微生物菌剂强化曝气生物滤池处理炼油废水

2021-06-17闻建平

化工环保 2021年3期

王乐,冯蕾,闻建平

(1. 中国石化科技部,北京 100728;2. 天津大学化工学院,天津 300354)

近年来，很多炼油企业因掺炼高硫、高酸原油，以及受到油品深加工要求的影响，增建了催化重整和脱硫装置，使得炼油废水中污染物排放总量显著增加，炼油废水的处理难度不断加大［1-2］，排放废水很难满足《石油化学工业污染物排放标准》［3］（GB 31571—2015）的要求。

曝气生物滤池（BAF）技术是集物理过滤、吸附及生物氧化为一体的深度废水处理技术，具有污染物去除率高、抗负荷（温度、pH和有毒化合物）能力强等优点［4］。本实验室前期研究了BAF内的填料载体、BAF工艺优化及其菌群结构［5］，但对外加的微生物菌剂的研究较少。

本研究根据某炼油废水处理厂二沉池水质分析结果，以正二十烷和萘为碳源和能源物质，经初筛和复筛获得降解炼油废水污染物的菌株，并优化构建了复合菌剂。将复合菌剂用于BAF，考察了BAF处理炼油废水的效果。

1 实验部分

1.1 废水水质

筛选菌株用水取自某炼油废水处理厂经隔油、气浮一级处理后的废水，COD为（1 260±110）mg/L；BAF所处理炼油废水取自缺氧-好氧活性污泥法（A/O）二级生化处理后的二沉池出水，其中，COD=（95±10）mg/L，ρ（NH4+-N）=（18±3）mg/L，主要有机污染物及其含量见表1。

表1 二沉池出水的主要有机污染物及其含量

1.2 活性污泥和椰壳活性炭

活性污泥取自某炼油废水处理厂二沉池。椰壳活性炭购自宁夏廷远活性炭有限公司，粒径2~5 mm，比表面积590~1 350 m2/g。

1.3 培养基

牛肉膏蛋白胨培养基：牛肉膏5g，蛋白胨10g，NaCl 5g，蒸馏水1 000 mL，pH=7.0~7.4。

无机盐培养基：KH2PO40.5g，MgSO4·7H2O 0.3g，Na2HPO41.5g，（NH4）2SO40.5g，微量元素溶液5 mL，蒸馏水1 000 mL，pH=7.0~7.2。

微量元素溶液：乙二胺四乙酸（EDTA） 0.50g，CaCl20.055g，ZnSO4·7H2O 0.22g，MnCl2·4H2O 0.051g，CuSO4·5H2O 0.015 7g，FeSO4·7H2O 0.049g，CoCl2·6H2O 0.016g，蒸馏水1 000 mL，pH=6.0。

富集驯化培养基：在无机盐培养基中添加适量过滤除菌的正二十烷和萘作为菌株生长的碳源和能源，pH=7.0~7.5。

筛选培养基：KH2PO40.5g，Na2HPO41.5g，MgSO4·7H2O 0.3g，（NH4）2SO40.5g，微量元素溶液5 mL，COD=（1 260±110）mg/L的炼油废水1 000 mL，pH=7.5~7.8。

磷酸盐缓冲液：Na2HPO4·2H2O 1.81g/L，K2HPO40.24g/L，NaCl 0.8g/L，KCl 0.2g/L，pH=7.4。

以上所有培养基于121 ℃高压灭菌20 min，备用。

1.4 降解菌株的初筛

取活性污泥10g加入到100 mL蒸馏水中搅拌均匀成混合液，将10 mL混合液加入含90 mL无机盐培养基的锥形瓶（250 mL）中，再加入稀释后的正二十烷和萘，180 r/min、28 ℃条件下恒温振荡培养，5 d后在富集驯化培养基中转接10 mL培养液，保持相同条件驯化5 d，逐级提高正二十烷浓度（或萘中加入5%（w）表面活性剂Tween-80进行增溶），富集培养25 d后，将梯度稀释后的培养液均匀涂布在牛肉膏蛋白胨培养基固体平板上，于28 ℃恒温培养待菌落生出，分离纯化后存储于4 ℃冰箱。

1.5 降解菌株的复筛

挑取单菌落分别接种到装有50 mL液体牛肉膏蛋白胨培养基的250 mL锥形瓶中，于180 r/min、28 ℃条件下恒温振荡培养24 h，期间每2 h测定菌液的OD600nm值，绘制各菌株的生长曲线，取指数生长中期的种子液作为接种液。再用灭菌的无机盐培养基调节菌液的质量浓度为1.0 mg/L左右，取10 mL接种到含有100 mL筛选培养基的锥形瓶（250 mL）中，在180 r/min、28 ℃条件下恒温振荡培养5 d，取样处理后测定剩余COD，复筛出具有高效降解性能的菌株。

1.6 复合菌剂的构建

将复筛后得到的优势菌株进行复合，得到10个复合菌群，在培养基中经过5 d恒温振荡培养后用于处理COD为（1 260±110）mg/L的炼油废水，通过测定各菌群的COD去除率，比较不同复合菌群的降解能力。将4株菌分别接种到含有100 mL液体牛肉膏蛋白胨培养基的锥形瓶（250 mL）中，在恒温摇床中以180 r/min，28 ℃培养。然后，通过8 000 r/min离心10 min，去除上清液，获取指数生长中期的培养物。最后，使用磷酸盐缓冲液制备OD600nm为1.0的菌株悬浮液作为种子液。

