廢液種類變換時生化處理的微生物體系與污染物質(zhì)去除

1、收稿日期:2000209218(修改稿本研究課題得到了教育部留學(xué)回國人員科研啟動基金和加拿大魁北克省教育部的資助。廣東省自然科學(xué)基金團隊項目資助課題。廢液種類變換時生化處理的微生物體系與污染物質(zhì)去除高揚(華南理工大學(xué)制漿造紙工程國家重點實驗室,廣州,510641許瑋H.2Claude Lavall e (Universit du Qu bec T rois 2Rivi ères 摘要化學(xué)機械法制漿系統(tǒng)中有闊葉木和針葉木交替使用的情況。原料種類的變化導(dǎo)致了制漿廢液污染特性和污染負荷的差異,對廢液生化處理系統(tǒng)會產(chǎn)生沖擊。本文討論了不同制漿廢液的更換過程中,廢水活性污泥法處理的污染物質(zhì)去除

2、、微生物體系構(gòu)成及其變化。關(guān)鍵詞活性污泥法廢液種類變換微生物體系污染物質(zhì)中圖分類號:X 793文獻標(biāo)識碼:A 文章編號:100026842(20010120091206基于制漿造紙工業(yè)面臨的原料短缺、能源緊張、污染嚴重的現(xiàn)實狀況,高得率制漿技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用在世界范圍引起了廣泛的重視。目前,國際上制漿造紙工業(yè)發(fā)達國家的紙漿生產(chǎn)已經(jīng)大量采用了化學(xué)機械法和熱磨化學(xué)機械法制漿技術(shù),生產(chǎn)的紙張品種不斷增加,產(chǎn)品質(zhì)量不斷提高,成為制漿造紙工業(yè)的重要技術(shù)發(fā)展趨勢之一1、2。研究化學(xué)機械法制漿廢液的處理工藝與技術(shù),對于制漿造紙工業(yè)污染治理和可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義36。由于原料供給的限制和經(jīng)濟方面的因素,采用

3、化學(xué)機械法生產(chǎn)的制漿造紙工廠在實際生產(chǎn)中,時常出現(xiàn)闊葉木和針葉木交替使用的情況?；瘜W(xué)機械法制漿廢液的特性隨著原料種類和生產(chǎn)條件的不同存在著差異,廢液特性的相應(yīng)變化造成了對廢液處理系統(tǒng)運行的影響,污染物質(zhì)去除率會發(fā)生變化,出水水質(zhì)產(chǎn)生波動,產(chǎn)生的影響需要經(jīng)過若干時間恢復(fù)。為了給工廠廢水處理系統(tǒng)實際運行提供理論上的指導(dǎo),在研究廢液種類改變引起系統(tǒng)波動并加以調(diào)控的基礎(chǔ)上,結(jié)合污染物質(zhì)變化的指標(biāo)測定和顯微鏡觀察的結(jié)果,本文討論了活性污泥法廢水處理系統(tǒng)的微生物群落構(gòu)成及其變化。1試驗方法111廢水、處理裝置及其運行控制化學(xué)機械法制漿廢液來自加拿大東部某大型新聞紙廠,所用針葉木材種為云杉(Epinette

4、 ,闊葉木材種為歐洲山楊(Tremble ,制漿方法為CT MP 。實驗室處理系統(tǒng)由生化反應(yīng)器(曝氣池和次級沉淀池構(gòu)成,反應(yīng)器配置了溫度、pH 值的反饋控制裝置以及供氣系統(tǒng)。沉淀池的上部為柱體、下部為錐體,內(nèi)設(shè)溢流擋板分離回流污泥與澄清的出水。廢液經(jīng)過初步處理,除去沉淀和懸浮的雜物后,進入反應(yīng)池與活性污泥液混合,通入空氣使得混合液處于良好的懸浮狀態(tài),保證微生物代謝所需的好氧條件。廢液中的有機污染物質(zhì)被活性污泥吸附、吸收和氧化分解之后,懸浮混合液進入沉淀池進行固液分離,凈化的出水排放,參與循環(huán)的活性污泥定量返回反應(yīng)池,凈增殖的生物質(zhì)量作為剩余污泥排出系統(tǒng)。19中國造紙學(xué)報V ol 1162001

