（环境工程专业论文）优势菌技术在难降解石化废水处理中的应用.pdf

摘要 优势菌技术即通过向原有菌群中投加具有特殊作用的微生物来增强生物 量，以强化菌群对某一特定环境或特殊污染物的反应。将其应用到难生物降解 物质较多、构成较复杂的石油化工废水，目前正受到人们越来越多的关注。 本文以天津某石油化工厂的废水为处理对象，应用优势菌技术，通过对水 样t c o d 、s c o d 、s s ，以及反应系统中活性污泥m l s s 、s v 、s v i 值的检测 分析，确定优势菌应用的最佳反应环境条件、优势菌最佳投加量，同时考察加 入菌剂后系统的耐负荷冲击性、推导出污染物降解动力学方程，最后通过为期 1 个月的系统连续运行，考察菌剂的长效作用情况。 通过分析、检测得到以下结果： 针对实验所用污水，优势菌剂最佳投加量为2 w t ，采用分段投加方式，水 质p h 在酸性条件下，并向其中以c ：n ：p = 1 0 0 ：5 ：i 的比例投加n 、p 营养物质时 处理效果最佳。此外运行过程中，系统内曝气阶段曝气量为0 0 3 0 m 3 t l ，曝气时 间1 0 h ，总反应时间1 2 h 。且经试验，环境温度在1 5 2 5 范围内优势菌增效 反应系统内污水的处理效果均无大幅变化。 在耐冲击负荷方面，添加优势菌的增效系统表现更好，当进水负荷提高到 原水的3 倍时，出水水质仍能保持在相对较低的状态；原始反应系统仅在1 5 倍进水负荷时具有一定的承受能力，继续增加负荷至2 2 倍时系统出水t c o d 浓度比冲击前升高2 0 0 m g l 左右，当负荷为原水的3 0 倍时系统活性污泥系统 遭到严重破坏，出水t c o d 浓度进一步升高。 从长效实验的结果看，投加优势菌后，系统对污水的t c o d 、s c o d 的去 除效果均提高出3 8 个百分点，氨氮去除效果也有所提高；且通过对m l s s 值 的测试知，增效系统内污泥浓度在正常运行阶段与原始反应系统相比并无较大 差异，而污泥沉降比与s v i 值则相对更加稳定，污泥沉降性能更好。 此外，通过对实验数据的分析、计算，菌剂增效反应系统与原始反应系统 对t c o d 、s c o d 的降解均符合一级动力学关系，方程如下： 原始反应系统：y ( t c o d ) = 4 2 1 5 9 e o 0 1 9 9 x ；y ( s c o d ) = 3 3 3 4 7 e 。o 0 1 8 9 1 菌剂添加系统：y ( t c o d ) = 4 2 1 5 9 e o 0 2 嗽；y ( s c o d ) = 3 3 3 4 7 e 。o 0 2 2 6 x 关键词：优势菌、活性污泥、石化废水、运行条件、冲击负荷、降解动力学方 程、长效实验 a b s t r a c t d o m i n a n tb a c t e r i at e c h n o l o g yi sak i n do fm e t h o dt h a ts t r e n g t h e nt h er e a c t i o n o fp a r t i c u l a re n v i r o n m e n to rs p e c i a lp o l l u t a n t sb ye n h a n c et h em i c r o b i a lb i o m a s s t h r o u g ha d d i n gal 【i n do fs p e c i a lb a c t e r i ai nt h eo r i g i n a lm i c r o o r g a n i s ms y s t e m a t p r e s e n t ，t h e r ei sag r o w i n gc o n c e r na b o u tt h ea p p l i c a t i o no ft h i st e c h n o l o g yt o p e t r o c h e m i c a lw a s t ew a t e r a i m i n ga tt h ew a s t e w a t e rc h a r a c t e r i s t i c so fap e t r o c h e m i c a lp l a n ti