（环境工程专业论文）食品废水厌氧处理的生物强化.pdf

天津科技大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究 成果。除文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包括任何其他个人或集体已经发 表或撰写的成果内容。对本文研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：阔番凤 日期：御影年月i 上日 专利权声明 本人郑重声明：所呈交的论文涉及的创造性发明的专利权及使用权完全归天津科 技大学所有。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：周参凤 同期：卅6 年弓月f 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授 权天津科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以 采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密ii ( 请在方框内打 ) ，在 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 ， 不保密i 翻( 请在方框内打、，”) 。 作者签名：周否风f 1 期：印6 年；月d n 导师签名。力么青岩j 日期：咿g 年孑月才日 摘要 厌氧一好氧工艺在含蛋白质和脂类食品废水处理中，发挥着重要作用。由于厌氧 阶段停留时间长，对有机物的去除率相对较低，使得进入后续处理的有机负荷较高， 从而影响后续处理的顺利进行，进而影响最终出水水质，因此必须对厌氧处理过程进 行强化。 本论文以兼性菌强化厌氧处理过程为主要研究内容，以餐饮业下水道污泥为菌种 来源，经分离筛选得到一株菌( b 3 ) ，对该菌的适宜培养条件进行研究，并考察了该 菌去除n h 3 - n 能力、耐盐性及对不同水质厌氧处理过程的强化效果。 实验结果表明，b 3 菌是一株兼氧菌，具有较好的去除n h 3 - n 能力，能够在n a c i 浓度 2 0 0 0 一4 0 0 0m g l ) ，可回收能量；( 2 ) 剩余污泥量少，甚至可以不必单独建 立好氧污泥消化装置；( 3 ) 提高了污水中难降解物质的生物降解性，从而提高了好氧 处理效率与净化效果，出水水质好；( 4 ) 提高了脱氮、除磷效果；( 5 ) 提高了污水与 污泥的卫生效果，对防止传染病起了积极作用；( 6 ) 工艺十分稳定，耐冲击，进水水 质和负荷波动对出水水质影响很小；( 7 ) 运行管理方便。 何健测9 1 采用厌氧水解- - a b 法处理屠宰废水，当进水c o d = 7 0 0 - 1 0 0 0m g l 、 b o d = 2 0 0 - - 一5 0 0m g l 、s s = 15 0 , - - - , 5 0 0m g l 、动植物油类含量= 4 0m g l 、色度= 15 0 倍， 出水可达到污水排放一级标准。马灵等【i o 】采用厌氧一好氧工艺处理屠宰工业废水，废 水中c o d 浓度由1 8 4 5m g l 降至7 4m g l ，b o d 5 浓度由1 0 2 6m l 降至2 7m g l ， s s 浓度由5 1 4m g l 降至5 3m l ，n h 3 - n 浓度由6 7m g l 降至1 3m g l ，污染物去 除率分别达到了9 6 0 、9 7 4 、8 9 7 、8 0 6 ，外排废水水质达到了肉类加工 工业水污染物排放标品准g b l 3 4 5 7 9 2 中的一级排放标准。 ( 2 ) s b r 法 s b r 为序批式间歇活性污泥法的简称，是一种利用厌氧、好氧及兼性菌群的联合 作用来降低废水中碳氮含量的生物反应器。 s b r 是传统活性污泥法的一种变型，它的反应机制以及污染物质的去除机制和传 统活性污泥法基本相同，仅运行操作不一样。传统的活性污泥法中，污水首先进入反 应池( 曝气池) ，然后进入沉淀池对混合液进行沉淀，实现固液分离后的上清液外排： 而s b r 贝i 是通过在时间上的交替实现这一过程，它在流程上只设一个池子，将曝气池 和二沉池的功能集中在该池进行，兼有水质水量调节、微生物降解有机物和固液分离 等功能。 s b r 是按周期运行的，每个周期的循环过程包括进水、反应( 曝气) 、沉淀、排 放和待机等五个工序。在s b r 的运行中，每个周期循环过程都是可进行控制的，每个 过程与特定的反应条件相联系( 如混合静止，好氧厌氧等) ，这些反应条件促进污 水物理和化学特性有选择的改变，从而使污水得到完全的处理。因s b r i 艺简单、无 需二沉池、无需污泥回流、耐有机负荷和有毒物质负荷冲击能力强、出水水质好、不 易发生污泥膨胀等优点】，在中高浓度有机废水治理中应用较多。 韩相奎等【1 2 】用s b r 处理屠宰废水，在进水c o d 为l3 5 2 - 、一l7 0 5m g l 的条件下，出 水c o d 均在7 5m g l 以下，去除率达9 5 以上。