（环境工程专业论文）固定化微生物处理高盐垃圾渗滤液的试验研究.pdf

中文摘要 本文在筛选高效降解c o d 耐盐菌的基础上，选择凝胶包埋法和物理吸附法 两种微生物固定化技术，进行了生物强化处理高含盐垃圾渗滤液的试验研究。 包埋法固定化高效菌以聚乙烯醇( p v a ) 添加少量海藻酸钠( s a ) 和粉末活性炭 ( p a c ) 作为载体。通过单因素分析和正交试验优化包埋条件，确定包埋高效降解 c o d 耐盐菌的最佳条件为：p v a 浓度为9 ，s a 浓度为o 9 ，包炭量2 5 ， 初始包菌量1 5 ，交联成型液为p h6 7 的饱和硼酸溶液，交联时间2 4 h 。 包埋的固定化高效菌对垃圾渗滤液降解能力明显高于游离态高效菌，其最佳 降解条件为：包埋菌剂投加量1 5 ( v v ) 、p h 值7 8 、温度3 7 。当原水c o d 4 0 6 3 1 m g l 时，反应1 0 天，包埋高效菌对c o d 的去除率达5 1 4 ，比游离菌提 高了1 5 。 吸附法固定化复合菌以聚氨酯海绵作为载体。通过对悬浮活性污泥、活性污 泥接种于载体、复合菌和活性污泥等量组合接种于载体，处理垃圾渗滤液的试验 进行对比。结果表明：高效菌和活性污泥等量混合接种比单纯的高效菌接种，具 有成膜快、活性高的特点，并且解决了直接投加液体高效菌时菌液易流失的问题。 高效混合菌附着在聚氨酯海绵上，可以较快适应变化的环境，稳定保持较高的处 理效果。对垃圾渗滤液c o d 的去除率比普通活性污泥法提高了2 0 。 关键词：高盐垃圾渗滤液，耐盐菌，化学需氧量，包埋，吸附，固定化技术 a b s t r a c t o nt h eb a s i so fs a l t - t o l e r a n tm i c r o o r g a n i s m sw h i c hc a ne f f e c t i v e l yd e g r a d ec o d i nw a s t e w a t e r , a d s o r p t i o na n de m b e d m e n ti m m o b i l i z e dm e t h o d sw e r eu s e di nt h i s t h e s i st ot r e a tt h eh i g hs a l i n i t yl a n d f i l ll e a c h a t e i i lt h ee m b e d m e n ti m m o b i l i z e de x p e r i m e n t ，p o l y v i n y la l c o h o l ( p v a ) ，a sw e l la sas m a l l a m o u n to fs o d i u ma l g i n a t e ( s a ) a n dp o w d e ra c t i v a t e dc a r b o n ( p a c ) w a sc h o s e n 弱 t h ee n c a p s u l a t i n gc a r r i e rf o ri m m o b il i z i n go fs a l t - t o l e r a n tm i c r o o r g a n i s m s ，s c r e e n e d i np r e v i o u sr e a s e a r c h b a s e do nt h es i n g l e f a c t o re x p e r i m e n t sa n do r t h o g o n a lt e s t s ，t h e o p t i m i z e dc o n d i t i o n s f o rb a c t e r i ai m m o b i l m i n gw e r e ：9 p + 0 9 s a + 2 5 p a c + i5 h i g h e f f i c i e n c yb a c t e r i ai nv o l u m e ，p h6 7f o rt h es a t u r a t e db o r i ca c i d s o l u t i o n ，a n dc r o s s l i n k i n gt i m eo f 2 4 h w h e nt h ei n f l u e n tc o dw a s4 0 6 3m g l ，t h ec o dr e m o v a lr a t eb yt h e i m m o b i l i z e db a c t e r i aw a s51 4 a f t e r10d a y sa tp h7 - 8a n d3 7 c ，15 h i g h e rt h a n t h a tb yf r e ec e l l s i nt h e a d s o r p t i o n i m m o b i l i z e de x p e r i m e n t ，c o m p o u n dm i c r o o r g a n i s m s ( c o n s