复合菌群降解苯系物的生物强化效能研究*

2018-10-25马小丽岳秀萍赵博玮

中北大学学报(自然科学版) 2018年5期

马小丽，岳秀萍，赵博玮

(太原理工大学环境科学与工程学院，山西太原 030012)

0 引言

苯系物(BTEX)污染危害大，范围广，有“三致效应”，已被许多国家列为优先控制污染物[1]. 因存在的环境介质不同，BTEX治理技术亦有所不同. 按照修复机理可分为物理法、化学法和生物法等. 近年来，随着BTEX 降解菌的发现，微生物降解技术因无二次污染、修复费用低等优点[2-3]，越来越受到关注. 但由于微生物修复有时并不能将污染物全部去除，因此，如何缩短修复周期、提高修复的效率是微生物修复技术的关键所在[4].

本文以含有苯、甲苯、乙苯(BTE)的废水为研究对象，利用BTE降解菌剂进行生物强化修复，考察在SBR反应器中，不同时期系统对COD、苯、甲苯、乙苯的处理情况，分析复合菌剂及工艺运行条件等因素应对污染变化的效力，探索生物强化技术应用于实际工程的可行性.

1 实验装置与方法

1.1 实验装置

生物强化实验的模型装置采用SBR工艺形式，并加密封盖，有效体积为3 L，运行周期为12 h，其中进水15 min，反应11 h，沉淀30 min，排水15 min，装置示意图如图 1 所示.

图 1 生物强化实验装置图Fig.1 The setting drawing of bioaugmentation experiment

1.2 实验用水

为保证苯、甲苯、乙苯的浓度，实验中先对焦化废水进行稀释(原水与无菌去离子水以1∶5的比例混合，原水取自清徐县某焦化厂). 然后对水质进行测定，再按浓度要求进行配水. 水质如表 1 所示.

表 1 废水的主要水质指标Tab.1 Quality index of the wastewater

1.3 实验菌种

强化菌种为M4菌剂，该菌剂由实验构建得到，由B1-2 (假单胞菌，Pseudomonassp.)、Y3-1(Proteobacteriumsp.)和PD7(Diaphorobactersp.)三种菌以1∶1∶1的比例组成.

1.4 苯系物浓度及其它项目测定

苯系物浓度采用顶空气相色谱法测定，所用顶空瓶容量为20 mL.

顶空条件：炉温80 ℃，定量环温度90 ℃，传输线温度100 ℃，平衡时间 30 min.

色谱条件：柱温：40 ℃保持 3 min，之后15 ℃/min 升温到 90 ℃，保持 3.5 min；进样口温度：220 ℃；载气(N2)流量2 mL/min； H2流量30 mL/min；空气流量 300 mL/min；分流比10∶1. 该气相色谱条件下，苯、甲苯和乙苯的出峰时间分别在 2.797, 4.142 和 6.975 min.

COD、NH4-N等的测定方法参照《水和废水监测分析方法》.

2 结果与讨论

2.1 SBR反应器的启动与运行

在运行周期为12 h(进水15 min，反应11 h，沉淀30 min，排水15 min)，曝气强度为1.0 mL/ mL· min-1，pH值为7.5条件下，启动并运行SBR反应器. 此阶段试验是为生物强化试验做基础准备，并提供对比参照.

2.1.1 SBR反应器的启动

启动期SBR系统进水为人工配水，水质详见表 1 所示，接种污泥取自清徐县某焦化废水处理厂二沉池，进出水COD、苯、甲苯和乙苯去除率情况如图 2 所示.

图 2 SBR启动期COD、苯、甲苯、乙苯去除率变化Fig.2 Removal rate of COD, benzene，methylbenzene，ethyl benzene in the SBR during startup process

启动期运行天数为30 d，由图 2 可知，在启动期的0～17 d，出水COD快速降低，去除率随之提高，17 d时，出水COD达到343 mg/L，去除率为38.2%. 这说明污泥自身对配水有较好的适应性，可达到一定的去除效果. 在17～30 d期间，COD出水在280～310 mg/L之间波动，平均为308 mg/L，去除率在44.7%～48.6%之间波动，这一结果表明，该SBR系统已基本达到稳定，启动成功.

在启动期间，苯、甲苯和乙苯与COD的变化规律基本一致，启动期的0～15 d，出水值均快速降低，去除率随之提高，15 d时，出水值分别为14.6 mg/L, 19.2 mg/L和24.3 mg/L，去除率分别达到71.1%、62.3%和51.9%. 在15～30 d期间，出水值趋于稳定，平均出水值分别为14.0 mg/L, 15.8 mg/L和19.8 mg/L，平均去除率为72.1%, 68.9%和61.0%. 对比三者去除达到60%以上的时间，可知苯去除率最快，甲苯次之，乙苯最慢.