张玉华等【1 3 】采用厌氧复合床( u b f ) - 序 批式活性污泥法( s b r ) 处理屠宰废水在进水水质c o d 、s s 、b o d 5 和n h 3 - n 的质量浓 度分别为1 6 2 4m g l 、7 1 5m g l 、9 7 5m g l 和4 2m g l 的情况下，处理后的水质c o d 、 s s 、b o d s 和n h 3 - n 的质量浓度分别达到8 7m g l 、8 2m g l 、5 3m g r l 和3 6 7m g l 。该 2 天津科技人学硕i ? 学位论文 工艺工程投资省、运行费用低、处理效果好，在中小型屠宰企业的废水治理中具有推 广价值。 ( 3 ) 膜生物反应器 在过去的十年罩，膜技术与生物处理技术结合使用，引起了显著关注【1 4 1 。膜生物 处理技术是一种将膜分离与污水生物处理有机结合的新型污水处理技术，具有出水水 质好、可直接回用、占地面积小、剩余污泥产量低、易于操作等特点，并已应用到环 境保护及污水处理的各个领域中。 膜生物反应器( m e m b r a n eb i o r e a c t o r , m b r ) 具有良好的出水水质，是生物降解 和膜分离共同作用的结果。相对于传统活性污泥法，m b r 中膜对去除效果有一定的 强化作用，主要表现在膜及膜面凝胶层对微生物( 包括世代周期较长的硝化菌、反硝 化菌) 、有机大分子、悬浮物等的截留。 刘旭东等【1 5 】应用膜生物反应器处理屠宰废水，通过1 0 0d 连续运行，出水清澈， 浊度的去除率在9 9 以上，有机物去除率达到9 7 以上、氨氮的去除率大于8 1 ； 若经过进一步消毒处理，其水质主要指标将达到中水回用标准；膜生物反应器处理屠 宰废水，对有机负荷有很好的耐冲击性。 ( 4 ) 自然生态系统 利用自然生物的净化作用来处理污水，具有处理成本低、运行管理简单，而且美 观整洁、耐冲击负荷能力强等优点。 氧化塘在结构上一般呈矩形，或者因地制宜地利用自然沟塘加以改造。原污水进 入塘中，在藻类、各种植物和微生物的共同作用下得到净化。构成氧化塘的系统通常 由好氧塘、厌氧塘、兼性塘和熟化塘等的全部或部分构成，各塘都有其各自的功能： 厌氧塘主要用于高浓度污水的预处理，因此一般处于系统的前段；兼性塘和好氧塘用 于较低浓度污水的处理或在厌氧塘之后对b o d 物质的进一步降解；熟化塘用于去除粪 便病原体。 生态技术处理系统( e c o l o g i c a lt e c h n o l o g yt r e a t m e n ts y s t e m ，e t r s ) 是英国开发的 一种比较先进的中低浓度有机废水处理技术。该技术通过建立两级生态系统，去除废 水中的有机物质。由于生态系统具有自我平衡能力，保证了处理系统的高效稳定运行。 实际运行结果表明，应用e t t s 污水处理技术，不但能够保证出水水质，而且高效低 耗，有可观的经济效益，是一种切实可行的处理技术。 张丽等【1 6 】利用生态技术处理系统来处理食品废水，对b o d 5 、c o d 、s s 、磷、氨 氮的去除率高于传统的物化法和生化法，且运行实践表明，生态技术处理系统在运行费 用、操作管理、废水资源化、处理效率、出水水质稳定性、清洁环境、美化景观等方 面均具有优势。许德芝等【17 】利用多级氧化塘处理屠宰废水，不仅有利于污水利用，还 有较好的环境效益，管理方便、运行费用低，易于推广应用。 ( 5 ) 微生物菌剂的应用 有效微生物( e f f e c t i v em i c r o o r g a n i s m s ，e m ) 是日本琉璋大学比嘉照夫教授等于2 0 i 前苦 世纪8 0 年代初期研制出来的一种新型复合微生物制剂，它是一种由好氧和厌氧微生物 群组成的互利共生体，包括以光合细菌、酵母菌、乳酸菌和放线菌等为主的1 0 个属8 0 多种有益微生物。各种微生物在其生长过程中产生的有用物质及其分泌物质，成为微 生物群体相互生长的基质和原料，通过相互间的共生关系，形成了一个复杂而稳定的 微生物系统，发挥多种功能。 e m 菌的特点是微生物菌群多、结构稳定、功能广泛、操作方便、使用安全、无 任何毒副作用。在种植业、养殖业、环境净化等许多领域，有以下特点：( 1 ) 可以 迅速分解有机物质，消除腐败的有机物质的恶臭气味；( 2 ) 在农业上，e m 能分解土 壤中的有机质，提高土壤肥力，节约肥料，能使土质松散，促进植物根、茎的生长， 提高产量，改善农产品的品质；( 3 ) 在畜牧业方面，能抑制病原菌的生长，提高机 体的免疫能力，消除粪便臭气，清洁养殖环境，从而最大限度地提高畜禽的生产效益 及环境效益；( 4 ) 在环境保护方面，可以处理可降解的生活垃圾及污水，并能处理 工业废水等。 目前，在世界各国的e m 推广及应用研究方面取得了一定的进展，获得了良好的 经济效益、社会效益及生态环境效益。在环境保护方面，应用e m 技术消除动物粪便 的恶臭、除蝇虫害、污水净化及城市垃圾无害化处理，取得了良好效果。 车美芹等【1 8 】利用e m 菌液对食品废水进行试验研究，结果表明，用e m 菌液处理食 品废水，有利于e m 中的好氧微生物及厌氧微生物共同发挥作用，且有利于e m 利用废 水中的营养物质进行自我繁殖，能有效地降低废水中的c o d ，最高去除率可达8 3 0 。 