i s t i n go f5 0 h i g h e f f i c i e n c yb a c t e r i a , 2 5 y e a s t sa n d2 5 p h o t o s y n t h e t i c b a c t e r i a ) w e r ed e v e l o p e d p o l y u r e t h a n es p o n g e ( p s ) w a sc h o s e na st h em a t r i xf o r i m m o b i l i z i n go ft h e s ec o m p o u n dm i c r o o r g a n i s m s t h r e es y s t e m s ，c o n v e r n t i o n a l a c t i v a t e ds l u d g e ( s 1 ) ，a c t i v a t e ds l u d g ei m m o b i l i z e do np s ( s 2 ) ，c o m b i n a t i o no f a c t i v a t e ds l u d g ea n dc o m p o u n dm i c r o o r g a n i s m s ( w i t ht h es a m ee q u i v a l e n tv o l u m e ) i m m o b i l i z e do np s ( s 3 ) ，w e r ee x p l o r e d r e s u l t ss h o w e dt h a tt h es 3h a dt h ef e a t u r e s o ff a s ts t a r t i n g u pa n dh i g hd e g r a d i n gc a p a c i t y i th a dt h eh i g h e s td e g r a d a t i o nr a t eo f c o d ，2 0 h i g h e rt h a nt h a to fs iu n d e rt h es a m eo p e r a t i n gc o n d i t i o n s f u r t h e r m o r e ， t h i ss y s t e mo v e r c o m et h ep r o b l e mo fb a c t e r i al o s sw h e na d d i n gl i q u i di n o c u l a n t s ，t h u s h a dag r e a ta p p l i c a t i o np o t e n t i a l k e yw o r d s ：h i i g hs a l i n i t yl a n d f i l li e a c h a t e ，s a l t - t o l e r a n tb a c t e r i a ，c o d ，e m b e d m e n t ， a d s o r p t i o n ，i m m o b i l i z e dt e c h n o l o g y 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫盗盘鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：趣街 签字日期：歹即罗年多月j 日 | 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解基鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 赵诸 导师签 一一 签字日期：力哆年占 月j 日 签字同期：姗罗年占月1 日 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 垃圾渗滤液的产生、特点和处理技术 城市垃圾卫生填埋因其技术成熟、处理费用较低、便于管理，目前已成为国 内外广泛采用的处理城市固体废弃物方法之一，在我国目前有9 0 左右的城市垃 圾是用填埋法处理的i 嵋】。在垃圾填埋的过程中，由于压实和微生物的分解作用， 垃圾中所含的污染物将随水分溶出，并与降水、径流等一起形成垃圾渗滤液。渗 滤液是一种污染很强的高浓度有机废水，其成分主要由垃圾种类和垃圾成分所决 定，并随垃圾填埋场的“年龄”而变化。以往垃圾简单填埋处理所产生的渗滤液 主要依靠下层土地来净化，但随时间的延长和地质构造对污染物去除容量的有限 性，渗滤液会对地下水、地表水及垃圾填埋场周围环境造成污染，使地表水体缺 氧、水质恶化、富营养化，威胁饮用水和工农业用水水源，使地下水质污染而丧 失利用价值。有机污染物进入食物链将直接威胁人类健康1 3 , 4 l 。为了防止垃圾渗 滤液污染水体，美、英等国家对垃圾填埋场提出了严格的技术要求i5 1 。我国也早 在1 9 8 9 年颁布了城市生活垃圾卫生填埋技术标准( g j j l 7 8 8 ) ，1 9 9 7 年颁布 了生活垃圾填埋污染控制标准( g b l 6 8 8 9 1 9 9 7 ) ，对垃圾渗滤液的排放极限值 提出了严格的要求。 