SBR反应器生物强化处理造纸废水研究

刘娜娜

摘 要：将3株能适应于造纸废水的降解性真菌投入反应器，对活性污泥进行生物强化实验。结果表明：生物强化反应器的活性污泥废水处理能力提高，与对照组相比，曝气时间缩短1h。进水COD为1 352.15mg/L，生物强化组平均COD去除率为76.05%，对照组平均COD去除率为71.57%，COD去除率提高6.26%。提高进水负荷至1 651.64mg/L，生物强化组COD去除率为68.70%，对照组COD去除率为64.09%，COD去除率提高7.19%，反应器接入真菌后抗进水负荷冲击能力提高。当进水pH改变时，生物强化组仍具有较高的COD去除率。因此，反应器引入真菌后，活性污泥的造纸废水处理能力提高。

关键词：生物强化；真菌；活性污泥

中图分类号 X793 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2015）05-88-04

Abstract：The effectiveness of bioaugmentation in wastewater treatment was evaluated in a sequencing batch reactor（SBR）which was augmented with three fungi which could be adapted to the degradation of papermaking wastewater.The results show that wastewater treatment capacity of activated sludge increased.Compared with the control group，aeration time shortened 1 hour after the fungi put into SBR. The removal rate of COD was 76.05% which was higher 6.26% than that of antitheses in the condition of influent COD load 1 352.15mg/L and aeration time 6 hours. The removal rate of COD was 68.70% in the fungi bioaugmentation reactor and that was 64.09% in antitheses group when influent load increased to 1 651.64mg/L.The removal rate of COD improved 7.19%.When the influent pH changed，the fungi bioaugmentation reactor had higher COD removal rate.Resist capability of change of pH and influent COD load advanced after the fungi put into SBR.It showed that wastewater treatment capability of activated sludge was strengthened after joined fungi.

Key words：Bioaugmented；Fungi；Activated sludge

生物强化技术（Bioaugmentation）是指为了提高废水处理系统的降解能力，在生物处理体系中投加具有特定功能的微生物来改善原有处理体系的处理效果，从而使废水的生物降解过程更具针对性、高效性[1]。目前，生物强化技术在废水治理中的应用日益引起人们的关注。

真菌是生物界中的一个大类，种类极多，分布范围非常广泛，它们在自然界的碳素循环和氮素循环中起主要作用[2]。真菌的生态位决定了它们在废水生物处理系统中的数量及种群结构，其中废水水质是最重要的影响因素，一般认为，某些含碳量较高（如高浓度糖类废水、淀粉废水和纤维素废水）、pH较低、溶氧含量较充足的工业废水生物处理系统中真菌数量较多。另外，许多文献中都报道了活性污泥的膨胀、生物膜更新缓慢等都与丝状真菌的异常增殖有关。真菌在废水生物处理系统中所起的作用有正反2个方面，如何采用有效措施发挥真菌在废水生物处理中的有益作用，减少真菌对废水生物处理的不利影响以及开发特异性真菌来解决特殊性质的废水处理问题将成为未来的研究方向之一[3]。

本研究将实验室筛选得到的具有造纸废水降解能力的真菌，引入SBR中对造纸废水进行降解，并研究了利用SBR和生物强化技术工艺处理造纸废水的处理效果，考察真菌对原有活性污泥废水处理系统的影响，为真菌在SBR法处理造纸废水中的应用提供理论依据和技术参考。

1 材料与方法

1.1 实验材料

1.1.1 供试菌株 J19、J02、J04、J89-3、J89-5、J89-6、L7401、L7402、L26、L沪、P.ch、苏平、云芝、香菇，14株真菌均为实验室保藏菌株。取实验室斜面保藏的14株真菌接入灭菌PDA平板培养6d，挑取菌丝接入装有250mL灭菌PDA培养液的500mL三角瓶中，于28℃，110r/min恒温振荡培养7d得到菌丝球。将上述14株真菌菌丝球按5%的接种量接入装有200mL废水培养基的500mL三角瓶中，培养7d后，测定COD及菌体湿重，计算COD去除率和菌体增重率，其中对COD去除效果较好的菌株有云芝、苏平、J89-5、J04。选择云芝、苏平、J89-5菌株作为生物强化的菌种。