h o w a r dh l o 等【1 9 j 评价了生物强化技术在活性污泥法处理含马铃薯、淀粉、糖类及 牛奶废水过程中的效果，结果表明，通过投加活的微生物菌体对系统进行强化，能提 高t o c 去除率并减少污泥产生量。好氧生物强化技术对含马铃薯、糖类及牛奶废水强 化效果明显，对于淀粉废水强化效果不明显。 1 1 3 厌氧处理技术在食品废水治理中的重要性 厌氧处理技术作为一种快速发展、同渐成熟的技术，具有处理成本低、处理效果 好等特点，尤其适用于发展中国家的环境治理需求 2 0 】。 食品工业废水中含有大量的有机污染物，生物法作为治理有机污染的有效方法， 比物理和化学法具有更好的处理效果及更低的运行费用。同时，很多废水( 物) 采用厌 氧生物处理技术比好氧生物处理技术更具优越性，为消除环境有机污染开辟了一条高 效低耗的新途径。生物法的实质主要是利用厌氧、兼性和好氧微生物在适宜条件下的 自身新陈代谢，把污染物质降解转化成无害于人类生存的最简单的化合物和单质。 1 1 - 3 1 蛋白质的组成及分解 蛋白质( p r o t e i n ) 是生物体的基本组成成分之一，也是生物体中含量最丰富的生物 大分子，约占人体固体成分的4 5 ，而在细胞中可达细胞干重的7 0 以上。微生物 菌体的蛋白质含量一般都比较高，但随微生物种类、茵龄、培养基成分及培养条件的 不同，其含量变比很大，例如：细菌菌体蛋白质占干重的5 0 8 0 ：酵母菌为3 2 4 天津科技人学硕i ：学位论文 7 5 ；白地霉为5 0 ：真菌占1 4 5 2 【2 1 j 。 蛋白质是由许多氨基酸通过肽键相连形成的有序结构，每种蛋白质都有其一定的 氨基酸百分组成及氨基酸排列顺序，以及肽链空间的特定排布位置。 蛋白质属于生物大分子，其分子量可达l 万至1 0 0 万，分子直径可达l 1 0 0n n l 。 由于小分子的含氮化合物可被微生物直接吸收和利用，而大分子的蛋白质、多肽等不 易被细胞吸收，所以微生物一般先通过自身分泌到胞外的蛋白质水解酶类将蛋白质和 多肽等大分子物质水解为小肽及氨基酸后，再吸收和利用。蛋白质必须水解至氨基酸， 才能渗入细菌的细胞内，在细胞内氨基酸可以直接用于合成菌体的蛋白质，也可能转 变成另一种氨基酸，或者进行脱氨基作用被分解。 1 1 3 2 脂类的组成和分解 脂类是脂肪与类脂的总称，是动植物体内的重要组成成分。脂肪( f a t ) 称为三酰甘 油( 甘油- - n 旨) ，是由1 分子甘油和3 分子脂肪酸构成的酯田】。类脂包括磷脂、糖脂、 胆固醇及其他酯类，类脂作为生物膜结构的主要成分，约占膜重的一半或一半以上。 不论在有氧或缺氧环境中，脂类分解的第一阶段都是在脂酶的作用下水解为甘油 和脂肪酸，甘油和脂肪酸进而分别生成中间产物。在有氧条件下，其中间产物生成 c 0 2 和h 2 0 ；在无氧的环境中，其中间产物发酵生成乙酸、乙醇和甲酸等，进而在产 甲烷菌的作用下生成c l - h 和c 0 2 。 由蛋白质和脂类的分解代谢过程可以看出，其第一阶段均为生物大分子的降解阶 段：外源生物大分子通过消化作用降解，内源生物大分子通过胞内酶催化降解，分解 为单体分子，即多糖分解为己糖或戊糖、蛋白质分解为氨基酸、脂肪分解为甘油和脂 肪酸等。这些降解反应途径都很短，仅有几种酶催化，不产生可利用的能量。由于蛋 白质和脂类都是典型的生物大分子，只有经过大分子向小分子的分解过程后，才能被 微生物吸收和利用。 1 1 3 3 厌氧处理技术在食品废水处理中的重要性 厌氧生物处理是利用厌氧微生物的代谢过程，在无需提供氧气的情况下把有机物 转化为无机物和少量的细胞物质，这些无机物主要包括大量沼气( 称生物气) 和水。 厌氧消化过程一般可分为四步骤：第一步是有机物的水解和发酵，在发酵细菌分 泌的细胞外酶作用下，将有机物水解为各自的单体，这些单体化合物能被发酵细菌摄 入胞内并通过发酵作用将它们分解为低级脂肪酸、醇等，并释放出c 0 2 、h 2 、n h 3 及 h 2 s 等气体；第二步是在产氢、产乙酸细菌的作用下将各种有机酸和醇进一步分解为 乙酸、甲酸、甲醇、氢和二氧化碳等；第三步是产甲烷阶段，在产甲烷细菌的作用下， 乙酸及甲酸等通过裂解及还原反应被转化为甲烷( 约占甲烷含量的7 0 ) ，氢和二氧 化碳则在合成酶的作用下也被合成为甲烷( 约占3 0 ) ；最后一步是在同型产乙酸菌 的作用下将氢和二氧化碳重新合成为乙酸，这一步在厌氧消化中的作用不是很大。 厌氧反应能够将复杂的非溶解性的聚合物转化成简单的溶解性的单体或二聚体， 大分子有机物水解为小分子有机物，以便细菌直接利用。如纤维素在纤维素酶水解作 1 前言 用下生成纤维二糖和葡萄糖，蛋白质在蛋白酶的作用下生成短肽和氨基酸，淀粉在淀 粉酶的作用下生成麦芽糖和葡萄糖等。各种有机物被水解为简单的小分子物质后，能 够被厌氧和兼性微生物利用，被降解而生成c h 4 和c 0 2 等气体，从而降低废水中的污 染物质浓度，减轻后续处理的有机负荷。 食品废水中常含有大量的蛋白质和脂肪，由于其相对分子量巨大，无法透过细胞 膜，需要在细胞外酶的水解作用下转变成小分子之后，才能被细菌直接利用。