1 1 1 垃圾渗滤液的产生 在垃圾填埋场中，当水分渗入并穿过填埋层时，其中的原有可溶物及生物降 解反应产生的可溶物，以及由此引起的化学反应所产生的可溶物均会进入渗滤液 中。有些亲水性的毒性有机物会从垃圾的空隙中进入渗滤液，有些疏水性的、被 吸附在空隙中细小颗粒上的这类有机物，也可能被吸入渗滤液中，某些重金属在 酸化阶段即p h 下降时，会溶解进入渗滤液。 垃圾渗滤液的产生主要来自以下五个方面【6 】： ( 1 ) 降水的渗入。降水包括降雨和降雪，降雨的淋溶作用是渗滤液产生的主 要来源。 ( 2 ) 外部地表水的流入。包括地表径流和地表灌溉。 ( 3 ) 地下水的渗入。当填埋场内渗滤液水位低于场外地下水水位，并没有设 置防渗系统时，地下水就有可能渗入填埋场内。 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 ( 4 ) 垃圾本身含有的水分。这包括垃圾本身携带的水分以及从大气和雨水中 的吸附量。当垃圾含水为4 7 时，每吨垃圾可产生0 0 7 2 2 吨渗滤液。 ( 5 ) 垃圾填埋后，微生物厌氧分解产生的水。垃圾中的有机组分在填埋场内 分解时会产生水分。 1 1 2 垃圾渗滤液的水质特点 垃圾渗滤液是一种有机污染负荷较高、水质极为复杂的废水。垃圾渗滤液水 质的变化受垃圾组成、垃圾含水率、垃圾体内温度、垃圾填埋时间、填埋规律、 填埋工艺、降雨渗透量等因素的影响，尤其是降雨量和填埋时间的影响，随填埋 时间和降雨量的增加，渗滤液的浓度会逐渐下降。由于上述影响因素随机性很大， 所以渗滤液的化学组成也变化很大。我国典型城市垃圾渗滤液水质指标见表 1 1 【7 1 。 表1 1 我国典型城市垃圾渗滤液水质 项目上海杭州广州深圳 台湾某市 c o d b o d 5 t n s s n h 3 - n l5 0 0 8 0 0 0 2 0 0 - 4 0 0 1 0 0 7 0 0 3 0 5 0 0 6 0 - 4 5 0 l0 0 0 5 0 0 0 4 0 0 2 5 0 0 8 0 8 0 0 6 0 6 5 0 5 0 5 0 0 14 0 0 5 0 0 0 4 0 0 2 0 0 0 1 5 0 9 0 0 2 0 0 6 0 0 1 6 0 5 0 0 5 0 0 0 0 8 0 0 0 0 2 0 0 0 0 3 5 0 0 0 4 0 0 - 2 6 0 0 2 0 0 0 7 0 0 0 5 0 0 2 4 0 0 4 0 0 0 3 7 0 0 0 6 0 0 2 8 0 0 0 2 0 0 - 2 0 0 0 5 0 0 - 2 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 p 望i ：i垒：i垒：i ：!垒：垒：垒：垒：z ： 注：除p h 值以外，表中所列项目的单位均为m g l 。 由上表可知，垃圾渗滤液c o d 和b o d 5 浓度是生活污水的1 0 1 0 0 倍，其它污 染物是国家地表水环境质量标准( g b 3 8 3 8 2 0 0 2 ) 规定的v 类水体的数十倍，甚 至数百倍，其污染浓度极高且成分复杂。 通常垃圾渗滤液中的有机物可分为3 种：( 1 ) 低分子量的脂肪酸；( 2 ) 中等分 子量的灰黄霉酸类物质；( 3 ) 高分子量的碳水化合物类物质、腐殖质类。渗滤液 中的有机成分随填埋时间而变化。填埋初期，渗滤液中的有机物的可溶性有机碳 约9 0 是短链的可挥发性脂肪酸，其中以乙酸、丙酸和丁酸浓度最大。其次的成 分是带有相对高密度的羟基和芳香族羟基的灰黄霉酸。随填埋时间的增加，填埋 场逐步趋于相对稳定，此时，渗滤液中挥发性脂肪酸含量减少，而灰黄霉酸和腐 殖质类成分则增加。 一般来说，垃圾渗滤液的水质有以下特点： 2 天津大学硕士学位论文第一章绪论 ( 1 ) 污染物种类繁多。有机污染物包括单环芳烃类、多环芳烃类、杂环类、 烷烃及烯烃类、醇及酚类、酮类、羧酸及酯类、胺等。张兰英等人【7 】采用g c m s d s 联用技术鉴定出垃圾渗滤液中有9 3 种有机化合物，其中2 2 种被列入我国和美国 e p a 环境优先控制污染物的黑名单。美国环保局【8 1 1 9 8 8 年公布了垃圾填埋场中检 测到的2 0 余种非甲烷类有毒有害挥发性有机化合物，如苯、二甲苯和含卤素化 合物等，部分具有致癌作用，其浓度达到1 0 击( p p m ) 级。近年来，从垃圾渗滤液 中还检测出含有致痛物卤代烃( a o x ，为可吸附的有机卤化物) 。工业部门使用的 垃圾填埋场，其渗滤液中还会含有有毒有机物和无机物，水质更为复杂。 ( 2 ) 污染物浓度高和变化范围大。垃圾渗滤液的这一特性是其他污水所无法 比拟的，其中c o d 和b o d 5 浓度最高可达每升几万毫克，主要是在酸性发酵阶段 产生，p h 达到或略低于7 ，此时b o d 5 与c o d 比值为0 5 0 6 。一般而言，c o d 、 b o d 5 、b o d 5 c o d 随填埋场“年龄”增长而降低，碱度则上升。