优势降解菌群强化好氧颗粒污泥处理制浆废水

2011-11-21成佳琪陈元彩陈洪雷付时雨詹怀宇

中国造纸 2011年7期

关键词：活性污泥制浆单胞菌

成佳琪陈元彩陈洪雷付时雨詹怀宇

(华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室，广东广州，510640)

优势降解菌群强化好氧颗粒污泥处理制浆废水

成佳琪陈元彩陈洪雷付时雨詹怀宇

(华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室，广东广州，510640)

以土壤杆菌、杆状菌、肠杆菌、戈登氏菌、恶臭假单胞菌和施氏假单胞菌为出发菌株，利用统计学分析方法分析筛选出对制浆废水降解作用显著的4株菌 (土壤杆菌、杆状菌、戈登氏菌、恶臭假单胞菌);用筛选得到的优势降解菌群对好氧颗粒污泥进行强化，并用普通好氧颗粒污泥和强化后的好氧颗粒污泥对经厌氧活性污泥处理后的废水进行深度处理。结果表明，经普通好氧颗粒污泥和强化后的好氧颗粒污泥深度处理后，废水的CODCr由538 mg/L分别降为213和176 mg/L，色度由375度分别降为206和150度。

优势降解菌群;好氧颗粒污泥;统计学方法;生物活性;制浆废水

好氧颗粒污泥由于具有好的沉淀性能，沉淀速度可高达10 m/h以上，高的容积负荷，丰富的生物相，高的生物活性，尤其是其致密的结构，对毒性污染物有很强的抗冲击负荷能力，近年来成为研究的热点，并已经成功地用于工业废水处理，如制浆废水、漂白废水等［1］。

在制浆废水处理过程中起最重要作用的是优势菌种。陈元彩［2］从对芳香烃类有较强降解能力的微生物菌群中筛选出土壤杆菌 (Agrobacterium sp.)、杆状菌(Bacillus sp.)、肠杆菌 (Enterobacter.Cloacae.)、戈登氏菌 (Gordonia sp.)、施氏假单胞菌 (Pseudomonas stutzeri.)、恶臭假单胞菌 (Pseudomonas putida.)，采用部分因子分析 (FFD)，通过对6种菌株的有效组合处理废水，废水中总有机碳 (TOC)降解率提高到97%。

然而，有关将好氧颗粒污泥进行生物强化［3］的实验目前国内外还没有报道，笔者试图从这个角度出发，找到一个更加低碳环保的处理废水方法。本研究的目的是选择降解制浆废水的优势降解菌群，用优势降解菌群对好氧颗粒污泥进行强化，并用普通好氧颗粒污泥和强化后的好氧颗粒污泥深度处理经厌氧活性

1 实验

1.1 原料

废水:由硫酸盐法竹浆洗浆废水及D(ClO2)、Q(螯合)、P(H2O2)三段漂白废水混合而成，CODCr为1325 mg/L，这两种废水均在实验室制得。

供试菌:土壤杆菌、杆状菌、肠杆菌、戈登氏菌、恶臭假单胞菌、施氏假单胞菌。

培养基:Nutrient Broth培养基，牛肉膏3.0 g/L，胰蛋白胨5.0 g/L;Yeast Extract Glucose培养基，葡萄糖10.0 g/L，酵母粉10.0 g/L;Bacterium Medium培养基，牛肉膏1.5 g/L，葡萄糖1.0 g/L，胰蛋白胨6.0 g/L，酵母粉3.0 g/L;Trypticase Soy Broth培养基，酪蛋白17.0 g/L，KH2PO42.5 g/L，葡萄糖2.5 g/L，大豆粉3.0 g/L，NaCl 5.0 g/L;LB培养基，酵母提取物5 g/L，蛋白胨10 g/L，NaCl 5 g/L。以上培养基均由无机盐溶液配制，并在121℃下灭菌15 min。土壤杆菌、杆状菌和肠杆菌利用Nutrient Broth培养基培养，戈登氏菌利用Yeast Extract Glucose培养基培养，施氏假单胞菌利用Trypticase Soy Broth培养基培养，恶臭假单胞菌利用Bacterium Medium培养基培养。

厌氧活性污泥，由广西贵糖集团股份有限公司提供;好氧颗粒污泥，实验室储藏。

1.2 实验及检测方法

1.2.1 统计学分析方法构建优势降解菌群

以土壤杆菌、杆状菌、肠杆菌、戈登氏菌、恶臭假单胞菌和施氏假单胞菌为出发菌株，首先利用统计学分析方法，包括部分因子分析 (FFD)、最陡爬坡法 (SAM)和响应面分析，筛选出对制浆废水降解作用显著的菌群，分别为土壤杆菌、杆状菌、戈登氏菌、恶臭假单胞菌。

1.2.2 好氧颗粒污泥的强化

将筛选出的4种优势降解菌群按照统计实验所确定的浓度转移至300 mL锥形瓶中，加入100 mL新鲜LB培养基和0.5 g绝干的好氧颗粒污泥，30℃振荡培养 (150 r/min)24 h，使菌体附着固定到好氧颗粒污泥上，在3000 r/min下离心5 min，弃上清液，用磷酸盐缓冲液 (PBS)洗涤1次，备用。