所以此 类废水若直接采用好氧处理，不仅能耗高，而且出水水质不好。食品废水中含有的大 量油脂，虽经隔油预处理，废水中的油脂含量仍然很多，直接采用s b r 法或好氧技 术处理该废水，存在反应池表面产生大量油性泡沫，使污泥松散，水中污泥指数高等 问题【”1 ，故先采用厌氧技术进一步去除废水中的油脂等，降低进入后续反应池的污水 浓度是必要的。 1 2 厌氧处理技术 1 2 1 厌氧处理技术的优越性 厌氧处理技术可以节省动力能耗、产生生物能【2 3 】、污泥产量少及运行简单，在能 源同益紧缺的今天更具应用性。 ( 1 ) 节省动力能耗 由于厌氧生物处理过程中，细菌分解有机物是营无分子氧呼吸，故不必给系统提 供氧气；而好氧菌降解有机物是营分子氧呼吸，必须提供分子氧( 要完全氧化废水中 l k g b o d 5 ，需消耗0 5 l k w h 电能) 。 ( 2 ) 污泥产量少 厌氧生物技术不需要好氧生物技术中氧的传递，也没有与之相随的微生物的大量 合成，从而减少了处置剩余合成污泥的费用，是污泥减量化的方法之一【2 4 1 。 ( 3 ) 厌氧生物处理技术可以产生生物能 、 污泥消化和有机废水( 物) 的厌氧发酵能产生大量沼气，而沼气的热值很高，可 作为能源利用。根据理论计算，l k g c o d 完全厌氧消化在标准状况下可得到沼气( c h 4 和c 0 2 ) o 7 0m 3 。厌氧处理技术，能够使廉价的底物转化为极有用的产品，从而实现 其工业化的应用【2 5 1 。 ( 4 ) 对营养物质的需要量低 氮和磷等营养物质是组成细胞的重要元素，采用生物法处理废水，如废水中缺少 氮磷元素，必须投加氮和磷，以满足细菌合成细胞的需要。厌氧生物处理要去除l k g b o d 5 所合成细胞量远低于好氧生物处理，因此可减少n 和p 的需要量，一般情况下 b o d 5 ：n - p = - ( 2 0 0 - - - - 3 0 0 ) ：5 - l ，而好氧生物处理要求b o d s ：n ：p = 1 0 0 - 5 ：l 。 对于缺乏n 和p 的有机废水采用厌氧生物处理可大大节省n 和p 的投加量，使运行 费用低。 ( 5 ) 厌氧消化对某些难降解有机物有较好的降解能力 应用厌氧处理工艺作为预处理，可以使一些好氧难以处理的难降解有机物得到部 6 天津科技人学硕i ：学位论文 分降解，并使大分子物质分解为小分子物质，提高了废水的可生化性，使后续的好氧 处理变得比较容易。 1 2 2 厌氧处理技术的发展 2 0 世纪7 0 年代，环境工程界提出高效厌氧生物处理工艺的技术关键是：( 1 ) 在 反应器中维持高浓度生物量，使活性污泥停留时间与废水停留时间分离，具体的措施 包括加入填料形成生物膜、培育颗粒污泥等；( 2 ) 反应器中生物与废水充分接触，这 需要设计合理的布水系统，采用很高的液体上升流速，或在处理高浓度有机废水时利 用产生的沼气。基于此，从2 0 世纪7 0 年代起，国际上出现了第二代厌氧生物处理工 艺，它们具有相当高的有机负荷和水力负荷，反应器容积比传统工艺更小，在不利条 件下仍具有高的稳定性，处理低浓度废水的效率已具备了与好氧处理的竞争能力。 第二代厌氧生物处理工艺已经在世界各国得到了成功应用。其中，应用最为广泛 的当属升流式厌氧污泥床( u p f l o w a n a e r o b i cs l u d g eb l a n k e t , u a s b ) i 艺。但是进一 步的研究和实践发现，以u a s b 为代表的第二代厌氧生物处理工艺存在一些缺点，如 在结构方面，高径比小，因而占地面积大；难以在大规模反应器中实现均匀布水；其 三相分离器的稳定操作较为困难等。因此，又出现了以厌氧膨胀颗粒污泥床、厌氧内 循环反应器、升流式厌氧污泥床过滤器为代表的第三代厌氧生物处理工艺。 z a k i a h a k a s s a m 等【2 6 j 全面分析了厌氧处理技术的发展历史及全球化的发展趋势。 据其提供的资料表明，到2 0 世纪9 0 年代中期，由三家主要的厌氧技术供应商( 即 a d i 有限公司、b i o t h a n e 有限公司和p a q u e s 公司) ，共安装了7 5 0 套左右的厌氧处理 系统，厌氧污水处理的工业化应用规模呈指数增长趋势。截止到2 0 0 6 年，世界上约 有1 6 0 0 套商业厌氧污水处理系统在正常运行中【2 7 】。 在北美，大多数的厌氧处理系统应用于啤酒酿造( 2 6 ) 、马铃薯加工工业( 1 1 ) 及制浆造纸工业( 9 ) 中。z a k i a h a k a s s a m 等对厌氧反应器样式的市场发展前景进行了 分析，认为传统的u a s b 及发酵罐正被逐渐淘汰，而具有高负荷( 2 0k g m - 3 d 0 1 ) 处理 能力和高处理效率的厌氧反应器( 如b i o t h a n e 公司研制的膨胀颗粒污泥床反应器和 p a q u e s 公司开发的内循环厌氧反应器) 极具发展潜力。 1 2 3 厌氧处理工艺亟待解决的问题 就目前厌氧工艺的研究现状看，需要解决以下几个方面的问题： ( 1 ) 反应时间长，降解效率有待迸一步提高 由于厌氧微生物的世代时间长，因此必须设法延长污泥停留时间。