shí)，出水COD達(dá)到343 mg/L，去除率為38.2%. 這說(shuō)明污泥自身對(duì)配水有較好的適應(yīng)性，可達(dá)到一定的去除效果. 在17～30 d期間，COD出水在280～310 mg/L之間波動(dòng)，平均為308 mg/L，去除率在44.7%～48.6%之間波動(dòng)，這一結(jié)果表明，該SBR系統(tǒng)已基本達(dá)到穩(wěn)定，啟動(dòng)成功.

在啟動(dòng)期間，苯、甲苯和乙苯與COD的變化規(guī)律基本一致，啟動(dòng)期的0～15 d，出水值均快速降低，去除率隨之提高，15 d時(shí)，出水值分別為14.6 mg/L, 19.2 mg/L和24.3 mg/L，去除率分別達(dá)到71.1%、62.3%和51.9%. 在15～30 d期間，出水值趨于穩(wěn)定，平均出水值分別為14.0 mg/L, 15.8 mg/L和19.8 mg/L，平均去除率為72.1%, 68.9%和61.0%. 對(duì)比三者去除達(dá)到60%以上的時(shí)間，可知苯去除率最快，甲苯次之，乙苯最慢.

2.1.2 SBR反應(yīng)器的運(yùn)行

啟動(dòng)成功后，保持SBR系統(tǒng)運(yùn)行條件不變，即周期為12 h，曝氣時(shí)間為11 h，繼續(xù)運(yùn)行30 d以觀察系統(tǒng)的穩(wěn)定性，運(yùn)行結(jié)果如圖 3 所示.

圖 3 SBR運(yùn)行期COD、苯、甲苯、乙苯去除率變化Fig.3 Removal rate of COD, benzene, methylbenzene, ethyl benzene in the SBR during running process

在運(yùn)行期間的30 d內(nèi)，COD出水始終穩(wěn)定在280～301 mg/L之間，去除率平均為48.2%，這一趨勢(shì)與苯、甲苯和乙苯的出水變化趨勢(shì)基本相同. 苯、甲苯和乙苯的出水平均值分別為13.4 mg/L, 15.3 mg/L和18.6 mg/L，去除率分別為73.3%, 69.8%和63.1%. 從結(jié)果上來(lái)看，這三者的去除效果有一定差別，但總體差距不大，這可能是由于三種物質(zhì)的降解路徑是類似的，均需要苯雙加氧酶催化苯環(huán)雙加氧變成鄰苯二酚后進(jìn)行開(kāi)環(huán). 而去除效果的差異可能是由于開(kāi)環(huán)后三者降解的中間產(chǎn)物不同而導(dǎo)致了代謝速率不同，中間產(chǎn)物的積累從而影響了開(kāi)環(huán)過(guò)程的進(jìn)行.

2.2 菌群強(qiáng)化SBR反應(yīng)器的運(yùn)行

在SBR反應(yīng)器啟動(dòng)并穩(wěn)定運(yùn)行一段時(shí)間之后，向SBR反應(yīng)器內(nèi)投加篩選出來(lái)的苯系物特性降解菌劑M4，投加量為原有SBR反應(yīng)器內(nèi)污泥總量的10%，投加前為保證對(duì)比效果的可信性，排除由于菌量變多帶來(lái)的影響，先將SBR反應(yīng)器內(nèi)的污泥取出一部分，取出量與投加量保持一致.

2.2.1 強(qiáng)化運(yùn)行的效能分析

投加強(qiáng)化菌種后SBR反應(yīng)器連續(xù)運(yùn)行30 d，運(yùn)行條件與未投加強(qiáng)化菌株前保持一致，運(yùn)行周期為12 h，曝氣時(shí)間為11 h.

強(qiáng)化運(yùn)行期間30 d內(nèi)的COD、苯、甲苯和乙苯的進(jìn)出水變化情況如圖 4 所示. 由圖 4 可知，COD去除效果較為穩(wěn)定，出水值約為181～203 mg/L 之間，平均去除率為65.7%； 苯、甲苯、乙苯的去除效果在0～10 d為小幅度上升趨勢(shì)，之后略有下降，最高去除率分別為89.8%，84.9%和82.1%，分別出現(xiàn)在9 d，9 d和7 d時(shí)，整體來(lái)看，苯、甲苯和乙苯的去除效果基本穩(wěn)定，30 d平均出水分別為7.9 mg/L，9.4 mg/L和10.9 mg/L，平均去除率分別為84.4%，81.3%和78.3%. 對(duì)比強(qiáng)化前后的運(yùn)行效果如表 2 所示.