5、T ransaction of China Pulp and Paper29中國造紙學(xué)報第16卷廢水處理系統(tǒng)屬于完全混合式活性污泥法。檢測項目包括廢液的進出流量、混合液溶解氧含量和耗氧速率、反應(yīng)器溫度和pH值、污泥產(chǎn)率和沉降速率、混合液懸浮固體含量以及揮發(fā)性懸浮固體含量、處理前后廢液的化學(xué)耗氧量、生化耗氧量及其去除率等。調(diào)節(jié)控制的項目主要包括進水流量、通入的空氣量即溶解氧含量、混合液pH值、回流的污泥量、補充的氮磷營養(yǎng)物等。試驗中定時檢測運行參數(shù),依據(jù)檢測數(shù)據(jù)及時進行調(diào)節(jié)控制,保持廢液處理系統(tǒng)始終處于最佳運行狀態(tài)。112運行中檢測的項目11211反映污泥情況的項目7混合液的溶解氧(DO和耗氧速

6、率(S OUR,每天測定1次。污泥沉降比(SS V30min每周測定3次?；旌弦簯腋」腆w(M LSS和揮發(fā)懸浮固體(M LVSS,每周測定2次。11212反映污泥營養(yǎng)的項目8、9出水中的氨氮含量和磷含量,采用720A Benchtop PH/ISE Meter和H ACH DR/4000U S pectrophotometer測定,每周測定1次。11213反映系統(tǒng)運行條件的項目pH值、反應(yīng)器混合液溫度,進水流量,污泥回流量,通入反應(yīng)器的空氣流量等,每天測定1次。11214反映處理效果的項目化學(xué)耗氧量(C OD和生化耗氧量(BOD5,按照CPPA標(biāo)準(zhǔn)方法,采用H ACH DR/4000U S p

7、ectrophotometer和ORI ON Oxygen Meter測定,每周測定3次。113生物相的顯微鏡觀察采用雙目鏡生物顯微鏡,更換廢水種類期間,每天取樣進行觀察(放大倍數(shù)取×100和×200。2結(jié)果與討論211從闊葉木CT MP廢液更換為針葉木CT MP廢液時的污染負荷去除歐洲山楊化機漿廢液的污染物質(zhì)指標(biāo)(C OD、BOD、TSS均顯著高于云杉化機漿廢液的相應(yīng)檢測值,廢液中污染成分有著較大的差異,可生化性的評價分析亦顯著不同,前者的BOD5/ C OD比值為01610166,后者僅為01310133。因而,廢液種類變換時,將會對活性污泥法廢水處理系統(tǒng)的運行造成沖擊

8、和影響。首先將歐洲山楊化學(xué)機械法制漿廢液引入廢水處理系統(tǒng),連續(xù)穩(wěn)定運行,待體系中的微生物及其新陳代謝達到平衡,出水質(zhì)量穩(wěn)定之后,更換為云杉化學(xué)機械法制漿廢液,考查廢水處理系統(tǒng)運行過程的時間超過1個月,各項指標(biāo)的檢測結(jié)果如表1所示。表1從歐洲山楊CTMP廢液更換為云杉CTMP廢液過程的污染負荷去除情況廢液種類歐洲山楊CT MP廢液云杉CT MP廢液運行天數(shù)4天之前前3天前1天更換廢水第2天第3天第5天6天之后進水pH值612615616519612611615613610615出水pH值713715715713713714715713713716進水C O D/m gL-143205180458

9、04560452044102348227820482283出水C O D/m gL-1781746792701703766584545604580 COD去除率/%8119851682178416831582167511761170157416進水BO D5/m gL-1268034253668325518981110762695642752出水BO D5/m gL-11231381181041531428614291420142313 BOD5去除率/%9514961296189617911987128817951896189710進水T S S/m gL-11392261121281011

10、361158982112出水T S S/m gL-1231648162414281216121816181081813141318 TSS去除率/%7018781678127718831986138413901783168717從表1可以看出,當(dāng)歐洲山楊CT MP 廢液更換為云杉CT MP 廢液,廢水處理系統(tǒng)的運行經(jīng)過一定程度的波動,污染成分的去除逐漸達到穩(wěn)定,這個過程大約需要5天。整個廢水更換的過程中,出水的C OD 去除率先從82%85%降低至82%83%,之后降低并穩(wěn)定在70%75%;BOD 5的去除率從95%96%降低至88%92%,之后又回升并穩(wěn)定在96%97%;TSS 的去除率原先