，才能提高厌氧 反应器的处理效率。虽然现在的厌氧反应器，其单位容积生物量大大提高，反应时间 也缩短到数小时以内，但处理效率仍然需进一步提高。缩短反应时间、提高降解效率 是厌氧工艺处理城市污水的首要问趔2 8 】 ( 2 ) 厌氧过程启动慢，运行调试时间长 厌氧反应器启动是指在一定的条件下，使厌氧微生物增殖，形成由各种微生物种 群集结的污泥体，达到稳定的降解效率。反应器的启动是稳定运行的前提，然而，由 l前言 于厌氧过程的微生物生长缓慢，使生物系统的启动时间大大延长。 ( 3 ) 采用厌氧生物法不能去除废水中的氮和磷 含氮和磷的有机物通过厌氧消化，其所含的氮和磷被转化为氨氮和磷酸盐，由于 只有很少的氮和磷被细胞合成利用，所以绝大部分的氮和磷以氨氮和磷酸盐的形式在 出水排出。 ( 4 ) 运行管理较为复杂 由于厌氧菌的种群较多，如产酸菌与产甲烷菌性质各不相同，而互相又密切相关， 要保持这两大类种群的平衡，对运行管理较为严格。稍有不慎，可能使两种群失去平 衡，使反应器不能正常工作。 此外，厌氧工艺还需要解决如何降低温度和基质浓度的影响、提高传质效率、提 高微生物活性并有效避免挥发性脂肪酸的积累等问题。 1 3 厌氧处理的生物强化 在过去十年里，厌氧处理已逐渐成为高浓度污水处理中最常用的技术。关于厌氧 处理技术的研究也很多，主要集中在厌氧反应器的设计及微生物特性分析上【2 9 1 。 厌氧消化技术在固体废物减量化及传统的污水灌溉中发挥了重要作用。尤其是许 多厌氧反应器( 特别是u a s b 反应器) 的成功使用，有效提高了出水中有机污染物的 去除率。但是，由于其厌氧出水不能达到相关标准，只作为污水处理的预处理方法。 要使复杂的大分子有机污染物，如碳水化合物、脂肪和蛋白质等降解的第一步是 要将它们水解为能够被微生物利用的小分子单体。如果有机污染物主要以大分子的形 式存在，水解作用往往是整个消化过程的速率限制步骤，也是影响污染物降解效果的 关键。所以，对于中高浓度有机废水来说，提高厌氧阶段有机物的去除效率，有利于 后续好氧处理的顺利进行。如何对厌氧处理过程进行强化，从而提高其污染物质的去 除率，是环境领域研究的重点之一。 厌氧处理过程的强化方法，可分为两种：高效厌氧反应器的开发与应用及厌氧处 理的生物强化。 1 3 1 生物强化技术 生物处理是目前最常用的废水处理方法，它主要是通过各种微生物的新陈代谢作 用，将污染物质分解、吸收，从而达到净化水体和污染治理的目的。由于生物法成本 低、处理效率高、操作简单且无二次污染，因此，在生活污水和各种工业废水治理中 得到了广泛的应用。 随着经济发展和科学技术水平的不断提高，废水中的成分越来越复杂，各种人工 合成化合物及有毒有机污染物同益增多，增加了污水处理的难度，而另一方面，中高 浓度有机废水的处理，急需处理效果稳定、处理成本低、适用于中小企业的环保技术， 因此，生物强化技术迅速发展。 生物强化技术，即生物增强技术，是为了提高废水生物处理系统的处理能力，而 向该系统中投加从自然界中筛选的优势菌种或通过基因组合技术产生的高效菌种，以 3 天津科技人学硕i ：学位论文 去除某一种或某一类有害物质的方法【3 0 1 。 1 3 2 生物强化技术的优点 ( 1 ) 有效提高了对目标污染物的去除效率，使生物技术更具竞争力。秦华明等【3 1 】 在活性污泥中投加一株洋葱伯克霍尔德氏菌x 4 菌株，对含油脂废水进行强化处理，可 以提高油脂的去除率。未驯化的活性污泥对油脂的降解作用十分缓慢，在2 4h 内只降 解9 的油脂；驯化后的活性污泥对油脂具有较好的去除能力，在2 4h 内对油脂的降解 率为7 8 。投加的强化菌有助于油脂的去除，投菌量为4 3 时，2 4h 油脂的去除率达 至1 j 9 7 。 ( 2 ) 有利于改善污泥性能，减少污泥产生量。如b r i t t 等【3 2 】研究发现用生物强化技 术可使有机物去除率比单纯普通活性污泥法提高2 0 ，污泥产量降低3 4 ，并控制了 臭气的发生。 ( 3 ) 加快系统启动，增强系统抗冲击负荷能力。李宗义等【3 3 】采用定向选育的高效 混合菌处理啤酒废水，考察高效混合菌对s b r 反应器的生物强化作用。试验结果表明， 混合菌群的加入缩短了反应器驯化时间和曝气时间，提高了反应器的处理能力和效 果，增强了系统耐冲击负荷能力和系统稳定性。 ( 4 ) 促进难降解污染物的生物降解过程，提高生物法对难降解有机污染物的降解 效率。朱永光等阱】通过性能测定观察到，菌株c a n d i d as p 对苯酚具有较强的降解能 力，活性污泥系统中加入苯酚降解菌株之后获得了苯酚降解能力，且在实验的2 0d 内 一直保持这种较高的降解性能；活性污泥系统经过驯化也获得了一定的苯酚降解性 能，但是经过2 0d 的驯化后其降解性能只能达至l j 4 0 左右，较生物强化系统低6 0 。 1 3 3 生物强化技术在污染治理中的应用 生物强化技术中投加的微生物可以来源于原有处理体系，也可以是原来不存在的 外源微生物或遗传工程菌，同时，所投加的微生物应满足三个基本条件：( 1 ) 投加 后菌体活性高；( 2 ) 菌体可快速降解目标污染物；( 3 ) 在系统中不仅能竞争生存， 而且可维持相当数量【 】。 