nt i a n j i n ， d o m i n a n tb a c t e r i at e c h n o l o g yi sa d o p t e dt oh a n d l et h ew a s t ew a t e r ，a n dt h eo p t i m u m c o n d i t i o n sa r eg o tb yt e s ta n da n a l y s i so ft c o d 、s c o d 、s so fw a s t e w a t e ra n d m l s s 、s v 、s v io fa c t i v a t e ds l u d g e ，a n dt h e ns t u d yt h ei m p a c tf o rt h er e a c t i o n s y s t e mb ys h o c kl o a d i n g ，d e t e r m i n e t h e d y n a m i ce q u a t i o no fd e g r a d a t i o n ，a t l a s t ，e x a m i n i n gt h ee f f e c to fa g e n t so ft h el o n g - t e r ms i t u a t i o nt h r o u g hap e r i o do f c o n t i n u o u so p e r a t i o no nt h es y s t e m n l er e s u l t sa l ea sf o l l o w s ： t h eb e s tc o n d i t i o ni sf o u n d 、 ，i t l lb a c t e r i ac o n t e n to f2 w t a d d i n gb ys e v e r a l t i m e s ，p ho f5 5 ，a d d i n gn ，pw i t hc ：n ：p = 1 0 0 ：5 ：i ，a tt h es a m et i m e a n dt h eb e s t a e r a t i o nv o l u m eo f0 0 30 m 5 h ，a b o u t10 h ，t h et o t a lr e a c t i o nt i m ei s12 h a n d ，t h r o u g h t h et e s t ，t h e r ea l en oo b v i o u sc h a n g i n ga b o u t w a t e rt r e a t m e n te f f e c tw h e nt h ea m b i e n t t e m p e r a t u r ea t1 5 2 5 c c o m p a r i s o no ft h eo r i g i n a lr e a c t i o ns y s t e ma n ds y n e r g i s t i cs y s t e mt h a ta d d i n g t h ed o m i n a n tb a c t e r i a , r e s u l t ss h o wt h a t t h el a t t e rh a sab e t t e rp e r f o r m a n c eo n l o a d i n gr e s i s t a n c e a n dw h e nt h ei n f l u e n tl o a do fu pt o3 n s 0 ，t h ee f f l u e n tw a t e r t c o dc o n c e n t r a t i o nh a ss t i l lr e m a i n e da tr e l a t i v e l yl o wa n ds t a b l es t a t e o r i g i n a l r e s p o n s es y s t e mh a sac e r t a i nt o l e r a n c eo fw a t e rw h e ni n1 5 n s 0 b u tt c o do f e f