1.1.2 废水及活性污泥 造纸废水取自河南省新乡市某造纸厂。废水成分复杂，含有COD、BOD、SS、木质素、氯化物、硫化物和挥发酚等多种成分，呈棕黑色浊状，COD高达125 062.8mg/L，pH为7.0～8.0，引入SBR反应器前需进行稀释。活性污泥取自河南省新乡市某造纸厂污水处理站沉淀池，其工艺为水解酸化-好氧生物工艺。

1.1.3 实验器材 752紫外分光光度计（上海第三分析仪器厂）、TL-1A污水COD速测仪（承德市华通环保仪器厂）、SartφriusBS110S电子天平（北京塞多利斯天平有限公司）、LRH-250-A生化培养箱（广东医疗器械厂）、MJX-250Ⅰ霉菌培养箱（广东医疗器械厂）、HZQ-F160全温振荡箱（哈尔滨东联电子技术开发有限公司）、LMQ.R-4060全自动灭菌器（山东新华医疗器械股份有限公司）、SZX型超净工作台、Nikon显微镜、101A型电热鼓风干燥箱（天津泰斯特仪器有限公司）、SBR反应器等。其中SBR[4]装置为自制，如图1所示。反应器主体SBR槽为一圆柱形容器，高50cm，直径10cm，总容积4L，有效容积3L，在反应器侧壁1L、2L、3L处有出水口，在反应器底部连接烧结砂芯作为曝气头，外部与空气压缩机相连。

用人工配制营养液和造纸废水对活性污泥进行异步培养驯化，经过22d 44次的循环运行，污泥驯化过程完成。反应器污水处理能力良好，COD去除率较高且稳定，COD去除率平均值达80%以上。反应器运行效果已达到稳定状态。反应器在26℃恒温下运行，周期为8.5h，工艺参数为：进水10min，曝气反应7h，沉降30min，出水和闲置50min。

1.2 实验方法 COD[5]：重铬酸钾法；MLSS、MLVSS、出水SS[6]：重量法；SV30：量筒法[7]；菌丝生物量的测定：参照文献[8]的方法进行。

2 结果与分析

将通过筛选得到的降解性真菌云芝、苏平、J89-5分别接入灭菌PDA培养液中扩大培养，收集对数生长期的湿菌体，按湿重1g/L投入反应器。反应器有效容积为3L，将3株真菌各1g投入反应器中，为真菌生物强化组。并设另一个相同条件不投入真菌的反应器为对照组，考察真菌对活性污泥的强化作用。

2.1 真菌强化反应器的COD去除率及活性污泥性质的变化 将真菌引入反应器，进水COD为1 352.15mg/L，先运行2周期，待真菌强化反应器运行稳定，在稳定之后的9周期内，测定真菌生物强化组与对照组出水COD、出水SS，考察接菌后活性污泥废水处理效果是否提高，测定MLSS、SV30、MLVSS、SVI考察真菌的接入对活性污泥的影响。各周期COD去除率如图3所示。生物强化组整体上较对照组COD去除率高，生物强化组平均COD去除率为76.05%，对照组平均COD去除率为71.57%，真菌生物强化组较对照组COD去除率提高了6.26%。说明接入真菌后SBR体系对造纸废水的有机物的降解能力提高。

在真菌生物强化组接种真菌菌丝体后，连续运行5个周期，待反应器性能稳定，测定一个周期内曝气反应阶段COD变化，考察真菌生物强化组废水处理速度是否提高，结果如图4所示。结果表明，在整个曝气反应阶段，真菌生物强化组的COD去除率始终高于对照组，说明造纸废水降解性真菌引入反应器后，使反应器处理造纸废水有机污染物的速度加快，在6h时就达到了最高COD去除率，较不加菌的对照组缩短1h。在较短时间内就达到较好的废水处理效果，节约生产成本。

接入造纸废水降解性真菌后，SBR对造纸废水的有机物的降解能力提高，而且处理速度加快，这都是由于引入的3株真菌云芝、苏平、J89-5对造纸废水具有降解能力，能将难降解的大分子物质降解为小分子，这些较易被降解的小分子又可被活性污泥中的其他细菌、真菌降解，从而表现为反应器整体COD去除能力提高。

真菌生物强化组平均出水SS为35.46mg/L，对照组平均出水SS为41.25mg/L，表明接入真菌使出水水质有所提高。这是由于真菌菌丝的缠绕生长可将一些细小污泥颗粒及碎片包裹，减少了出水中的细小污泥颗粒，增大了污泥的沉降性能，提高出水水质。

