吳立波 王建龍 黃霞 劉恒 錢易
(清華大學環境科學與工程系環境模擬與污染控制國家重點聯合實驗室)

　　摘　要 以喹啉為唯一碳源馴化高效菌種，將其一部分附著在陶粒載體上，比較了自固定化前后菌種活性的變化，然后在用活性污泥處理焦化廢水時，以三種投加高效菌種的方式強化處理焦化廢水：①只投加懸浮高效菌種，②投加懸浮高效菌種和空白陶粒，③投加附著有高效菌種的陶粒，研究了不同投加方式對保持菌種高效降解特性的作用。試驗表明，菌種自固定化后活性略有下降，但在泥齡短時活性保持較好，明顯優于未固定化高效菌種。
　　關鍵詞 附著高效菌種 懸浮高效菌種 焦化廢水 喹啉

　　焦化廢水中含有大量難降解有機物，生物處理比較困難^［1］。投加高效菌種可有效地增強生物反應器對難降解有機物的降解能力，但高效菌種的應用必須解決兩個問題，即①高效菌種的保持。由于一般高效菌種從難降解有機物降解過程中獲得的能量較少，世代周期較長，易流失。②高效菌種活性的保持。一般菌種優先降解易降解基質，投加后環境的改變使菌種特殊降解活性退化。微生物固定化技術可選擇性地提高泥齡，因此對高效菌種活性的保持有一定作用。目前，此技術已廣泛應用于難降解有機物的處理^［2～6］。T陶粒是一種多孔性載體，微生物進入陶?？紫逗?，可利用自身的附著能力形成生物膜，這是自固定化的一種形式。本文介紹利用陶粒載體自固定化降解喹啉高效菌種，并在好氧間歇處理焦化廢水的搖瓶中采用三種方式投加此高效菌種，揭示了投加高效菌種強化處理焦化廢水工藝中生物自固定化技術對菌種活性保持的作用。

1 材料與方法

1.1 處理對象
1.1.1 焦化廢水
　　處理水樣取自首都鋼鐵公司焦化廠回收車間曝氣池進水口，測得COD為1532mg/L，喹啉為112mg/L,TOC為372 mg/L。
1.1.2 喹啉配水
　　以喹啉為唯一碳源，加入適量硫酸銨和磷酸二氫鉀作為氮和磷源，以自來水配制而成。實測喹啉為411mg/L，COD為1060mg/L，TOC為381mg/L。
1.2 高效菌種馴化方法
　　取處理焦化廢水厭氧酸化—缺氧—好氧工藝好氧段污泥(簡稱菌J)，以喹啉配水進行間歇馴化4個月。此時接種污泥經自生異化形成能夠高效降解喹啉類物質的混合菌種(簡稱菌Q)。
1.3 高效菌種自固定方法
　　以間歇式生物流化床處理喹啉配水來固定菌種，載體為0.28～0.6mm陶粒。流化床運轉1個月，單位陶粒上附著相菌種量以VSS計達到20.4mg/g。懸浮相高效菌種簡稱菌Q_S，附著相高效菌種簡稱Q_A。
1.4 反應器及運行條件
　　采用4個500mL錐形瓶作為間歇反應器處理焦化廢水。搖床保持28℃和200r/min。每天換水1次，先排泥10mL，然后將混合液離心棄上清液，加入待處理水樣。階段A(1～5d)混合液體積為100mL，污泥齡為10d；階段B(26～50d)混合液體積為50mL，污泥齡為5d。反應器Ⅰ為空白反應器，只接種菌J；反應器Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ除接種菌J外，以3種方式一次性投加菌Q，以期強化處理焦化廢水中喹啉類物質。反應器Ⅲ、Ⅳ由于投加陶粒填料，構成復合反應器。各反應器初始菌種濃度(以VSS計)及陶粒量如表1所示。