11、為71%79%,穩(wěn)定之后有所提高,達到了84%88%。從污染物質(zhì)去除結(jié)果的指標(biāo)測定可以看出,盡管歐洲山楊化機漿廢液的C OD 高出云杉化機漿廢液1倍,但是前者的去除率顯著高于后者,分別為82%85%和70%74%。歐洲山楊化機漿廢液的BOD 5也遠較云杉化機漿廢液為高,經(jīng)過一定的波動,最后兩者的去除率同為96%97%。云杉化機漿廢液的TSS 去除率高于山楊化機漿廢液,分別為71%79%和84%88%。造成這些差異的原因,除了由于兩種廢液的特性和污染負荷不同,針葉木化機漿廢液中的樹脂酸等毒性成分對于微生物代謝的影響也是重要原因。此外,也表明了活性污泥法對于處理有較高負荷的廢液,具有較好的適應(yīng)性和

12、污染物質(zhì)的去除效果。212活性污泥的顯微鏡觀察與生物相指示對于活性污泥法廢水生化處理系統(tǒng),微生物的數(shù)量組成和優(yōu)勢種屬的類別,可以作為廢水水質(zhì)和處理效果的生物相指示10,11?；钚晕勰嘀谐霈F(xiàn)的生物主要是細菌、放線菌、真菌、原生動物(單細胞和少數(shù)其它微形動物(多細胞。正常情況下,活性污泥中的細菌是以菌膠團形式存在,顯微鏡下觀察成熟的污泥,常?？梢钥吹浇z狀菌,并且與菌膠團交織在一起。如果絲狀菌過量增殖,外延的絲狀體纏繞在一起并粘連污泥顆粒,使得絮凝體松散,污泥容積指數(shù)增大,沉淀性能變差,就會出現(xiàn)污泥膨脹現(xiàn)象12。顯微鏡下可以觀察到的原生動物種類很多,可以看到纖毛類、鞭毛類和肉足類等,尤其以固著型纖毛

13、類如鐘蟲、蓋蟲、枝蟲等的數(shù)量為多。其中,鐘蟲屬生物的出現(xiàn)頻率高,數(shù)量大,在生物演變中有著較為嚴密的規(guī)律性,依據(jù)文獻介紹可以鐘蟲屬生物作為活性污泥法的特征指示生物。處理設(shè)施運行狀況良好,控制條件適宜時,微生物代謝活力旺盛,繁衍活躍,可以觀察到鐘蟲的纖毛環(huán)擺動較快,食物泡數(shù)量多,個體大。當(dāng)系統(tǒng)有機負荷增高,曝氣不足時,污泥狀況惡化,此時出現(xiàn)的原生動物主要有滴蟲屬生物、波豆蟲、腎形蟲和草履蟲等。如果曝氣過度,出現(xiàn)的原生動物主要是變形蟲。原生動物以游離細菌和有機物質(zhì)作為食物,生長的適宜pH 值范圍與細菌相仿。因而,在觀察菌膠團存在狀態(tài)的同時,定性觀察與鑒別原生動物種屬變化、數(shù)量增減和活動狀況,可以作為

14、輔助手段,結(jié)合污染物質(zhì)去除的指標(biāo)測定,幫助了解活性污泥法系統(tǒng)的運行情況以便實施調(diào)控。213廢液更換過程中的微生物體系活性污泥主要由微生物組成,每克干活性污泥中可以容納數(shù)百億細菌。就菌體輪廓來看,細菌主要分為球菌、桿菌和螺旋菌(或弧菌。若干種類的細菌在胞壁外面分泌一定厚度的膠狀物質(zhì)層,聚集在一起形成菌膠團。菌膠團是活性污泥的重要組成部分,具有吸附、吸收和氧化有機物質(zhì)的能力,在廢水生化處理中起著主導(dǎo)作用。在溶解氧存在的情況下,廢水中溶解性的有機物質(zhì)可以直接透過細菌的胞壁被吸收,固體和膠體的有機物質(zhì)首先附著在細菌體外,被細菌分泌的胞外酶分解為溶解物質(zhì)后再進入細菌細胞。細菌通過自身的氧化、還原、合成等