f l u e n tw a t e ri n c r e a s e d2 0 0 m g lw h e ni n f l u e n tw a t e ri n t o2 2 n s 0 a n dt h ea c t i v a t e d s l u d g es y s t e mw a ss e v e r e l yd a m a g e dw h e n t h ei n f l u e n tw a t e rr o s et o3 n s 0 ，a l s ot h e c o n c e n t r a t i o no fw a t e rt c o df u r t h e ri n c r e a s e r e s u l t sf r o mal o n g - t e r mt e s t ，a d d i n gp r e d o m i n a n tb a c t e r i a , t h et c o d ，s c o d r e m o v a lr a t eo fe f f l u e n tw a t e rf r o ms y n e r g i s t i cs y s t e mi n c r e a s e d b e t w e e n3t o8 p o i n t s ，n h 3 - nr e m o v a le f f i c i e n c ya l s oi n c r e a s e d ；a n dt h es l u d g ec o n c e n t r a t i o no f e f f i c i e n c ys y s t e mi nt h en o r m a lo p e r a t i o np h a s ec o m p a r e dw i t ht h eo r i g i n a lr e s p o n s e s y s t e mw a sn o ts i g n i f i c a n td i f f e r e n c e ，a n dt h es v i 、s vv a l u ea r er e l a t i v e l ym o r e s t a b l e ，b e t t e rp e r f o r m a n c eo fs l u d g es e t t l e m e n t i na d d i t i o n ，t h r o u g he x p e r i m e n t a ld a t aa n a l y s i s ，c o m p u t a t i o n ，t h ed e g r a d a t i o n o fc o do fb o t hw i t ht h i st w or e a c t i o ns y s t e mi nl i n e 、7 l ，i mt h ef i r s t o r d e rk i n e t i c r e l a t i o n s h i p ，t h ee q u a t i o ni sa sf o l l o w s ： o r i g i n a lr e s p o n s es y s t e m ：y ( t c o d ) = 4 2 1 5 9 e 0 1 娩：y ( s c o d ) = 3 3 3 4 7 e 旬0 1 8 奴 s y n e r g i s t i cs y s t e m ：y ( t c o d ) = 4 21 5 9 e 。o 0 2 0 教：y ( s c o d ) = 3 3 3 4 7 e - o 0 2 2 6 x k e yw o r d s ：d o m i n a n tb a c t e r i at e c h n o l o g y ；a c t i v a t e ds l u d g e ；r e f r a c t o r y p e t r o c h e m i c a lw a s t e w a t e r ；o p e r a t i n gc o n d i t i o n s ；s h o c kl o a d i n g ；d y n a m i ce q u a t i o n o fd e g r a d a t i o n ；l o n g - t e r mt e s t 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，也不包含为获得云洼王些太堂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。 