1.5 檢測項目及方法
1.5.1 TOC、COD和喹啉
　　COD以標準檢測法測定。TOC以島津公司生產的TOC--5000測定。喹啉則用HP--1050高壓液相色譜儀測定，測定時固定相為杜邦公司生產的@ZORBAXC--18柱，流動相為甲醇(60%)和水(40%)，流量為1mL/min，溫度為30℃，波長為313 nm。
1.5.2 污泥活性的測定
　　菌種對喹啉和焦化廢水的降解活性以反應過程中氧氣的消耗來表示，測試方法為瓦呼儀(瓦勃氏呼吸儀)法。取定量反應器中混合液離心棄上清液，經9%生理鹽水洗滌三次后，以無機培養基制成濃縮1倍的菌懸液。生物陶粒則用生理鹽水沖洗三次，濾紙吸干，然后稱取約0.2g(約合干重0.15g)。基質分別為喹啉配水和焦化廢水。反應時加入菌懸液和基質溶液各1.5mL，混合液體積3.0mL；陶粒則在加入后補充無機鹽培養基至3.0mL。畫出反應過程的累積好氧量曲線，過原點做曲線的切線算出初始好氧速率，除以此時的污泥量可算出初始比好氧速率。

2 結果與討論

2.1 懸浮相與附著相菌Q活性比較
　　分別做瓦呼儀實驗測定懸浮相菌Q和附著相菌Q對喹啉及焦化廢水的降解活性，結果表明，菌Q對喹啉和焦化廢水都有較好的降解活性。當喹啉濃度為100mg/L時，其降解速率初始即達到最大值，3h內已接近最大降解量。當喹啉濃度為500mg/L時，其最大降解速率出現在3～7h，在10h內接近最大降解量。而當喹啉濃度為1000mg/L時，延滯期較長，7h后才達到最大降解速率，23h時仍在繼續降解。菌Q對焦化廢水10h內已接近最大降解量，焦化廢水中酚類物質含量較高，而喹啉的降解中間產物有很多類酚物質，因此菌Q對焦化廢水的降解能力較強。不過菌Q對焦化廢水的降解程度不高，最大降解量僅為45%左右，而其對喹啉的最大降解量則約為75%。
　　附著相菌種同懸浮相菌種相比所能達到的降解程度相差不大，且與累積好氧量曲線的變化形式相同，但初始階段好氧速率稍小，約降低20%左右。菌Q這一特性可能和傳質速度有關，主體基質溶液到陶粒上生物膜內部菌種的傳質速度低于其到懸浮相菌種的傳質速度，從而使降解速率稍低。
2.2 投菌后接種污泥活性增強
　　取菌J和菌Q按反應器Ⅱ所投加比例做瓦呼儀實驗，分別測定兩菌種單獨或混合降解喹啉配水、焦化廢水時的降解能力。接種污泥取自連續式運轉工藝好氧完全混合反應器，因此對較高的基質濃度不適應，初始降解速率很低，對焦化廢水和喹啉配水分別存在5 h和10 h的抑制期。混合菌種則初始降解速率就很高，很快達到最大降解速率。混合菌種處理喹啉配水時兩菌種之間沒有協同作用，但處理焦化廢水時兩菌種之間協同作用明顯，這是因為焦化廢水成分復雜，菌Q所能降解的底物范圍有限，而接種污泥長期處于焦化廢水基質環境中，對其中某些難降解物質有一定的降解作用，兩菌種互補所缺使降解能力進一步提高。
2.3 投加方式對菌種活性保持的影響
2.3.1 進、出水的COD變化
　　運行過程中各反應器總體運行效果相差不大。這主要是因為反應時間較長，各反應器都能達到最大降解程度的結果。接種污泥經運轉馴化很快適應了反應器內的基質濃度，去除率達60%左右。但由于焦化廢水成分復雜，而所馴化菌種降解底物范圍有限，很多物質不能被降解，因此各反應器總的去除率不高。
2.3.2 污染物降解歷程
　　進一步考察污染物的降解歷程如圖1和圖2所示。在階段A，泥齡為10d，反應器Ⅰ同Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ相比，TOC和喹啉的降解都比較慢，而Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ的降解歷程相近，這說明在泥齡長時，所投加菌種在反應器中起一定的作用。在階段B，泥齡為5d，反應器Ⅲ和Ⅳ的TOC和喹啉的降解明顯快于Ⅰ和Ⅱ，而Ⅰ和Ⅱ的降解歷程相近，這表明在泥齡短時，所投加的懸浮相菌Q已不起作用，而固定化菌種仍在起一定的作用。反應器Ⅲ中喹啉降解菌在A階段可附著在陶粒上，從而在B階段反應器Ⅲ的喹啉降解菌活性高于反應器Ⅱ。