1 3 3 1 在污水处理中的应用 筛选、驯化出对某一污染物具有高效去除效果的菌种，应用于生物处理过程，能 显著提高对目标污染物的去除效果。c h a m b e r s t 3 6 】用生物增强技术处理牛奶废水，分别 采用了延时曝气、曝气塘和氧化沟三种不同系统，均提高了b o d 和c o d 的去除率。 h u n g 等【3 7 1 用该方法处理马铃薯废水，可使t o c 去除率达至1 j 9 8 。b e l i a 等【3 8 】研究采用 投茵的方法来驯化脱磷菌，向传统活性污泥中加入l o 的降解磷的纯菌，可以使整个 系统只需1 4d 就成为一个高效脱磷系统( 脱磷率达9 0 以上) ，单独用活性污泥驯化达 到此脱磷率需要5 8d 。 难降解有机污染物的治理是生物强化技术应用的重要领域之一。这些物质的共同 特点是毒性大、成份复杂、化学耗氧量高，一般微生物对其几乎没有降解效果，如果 这些物质不加治理地向环境排放，势必严重地污染环境和威胁人类的身体健康【3 9 1 。 l 前言 s e l v a r a t n a m 等m 】筛选到一株苯酚的高效降解菌p s e u d o m o n a sp u t i d aa t c c l l l 7 2 ，投加 n s b r 反应器中，在4 0d 内对苯酚的降解率始终维持在9 5 1 0 0 ，而那些没有接种 高效菌种的反应器，苯酚的去除率由初始的1 0 0 降n 4 0 。c a n e t 等【4 1 l 研究了降解 p a h s 的四种白腐菌，测试了p a h s 最高损失量。y u a n 等【4 2 】分离出可完全降解菲、苊、 芘，但不能降解蒽的混合菌，并研究- j p h 、温度、浓度、其他p a h 化合物及基质对菲 降解的影响。 1 3 3 2 在生物修复中的应用 生物修复是在人为强化工程条件下利用生物的生命代谢活动减少或去除环境污 染，从而使污染的环境能部分地或完全地恢复到原初状态的过程【4 3 1 。它主要是利用生 物技术治理难降解物质，因而成为一种新的环保技术【4 4 1 。郑金秀等【4 5 】利用生物强化技 术能有效提高土壤修复效率，与自然条件下的土壤修复相比，4 0d 内利用生物强化的 降解率达到了6 4 7 1 ，比自然条件下的降解率提高了1 5 5 9 。苏联学者i 拍】报道了从 1 9 9 5 年到1 9 9 9 年添加由r h o d o c o c c u sr u b b e r 和r e r y t h r o p o l i s 组成的“r o d e t 微生物制 剂强化修复石油污染河水和湖水的现场研究结果，石油分解率达j ! u 9 6 以上。 l - 3 3 3 在垃圾处理中的应用 席北斗等 4 7 1 利用高效复合微生物菌群对生活垃圾和污泥混合堆肥，通过测定堆肥 过程中总菌数、温度、有机物、c n 等，较系统地研究了高效复合微生物菌群在生活 垃圾、污泥混合堆肥系统中的作用。实验结果表明，堆料中接种高效复合微生物菌群， 增加了堆层中微生物总数，且由于复合微生物菌群各菌种之间的相互协同作用，生成 抗氧化物质，形成复杂而稳定的生态系统，使堆层中的微生物迅速繁殖，并维持在相 对稳定的较高水平。与对照组相比，接种高效复合微生物菌群的堆肥系统，可以迅速 分解堆料中的有机物，从而加速堆肥过程，使堆肥腐熟时间从对照组3 0d 左右，缩短 到1 2d 。丁雪梅等【4 8 】通过e m 菌剂培养生物膜和活性污泥来处理渗滤液，结果表明， e m 菌剂可明显提高对c o d 、b o d 的去除率，能够加快处理设施的启动速度，重新挂 膜速度较快，系统的稳定性也有所增强。 1 3 4 厌氧生物强化技术的研究现状 厌氧污泥颗粒化是高效厌氧反应器研究的重点【4 9 】。有效微生物的应用有利于改善 厌氧颗粒污泥的性能，从而有效提高系统对污染物质的去除效率。刘琴等【删利用从氧 化塘污泥中分离筛选出的高效优势菌群，对酒精废水中试结果表明，利用高效优势菌 群培养具有优良性能的高活性颗粒污泥，大大强化了u a s b 反应器的废水处理性能， 缩短了系统的启动时间，3 5d f l p 可完成系统的启动。反应器容积负荷从2 0k g ( m 3 d ) 提高到3 9 0k g ( m 3 m ，c o d 去除率先直线上升，后稳定在9 0 左右，最高达至 1 9 6 ， 反应器容积可缩小至原来的近1 2 0 ，节省基建投资，具有经济意义。李宗义等【5 i 】将分 离、筛选并经优化组合的优势菌群与厌氧污泥一同加入a s b r 反应器中，对啤酒废水 进行处理。结果表明，经强化的厌氧颗粒污泥较普通厌氧污泥具有驯化时间短，成熟 活性污泥在反应器内的停留时间长，污泥浓度增加等优点，从而使厌氧反应器的处理 l o 负荷和处理效率大大提高。而且，厌氧系统的稳定性和对不良因素的适应能力也大为 增强。 徐向阳掣5 2 】将从活性污泥中分离、筛选所获得的高效脱色菌，投加于处理染化废 水的厌氧反应器，结果发现：在相同c o d 负荷、水力负荷条件下，投加固定化细胞的 反应器，其脱色率可提高5 1 0 ，出水苯胺浓度提高4 0 6 5 。电镜观察发现 脱色菌在胶团内外持留、增殖。厌氧反应器性能的改善主要通过功能性微生物生物量 和相关基因库量的增加而实现。 