15、反應(yīng),使得被吸收的一部分有機物質(zhì)變成簡單的無機物質(zhì),并且提供細菌生長所需要的能量,另39第16卷廢液種類變換時生化處理的微生物體系與污染物質(zhì)去除49中國造紙學(xué)報第16卷一部分有機物質(zhì)轉(zhuǎn)化成為微生物生命的營養(yǎng)物質(zhì),合成新的生物體。如此進行從而完成生物代謝和廢水的凈化過程。除了上述種類的細菌之外,活性污泥中還存在一些較高等的單細胞和多細胞細菌,呈現(xiàn)分枝或者絲狀群體,稱為放線菌,主要有球衣細菌和硫絲菌等。這類細菌大量繁衍后,會造成污泥結(jié)構(gòu)松散,浮力增加,造成混合絮凝液沉淀困難,即污泥膨脹,這是不希望發(fā)生的現(xiàn)象。廢水生化處理的主體微生物雖然是細菌,但是細菌觀察及其分類比較困難,檢測需要花費較長時間,不

16、便及時指導(dǎo)廢水設(shè)施的運行和調(diào)控。原生動物和后生動物雖然對于污染物質(zhì)去除不起主要作用,但是這些低等動物是以吞食細菌為生,對于廢水性質(zhì)的變化特別是毒性物質(zhì)的存在更為敏感。因而,可以在觀察菌膠團形態(tài)的同時,觀察原生動物及后生動物的種類、數(shù)量和活動規(guī)律,結(jié)合污染物質(zhì)去除的測定指標(biāo),分析廢水處理設(shè)施的運行及其處理效果的變化情況。處理歐洲山楊化機漿廢液的運行進入穩(wěn)定階段直至更換廢液種類的當(dāng)天,活性污泥的顯微鏡觀察表明:菌膠團(zoogloeae呈現(xiàn)膠狀細菌凝聚團形態(tài),而且絮凝物整體的枝狀形態(tài)特征明顯。絮凝物內(nèi)分布有較多的卵團狀微小生物。菌膠團中有絲狀物伸出膠團之外,膠團之間可見搭橋現(xiàn)象。顯微鏡下觀察到的單

17、細胞原生動物主要有鐘蟲(Vorticelle Allongee、溝鐘蟲(Vorticella Con2 vallaria、草履蟲(Paramecium spp.、蓋蟲(Opercularia spp.、枝蟲(Epistylis spp.、游什蟲(G enre Eulotes、盾纖蟲(Aspidisca Costata、獨縮蟲(Carchesium spp.。這些單細胞的纖毛類原生動物均以細菌和有機物質(zhì)為食。在活性污泥法中觀察到的多細胞動物以輪蟲為多,主要有G enre Proales、G enre Colurella和G enre Adineta三種。此外,反應(yīng)器中還有線蟲(nematode繁

18、衍,成團積聚在管道轉(zhuǎn)角處,生長很快,需要經(jīng)常予以清理以免堵塞管道。生物相中的鐘蟲(Vorticella microstoma和Vorticella campanula和草履蟲數(shù)量多,并且很活躍。可以看到大量盾纖蟲活動。此外,上述的其它單細胞生物均可觀察到,數(shù)量不等,運動比較活躍。枝蟲和獨縮蟲的數(shù)量較少。多細胞生物中以輪蟲(G enre Proales和G enre Colurella為多,也可以觀察到輪蟲(G enre Adineta在活動。這個時期的廢水處理效果良好,C OD去除率為82%85%;BOD5去除率為96%左右;TSS 去除率為71%78%。更換為云杉化機漿廢液后的第2天至第3天

19、,菌膠團呈現(xiàn)塊團狀的絮凝物形態(tài),整體的枝狀分布特征不如更換廢液之前顯著。絮凝物中仍然可見色澤較深的大量卵團狀微小生物?？梢杂^察到草履蟲、輪蟲(G enre Proales和輪蟲(G enre Colurella的存在和活動,鐘蟲和溝鐘蟲的活動較少。其它單細胞和多細胞生物也可以觀察到,但是活動不甚活躍。這個階段的廢水處理效果出現(xiàn)波動,C OD去除率為82%83%;BOD5去除率為87%92%,降低幅度比較顯著; TSS去除率有所增加,達到84%86%。第4天至第5天,顯微鏡的觀察情況與前面類似,但是菌膠團絮凝物的整體枝狀特征逐漸明顯,可以看到纖絲狀物及其搭橋現(xiàn)象。單細胞和多細胞生物的活動逐漸恢復(fù)