1.2.3 制浆废水的生物处理

(1)厌氧生物处理取200 mL废水于500 mL锥形瓶中，加入1 g绝干厌氧活性污泥，密封，30℃振荡培养 (150 r/min)3天，在3000 r/min下离心5 min，得到厌氧活性污泥处理后的废水，处理后废水CODCr及色度分别为538 mg/L，375度。收集厌氧污泥，用PBS缓冲液洗涤2次，于4℃下保存。

(2)好氧生物处理将厌氧活性污泥处理后的废水分为2份，每份100 mL，分装到2个300 mL的锥形瓶中，分别加入0.5 g强化后和普通的绝干好氧颗粒污泥，30℃振荡培养 (150 r/min)3天，然后检测废水CODCr及色度。

废水的色度采用铬钴比色法测定，CODCr测定采用HACH COD测定仪，美国哈希 (HACH)公司。

好氧颗粒污泥基本参数的测试方法如下:粒径采用颗粒粒度分析仪测定，沉降速度采用重力沉降法［4］测定，密度采用标准法［5］测定，污泥容积指数(SVI)采用标准法［6］测定，蛋白质 (PN)采用蒽酮-硫酸法［7］测定，多糖 (PS)采用苯酚-硫酸法［8］测定。

2 结果与讨论

2.1 优势菌群的确定

本实验从6株细菌中筛选出几种菌株并组合成菌群，用以降解制浆废水的CODCr。这部分工作参考陈洪雷等［9］在这方面的一些做法。

首先通过FFD实验，筛选出4株对降解废水CODCr具有较大贡献的菌株。图1是对不同应变组合的影响下Rmax的正态概率图，离正态概率线 (图中直线)较近的点 (黑色圆点)的影响不显著，可以忽略不计，有重要影响的是那些远离正态概率线的点，这些影响因子对降解制浆废水CODCr有重要贡献。

图1 不同应变菌株组合影响下Rmax的正态概率图

从图1可以看出，单一菌株如土壤杆菌 (A，p=0.015)、杆状菌 (B，p=0.016)、戈登氏菌 (D，p=0.007)和恶臭假单胞菌 (F，p=0.016)对降解CODCr有重要的意义;对其他的菌株进行水平测试，并没有产生显著的影响。此外，在这个模型中有4种组合菌群的作用显著，分别是 BD(p=0.047)，AB(p=0.048)，AD(p=0.029)和 AE(p=0.044)。在具有显著作用的菌群组合中，只有BD是对Rmax产生积极的影响，其他的都是消极的。

以FFD实验中的中心点实验为起始实验，4种菌株的细胞浓度按照不同的幅度逐渐增加。用最陡爬坡法快速接近各菌株在废水处理过程中的最优细胞浓度值。在此基础上运用响应曲面分析方法进行进一步优化。建立了一个二次模型检测废水CODCr的去除率。响应面图可以预测不同检测菌株水平下废水CODCr的去除率，轮廓图可以用于鉴定菌株之间的交互作用类型。圆形的轮廓图说明相应菌株之间的交互作用不显著，而椭圆形或鞍形的轮廓图表示相应菌株之间的交互作用具有较强的显著性。杆状菌和恶臭假单胞菌的二维轮廓图如图2所示。由响应面曲线图可以判定两种菌株的交互作用并确定它们的最优值。由图2可知，B(杆状菌)和F(恶臭假单胞菌)的二维轮廓图为椭圆形的，说明二者的交互作用对去除废水CODCr有显著性影响。

表1 好氧颗粒污泥和厌氧活性污泥的性能比较

图2 杆状菌和恶臭假单胞菌的二维轮廓图

研究表明，当各菌株在废水中的细胞浓度(OD600)分别为:0.35(土壤杆菌)、0.38(杆状菌)、0.43(戈登氏菌)、0.38(恶臭假单胞菌)时，菌株对废水CODCr的降解效果最优。验证结果显示，CODCr的去除率为 (67.0±0.5)%，与模型预测值66.7%非常接近。

2.2 好氧颗粒污泥的性质

本实验采用实验培养的好氧颗粒污泥，好氧颗粒污泥培养成熟后，与参考文献［10］中厌氧活性污泥的性质进行比较，结果见表1。

从表1可以看出，好氧颗粒污泥的平均粒径比厌氧活性污泥的略大;沉降速度为54.8 m/h，但低于厌氧活性污泥最大的沉降速度77.8 m/h;好氧颗粒污泥的SVI则大于厌氧活性污泥的。SVI和沉降速度反映了颗粒污泥的沉降性能，SVI值越低，表明污泥的沉降性能越好。颗粒污泥的沉降速度与颗粒的大小和结构有关。厌氧活性污泥的最低密度1.090 g/m3大于好氧颗粒污泥的1.017 g/m3。结果表明，厌氧活性污泥结构密实，沉降性能好，好氧颗粒污泥的沉降性能差。这是因为在常规曝气条件下，污泥首先会形成直径较大的蓬松颗粒污泥，由于好氧条件下的氧气浓度大于厌氧条件下的，污泥在氧气浓度较高的环境中逐渐变得蓬松，含水率增加，沉降速度降低。颗粒污泥的密度越大，含水率越低，在同样的体积下，所含的生物量越多，沉降性能越好。