学位做储躲南 签字日期：7 昝多，吵日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丞洼王业太堂有关保留、使用学位论文的规 定。特授权丞洼工些太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：导师签名： 签字日期： 。7 年多月岁l ：i 签字日期： 。夕年3 月夕e t 学位论文的主要创新点 一、采用优势菌技术处理石化废水，对于优势菌的投加量、投加方式、 反应条件、曝气量、曝气时间、温度适应性等实际运行条件进行了 系统研究。 二、采用正交试验的方法对于投加量、投加方式、进水p h 值、营养 物质的添加种类等多个因素对优势菌处理石化废水的影响进行研 究。 三、推导出微生物降解动力学方程。分别得出添加优势菌的增效系统 对于水中t c o d 、s c o d 两值的降解动力学方程，并与原始系统的 相应降解速率常数进行比较。 第一章绪论 1 1 难降解有机废水 第一章绪论 1 1 1 难降解有机废水的来源 在人类活动对环境造成的污染中，其中有7 0 都来源于工业污染，而难降 解有机废水主要来源于化工产业。 化学工业是我国国民经济的基础产业之一，方面化工行业早已成为了用 水大户，如石化企业每加工一吨原油就需消耗3 0 - - 5 0 吨水，其中冷却用水占整 个用水量的8 0 左右，耗水量巨大。另一方面，化工产品品种愈加丰富多样化， 生产工艺过程也越来越复杂，从而造成了其产生的污水具有排污量大、有毒有 害物质成分复杂、治理难度大等特点，成为了工业中的污染大户【l 3 1 。 难降解有机废水正是由于石油化工企业的工艺过程及其合成的有机物日益 复杂，造成其排出的污水中的某些化合物表现出了难于被微生物降解的特性。这 样的难降解有机物被微生物分解时速度很慢，分解不彻底，并易在生物体内富集， 也容易成为水体的潜在污染源，威胁和损害人类的健康。 这类污染物包括多环芳烃、卤化烃、杂环类化合物、有机氰化物、有机磷农 药、表面活性剂、有机染料等有毒难降解有机污染物。如芳香烃类化合物一般均 较难被生物降解，大部分对微生物都有抑制作用，能使菌体蛋白质凝集，使生长 受阻或死亡。但在一定浓度下，芳香烃也能被一些细菌、放线菌降解【4 j 。 1 1 2 难降解有机废水的特点 难降解有机废水中的难降解有机物被微生物分解时速度很慢，分解不彻底， 并易在生物体内富集，也容易成为水体的潜在污染源，威胁和损害人类的健康。 研究表明难降解有机废水具有长期残留性、生物蓄积性、半挥发性、高毒性等 特点。 基于以上特点，随着现代化工技术的发展，其废水中含有大量不稳定的组 分，有毒有害物质的增加造成反应系统冲击负荷增大，而伴随着有毒有机物在 系统中降解速率缓慢等特点，常规生物处理工艺难以有效维持连续的驯化培养 物，已不能对进入其中的废水予以有效的处理【5 1 ，因此，围绕着难降解有机物 天津工业大学硕士毕业论文 的生物降解这一环境问题，国内外学者都进行了大量的研究工作，并已取得了 一定进展。 1 1 3 国内外难降解有机废水的处理方法 目前，国内外对于废水处理的方法按原理通常可分为物理法、化学法、生 物法。按处理程度可划分为一级、二级、三级处理工艺。 就难降解有机废水而言，其一级处理基本与其它废水处理模式相同，而二级 处理中生物法是国内外普遍应用的方法，物理法与化学法通常作为辅助手段与生 物法作为组合工艺联合使用。在需要作回用水或对出水水质有更高要求的情况 下，通常还要进行三级处理以及深度处n 4 6 o 这里只就二级常规处理的几种方 法进行简单介绍。 1 1 3 1 生物法 生物法是目前应用最广泛的废水处理方法之一，包括活性污泥法、生物膜 法等。围绕这两种方法衍生出了多种处理工艺如a b 法、a 2 o 法、u n i t a n k 、 氧化沟工艺、生物滤池、接触氧化法、厌氧生物处理等1 7 j 。 