废纸造纸废水封闭循环系统高效菌动力学研究

涂宁宇，刘 洋

（广东石油化工学院，广东 茂名 525000）

废纸造纸废水封闭循环系统高效菌动力学研究

涂宁宇，刘 洋

（广东石油化工学院，广东 茂名 525000）

研究了污染物高度累积的封闭循环废纸造纸废水中高效菌细胞的生长和反应基质消耗动力学方程。结果表明：在基质浓度低于0.26 g/L时，微生物的生长速率同基质浓度正相关；随着微生物生长，基质浓度将降至动力学极限浓度，此时基质转化所产生的能量不能满足微生物生长、繁殖的需要，微生物的生长处于动态平衡。通过实验建立了动力学参数模型，对实际造纸废水生物处理工程应用有一定的指导意义。

废纸造纸废水； 封闭循环； 高效好氧菌

近年来，由于废纸再生造纸行业迅速发展，生产过程中产生和排放的污染物也随之增加，对环境造成的污染日趋严重，尤其是废水污染[1]。废纸造纸企业单位产品基准排放水量限值为20 t/t浆[2]。实现废纸造纸废水封闭循环，不仅能降低对环境的污染，同时也减少了用水量，降低生产的成本。但是，由于废水不断的循环使用，有害物质逐渐积累，也严重影响到水的循环使用[3]。进一步降低废纸造纸废水中污染物的浓度直接影响到废纸造纸废水封闭循环的有效实施。在各种生物处理工艺发展已经日趋成熟的今天，选育出高效降解污染的高效菌、工程菌便显得尤为重要。

目前，各种高效菌、工程菌在石油炼制、印染、化工等废水处理领域应用十分广泛[4-5]。E.Safonova在生物膜法处理造纸废水的研究中筛选出处理效果良好的蓝藻菌[6]。Senthilkumar Sivaprakasam等从制革废水中分离出了4株高耐盐菌株的菌株混合体在2%～10%的盐度下都显示出80%的COD降解率，尤其在8%盐度下，混合菌对COD的降解效果最好[7]。Yuanyuan Qu等从活性污泥中分离出的耐碱菌株JY-2可以含苯废水作为唯一碳源，在批处理实验中表现出很好的酚降解能力[8]。

微生物的生长、繁殖包括细胞内的生化反应、胞内外的物质交换以及胞外的物质传递及反应。废水生物处理数学模型的建立对深入理解反应过程的机理和工艺的优化运行具有十分重要的意义。本实验拟对实验条件下选育出的 COD高效降解菌进行研究，通过建立细胞的生长动力学、反应基质的消耗动力学模型推导出该 COD高效降解菌的生长与基质消耗数学公式，正确指导其在生产中的应用。

1 实验水质及菌种

1.1 实验废水的水质

试验废水采用东莞某造纸厂污水站一级处理出水，废水水质如表1。

1.2 高效菌来源

表1 废水水质Table 1 Quality of wastewater mg/L

注：pH为无量纲。

用15 W的紫外灯，在固定距离为30 cm的照射条件下紫外线诱变处理来源于生物氧化池中的优良出发菌株，以致死率70%～80%所需的照射时间为最佳诱变剂量。在进行几轮单因子处理后，筛选获得3株高抗性的菌株。由于3株菌株在同样条件下诱变筛选得来，彼此之间没有拮抗关系，且通过实验发现3种菌株的生长能力和去除CODCr能力差别不大（约 85%左右），所以将 3株菌株按 1∶1∶1的比例混合组成高效菌。

1.3 废水培养基

采用废水作为唯一碳源，添加尿素、磷酸二氢钾作为氮源和磷源。添加的比例为 m（BOD5）/m（N）/m（P）=100∶5∶1，pH=7.0～7.2。

2 动力学模型的建立

2.1 微生物过程反应动力学基本模型

可以通过类似经典的Michaelis-Menten方程的形式来描述底物浓度与微生物比增殖速率之间的关系：

在某种微生物的培养体系中，菌体细胞的生长速率公式表示为：

某一时刻比生长速率 用式（3）定义，单位（h-1）。其中CX可以通过实验测定，

（2）式两边取倒数，方程重排为（4）式的线性形式。

X —微生物浓度；

μmax—在饱和浓度中微生物的最大比增长速率；

KS—饱和常数；

CS—限制性底物的质量浓度，g/L；

CX—培养液中菌体的质量浓度，g/L。

2.2 基质的消耗动力学模型

在包括内源代谢的基质消耗动力学模型中，基质的消耗速率rS表示为：

在分批培养中，总的细胞得率YX/S用（6）式计算。

单位体积培养液中基质的消耗速率rS可通过细胞得率系数与细胞生长速率相互关联，表示为：

废水的比消耗速率qS定义为相对单位质量细胞单位时间内的基质消耗量，即：

式中：rX—细胞生长速率单位为，g·L-1·h-1；

rS—底物消耗速率，g·L-1·h-1；

qS—基质的比消耗速率，h-1；

Y2—生成细胞的干重与完全消耗于细胞生长的底物的质量之

X/S比,它表示了在无维持细胞代谢时的细胞得率，是对于细胞生长所消耗基质而言的细胞得率，可称为最大细胞得率；

YX/S—对基质的总消耗而言的细胞得率，无量纲；

m —细胞维持系数，g·L-1·h-1。

3 结果分析与讨论

3.1 高效菌的生长动力学参数的确立

表2 生长动力学的实验数据及处理过程Table 2 Date tested in experiment and process for the kinetic of cell growth