c h i a n 9 i $ 1 s c o t t o l 等对渗滤液中主要污染物指标随填埋场“年龄”而变化的规律进行了研究，得出 了相同的结论。 ( 3 ) 水质水量变化大。垃圾渗滤液水质水量变化大，主要体现在以下方面： 产生量随季节变化大，雨季明显大于旱季；污染物组成及其浓度也随季节变化， 例如，平原地区填埋场在干冷季节渗滤液中的污染物组成和浓度较低；污染物组 成及其浓度随填埋时间而变化。 ( 4 ) 金属含量高。由于垃圾降解产生c 0 2 溶于垃圾渗滤液中使其程微酸性。这 种偏酸性的环境加剧了垃圾中不溶于水的碳酸盐、金属及其金属氧化物等发生溶 解，因此垃圾渗滤液中含有较高浓度的金属离子。垃圾渗滤液中含有的金属离子 可达十多种【l l 】。由于国内垃圾不象国外某些城市那样经过严格的分类筛选，所以 国内城市垃圾渗滤液的金属离子浓度与国外某些城市垃圾渗滤液中金属离子浓 度有差异【1 2 1 。其中铁浓度可高达2 0 5 0 m g l ，铅的浓度可达1 2 3 m g l ，锌的浓度 可达1 3 0 m g l ，钙的浓度可达4 3 0 0 m g l 。 ( 5 ) 氨氮含量高。城市垃圾渗滤液是一种组成复杂的高浓度有毒有害有机废 水，其中高n h 3 - n 浓度是城市垃圾渗滤液的重要水质特征之一。渗滤液中的氮多 以氨氮的形式存在，约占t n 的7 0 - - 8 0 。当氨氮( 尤其是游离氨) 浓度过高时， 会影响微生物的活性，降低生物处理的效果。 ( 6 ) 营养元素比例失调。对于生化处理，污水中适宜的营养元素比例是 b o d 5 ：n ：p ：1 0 0 ：5 ：1 ，而对一般的垃圾渗滤液中的b o d 5 p 大多大于3 0 0 ，与微生物 生长所需的磷元素相差较大。 ( 7 ) 其他特点。垃圾渗滤液通常呈淡茶色或暗褐色，色度深，有恶臭。渗滤 液在进行生物处理时会产生大量泡沫，不利于处理系统正常运行。由于渗滤液中 天津大学硕士学位论文第一章绪论 含有较多难降解的有机物，一般在生化处理后，c o d 浓度仍在5 0 0 - 2 0 0 0 m g l 范围内。 1 1 3 垃圾渗滤液的处理技术 目前垃圾渗滤液的处理多采用“预处理一主处理一后处理”的工艺流程【1 3 】。 合理的预处理措施可有效地提高渗滤液的可生化性，改善后续工艺的运行环 境，从而节约处理费用。 生物处理法是渗滤液处理中最常用的主处理方法【14 1 ，由于其运行费用相对较 低、处理效率高，不会出现化学污泥等二次污染，因而被世界各国广泛采用。生 物处理法主要包括好氧生物处理、厌氧生物处理及好氧厌氧联合处理三种。 ( 1 ) 好氧处理法 填埋场初期渗滤液的b o d 5 c o d 值较高，可生化性好，此时各种好氧处理工 艺：活性污泥法、氧化沟、生物膜、氧化塘及其改进工艺用于处理垃圾渗滤液在 国内外均有成功的经验。 k a e n a n l 9 8 3 年报导活性污泥能去除渗滤液中9 9 的b o d 5 ；v e n k a t a r a m a n i 掣”】发现，渗滤液中8 0 以上的有机碳能被活性污泥去除。 v a nb e n t h u n 1 刚，h o i i l i j o k i l l 7 】等都曾利用生物膜来处理垃圾渗滤液，发现对 生物脱氮及其生物降解有机物均有较好的效果。 英国的b r g np o s t e gl a n d f i l l 和n e wp a r kl a n d f i l l i s j 的渗滤液采用曝气生物塘 处理，效果较稳定，去除率c o d 为9 7 8 ，b o d 5 为9 9 5 。欧美和日本近年来 的实践表明，生物滤池和生物转盘对垃圾渗滤液有良好的脱氮效果。事实上，日 本近年来作为垃圾渗滤液的生物处理设施，多采用生物转盘方式i l9 1 ，该方式适应 水量、水质变化能力强，运转管理容易，运转成本低。 ( 2 ) 厌氧处理法【2 0 2 1 】 厌氧生物处理随着微生物学、生物化学等学科发展和工程实践经验的积累， 在理论和实践上有了很大进展，在处理高质量浓度( b o d 5 2 0 0 0 m g l ) 有机废水方 面取得了良好效果。 ( 3 ) 好氧与厌氧兼性处理法【2 2 之5 1 实际应用中，单独采用厌氧工艺或好氧工艺很少，常常将厌氧工艺和好氧工 艺多次组合后来处理垃圾渗滤液，它包括厌氧一氧化沟一兼性塘工艺、厌氧一好 氧生物氧化工艺、厌氧一气浮一好氧工艺、u a s b 一氧化沟一稳定塘工艺等。这 些组合工艺既可提高处理效率，又可以降低运行费用。 u w e l a n d e r 掣2 6 】采用好氧一缺氧悬浮载体生长系统对瑞典h y l l s t o f t a 填埋场 的渗滤液进行了深入研究，发觉该系统对氨氮和总氮的去除率均达到9 0 以上。 4 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 当填埋超过5 年后，“老化”的渗滤液可生化性变差，应考虑物化法。因物 化法不受水质水量的变化，且出水稳定。物理化学法主要有活性炭吸附、化学沉 淀、密度分离、化学氧化、化学还原、离子交换、膜渗析、气提及湿式氧化法等 2 7 3 2 1 多种方法。