1.7 复合菌剂BAF处理炼油废水

在实验室规模的BAF（高度为72 cm、内径为5.5 cm的有机玻璃圆筒）中进行废水处理，工艺流程见图1。采用椰壳活性炭作为微生物生长的载体材料，砾石层和活性炭填充层的高度分别为5 cm和25 cm，BAF的工作体积为1.2 L。使用恒流泵向BAF连续进水，由气泵提供氧气。

BAF启动操作：先将椰壳活性炭填充到BAF中作为微生物生长的载体；然后，将占工作体积10%、混合液悬浮固体浓度（MLSS）为6g/L的活性污泥加入BAF中进行驯化；最后，将废水连续加入BAF系统（BAF1）中。通过测量废水COD和NH4+-N的减少量，来评估BAF系统的生物降解性能。根据需要，向进水中加入34 mg/L KH2PO4和100 mg/L （NH4）2SO4作为营养物。BAF温度（30±1）℃，DO为3.5 mg/L，气水体积比5∶1。

图1 BAF废水处理工艺流程

单独曝气72 h后，向BAF连续通入废水，在3周内HRT逐渐从30 h降至6 h。当BAF的COD和NH4+-N去除效果基本稳定后，通过显微镜观察到生物膜上开始出现原生动物如草履虫、线虫、轮虫等，且丝状细菌逐渐增多时［6］，表明启动已经完成。

外加微生物菌剂的BAF系统（BAF2）先通过活性污泥和椰壳活性炭连续稳定地处理炼油废水，然后将占工作体积10%的微生物菌剂加入BAF2中，每隔24 h取水样，用0.22 μm注射器过滤后进行分析。

1.8 分析方法

采用重铬酸盐法［7］测定废水COD；采用纳氏比色法［8］测定废水ρ（NH4+-N）。

2 结果与讨论

2.1 降解菌株的筛选结果

以正二十烷（或萘）质量浓度为200，400，600，800，1 000 mg/L的富集驯化培养基对活性污泥进行梯度培养驯化，经过5个周期共25 d的富集驯化，获得了7株降解炼油废水中有机污染物的菌株，其中长链烷烃类降解菌4株，苯环类降解菌3株，分别编号为FS-01至FS-07。从复筛结果可知，7株菌株对隔油、气浮处理后炼油废水（COD=1 260±110 mg/L）均具有一定的处理效果，其中，FS-01的COD去除率达48.6%；FS-02和FS-05的COD去除率分别为45.5%和41.7%；FS-07属于芳烃类降解菌株，也可以达到38.6%的COD去除率，而长链烷烃类降解菌FS-06的COD去除率最低，只有21.9%。

经过复筛最终获得4株菌株（FS-01、FS-02、FS-05和FS-07）。结合菌落形态特征观察、生理生化特性和16S rDNA序列分析，FS-01为假单胞菌属（Pseudomonassp.）的假单胞菌；FS-02为芽孢杆菌属（Bacillussp.）的苏云金芽孢杆菌；FS-05为微杆菌属（Microbacteriumsp.）的氧化微杆菌；FS-07为不动杆菌属（Acinetobactersp.）的琼氏不动杆菌。

2.2 复合微生物菌剂的优选

将FS-01、FS-02、FS-05和FS-07进行复合（各菌株分别等量加入，总量为工作体积10%），得到10个复合菌群，各复合微生物菌剂对炼油废水的COD去除率见表2。

由表2可见：复合微生物菌剂对炼油废水的处理效果都比较理想，相比于单一菌株，复合微生物菌群之间存在协同代谢或共代谢机制，致使COD去除率提高，由FS-01和FS-02组成的复合菌群COD去除率最高，达67.9%，具有作为微生物强化菌剂的优质潜力。

2.3 微生物菌剂强化处理炼油废水的效果

稳态时BAF2的HRT保持在6 h，当进水平均COD为95.3 mg/L、平均ρ（NH4+-N）为18.4 mg/L时，出水平均COD为32.6 mg/L，平均ρ（NH4+-N）为0.45 mg/L，COD去除率为65.8%，NH4+-N去除率为97.5%。

表2 复合微生物菌剂对炼油废水的COD去除率

BAF1和BAF2出水中有机污染物的差异见表3。由表3可见，经BAF处理后，BAF1出水中仍然存在复杂的硅氧烷和酯类，而BAF2出水中仅检测到简单的芳烃类和低分子化合物。这表明生物强化使BAF2对特征性有机污染物的降解更加彻底。

表3 BAF1和BAF2出水中有机污染物的差异

BAF2的COD去除率和NH4+-N去除率较高，同时表现出更高的抗水力冲击性能。其原因是：一方面由于BAF2中存在多株高效降解有机污染物的菌株，优势菌株能在以特征性污染物为碳源和能源的无机培养基上生长，极大地提高了系统对炼油废水的处理效率；另一方面是系统中形成了由高效降解菌株组成的功能性生物膜，该生物膜可以保留足够的且缓慢生长的功能性菌株，极大地促进了微生物与炼油废水中顽固污染物的接触反应，致使BAF2具有较高的炼油废水污染物去除能力。