反应器中引入造纸废水降解性真菌后，活性污泥性质变化如表1所示。真菌生物强化组MLSS和MLVSS都增加，说明真菌在反应器中定殖，成为活性污泥系统的组成部分，使污泥量增加，也使污泥中的活性微生物增加。真菌生物强化组污泥SV30和SVI都有所增加，是因为真菌的生长使污泥量增加，污泥量增多使SV30和SVI有所增加，但数值仍在正常范围之内，污泥具有良好的沉降性能，泥水分离迅速，出水水质良好，适量真菌的引入并不会导致污泥膨胀。在一定的污泥量下，SVI值能较好地反映活性污泥的松散程度和凝聚、沉降性能。SVI值过高则污泥沉降比大，说明污泥难于沉降分离，污泥有膨胀的趋势或已处于膨胀状态；SVI值过低，说明污泥颗粒细小紧密，无机物多，缺乏活性和吸附能力低。SVI与污泥沉淀性能的定性关系为：SVI<100，沉降性好；SVI=100～200，沉降性一般；SVI>200，沉降性差[9]。一般生物污水处理中污泥的SVI常控制在50～150为宜。本试验中造纸废水处理的活性污泥SVI在40左右，进一步说明真菌引入后真菌及活性污泥均能正常生长，而其污泥颗粒性能良好，沉降性能良好，没有发生污泥膨胀。

2.2 真菌强化反应器对高进水负荷废水的处理能力 鉴于废水排放的不可预测性，造纸废水的COD变化比较大，会对SBR产生冲击。将进水负荷由1 352.15mg/L提高至1 651.64mg/L，考察生物强化后在高进水负荷下反应器对废水的处理效果及活性污泥性能。测定真菌生物强化组与对照组14周期内的MLSS、MLVSS、出水SS、SV30、SVI、出水COD，并计算COD去除率，结果如图5。运行14个周期，生物强化组平均出水COD为529.60mg/L，平均COD去除率为68.70%，对照组平均出水COD为618.44mg/L，平均COD去除率为64.09%。生物强化组较对照组COD去除率提高7.19%。结果表明，真菌强化反应器在提高负荷时处理能力仍然高于对照反应器，且抗进水负荷的能力较强。进水负荷提高后，造纸废水降解性真菌受污染物毒性的限制小，对营养要求不高，抗冲击负荷能力强，能将不易降解的大分子物质降解为易降解的小分子物质，这些小分子物质再被活性污泥中的其他细菌、真菌降解，从而提高真菌强化反应器在高进水负荷下的COD去除能力。

真菌强化反应器平均出水SS为49.57mg/L，对照组平均出水SS为50.36mg/L。说明真菌强化组与对照组出水SS均较好，出水水质良好。虽然进水负荷提高，但由于造纸废水降解性真菌受污染物毒性的限制小，抗冲击负荷能力强，菌丝在高进水负荷下仍能生长，可将一些细小污泥颗粒及碎片包裹，从而增大了污泥的沉降性能，提高了出水水质。

表2为运行14个周期后活性污泥的性质比较。真菌强化反应器的活性污泥MLSS，MLVSS值均比对照组有所增加，说明提高进水负荷并不影响反应器中真菌的正常生长，真菌的生长使污泥量增加，也使污泥中的活性微生物增加。与提高负荷前进行比较，提高负荷后，真菌强化组较对照组MLSS增加11.56%，MLVSS增加33.42%，提高负荷前，真菌强化组较对照组MLSS增加5.62%，MLVSS增加43.19%。说明提高负荷后污泥生长比提高负荷前污泥生长快，造纸废水降解性真菌能利用高进水负荷中的有机物，将其转化为自身的生物量，同时能将不易降解的大分子物质降解为易降解的小分子物质，这些小分子物质再被活性污泥中的其他细菌、真菌利用，进而促进活性污泥的生长。真菌强化反应器中污泥SV30和SVI都有所增加，是因为真菌的生长使污泥量增加，污泥量增多使SV30和SVI有所增加。与提高负荷前进行比较，提高负荷后，真菌强化组较对照组SV30增加40.47%，SVI增加23.31%，提高负荷前，真菌强化组较对照组SV30增加13.98%，SVI增加7.92%（表2）。说明提高负荷后由于活性污泥的快速生长，使污泥沉降性能下降，但数值仍在正常范围之内，污泥仍具有良好的沉降性能，没有引起污泥膨胀。