在500 mL废水培养基中接种高效菌株，在30℃、150 r/min下振荡培养。24 h后，每隔12 h取样测定底物浓度和菌液浓度，如果如表2。

底物浓度和菌液浓度的测定方法：每次取样50 mL，将样品6 000 r/min离心10 min，取上清液，测定其 CODCr，即为底物浓度。沉淀下来的菌体细胞置于干燥器中，30 ℃下恒温烘干5 h，称量菌体干重并计算菌体浓度。

由图1所示，根据线性方程，1/μmax=4.049，

图1 1/CS—1/μ的拟合曲线Fig.1 Regression of 1/CS and1/μ

图2 高效菌细胞的比生长率与废水浓度的关系Fig.2 Relation of μ and CS

3.2 废水消耗动力学参数

废水消耗动力学数据分析结果见表 3。菌株以废水为唯一的碳源来维持细菌细胞的生长与代谢等生命活动，因此用包括内源代谢的基质消耗动力学模型为基础来描述废水中有机物的消耗过程。

表3 废水消耗动力学数据分析结果Table 3 Result of date-process for wastewater

图3 1/μ—1/ YX/S的拟合曲线Fig.3 Regression of 1/μ and 1/YX/S

4 结 论

（2）在基质浓度较低时，细胞生长速率同基质浓度成正比；随着微生物生长，当基质浓度降至某一值时，基质转化所产生的能量不能满足细胞生长、繁殖的需要，此时微生物的增长速率与死亡速率达到动态平衡，该浓度为动力学极限浓度。因此在实际的工程应用中，应尽量提高水解酸化的时间，从而降低生物接触氧化池中的负荷。

［1］陈庆蔚.废纸造纸业的未来前瞻[J].中华纸业，2010，31（19）：28-38.

［2］制浆造纸工业水污染排放标准GB3544-2008[S]．

［3］钱世通，黄胜炎.废纸制浆造纸废水封闭循环处理工艺[J].中国环保产业，2006(11)：31-33.

［4］丁华，金若菲，周集体.基因工程菌在厌氧膜生物反应器中对偶氮染料废水的脱色[J].环境工程学报，2007，1（3）：25-29.

［5］裘湛.用于高矿化度含油废水处理的高效菌株的分离及特性研究[J].环境科学与管理，2009，34（6）：101-108.

［6］E safonova, et al. Biotreatment of industrial wastewater by selected algal bacterial consortia[J]. Eng.Life Sci, 2004，4（4）：347-353.

［7］Senthilkumar Sivaprakasam1, Surianarayanan Mahadevan, Sudharshan Sekar, Susheela Rajakumar. Biological treatment of tannery wastewater by using salt-tolerant bacterial strains[J]. Microbial Cell Factories,2008(7):14-15．

［8］Yuanyuan Qu，Ruijie Zhang，Fang Ma，Jiti Zhou，Bin Yan.Bioaugmentation with a novel alkali-tolerant Pseudomonas strain for alkaline phenol wastewater treatment in sequencing batch reactor[J].World J Microbiol Biotechnol，2011，(published online:DOI 10.1007/s11274-011-0653-2).

Biodegradability and Growth of Efficient Aerobic Bacteria in the Closed Circulation of Wastewater From Regenerated Papermaking

TU Ning-yu, LIU Yang
（Guangdong University of Petrochemical Technology, Guangdong Maoming 525000, China）

Equations describing intrinsic kinetics of microbial growth and substrate consumption in the closed circulation of wastewater from regenerated papermaking were discussed. The results indicate that the bacterial growth rate is proportional to substrate concentration when concentration of organic substrate is lower than 0.26g/L. However there is a descent of substrate concentration after bacterial growth. The balance is achieved when the bacterial growth rate is equal to death rate, corresponding substrate concentration is kinetic threshold concentration. The established kinetic model has a guiding significance for treatment of wastewater from papermaking in engineering practice.

Wastewater from regenerated papermaking; Closed circulation; Efficient aerobic bacterial stains

X793

A

1671-0460（2011）07-0745-04

广东石油化工学院2008年自然科学研究基金。

2011-05-20

涂宁宇（1980-），女，湖北石首人，讲师，硕士，2004年毕业于广东工业大学环境工程专业，研究方向：环境影响评价与水污染控制。

刘洋（1979-），男，讲师，硕士，研究方向为水污染控制。