张爱军等【5 3 】认为，在生物垃圾厌氧消化时，一定要加入菌种，其比例为料重的 2 0 3 0 以上，可以提高生物垃圾的厌氧产气速度和早期沼气中甲烷的含量。潘云 霞等【s q 在研究不同浓度接种物( 6 、1 8 、3 0 ) 对厌氧发酵产气特性影响的过程中 发现，接种物浓度与物料浓度相互制约，影响有机物的降解；不同的接种物浓度对反 应启动速度有显著影响，适宜的接种物浓度有利于细菌和微生物的生长，使产气加快。 1 3 5 高效菌株的分离与筛选 1 3 5 1 研究方法 目前在菌种选育中主要采用自然选育和诱变育种的方法。菌种分离，不仅是把混 杂的各类微生物有效地分开，得到纯种，更重要的是依据生产实际的要求，有的放矢 地、快速地、准确地将能产生所需产物或具有某种生化反应性能的菌种从大量的微生 物中挑选出来。因此，菌种分离和筛选的方法和策略就十分重要。一般来说，高效降 解菌的分离筛选流程如图1 i 所示1 5 5 1 。 一般选择长期受目标污染物污染的土壤、水体或其它微生物载体作为菌种来源。 如v a t s o u r i a a 等【5 6 l 以长期受铬酸盐污染的湿地系统混合物为菌种来源，分离筛选出一 株葡萄球菌属的细菌( 0 2 ) ，应用于厌氧处理中，用于去除铬酸盐与硝酸盐的污染。 l 前言 图1 - 1 高效降解菌生产流程图 f i g 1 - 1f l o wc h a r tf o rh i i g h l ya c t i v ed e g r a d a t i o nb a c t e r i ap r o d u c t i o n 1 3 5 2 研究现状 利用从受污染区域分离筛选出的单株菌或混合菌群，对类似污染介质进行净化， 往往能取得满意的处理效果。国内外的研究主要集中在难降解有机污染物、能显著提 高生物处理过程各阶段的有机物去除率、改善污泥性能、除臭、脱色、脱氮、除磷等 的高效功能菌株筛选及生物絮凝剂的研究与开发中。 金建云等【5 刀以豆油作为唯一碳源，经过2 个月驯化后筛选获得具有高效油脂降解 能力的细菌1 株，对油脂有较强的降解能力，而且该菌株对温度和p h 值适应范围广泛， 尤其是在室温条件下仍有5 0 6 0 的降解率，因此该菌转化油脂的工艺可以在常温 状态下进行。c h u p h a ly o g i t a 等1 5 8 l 利用白腐真菌及其它菌群处理制浆造纸废水，应用 两段s b r i 艺，对各种污染物有很好的去除：色度、木质素、c o d 及苯酚的去除率依 次为8 8 5 、7 9 5 、8 7 2 及8 7 7 。王琳等【5 9 1 分别以苯、甲苯为碳源，从厦门污 水处理厂活性污泥中富集筛选获得了2 株苯降解菌和2 株甲苯降解菌，这些菌均能利用 1 2 天津科技人学硕i ：学位论文 较高浓度的苯或甲苯作为唯一碳源和能源生长。在含苯和甲苯浓度分别为8 7 6 5m g l 和4 3 3 5m g l 培养基中能快速降解，7 2h 内降解率高达6 7 7 - - 9 2 4 。 l ip i n g 等t 删从不同的生物系统中分离得到三株具有好氧反硝化能力的菌株，分别 命名为h s - 0 3 、h s - 0 4 3 、h s - 0 4 7 。这三株菌都表现出很强的脱氮能力( 1 2 - - 一2 4h 内能 够去除9 8 的氮) 。l i ug a n g f e i 掣刨】将两种光合菌( 红色细菌亚目球菌属a s l 1 7 3 7 和沼泽红甲单胞属彳肼2 3 5 2 ) 应用于偶氮染料的脱色中，效果极佳。l uy i t o n g 等【6 2 】 以油作为唯一碳源，分离筛选出两株菌，应用于含油废水的处理，不仅能提高有机物 的去除率，还能维持系统运行时的稳定性。f t s a i a 等 6 3 l 使用被污染的海口沉积物作 为厌氧污泥，应用于复合膜生物反应器，考察了厌氧生物降解对五氯酚去除的影响。 其研究结果认为，应用厌氧处理技术及被污染的土著微生物，对于海口污染的生物修 复起着非常重要的作用。 1 4 本课题研究内容、目的、意义及可行性分析 1 4 1 研究内容、目的及意义 1 4 1 1 研究内容 ( 1 ) 分离筛选能够提高食品废水厌氧处理过程有机物去除率的兼氧菌株； ( 2 ) 研究已筛选菌株的生理生化特性，并考察其对不同水质废水的厌氧处理过程 的强化作用； ( 3 ) 考察其在含蛋白质和脂类食品废水中的应用效果。 1 4 1 2 研究目的及意义 厌氧技术在食品废水治理中发挥着重要作用，但是由于其反应时间长，对有机物 的去除效率有待进一步提高，所以，对其进行强化是必要的。通过投加特定菌群，对 原有的生物系统进行强化，可以有效提高对目标污染物的去除效率。 本实验以厌氧一好氧工艺为基础，结合生物强化技术，以餐饮业下水道污泥为菌 种来源，进行厌氧处理有机物高效降解兼氧菌的分离筛选，并考察其在废水处理中的 应用效果。 厌氧处理技术能耗低，但处理效率也低，一般只作为好氧处理的预处理。对于中 高浓度有机废水，厌氧阶段有机物的去除效率直接影响着后续好氧的处理效果，所以， 提高厌氧阶段有机物去除率，对于食品废水的处理，具有十分重要的意义。