2.1.2 SBR反应器的运行

启动成功后，保持SBR系统运行条件不变，即周期为12 h，曝气时间为11 h，继续运行30 d以观察系统的稳定性，运行结果如图 3 所示.

图 3 SBR运行期COD、苯、甲苯、乙苯去除率变化Fig.3 Removal rate of COD, benzene, methylbenzene, ethyl benzene in the SBR during running process

在运行期间的30 d内，COD出水始终稳定在280～301 mg/L之间，去除率平均为48.2%，这一趋势与苯、甲苯和乙苯的出水变化趋势基本相同. 苯、甲苯和乙苯的出水平均值分别为13.4 mg/L, 15.3 mg/L和18.6 mg/L，去除率分别为73.3%, 69.8%和63.1%. 从结果上来看，这三者的去除效果有一定差别，但总体差距不大，这可能是由于三种物质的降解路径是类似的，均需要苯双加氧酶催化苯环双加氧变成邻苯二酚后进行开环. 而去除效果的差异可能是由于开环后三者降解的中间产物不同而导致了代谢速率不同，中间产物的积累从而影响了开环过程的进行.

2.2 菌群强化SBR反应器的运行

在SBR反应器启动并稳定运行一段时间之后，向SBR反应器内投加筛选出来的苯系物特性降解菌剂M4，投加量为原有SBR反应器内污泥总量的10%，投加前为保证对比效果的可信性，排除由于菌量变多带来的影响，先将SBR反应器内的污泥取出一部分，取出量与投加量保持一致.

2.2.1 强化运行的效能分析

投加强化菌种后SBR反应器连续运行30 d，运行条件与未投加强化菌株前保持一致，运行周期为12 h，曝气时间为11 h.

强化运行期间30 d内的COD、苯、甲苯和乙苯的进出水变化情况如图 4 所示. 由图 4 可知，COD去除效果较为稳定，出水值约为181～203 mg/L 之间，平均去除率为65.7%；苯、甲苯、乙苯的去除效果在0～10 d为小幅度上升趋势，之后略有下降，最高去除率分别为89.8%，84.9%和82.1%，分别出现在9 d，9 d和7 d时，整体来看，苯、甲苯和乙苯的去除效果基本稳定，30 d平均出水分别为7.9 mg/L，9.4 mg/L和10.9 mg/L，平均去除率分别为84.4%，81.3%和78.3%. 对比强化前后的运行效果如表 2 所示.

表 2 强化前后运行效果对比Tab.2 The comparison for effect between non-strengthened and strengthened runing

从表 2 中结果可知，COD、苯、甲苯和乙苯的出水值和去除率在生物强化后明显提高，其中COD和乙苯的去除提高效果最为明显，这说明焦化废水活性污泥中乙苯降解菌的含量较低，能力也较弱；分析COD大幅提高的原因，可能是由于特异性降解菌的加入提高了苯、甲苯和乙苯开环速率，使得中间产物含量提高，从而提高了降解中间产物菌的底物的量，促进了中间产物的降解.

图 4 SBR强化运行期COD、苯、甲苯、乙苯去除率变化Fig.4 Removal rate of COD, benzene, methyl benzene, ethyl benzene in the SBR during strengthened running process

2.2.2 强化效果的可持续性分析

用某些特异性物质降解菌强化原有体系的过程中，均存在投加菌种退化和投加菌失活等现象，从而导致强化效果不稳定. 为验证本研究中特异性菌种的强化效果可持续性，本研究中将强化后的SBR反应器保持原运行状态，继续运行了30 d.

图 5 为持续运行期间，COD、苯、甲苯和乙苯的去除效果.

图 5 SBR持续强化运行期COD、苯、甲苯、乙苯去除率变化Fig.5 Removal rate of COD, benzene, methyl benzene, ethyl benzene in the SBR during last strengthened running process

从结果可以看出，在持续运行的30 d内，COD的出水稳定在181～195 mg/L之间，平均去除率为66.3%. 苯、甲苯和乙苯的出水平均值分别为7.5 mg/L, 8.9 mg/L和10.0 mg/L，平均去除率分别为85.1%, 82.3%和80.3%. 对比运行期间及0～30 d和持续运行期间的去除效果来看，COD去除率提高了0.8%，而苯、甲苯和乙苯的平均去除率则下降了4.7%，2.6%和1.8%. 这一结果说明，本研究中所筛选的特异性降解菌有着较好的稳定性，在去除效果上来看，可持续性是较强的.