在c o d c r 为2 0 0 0 4 0 0 0 m g l 时，物理化学法对c o d c r 的去除率可 达5 0 - - 8 7 。许多学者已将上述的物理化学法用于处理垃圾渗滤液。除此之外， 还有反渗透法和光化学催化氧化法。 但物化法成本较高，所以一般作为前处理或后处理工艺，配合生化法处理【3 3 。 有些经主处理后的渗滤液仍不能达到排放标准，因此有必要进行后续处理。 柴晓莉掣3 4 j 用微生物絮凝剂对垃圾填埋场渗滤液进行后续处理，结果表明：混凝 法对难降解有机物的去除十分有效，c o d c r 去除率可达6 0 以上，特别是微生物 絮凝剂的用量少，且不产生二次污染。 1 2 高含盐废水的生物处理技术 高含盐废水是指总含盐( 以n a c i 含量计) 质量分数 1 的废水3 5 1 。该类废水 除含有大量的无机盐外，还含有有机物和质量分数 3 5 的总溶解性固体物 ( t d s ) 。 1 2 1 高盐度影响生物反应的机理 般来说，无机盐类在微生物生长过程中起着促进酶反应、维持膜平衡和调 节渗透压的重要作用。但盐浓度过高，会对微生物的生长产生抑制作用，主要抑 制原因在于【3 6 3 9 】： ( 1 ) 废水中盐分含量的高低影响水的活度，从而导致水的渗透压的改变。盐 浓度过高时，升高的环境渗透压破坏微生物的细胞膜和菌体内的酶，从而破坏微 生物的生理活动。 微生物在等渗透压下生长良好。微生物在质量分数为5 - 8 5g l 的n a c l 溶 液中形态和大小不变，并生长良好； 在低渗透压( n a c ! 浓度为o 1g l ) 下，溶液水分子大量渗入微生物体内， 使微生物细胞发生膨胀，严重者破裂，导致微生物死亡； 在高渗透压( n a c l 浓度为2 0 0g l ) 下，微生物水分子大量渗到体外，使 细胞发生质壁分离。 细菌在不同渗透压下的反应见下图1 1 4 0 。 5 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 | | | 目| 三i 誊i 水l ：l 水 _ k ：r 仁：j 。 a 等渗溶液 b 低渗溶液c 高渗溶液 图1 1 细菌在不同渗透压溶液中的反应 ( 2 ) 适应于淡水环境的微生物在高盐情况下代谢酶活性受阻，微生物增长缓 慢，产率系数低，例如因盐析作用而使脱氢酶活性降低。 刘j 下等1 4 l j 处理环氧丙烷废水时，当c a c l 2 浓度从2 突然升至3 时，微生物 由于受抑制而使脱氢酶( t f ) 产生速率由4 1 8 p g ( m g h ) 下降到0 ，出水的c o d 也升 高，由于菌胶团的解体，出水c o d 甚至高于进水c o d ，经过一段时间( 约2 个 星期) ，处理系统才恢复。 f l 二 矗 置 苎 、 番 溜 制 l h 图1 2 盐度突然改变时微生物脱氢酶1 1 f 产率的变化 ( 废水含c a c l 2 浓度从2 突然升至3 ) 由淡水环境到高盐度环境时，由于能适应高浓度盐的菌种很少，轮虫、固着 及游泳性纤毛虫等原生动物迅速死亡。从低浓度盐到高浓度盐时，微生物有一个 适应期，由高浓度盐到低浓度盐适应期更长，盐浓度的变化可能引起微生物代谢 途径的改变。 ( 3 ) 无机盐浓度对反应速率的影响。无机盐对废水生物处理的影响与其类型 6 和浓度有关一股随着浓度升高可分为刺激作用、抑制作用和薄害作用i 大类 自l 图1 3 1 ”i 。 o 剖 窖 t 化台舒陈瞳 图l 一3 无机盐浓度对生物反碰速率的彬响 ( 4 1 不同牛活在淡水环境下或者淡水处理构筑物中的微生物接种到高盐环境 下仪有部分微生物存活。这是盐度对微生物的一种选择，将淡水微生物的存活 苹定义为1 0 0 当盐度超过2 0 叽其存活幸低于4 0 。闻此，与盐度超过2 0 扎， 一般认为用淡水微生物无法进行处理。 盐度( z l ) l 目1 4 水中盐度对微牛物存活率的彩响 1 9 3 1 年微生物学家w i n s l o w 和h a y w o o 2 研究发现n a c l 浓度0 2 9 1 4 6 1 9 l 叫能促进水中大肠杆茼的生k - 但当水中含盐浓度加到5 8 9 ，l 时- 大肠杆菌i 剖受 | i j n a c i 的毒害作用而全部死亡；图l - 4 为水中盐度对微生物存活率的影响。 1 9 3 7 年，z o b c l l 等h 首次通过实验研究了盐对处理有机废水的影响，他们用 2 9 6 3 * 粤船 天津大学硕士学位论文第一章绪论 从生活污泥、土壤和海水接种来的微生物处理含盐废水，结果发现，在含盐度为 2 8 介质中三种不同来源的微生物存活率分别为o 、小于1 、小于2 。 1 2 2 高盐度对常规生化法的影响 盐度对常规生化法的影响主要有以下四个方面： ( 1 ) 对出水水质的影响。 处理系统对离子的浓度变化很敏感，当系统突然受高含盐废水的冲击时，则 系统的有机物去除率降低、微生物呼吸速率降低、s v i 增大、出水b o d 5 、s s 升 高【州。盐度突增2 就能对系统产生显著破坏，因此，保持盐浓度的稳定是工程 设计中主要考虑因素之一【4 5 1 。 ( 2 ) 对生物活性影响 盐浓度的增加将破坏生物代谢功能和降低生物的降解动力。