2.3.3 污泥濃度的變化
　　由圖3看出，階段A反應器總污泥濃度基本相同，而在階段B反應器Ⅳ總污泥濃度明顯高于其他三個反應器。由于反應器內水流紊動較劇烈，菌種脫落量大，反應器Ⅲ附著相菌種增加較慢，反應器Ⅳ附著相菌種量則降到14.3mg/L后穩定下來。反應器負荷不變，泥齡降低后，反應器Ⅲ附著相菌種濃度繼續增大，反應器Ⅳ附著相菌種濃度則近乎不變，而懸浮相菌種濃度則隨泥齡的降低大幅度降低。由圖4可見，此時復合反應器中附著相菌種所占的比例明顯增大。雖然普通反應器中懸浮相菌種量稍高，但總污泥濃度卻是復合反應器較高。

2.3.4 菌種對喹啉降解活性的變化
　　分別測定各階段反應器Ⅰ～Ⅳ的懸浮相菌種和反應器Ⅲ、Ⅳ的附著相菌種對喹啉配水和焦化廢水的降解活性，如圖5和圖6所示。反應器開始運行后，菌J逐漸適應間歇式處理工藝環境，這樣反應器Ⅰ、Ⅳ中懸浮相菌種對喹啉和焦化廢水的降解活性均大幅度增高。反應器Ⅱ、Ⅲ中懸浮相菌種對焦化廢水降解活性基本不變，對喹啉降解活性大幅度降低，而反應器Ⅳ附著相菌的兩種活性都大幅度降低。焦化廢水中喹啉濃度低于喹啉配水，菌種長期處于這種環境中，對喹啉的降解活性漸弱。反應器Ⅳ中兩相菌互相競爭，且菌種脫落量較大，因此附著相菌種對焦化廢水的降解活性也有所降低。在各階段，各菌種對焦化廢水的降解能力明顯高于對喹啉配水的降解能力，考慮到兩種廢水COD相近，喹啉確實是焦化廢水中一種難降解有機物。
　　階段A反應器Ⅰ同其他三個反應器相比，喹啉配水總降解活性明顯較低，而焦化廢水降解活性則相差不多。由此可見，所投入菌Q使反應器內菌種構成發生改變，導致喹啉降解菌的活性得到定向改善。此時，反應器Ⅲ附著相菌種濃度還很低，懸浮相菌種起主要作用，但各菌種都已有所附著。反應器Ⅳ附著相菌種活性同懸浮相菌種對喹啉降解活性相差不大，而對焦化廢水降解活性則較低，這說明喹啉降解菌在陶粒上處于優勢。

　　在階段B，菌種的降解活性同階段A相比明顯降低，這主要是污泥濃度降低的結果，但反應器Ⅱ和Ⅲ的喹啉菌比降解活性明顯降低，表明泥齡降低后，喹啉菌增殖較慢，逐漸流失。此時各反應器懸浮相菌種的活性相近，表明所投加懸浮相菌Q已失去作用。反應器Ⅲ附著相菌種大量增殖，活性提高，特別是對喹啉降解活性大幅度提高。反應器Ⅳ附著相菌種活性變化不大，此時已超過懸浮相菌種起主要作用，說明附著相菌種受泥齡的影響較小。
　　當菌種初始吸附后，其增殖主要靠最初附著菌種的裂殖，因此當菌種所處環境改變時，只是原菌種活性改變，而其他菌種則處于競爭劣勢，從而保持了最初附著菌種的優勢地位。吸附自固定化使高效菌種定向保持在反應器中，與泥齡變化無關，克服了高效菌種增殖較慢的缺點。

3 結論

　?、?降解喹啉高效菌種自固定化后降解活性略有下降，約為20%左右。
　?、?降解喹啉高效菌種投加于處理焦化廢水的好氧污泥中可強化其對喹啉和焦化廢水的降解。
　?、?投加降解喹啉高效菌強化活性污泥法處理焦化廢水時，若只投加懸浮相菌種，泥齡降低時，反應器高效活性喪失。如果投加附著有高效菌種的陶?；蛲瑫r投加懸浮相高效菌種和空白陶粒，構成復合反應器，由于附著相菌種活性只是受反應器內基質環境變化的影響，與泥齡變化無關，因此在泥齡較低時，仍能保持一定的高效降解活性。

參考文獻

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　　作者簡介：吳立波 在讀博士生
　　通訊處：100084 北京清華大學環境科學與工程系
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　　(收稿日期 1998-12-31)