生物法的作用原理主要是利用微生物的新陈代谢，通过凝聚、吸附、氧化分 解等作用降解污水中的有机物，具有应用范围广、处理量大、成本低的优点【8 j 。 但随着科学技术的发展，石化化工企业的生产工艺日趋复杂，而其产生的废水中 有毒有害物质、生物难降解物质不断增多，对于传统的生物处理法造成了极大的 处理负担，因此近年来国内外越来越多的技术人员开始研究新的、高效的处理技 术与工艺如生物增效技术与优化组合工艺l l j 。 1 ) 活性污泥法 活性污泥法最早于191 4 年由英国人e a r d e m 和w t l o c k e t t 创立，迄今已有8 0 多年历史，它衍生出了多种多样的工艺流程并广泛应用于城市生活污水和工业废 水的净化并取得巨大的成功。 活性污泥是废水中具有生命力的多种微生物类群组成的肉眼可见的絮绒物， 称为絮凝体也有人称之为菌胶团。活性污泥中的主体生物是好氧微生物，其中又 以细菌为主，同时还有酵母菌、霉菌、放线菌，以及原生动物和后生动物等，它 们共同构成一个平衡的生态系统【7 1 。活性污泥具有良好的沉降性能，其颗粒直径 为0 0 2 , - - - 0 5 m m ，含水率_ 般在9 8 - - 9 9 ，比表面积大例。 活性污泥去除污染物的基本原理是：活性污泥与水充分接触混合后，由于 第一章绪论 活性污泥有较大的比表面积，表层黏液层迅速吸附大量的有机或无机污染物，吸 附过程大约3 0m i n 内即可完成，可去除废水中7 0 以上的b o d ，同时，被吸附的 有机或无机污染物在微生物酶的作用下，进行分解或合成代谢，从而使废水得以 净化【l o l 。 2 ) 生物膜法 生物膜法是好氧生物处理方法，其作用原理是在污水处理构筑物内设置微 生物生长聚集的载体( 即填料) ，在充氧条件下，微生物在填料表面积聚附着 形成生物膜后，由于生物膜的吸附作用，其表面存在一层薄薄的水层，水层中 的有机物已经被生物膜所氧化分解，其浓度比进水中的有机物浓度要低得多， 当废水在生物膜表面流过时，有机物就会从运动着的废水中转移到附着在生物 膜表面的水层中去，并进一步被生物膜所吸附。同时，空气中的氧也经过废水 而进入生物膜水层并阿内部转移【9 】。 目前，该法包括有生物滤池、生物转盘、生物流化床等水处理工艺。 3 ) 优化组合处理工艺 此法是通过改变工艺的组合方式或是添加一定药剂，延长水力停留时间、增 加泥龄，以提高微生物有效浓度，增加污染物与微生物的接触时间，从而达到提 高难降解有机物去除率的目的。 以厌氧一好氧工艺组合为例1 2 】。好氧生物处理实验表明，高浓度石化废水经 厌氧生物处理后，废水好氧生物处理的可生化性有很大程度的提高【5 1 。可生化性 提高的原因是废水中难降解有机物经厌氧生物处理后部分得以降解和去除，部分 有机物质从分子结构上有很大的改变。特别是一些好氧微生物难以降解的有机物 经厌氧消化后，变成好氧微生物易于分解的有机物。因此，对难生物降解的高浓 度石化废水，采用先厌氧后好氧处理工艺在技术和经济上是可行的【6 】。 该法应用于处理石化废水，实验结果表明：石化废水经厌氧处理以后，其好 氧可生化性提高2 0 , - - - 3 0 。当厌氧反应器进水有机负荷为5 2 k g c o d m 3 d ，水力 停留时间为2 4 h 时，b o d 5 去除率为8 5 ，c o d 去除率8 3 ，油去除率9 1 ；当曝气 池污泥负荷为0 4 5 k g c o d k g m l s s d ，水力停留时间为4 h 时，b o d 5 去除率为9 4 ， c o d 去除率为9 3 ，油去除率为9 6 。系统。营, c o d 去除率9 8 8 ，b o d 5 去除率为 9 9 2 1 。 4 ) 生物增效技术 生物增效技术，是指为了提高废水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，以去除某一 天津：r 业火学硕士毕业论文 种或某一类有害物质的方法。它通过向自然界菌群中投加具有特殊作用的微生 物来增强生物量，以强化菌群对某一特定环境或特殊污染物的反应【l 卜1 4 】 投加的微生物可以来源于原有的处理体系，经过驯化、富集、筛选：培养 达到一定数量后投加，也可以是原来不存在的外源微生物。实际应用中这两种 方法都有采用，主要取决于原有处理体系中的微生物组成及所处的环境。