2.3 真菌强化反应器对进水pH变化的缓冲能力 在生物处理过程中，适宜微生物生长的最大pH范围一般为4～9，最佳pH范围为6.5～8.5。细菌在pH呈弱碱性环境中生长最好，而藻类和真菌在pH呈弱酸性时生长最好[10]。但造纸废水具有较强的碱性，并且因为生产过程中各种因素的影响，造纸废水pH波动比较大。为了考察在不同进水pH条件下真菌强化反应器的废水处理能力，通过加酸、加碱来调节进水的pH，测定在不同进水pH条件下反应器的COD去除能力，考察真菌强化反应器对进水pH变化的缓冲能力。

不同进水pH条件下反应器的COD去除率，如表3所示。结果表明，无论是真菌生物强化反应器还是对照反应器，进水pH的变化都会影响废水的COD去除率，反应器对中性pH的进水COD去除率最高，进水pH向酸性或碱性变化，COD去除率都有一定下降，向酸性变化时的影响更大。但这种影响对生物强化反应器和对照反应器的影响存在差异，当pH降低至6.0时，对照组的COD去除率下降3.75%，而强化组下降1.32%；当pH增加至8.0时，对照组的COD去除率下降3.15%，而强化组下降1.94%。数据表明进水pH向酸、碱变化对强化组的影响显著小于对照组，说明真菌强化反应器有比对照组更好的抗酸碱变化的缓冲能力，而且真菌强化反应器在进水为中性及偏酸性时的COD去除率高，抗酸碱变化的缓冲能力强。因为真菌适宜在pH呈中性及偏酸性条件下生长，当进水pH为6.0、7.0时，反应器中的pH适宜真菌的生长。造纸废水降解性真菌迅速生长，将难降解的大分子物质降解为小分子，这些较易被降解的小分子又可被活性污泥系统降解，从而表现为反应器整体COD去除能力提高。

3 结论

由本次实验可知，将云芝、苏平、J89-5这3株真菌菌丝体培养物直接接种到SBR系统中进行强化处理，结果表明反应器对COD的去除能力、反应速度及对pH变化的缓冲能力都有显著提高，3株造纸废水降解性真菌对造纸废水活性污泥具有生物强化作用。在进水COD为1 352.15mg/L时，真菌生物强化反应器的COD去除率较对照组提高6.26%，在相同出水质量下反应时间可以缩短1h。提高进水负荷至1 651.64mg/L，生物强化反应器的COD去除率较对照组提高7.19%，说明接种真菌明显提高了反应器的处理能力，对进水负荷及pH变化的缓冲能力都有所改善。适量引入真菌菌丝体，在提高污泥活性的同时，污泥SVI、SV30、MLSS、MLVSS都有所增加，说明外源真菌的引入增加了污泥中的生物量，但污泥参数值仍在正常范围之内，适量真菌的引入并不会导致污泥膨胀。

参考文献

[1]王海磊，李宗义，于广丽，等.利用生物强化技术处理造纸废水[J].水处理技术，2005，31（10）：42.

[2]沈萍.微生物学[M].北京：高等教育出版社，2001：367.

[3]安世杰，黄民生，徐亚同.真菌与废水处理[J].净水技术，2003，22（1）：5-8.

[4]Lloyd H，Ketchum Jr..Design and physical features of sequencing batch reactors[J].Wat Sci Tech，1997，25（1）：11-18.

[5]《水和废水监测分析方法》编委会.水和废水监测分析方法（第三版）[M].北京：中国环境科学出版社，1997：354-357.

[6]贺延龄.废水的厌氧生物处理[M].北京：中国轻工业出版社，1998：106-537.

[7]王海磊，李宗义，于广丽，等.利用生物强化技术处理造纸废水[J].水处理技术，2005，31（10）：42-44.

[8]贾显禄，俞孕珍，刘志恒，等.猴头菌营养生长最佳条件研究[J].食用菌学报，1997，4（3）：33-39.

[9]唐受印，汪大翚，戴友芝，等.废水处理工程[M].北京：化学工业出版社，2000：214.

[10]潘凛溥，方士.SBR法处理造纸废水研究[J].环境科学与技术，1998（2）：19-21.

（责编：张宏民）