20、活躍。鐘蟲和溝鐘蟲的數(shù)量和活動仍比較少。草履蟲的數(shù)量增加,游動相當(dāng)活躍。污染物質(zhì)去除的指標(biāo)測定表明,C OD去除率繼續(xù)降低,約為75%76%;BOD5去除率為89%95%;TSS去除率為84%90%。表明系統(tǒng)受到的沖擊和波動正在逐漸得到恢復(fù)。第6天以后,菌膠團發(fā)展逐漸良好,整體大多數(shù)呈現(xiàn)枝狀形態(tài)。膠團絮凝物內(nèi)分布許多卵團狀的色澤較深的微小生物。膠團絮凝物中可以見到纖絲存在,絮凝物搭橋現(xiàn)象較多。單細胞動物鐘蟲和溝鐘蟲的數(shù)量和活動開始增加。盾纖蟲等大量出現(xiàn),草履蟲的數(shù)量有所減少。很少看到枝蟲、游什蟲和獨縮蟲等單細胞動物。多細胞動物輪蟲比較活躍,而且出現(xiàn)較多的體形較小的新生輪蟲,主要是輪蟲G enr

21、e Proales 和G enre Colurella ,也可以見到輪蟲G enre Adineta 。纖毛類原生動物可以分為兩類,草履蟲周身長有纖毛,活動能力大,以游動方式進食;鐘蟲為固著型原生動物,只在上端鐘口周圍生長纖毛。當(dāng)活性污泥成熟時,游離細菌大多已被吞食,絮凝混合液中大量是原生動物無法吞食的菌膠團。這種情況下,游動型的原生動物有所減少,活性污泥的主體為菌膠團和鐘蟲、蓋纖蟲之類的固著型原生動物,表明此時活性污泥生化處理系統(tǒng)的運行狀況較好。C OD 去除率保持在70%72%;BOD 5去除率恢復(fù)為95%97%;TSS 去除率明顯增加,保持在84%88%。系統(tǒng)開始進入穩(wěn)定運行狀態(tài)。綜合上

22、述分析,從菌膠團的形態(tài)、原生動物及后生動物的種類、數(shù)量和活動情況,可以從一個側(cè)面了解廢液種類變換時生化系統(tǒng)的運行狀況。研究結(jié)果表明,生化處理系統(tǒng)采用的生物群落在制漿廢液種類改變的情況下,經(jīng)過波動和恢復(fù)的過程,依然具有很高的降解污染物質(zhì)的效率。在制漿原料種類從歐洲山楊改變?yōu)樵粕嫉那闆r下,對于CT MP 廢液中的污染物質(zhì)依然保持了較高的降解效率,污泥的沉降性能良好。由于廢液所含污染成分和特性的改變,針葉木CT MP 廢液可生化降解性較闊葉木CT MP 廢液為低,表現(xiàn)在C OD 的去除率顯著降低。3結(jié)論311本研究采用的活性污泥法處理系統(tǒng)具有高效菌種群體,對于闊葉木和針葉木兩種原料的化機漿廢液均有著

23、良好的處理效果。當(dāng)廢液種類改變時,通過采取適當(dāng)?shù)恼{(diào)控措施,廢水處理系統(tǒng)顯示出了較好的適應(yīng)性。312由于兩種原料化機漿廢液的污染成分和特性不同,當(dāng)引入廢水處理系統(tǒng)的廢水種類改變時,會對系統(tǒng)造成沖擊和影響,污染指標(biāo)去除率表現(xiàn)出變化。歐洲山楊CT MP 廢液的可生化降解性顯著高于云杉CT MP 廢液,在C OD 的去除率上表現(xiàn)尤為明顯。313在觀察菌膠團形成和存在狀態(tài)的同時,定性觀察與鑒別原生動物種屬變化、數(shù)量增減和活動狀況,可以作為輔助手段,結(jié)合污染物質(zhì)去除的指標(biāo)測定,幫助了解活性污泥法系統(tǒng)的運行情況以便實施調(diào)控。參考文獻1Christopher J.Biermann.Essentials of

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29、e of CTMP effluents on activated sludge process was discussed in this paper. Results showed that , under conditions of convenient adjustment operation , pollutants in both softwood ( Epinette and hardwood ( Tremble CTMP effluent could be effectively removed. Operating under dominant species of micro

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31、 of Alternating V arieties of CTMP Effluents Gao Yang ( South China University of Technology , Guangzhou , Guangdong Province , 510641 ( Universite du Quebec a Trois2Rivieres , Quebec , Canada al supply. Pollutant and load in the effluent will change in this case. An impact which resulted from the changes of pollutant characteristics and their load on the effluent biochemical treatment process takes place. Combining with determination of COD , BOD and TSS , this paper discussed zoo