这一 技术可以充分发挥微生物的潜力，改善难降解有机物的生物处理效果【l 习。 目前实施生物增效技术的途径有优势菌技术、细胞固定化技术、酶固定化技 术以及投加能促进微生物代谢难降解污染物的初级共基质物质1 2 8 1 本实验所用优势菌技术即来源于此。 1 i 3 2 物理法 物理处理方法主要有吸附法、萃取法、蒸馏法以及各种膜处理技术等。但其 单独处理难降解有机污染物的文献报道不多见，多是与其他方法联合使用的工艺 组合。其中膜分离技术以其能提供稳定可靠的水质，占地少，运行操作完全自动 化的特点备受青睐，被称为是“2 l 世纪的水处理技术 ，近年来开发了膜生物反 应器( m b r ) ，使膜组件与生物反应器相结合，处理效果好，出水水质稳定。 膜分离技术是一种新型的净化分离技术，分离过程在常温进行，无相变， 不产生二次污染，是高效节能型分离净化技术，广泛用于污水处理与回用等领 域。膜分离可有效脱除废水的色度、臭味、各种离子、消毒副产物前体、大分 子如腐殖酸和灰黄霉酸等多种有机物和微生物。膜分离技术主要包括反渗透 ( r 0 ) 、纳滤( n f ) 、超滤( u f ) 及微滤( m f ) ，通常根据处理目的选用不同的膜分离 技术或组合工艺【2 j 。 用反渗透和超滤处理二级出水不仅能去除悬浮固体和有机物，而且能除去 溶解的盐类和病原菌等得到高级的再生水，可作工业用水、循环冷却用水及杂 用水等。有实验表明，利用膜技术深度处理石化废水，出水水质优于地下水， 可以作锅炉补给水或工艺用水 2 1 。 但是，由于难降解工业废水成分复杂，经二级生化处理的出水水质往往效 果不佳，而出水中的悬浮物、胶体、污泥絮体等都容易造成膜的严重污染，因 此，有效地解决膜污染问题成为能否在污水深度处理中采用膜技术的关键。为 了防止膜污染，膜分离技术前必须通过强化二级生物处理或者采用适当的三级 处理工艺，以提高膜分离过程的分离效率。 1 1 3 3 化学法 化学法即通过投加不同作用的化学药剂处理污水的方法，如化学氧化法、混 第一章绪论 凝沉淀法等。 化学氧化技术常用于生物处理的前处理，一般是在催化剂的作用下，用化 学氧化剂处理有机废水可提高废水可生化性，或直接氧化降解废水中有机物使 之稳定化。常用的氧化剂有0 3 、h 2 0 2 、k m n 0 4 等【2 】。现代工业的发展使含有 高浓度难生化降解有机物的工业废水日益增多，对于这类废水的处理，常用氧 化剂则表现出氧化力不强，并且存在选择性氧化等缺点，难以达到实际的要求。 目前国内外研究人员都在积极寻找更有效的氧化剂和新型氧化工艺，除了 以化学药剂作为氧化剂外，还出现了光催化氧化技术、湿式氧化法等多种氧化 方法。以光催化氧化为例，从1 9 7 2 年f u j i s h i m a 和h o n d a 发现光照的t i 0 2 单晶 体电极能分解h 2 0 以来，经过几十年的发展，该技术己成为一种高效低能耗的 新型难降解有机物处理技术，具有良好的应用前景，其中以t i 0 2 廉价、低毒、 高效成为最成熟、最广泛应用的一种催化剂【1 5 1 刀。 随着研究的深入，t i 0 2 催化降解有机物时，亦可利用太阳能来代替u v 光 源，国外关于采用t i 0 2 催化剂利用太阳能催化降解有机物的研究已有报道。以 日光能为驱动力的光氧化技术虽然大多处于实验室研究阶段，但具有良好应用 前景。 目前国内t i 0 2 光催化氧化降解有机物的研究十分活跃。武正簧等研究了t i 0 2 薄膜光催化降解甲基橙和亚甲基兰；时桂杰等系统论述了水中有机物的光催化氧 化等【3 8 1 。 1 2 优势菌技术 1 2 1 优势菌技术的提出 随着现代化工业生产工艺的日趋复杂，企业生产过程中产生的大量废水水 质也发生了相应变化，随着其中有毒有害、难生物降解物质的增多，传统的水 处理工艺如活性污泥法、厌氧法等越来越难以适应现代化工企业废水处理的需 求。 其主要原因在于： 1 ) 随着现代化工合成技术的发展，大量的异生化合物进入工业废水和城市 污水中，由于其本身的结构复杂性和生物陌生性，很难在短时间内被常规生物 处理系统中的微生物利用而进入物质循环，污水处理系统中甚至可能根本不存 在能够降解某些特定污染物的微生物。 