在含盐3 5 的 系统中，每毫克污泥降解总有机碳能力从0 3 m g h 降低到0 1 2 m g h 【3 引。 ( 3 ) 对生物种类的影响 盐度的增加，使处理系统中的原生动物和丝状微生物减少，出水的悬浮物浓 度一般高于1 0 0 m g l 。 ( 4 ) 耐盐度的极限 许多文献表明【3 8 一】，盐度超过3 0 0 - 5 的废水不能用常规的生化法处理。 1 2 3 高含盐废水的生物处理对策 ( 1 ) 选择合适的生物处理工艺 同济大学环境生物教研室提出了用不同生物处理工艺处理有机废水所允许 的n a c i 最高浓度f 4 6 】。见表1 - 2 。 表1 2 几种生物处理方法中n a c i 浓度的限制量 研究普遍认为生物膜法的耐盐能力大于悬浮活性污泥法。另外，加设厌氧段 可以提高后继好氧段的耐盐范围。 工业高含盐废水通常含有难生物降解的有机物，对微生物有抑制作用，可生 化性低，单纯的生物处理技术往往难以达到所要求的排放标准。高含盐废水经过 8 天津大学硕上学位论文第一章绪论 预处理，去除废水中的部分污染物，特别是对微生物有抑制作用或毒性的污染物， 并提高废水的可生化性，有利于后续生物处理工艺运行，因此，生物法和物理、 化学法的组合工艺在高盐废水的处理中有较好的应用前景，是未来处理高含盐工 业废水的的发展方向1 4 。 ( 2 ) 稀释进水盐度 既然高盐成为微生物的抑制和毒害剂，那么将进水进行稀释，使盐度低于毒 域值，生物处理就不会受到抑制。这种方法简单，易于操作和管理；其缺点就是 增加处理规模，增加基建投资，增加运行费用，浪费水资源。 ( 3 ) 驯化淡水微生物 适应于生活在淡水生物处理设施中的微生物在进入一定浓度的含盐环境内， 会通过自身的渗透压调节机制来平衡细胞内的渗透压或保护细胞内的原生质，这 些调节机制包括聚集低分子量物质来形成新的胞外保护层，调节自身的代谢途 径，改变基因组成等，因此，正常活性污泥可以在一定盐度范围内通过一定时间 的驯化处理含盐废水1 4 引。 虽然污泥通过驯化可以提高系统耐盐范围，提高系统的处理效率，但是，驯 化污泥中的微生物对盐度的耐受范围有限，而且对环境的变化敏感。当盐度环境 变化时，微生物的适应性会立刻消失。驯化只是微生物适应环境的暂时生理调整， 不具有遗传特性。这种适应性的敏感对污水处理工程的实施很不利。 一些研究认为驯化后的污泥能够耐受的盐度范围为3 0 5 0 9 l p 引，并且由于 耐盐污泥所需驯化时间长，对于更高盐度的废水( 含盐浓度在5 0 9 f l 以上，甚至 达到2 0 0 9 l ) ，利用嗜盐微生物则是一种快速有效的办法。 ( 4 ) 筛选耐盐微生物 在自然界高盐环境，如盐湖、死海、盐场和海洋中，广泛生存着耐极高盐度 的嗜盐菌。嗜盐菌具有特殊的蛋白质和细胞壁结构，其上含有大量的带负电荷的 氨基酸和脂类物质，使细菌在细胞内能积累大量带正电荷的物质( 女l ：l n a 十、k 十等) 。 根据细菌生长所需最佳盐度的不同，细菌可分为非嗜盐菌、海洋细菌( 也称 为弱嗜盐菌) 、嗜盐菌( 包括中度嗜盐菌和极端嗜盐菌) 1 49 1 。各类细菌适宜生长 的盐度环境见表1 3 。 嗜盐菌能够在高盐环境中生长，是由于其特殊的细胞结构和生理功能1 5 引。 嗜盐菌能利用的碳源十分广泛，适宜于偏碱性的环境。嗜盐菌细胞壁没有肽 聚糖，取而代之的是伪肽聚糖和糖蛋白，糖蛋白中的酸性氨基酸含量高。在积累 钾离子的嗜盐菌蛋白质中含有高比例的酸性氨基酸，这些氨基酸残基在蛋白质的 表面形成负电屏障，从而促进了蛋白质的稳定性；在嗜盐古细菌的细胞膜外有一 个呈六角形排列的由磺化的糖蛋白组成的s 单层，由于磺酸基团的存在使s 层呈 9 天津大学硕上学位论文第一章绪论 负电性，因此使组成亚基的糖蛋白得到屏障保护，在高盐环境中保持稳定。 表1 3 各类细菌适宜生长含盐浓度 一些研究表明将嗜盐菌接种到污水处理构筑物中，能有效的去除高盐废水中 的有机污染物。女h e s t r e l l aa s p e 掣5 3 】用海洋底泥接种可有效处理渔场废水。 w o o l a r dc r t 5 4 j 利用从美国大盐湖中分离出的嗜盐菌处理盐度为1 1 5 的 含酚废水。研究表明，酚的去除率达到9 9 ，出水悬浮固体质量浓度约为5 0 m g g l ， 低于普通污泥处理的含盐废水出水的悬浮固体；当盐度从1 突变到1 5 时，处 理系统仍能对酚进行稳定有效地去除，这可能与反应器中同时存在耐盐微生物与 嗜盐微生物有关。 gts h i n 掣5 5 悃酵母菌处理泡菜生产废水，4 8 h 后可以完全除去废水的酸度， b o d 由1 1 0 0 0 m g l 降至l j 和固相支持物 表面的反应基团之间形成化学共价键连接，从而成为固定化细胞。该法细胞与载 体之间的连接键很牢固。此法中微生物大多死亡，应用并不广泛。 ( 3 ) 交联法 利用双功能或多功能的试剂，直接与细胞表面反应基团进行反应，使细胞彼 此交联，形成网状结构。和共价结合法一样，都是靠化学结合的方法使细胞固定 化，同样反应条件剧烈，对细胞活性影响大。而且适用于此类固定化的交联剂大 多比较昂贵，因而其在应用中受到一定的限制。 ( 4 ) 包埋法 1 2 天津大学硕士学位论文第一章绪论 包埋法是目前制备固定化微生物最常用、研究最广泛的方法。