表 2 強(qiáng)化前后運(yùn)行效果對(duì)比Tab.2 The comparison for effect between non-strengthened and strengthened runing

從表 2 中結(jié)果可知，COD、苯、甲苯和乙苯的出水值和去除率在生物強(qiáng)化后明顯提高，其中COD和乙苯的去除提高效果最為明顯，這說(shuō)明焦化廢水活性污泥中乙苯降解菌的含量較低，能力也較弱； 分析COD大幅提高的原因，可能是由于特異性降解菌的加入提高了苯、甲苯和乙苯開(kāi)環(huán)速率，使得中間產(chǎn)物含量提高，從而提高了降解中間產(chǎn)物菌的底物的量，促進(jìn)了中間產(chǎn)物的降解.

圖 4 SBR強(qiáng)化運(yùn)行期COD、苯、甲苯、乙苯去除率變化Fig.4 Removal rate of COD, benzene, methyl benzene, ethyl benzene in the SBR during strengthened running process

2.2.2 強(qiáng)化效果的可持續(xù)性分析

用某些特異性物質(zhì)降解菌強(qiáng)化原有體系的過(guò)程中，均存在投加菌種退化和投加菌失活等現(xiàn)象，從而導(dǎo)致強(qiáng)化效果不穩(wěn)定. 為驗(yàn)證本研究中特異性菌種的強(qiáng)化效果可持續(xù)性，本研究中將強(qiáng)化后的SBR反應(yīng)器保持原運(yùn)行狀態(tài)，繼續(xù)運(yùn)行了30 d.

圖 5 為持續(xù)運(yùn)行期間，COD、苯、甲苯和乙苯的去除效果.

圖 5 SBR持續(xù)強(qiáng)化運(yùn)行期COD、苯、甲苯、乙苯去除率變化Fig.5 Removal rate of COD, benzene, methyl benzene, ethyl benzene in the SBR during last strengthened running process

從結(jié)果可以看出，在持續(xù)運(yùn)行的30 d內(nèi)，COD的出水穩(wěn)定在181～195 mg/L之間，平均去除率為66.3%. 苯、甲苯和乙苯的出水平均值分別為7.5 mg/L, 8.9 mg/L和10.0 mg/L，平均去除率分別為85.1%, 82.3%和80.3%. 對(duì)比運(yùn)行期間及0～30 d和持續(xù)運(yùn)行期間的去除效果來(lái)看，COD去除率提高了0.8%，而苯、甲苯和乙苯的平均去除率則下降了4.7%，2.6%和1.8%. 這一結(jié)果說(shuō)明，本研究中所篩選的特異性降解菌有著較好的穩(wěn)定性，在去除效果上來(lái)看，可持續(xù)性是較強(qiáng)的.

3 結(jié) 論

在啟動(dòng)和運(yùn)行SBR反應(yīng)器的基礎(chǔ)上，加入強(qiáng)化菌種，比較了強(qiáng)化前后SBR在去除苯，甲苯和乙苯等污染物方面的效能.

1) SBR反應(yīng)器在啟動(dòng)后第17天基本達(dá)到穩(wěn)定，穩(wěn)定后COD去除率介于44.7%～48.6%之間，苯、甲苯和乙苯平均去除率為72.1%, 68.9%和61.0%. 對(duì)比三者去除達(dá)到60%以上的時(shí)間，可知苯去除率最快，甲苯次之，乙苯最慢.

2) 在運(yùn)行期間的30 d內(nèi)，COD去除率平均為48.2%. 這一趨勢(shì)與苯、甲苯和乙苯的出水變化趨勢(shì)基本相同，苯、甲苯和乙苯的去除率分別為73.3%，69.8%和63.1%.

3) 在強(qiáng)化運(yùn)行期間，COD的平均去除率為65.7%. 苯、甲苯和乙苯的平均出水值分別為7.9 mg/L，9.4 mg/L和10.9 mg/L. COD、苯、甲苯和乙苯的去除率在強(qiáng)化后明顯提高，COD和乙苯的提高最為明顯.

4) 對(duì)比運(yùn)行期間及0～30 d和持續(xù)運(yùn)行期間的去除效果來(lái)看，COD去除率提高了0.8%，而苯、甲苯和乙苯的平均去除率則下降了4.7%，2.6%和1.8%. 這一結(jié)果說(shuō)明，本研究中所篩選的特異性降解菌有著較好的穩(wěn)定性，在去除效果上來(lái)看，可持續(xù)性是較強(qiáng)的.