2 ) 体系中能够降解某些特定污染物降解菌数量少，由于受到其它生物的竞 天津工业大学硕士毕业论文 争、捕食，很难大量繁殖，发挥应有作用；或者环境条件因子，诸如温度、p h 、 盐度、溶解氧等，不适于这些微生物生长，导致它们很难在数量上形成优势。 3 ) 降解目标污染物的微生物在质量上欠佳，即该微生物不是降解该目标污 染物的最佳微生物。 如果为解决这一问题而改变现有的水处理工艺设备、装置，此举必将给企 业带来沉重的经济负担，同时废弃仍具有使用功能的水处理设备也是一大浪费。 为此2 0 世纪7 0 年代国外研究学者提出t n 用优势菌技术来提高现有处理 工艺对有毒有害物质的生物降解效率，即对污染物降解菌进行筛选、培养从而 成为优势菌种再投加入反应系统。优势菌技术就是基于这一原理发展起来的。 优势菌技术的原理是通过向原有菌群中投加具有特殊作用的微生物来增强 生物量，以强化菌群对某一特定环境或特殊污染物的反应。8 0 年代以来，该技 术在多个领域中得到推广使用，在污染土壤、海洋和地下水的修复、城市污水 以及工业废水的处理中都有相应的研究和应用。 到2 1 世纪，优势菌技术在难降解有机废水处理中的应用更成为了研究热点 并取得了极大进展，国内外关于新型高效优势菌被成功开发研制的消息层出不 穷，而其在废水处理中所取得的显著的强化处理效果，以及其具有的成本低、 效率高、易操作、无二次污染的优点也使得该技术在应用领域得到广泛认同及 使用。 1 2 2 优势菌技术的概念及其作用机理 高效优势菌是指对某种特定的污染物或者特定某种废水具有较高的去除降 解效果的细菌、真菌、酵母菌、藻类等微生物。 优势菌技术是指通过富集、分离、筛选等步骤从自然界中找到降解某种污 染物的最佳微生物，扩大培养后再投入到受污染环境中；或将已有高效降解菌 通过诱变或基因重组、原生质体细胞融合等技术制成新型工程菌，并通过分离、 筛选得到该目标污染物的高效降解菌株，扩大培养后投入到受污染环境中，最 终降解污染物、消除污染的一类技术。 优势菌技术废水处理的作用机理主要是将不同污水中长势旺、生命力强的菌 种筛选出来，用该类水进行培养驯化后重新投入到水中进行污水处理，以达到更 高更快的处理效果。它具有专用化性质，对某一类有机污染物质具有高效分解和 利用的效果，从而达到净化被污染水体的目的【1 8 。2 1 】 其对污染物的生物强化作用主要表现为： 1 ) 优势菌种对污染物的直接降解作用 第一章绪论 通过驯化筛选、诱变、基因重组等技术得到具某种降解特性的微生物，使 其能够直接降解目标物质，并以其为主要碳源和能源生长。 2 ) 优势菌种间的共代谢作用 对于一些有毒有害物质，微生物不能以其为碳源和能源生长，但在其他基 质存在下能改变有害物化学结构使其降解。如以甲烷、芳香烃、氨、异戊二烯 和丙烯为主要基质生长的一些菌可以产生一种氧合酶，这种酶可以共代谢三氯 乙烯( ac e ) 。许多有毒有害有机物质的降解是通过共代谢途径进行的。 3 ) 微生物菌株质粒转移作用 许多微生物对污染物的降解是由质粒编码并控制，而质粒在微生物之间容 易实现水平转移交换。在对生物强化技术的某些研究中，将高效菌作为质粒的 供体加入到活性污泥系统中，以期望通过投加菌和固有菌之间的基因转移，使 固有菌具有某方面的降解特性 2 2 。2 4 】。 1 2 3 优势菌技术在难降解污水中的应用 近年来，国内外研究者对高效优势菌及其应用的研究日渐成熟，高效优势 菌在石油、造纸、焦化、橡胶、煤气等难降解物质较多的工业废水处理中多有 应用。 1 2 3 1 优势菌技术在石化废水中的应用 ( 一) 国内应用情况 1 ) 石化废水属较难生物降解工业有机废水，b o d 5 c o d 比值较低。为提高石化 废水的处理效果，增强对难生物降解物质的去除能力，高效微生物技术以其自 身特点成为了此类污水治理的重要发展方向【2 5 。2 7 1 。 洛阳石化总厂同中国科学院成都生物研究所合作，采用以高效复合菌为核 心的复合s b r 工艺，对该厂含油废水进行为期一年多的工业实验，取得了满意 的结果。其实验结果表明，以高效复合菌为核心的复合s b r 系统可成功地处理 石化废水，提高c o d 及石油类的去除率。而且，该系统对氮、磷亦有较高的去 除率。在整个工业实验期间，复合s b r 系统都显示出较强的抗冲击负荷能力， 使出水水质比较稳定且满足排放要求【2 8 1 。 天津工业大学硕士毕业论文 2 ) 上海某化工试剂厂所排放的废水不仅有机污染物浓度高，而且由于污染物主 要为苯环类物质，导致可生化性特别差。