将微生物细胞 包埋在凝胶的细小空格内或包埋于半透膜聚合物的超滤膜内，分为微胶囊法和凝 胶包埋法。该方法能保持多酶系统，对微生物细胞的活性影响较小且制备的固定 化细胞颗粒强度高，目前广泛应用于废水处理。 ( 5 ) 无载体固定化方法【6 2 】 这是一种全新的概念，它是利用某些微生物细胞具有自絮凝形成颗粒的能 力，使微生物产生自固定。在自絮凝颗粒形成过程中，同时形成了微生物的适宜 生态环境，使之有利于微生物代谢之间的协调。微生物絮凝是一个极复杂的现象， 不仅受环境、生理等方面影响，如无机离子、基质浓度、基质种类、p h 、温度、 时间等，而且与遗传因子、蛋白质有关。颗粒污泥的形成，即属于微生物的自身 固定化过程。这种固定化技术在高浓度有机废水的处理方面正在发挥越来越大的 作用。 1 3 2 固定化微生物的载体 开发筛选理想的固定化微生物载体是固定化微生物技术能否投入使用的关 键。适用于废水处理的理想固定化载体应具备以下特点1 6 3 l ：对微生物无毒性、传 质性能好、性质稳定且不易被生物分解、强度高寿命长、细胞的固定化操作容易、 水不溶性、价格低廉等。 就目前在固定化微生物技术中所使用的载体材料而言，主要分为三大类：无 机载体、有机高分子载体和复合载体 6 1 , 6 4 1 。 ( 1 ) 无机载体 无机载体如多孔陶珠、红砖碎粒、砂粒、活性炭等，具有机械强度大、对微 生物无毒性、不易被微生物分解、耐酸碱、成本低、寿命长等特性，因而是一类 重要的载体材料。 无机载体大多具有多孔结构，在与微生物接触时，利用吸附作用和电荷效应， 从而把微生物固定。无机载体内部有较大的孔隙度，可以容纳不断增殖的微生物， 使得载体内细胞浓度增大，提高了处理效率。无机载体的固定化方法简单易行， 只需要把载体放入含有一定浓度微生物的溶液中，固定一段时间( 一般2 4 h 左右) 即可。 ( 2 ) 有机高分子载体 有机高分子载体分为天然高分子凝胶载体和合成有机高分子凝胶载体。 天然高分子凝胶载体一般对生物无毒性，传质性能好，但强度较低，在厌氧 条件下易被微生物分解，寿命短，常见的有琼脂、角叉莱胶、海藻酸钙、甲壳素 等。在这儿种天然载体中，琼脂强度最差。天然的角叉莱胶在分离出影响其强度 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 的k 角叉莱胶成分后，强度和稳定性有所提高，但价格较贵。由于甲壳素不溶于 普通试剂，其应用受到很大限制。相比之下，海藻酸钙具有价格低廉、制备容易、 传质性能好等优点，应用最为广泛。 合成高分子凝胶载体一般强度较大，但传质性能较差，在进行细胞固定时对 细胞活性有影响。常见的此类载体有聚丙烯酰胺、聚乙烯醇( p v a ) 、光硬化树脂、 聚丙烯酸凝胶等。聚丙烯酰胺凝胶在包埋细胞时，由于交联过程中的放热以及交 联试剂本身的毒性，细胞在固定化过程中往往失活。p v a 凝胶是目前国内外研究 最为广泛的一种包埋固定化载体，它具有强度高、化学稳定性好、抗微生物分解 性强、对细胞无毒且价格低廉等一系列优点，因而具有很大的应用价值。 ( 3 ) 复合载体 由于有机和无机载体材料各有优缺点，而两类材料在许多方面互补，因此， 可将这两类材料结合，组成复合载体材料，以改进材料的性能。 1 3 3 影响微生物固定化的重要因素 影响微生物固定化的因素主要有以下三个方面：微生物本身的性质( 如浓度、 活性等) ，所使用的载体的性质( 如种类、表面特性、化学性质等) 以及环境特 征【6 。 ( 1 ) 微生物的性质 在微生物固定化过程中，高的悬浮态微生物浓度，将加速微生物向载体表面 的传递，增加其与载体的接触机会，有利于微生物在载体上固定化。同时，高的 微生物活性，也有利于其代谢作用分泌更多的多聚糖类物质，多聚糖所具有的粘 性作用可促进微生物与载体的粘附，缩短可逆附着的时间，从而加快固定化进程。 较高的微生物活性可使其具有较高的能量水平，而能量水平的提高也有利于其在 向载体表面的主动或被动输送、附着过程中，克服或削弱各种作用力的不利影响， 提高其初始积累速率。 ( 2 ) 载体的性质 载体的表面粗糙程度及其电荷是影响固定化速率的重要因素，载体材料的表 面越粗糙，越有利于微生物在其表面附着固定，同时粗糙表面上空洞、缝隙等的 存在，对已吸附的微生物具有保护伞的作用，使它们免受水力扰动、剪切和冲刷 的影响。在一般环境条件下，微生物表面通常带负电荷，根据异性相吸的原则， 使用表面带有正电荷的材料作为载体将有利于加速i 司定化进程，使微生物在液相 中向载体表面的输送变得更为容易。 ( 3 ) 环境特征 主要有废水的p h 值和水力流态两个方面。废水液相的p h 值对微生物在载 1 4 天津大学硕士学位论文第一章绪论 体表面的固定化速率的影响主要表现影响微生物的表面带电特性。水力流态的控 制主要从以下两个方面考虑：一方面为实现良好的处理效果，需增加微生物与废 水接触的机会，因而需要一定紊动程度；另一方面载体表面不同的水流速度将产 生不同的水力剪切作用。为有利于微生物在载体表面的附着生长，要求将水流紊 动程度控制在微生物与载体的结合体所能承受的范围内。 