2.3 制浆废水的生物强化

制浆废水经厌氧活性污泥处理后再分别用普通好氧颗粒污泥和强化后的好氧颗粒污泥进行深度处理，深度处理后废水的UV-VIS光谱图见图3。

图3 好氧颗粒污泥处理后废水的UV-VIS光谱

由图3可知，经强化后的好氧颗粒污泥处理后的废水，在220～500 nm处的吸光度明显低于普通好氧颗粒污泥处理后的废水，好氧颗粒污泥经优势降解菌群强化后，降解废水的能力得到提高。

2.4 废水色度和CODCr检测

为了进一步证明经优势降解菌群强化后的好氧颗粒污泥的作用效果，设计4组对照实验，分别是对照废水样 (未经好氧颗粒污泥深度处理的废水)、添加普通好氧颗粒污泥的废水样、添加灭活的优势降解菌群强化后的好氧颗粒污泥的废水样及添加优势降解菌群强化后的好氧颗粒污泥的废水样，结果如图4所示。

图4 废水色度和CODCr随处理时间的变化

与对照组相比，其他3组废水的色度和CODCr含量均有较明显的下降。与添加普通好氧颗粒污泥的废水样相比，添加优势降解菌群强化后好氧颗粒污泥的废水样的色度由375度降至150度，而前者则高达206度;CODCr含量由538 mg/L降为176 mg/L，而前者为213 mg/L。说明添加了优势降解菌群强化后的好氧颗粒污泥对废水处理有明显的促进作用。

为了进一步证明经优势降解菌群强化好氧颗粒污泥的生物活性，设计了添加灭活的优势降解菌群强化的好氧颗粒污泥废水样。实验表明，经优势降解菌群强化后好氧颗粒污泥的降解作用比灭活的优势降解菌群强化的好氧颗粒污泥有明显的增加，说明虽然好氧颗粒污泥有一定的吸附作用，但生物活性作用起的作用更大。

另外，对添加优势降解菌群强化后好氧颗粒污泥的废水样处理前后的BOD5值进行了检测，其值由处理前的110 mg/L降至20 mg/L，废水BOD5的大量降低同样说明了添加优势降解菌群强化后的好氧颗粒污泥对制浆废水处理的作用显著。

3 结论

以土壤杆菌、杆状菌、肠杆菌、戈登氏菌、施氏假单胞菌、恶臭假单胞菌为出发菌种，通过统计学方法分析筛选出4株对废水CODCr降解具有较大贡献的菌株，然后运用最陡爬坡法快速接近各菌株在废水处理过程中的最优细胞浓度值，运用响应曲面分析方法进行进一步优化。建立了一个二次模型检测 CODCr的降解率。

3.1 当各菌株在废水中的细胞浓度(OD600)分别为:0.35(土壤杆菌)、0.38(杆状菌)、0.43(戈登氏菌)、0.38(恶臭假单胞菌)时，菌株对废水CODCr的降解效果最优。同时实验结果与预测模型也具有很高的统一性。

3.2 用普通好氧颗粒污泥和经优势降解菌群强化后的好氧颗粒污泥对经厌氧活性污泥处理后的废水进行深度处理。经普通好氧颗粒污泥和优势降解菌群强化好氧颗粒污泥深度处理后，废水的CODCr含量由538 mg/L分别降为213和176 mg/L，色度由375度分别降为206和150度。证明投加优势降解菌群在制浆废水处理上具有显著的效果。

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Bioaugmentation of Aerobic Granular Sludge with the Preponderant Bacteria Flora for Degradation of Pulping Effluent

CHENG Jia-qiCHEN Yuan-cai*CHEN Hong-leiFU Shi-yu ZHAN Huai-yu
(State Key Lab of Pulp and Paper Engineering，South China University of Technology，Guangzhou，Guangdong Province，510640)
(*E-mail:chenyc@scut．edu．cn)

In this experiment，six strains of bacteria，Agrobacterium sp．，Bacillus sp．，Enterobacter．Cloacae．，Gordonia sp．，Pseudomonas putida．and Pseudomonas stutzeri．were selected as the starting strains in pulping and papermaking wastewater treatment，from treatment efficiency point of view four of the strains Agrobacterium sp．，Bacillus sp．，Gordonia sp．and Pseudomonas putida．were chosen by using statistical analysis method．Then bioaugmentation of aerobic granular sludge was achieved successfully with adding these screened strains．The experiment results demonstrated that the CODCrand chroma of the effluent treated by bioaugumentaion system were 176 mg/L and 150 respectively，they were lower than the CODCr(213 mg/L)and chroma(206)of the effluent without bioaugumentaion system treatment．CODCrremoval efficiency increased from 45．1%to 60．0%with bioaugumentaion system treatment．

bioaugmentation;granular sludge;statistical analysis;pulp and paper effluent