以兼性菌 强化厌氧处理过程，在适当的停留时间内可以有效地提高系统对有机物的去除效率， 从而缩短了达到预计去除率所需的停留时间，应用于实际工程中，可降低反应器的基 建费用和占地面积，进一步降低污水处理构筑物的基建成本。 1 4 2 可行性分析 ( 1 ) 菌株筛选介质餐饮业下水道污泥。餐饮业下水道污泥中含有大量油脂及 蛋白质，富含微生物生长繁殖所需的各种营养物质，故含有大量微生物，是分离筛选 能高效降解蛋白质和脂类食品废水的合适介质。 1 前言 ( 2 ) 厌氧处理过程的有机物去除率不高，增加了后续好氧处理的进水负荷。因此， 对厌氧过程进行生物强化，提高有机物的去除率，可以减轻后续处理负荷，有利于保 证最终出水水质。 ( 3 ) 对于中高浓度食品废水，直接采用好氧法处理，成本太高且处理效果不稳定j 因此，一般都采用厌氧法进行预处理。 ( 4 ) 兼氧菌的应用。由于厌氧菌的培养条件严格，应用于工程实践中，存在着菌 株难以规模化生产的问题；而作为在厌氧过程中发挥巨大作用的兼性菌，其分离筛选 方法简单，较易实现规模化生产和应用。因此，利用兼性菌来强化厌氧处理过程，具 有很好的前景。 1 4 天津科技人学硕l ：学位论文 2 菌株的分离筛选及生理生化特性 本章中，首先介绍了菌株的分离筛选，经过初筛及复筛得到一株能够有效提高废 水厌氧处理过程中有机物去除效率的菌株；对该菌株的生理生化特性及对不同水质废 水的厌氧处理强化效果进行了初步考察。 2 1 菌株的分离与筛选 如何在一定条件下，分离筛选对目标污染物有高效去除效果的菌株，是生物强化 技术的关键。在废水生物强化处理过程，适宜的微生物菌种可以从自然环境中分离， 也可以在实验室中由人工驯化、分离筛选而得。 菌株的分离筛选方法可分为两种： ( 1 ) 自然筛选 即利用待处理的废水对存在于污泥系统中的各微生物菌群进行自然筛选，使那些 能够快速利用此类废水中的营养物质作为能源的微生物菌群逐渐在整个生物系统中 占据优势，抑制其它菌群的生长，从而使其对废水有更好的净化效果。 ( 2 ) 筛选高效菌株 除自然筛选外，还可以选择合适的菌种来源，对其中的微生物菌种进行人工分离， 筛选出其中对目标污染物降解能力强的高效菌株。 以上两种方法可分别实施，也可相辅而行，本实验采用第二种方法，即高效菌株 的分离与筛选。 2 1 1 实验材料 试验所需主要试剂见表2 1 。 2 菌株的分离筛选及生理生化特性 表2 - 1 主要试剂明细表 t a b l e2 - 1d e t a i l so f r e a g e n t s 1 6 天津科技人学硕l - q ：位论文 试验器具包括酒精灯、接种环、涂布器、表面皿、移液管、锥形瓶、培养皿、 试管、烧杯等。 2 菌株的分离筛选及生理生化特性 电热恒温干燥箱 分析天平 生物摇床 分光光度计 p h 计 高压灭菌锅 生化培养箱 b o d 测定仪 烘箱 生物显微镜 超净工作台 溶解氧仪 干燥箱 容声牌电冰箱 浊度仪 g z x d h 3 0 3 5 b s l l 0 s q y c 2 0 0 恒温空气摇床 s p e c t r u m7 5 6 p c 紫外分光 光度计 d e u r a 3 2 0 p n 计 c i u 佃x 2 8 0 s p x 1 5 0 e t 9 9 7 2 4 d g g 1 0 1 - 0 x 5 - 2 1 2 j e ，c j y s im o d e l 5 7 g z x d h 3 0 x 3 5 2 1 0 0 p 上海跃进医疗器械厂 德国s 粕i u u s 公司 上海富马仪器公司 上海富马仪器公司 梅特勒托利多仪器有限公司 上海医用核子仪器厂 上海理化器材厂 上海雷磁仪器厂 天津天宇实验仪器有限公司 南京江南光电股份有限公司 苏州设备净化公司 上海雷磁仪器厂 上海跃进医疗器械厂 北京电冰箱厂 美国哈希 1 8 天津科技人学硕 ：学位论文 主要培养基配方表见表2 3 。 表2 - 3 主要培养基配方表 t a b l e2 - 3i n g r e d i e n t so fm a i nc u l t u r em e d i u m 培养基类型培养基配方 细凶基本 培养基 耐盐性实验用 培养基 硝化培养基 无机盐培养液 微量元素配方 仅氮源培养基 仅碳源培养基 葡萄糖5g 、硫酸铵2g 、硫酸镁0 0 2g 、柠檬酸钠1g 、磷酸二氢钾o 0 4g 、 磷酸氢二钾o 0 6g 、蒸馏水1 0 0 0m l ，p h 值7 0 7 2 ，同体培养基另加琼脂 2 。 蛋白胨2 9 、n a c i 按不同量加、蒸馏水1 0 0 m l ，p h7 7 。本实验中n a c l 浓 度取0 、l 、3 、5 、7 。 硫酸铵2 3 9 、乙酸钠1 3 7 9 、硫酸镁o 2 9 、k 2 p 0 40 4 9 、k h p 0 4 0 6 9 、蒸馏 水1 0 0 0 m l 、微量元素o 1 m l ，p h7 5 。 氯化铵1 6 9 、磷酸二氢钾1 4 9 、磷酸氢二钾0 6g 、柠檬酸钠lg 、硫酸镁 0 2 9 ，p 87 2 。 f e ( n h 4 ) z ( s 0 4 h 6 h 2 02 8 9 、z a s 0 4 7 h 2 00 8 8 9 、m n s 0 4 。h 2 00