1 3 4 固定化微生物技术在废水处理中的应用 该技术自7 0 年代后期被利用到水处理领域后取得了令人瞩目的成绩并显示 出广阔的应用前景，涉及废水处理的各个领域，主要有有色废水脱色，硝化脱氮， 处理含酚废水，处理制药废水，处理洗涤剂废水，处理其他有机废水( 如含氰废 水、喹啉废水、豆制品废水等) ，处理重金属废水等几方面。该技术还广泛应用 于农业、养殖业、医药业等行业中。 全向春等【6 5 】将降解2 , 4 二氯酚的高效菌群固定化后，投加到序批间歇式生物 反应器中，研究表明，投加固定化高效菌种能够缩短s b r 系统处理2 ，4 二氯酚的 启动时间，增强其耐冲击负荷的能力。 美国圣地亚哥州立大学和土耳其科学家合作m ，利用流化床式反应器 ( f b r ) ，以浮石作为固定化材料( 支持材料) ，厌氧处理棉纺厂废水，在# l - j n 碳源 ( 约2 9 l 葡萄糖型化合物) 时，c o d 去除率达8 2 ，b o d 去除5 9 4 ，脱色5 9 。 赵美云等【6 7 】对海藻酸钠氯化钙法包埋某高效微生物菌种用于强化聚酯废水 的生物处理进行了试验研究，同时将其与普通系统和高效菌种的悬浮投加型强化 系统作了相应比较。结果表明：相对普通系统，悬浮投加高效菌种可使出水c o d 降低1 0 0m g l ，处理率提高8 ；而用海藻酸钠氯化钙法包埋固定化之后投加则 可使出水c o d 降低2 0 0 m g l ，处理率提高1 4 ，使最终出水c o d 达到1 0 0m g l 以下，达到出水的排放要求，且减少了废水中对环境有较大危害的1 ，4 二氧杂环 己烷的含量。 固定化微生物技术处理废水的成果是显而易见的，结合垃圾渗滤液处理技术 发展的趋势来看，今后强化生物处理技术将是研究的重点之一【6 8 】。 邱忠平等【6 9 】筛选出5 株有效降解垃圾渗滤液化学需氧量的优势荫株，研究其 对渗滤液c o d 的降解特性。结果表明，5 株优势菌株均是好氧微生物，对c o d 的 最佳降解时间为1 2 0h ，最适p h 均为7 ，混合菌株比单一菌株的降解效果好，在 3 0 c 、p h 为7 时，c o d 去除率为4 5 3 。 国内已有固定化微生物处理垃圾渗滤液的工程实例，肖美兰等【_ 7 0 】采用固定化 微生物技术对深圳某垃圾处理厂电絮凝后的渗滤液进行了处理研究，并建成了处 理量为6 0m 3 d 的处理装置，运转结果表明：当进水c o d c ，为1 9 8 0m g l 、氨氮 天津大学硕士学位论文第一章绪论 为8 2 0m g l 时，处理出水d f l c o d c ，为1 3 0m g l 、氨氮为1 8 0m g l 。该处理系 统具有较强的抗冲击负荷的能力，且未发现水质的变化对微生物特别是硝化细菌 产生抑制现象。说明采用固定化微生物技术治理垃圾渗滤液在技术上是可行的。 1 4 本研究的目的和内容 本试验以天津市滨海新区汉沽区垃圾卫生填埋场渗滤液为研究对象，该废水 水质与水量变化大、污染物复杂、有机物浓度高，并且含盐量高，使用普通的生 物处理工艺启动时间长，效果也不甚理想。本课题组采用生物技术对垃圾渗滤液 中微生物进行分离筛选，得到两株能够在该种垃圾渗滤液中存活，并能有效降解 其中有机污染物的耐盐微牛物。 确定本文的主要研究目的如下： ( 1 ) 探讨如何保持性能良好的菌种在垃圾渗滤液处理系统中的优势，并把 c o d 降解活性保持下去。 ( 2 ) 在注重工程应用性的同时，探索垃圾渗滤液处理过程中的一些难题。 为此，进行了以下几个方面的研究内容： ( 1 ) 采用凝胶包埋法对细菌进行固定化处理，筛选合适的包埋剂。以小球的 强度、传质性能、c o d 去除率等为指标分析影响包埋固定化的因素。通过正交 试验确定最佳包埋条件，分析包埋高效菌小球的物理特性。 ( 2 ) 进行固定化微生物处理垃圾渗滤液的研究，充分考虑各种操作参数对处 理效果的影响。包括固定化小球接种量、不同摇床转速( 表征曝气强度和方式) 以及环境参数( 如温度、p h 和进水c o d 等) ，从而确定最佳处理环境。在确定 的操作参数下，对游离高效菌和包埋高效菌处理同一垃圾渗滤液的效果进行比 较。 ( 3 ) 通过吸附固定化，把高效菌和活性污泥接种各自的优点结合起来，研究 复合菌群和活性污泥等量混合接种在聚氨酯海绵上处理实际垃圾渗滤液的效果， 并与常规的活性污泥接种处理工艺作比较。 1 6 天津大学硕士学位论文第_ 章耐盐高效复合菌的包埋尚定化 第二章耐盐高效复合菌的包埋固定化 将从垃圾渗滤液中分离筛选出的高效耐盐菌固定化，可以使其免受高浓度有 机污染物的毒害作用，从而充分保持菌株的高效降解活性，防止其活性的退化。 试验采用凝胶包埋法对细菌进行固定化处理，其优点是制备容易，价格低廉，制 得的粒子机械强度高，使用寿命长，弹性好。主要从以下几个方面展开工作： ( 1 ) 选择合适的包埋剂。 ( 2 ) 以小球的强度、传质性能、c o d 去除率为指标分析影响包埋固定化的因 素。 ( 3 ) 通过正交试验确定最佳包埋条件，分析包埋高效菌小球的物理特性。 2 1 试验材料与方法 2 1 1 水样来源及水质 试验水样来自天津市滨海新区汉沽区垃圾卫生填埋场垃圾渗滤液。试验期间 水样的水质如表2 1 所示。 表2 - 1 试验期间垃圾