采用传统活性污泥法的厌氧( 水解酸 化) - - - s b r 工艺处理，c o d 一直未能达标。 为此，上海交通大学与兰州铁道学院联合选用投加高效复合微生物的生物 强化技术对该污水进行了实验。 实验结果表明： 系统对c o d 、总氮、氨氮的去除率分别可达到9 3 、8 3 9 3 、1 0 0 ，出 水各项指标均达到排放标准。 优势菌能有效地提高废水的可生化性，比普通活性污泥具有更强的破坏杂 环、打断长链能力。 水解酸化一s b r 反应器中投入优势菌，必须满足一定的h r t 。水解酸化 h r t 应达到2 4 h ，s b r 曝气时间应达到1 8 h 。 3 ) 北京化工大学的胡中豪【2 9 1 等人把活性炭h s b 菌种生物处理法和o a o ( 曝 气一厌氧一曝气) 处理工艺相结合，考察了该工艺各阶段的处理条件对污水中 c o d 去除率的影响。结果表明，该工艺与传统的活性污泥法相比，不仅简化了 工艺降低了运行成本，而且运行情况也比较稳定，更重要的是其可以直接处理 高浓度的焦化废水使出水c o d 去除率达9 0 以上。 ( - ) n # b 应用情况 1 ) 美国新泽西州市政污水采用诺维信公司的b i c h e m 2 0 0 3m s 嗜冷菌和 b i c h e m 1 0 0 4t x 专门降解污水中的部分高浓度表面活性剂。经运行实验表 明，使用生物增效技术后，出水中氨氮含量明显下降，去除效果十分显著。 2 ) 美国中西部精炼厂采用活性污泥法，在投加优势菌后，其出水氨氮含量均低 于当地排放标准。 3 ) 法国某造纸厂采用活性污泥法处理废水，在投加优势菌后，出水c o d 平均 从2 0 2 m g l 降到1 3 6 m g l ，c o d 去除率从7 3 提高到8 0 ；出水t s s 平均从 4 1 1 m g l 降到2 3 m g l ，生物增效作用显著【3 0 。3 2 】。 4 ) g u i o t 3 3 】研究了u a s b 反应器中酚、邻甲酚、对甲酚的降解，反应器用浓缩 的产甲烷菌进行生物强化，游离的细菌细胞和颗粒物自然接触，并包埋在褐藻 酸盐球中。营养物质的百分比由2 增加到5 ，反应器的降解速率提高；继续 由5 增加到1 0 ，对含酚化合物的去除没有影响；接下来水利停留时间为3 d ， 生物强化反应器表现出对含酚化合物特殊的活性，至少是原来的2 倍，其效率 提高的原因归功于含酚化合物降解菌在颗粒物上的固定化。 1 2 3 2 优势菌技术在其他废水中的应用 第一章绪论 1 ) 采油废水 采油废水是原油开采过程中产生的采出废水，具有高温、高盐、污水生化 性差等特点。目前，国内外采油废水达标排放的处理方法大都是常规活性污泥 法或其它生物法处理，存在很大的局限性。利用高效优势菌处理采油废水是一 种值得推广应用的好方法。杨二辉 3 4 1 等人筛选出对采油废水具有独特降解作用 的高温优势菌并采用接触氧化生物膜法对采油废水处理进行实验。该菌种对含 油废水中的油、c o d c ，、硫化物和挥发酚均具有良好的去除作用，在污水中能 迅速成为优势菌群且生长良好，能在超常规生物处理温度下不经人工降温直接 进行生物处理，使高温采油污水直接生物处理成为可能。利用环境生物技术， 曹明伟【4 】也筛选出高温优势菌并用生物膜法处理采油废水使其达标排放。 2 ) 造纸废水 制浆造纸行业漂白废水不仅b o d 、c o d c r 负荷大、色度高，还含有多种 致癌、致突变、致畸性的有机氯化物，对环境和人类具有极大危害。在废水处 理中，生物法的应用最为广泛，但含氯造纸废水中的有机氯化物不仅难于生物 降解且对微生物具有毒害作用。而蓝惠霞口5 1 等人和乔庆霞冈等人选育对有机氯 化物具有独特降解能力的优势菌，避免了生物法处理含氯漂白废水的缺点，使 得含氯漂白废水中的有机氯化物和c o d c r 的处理效果良好。 3 ) 焦化废水 焦化废水c o d c ，和氨氮浓度较高，且成分复杂，含有许多难生物降解的有机 物，如吲哚、吡啶等，是一种毒性很大的废水，对环境影响很大。所以，虽然 目前国内外焦化废水处理均采用生物法，但生物降解率不高，处理效果不够理 想。而现在对焦化废水中c o d e r 、n h 3 - n 、吲哚、吡啶等污染物采用优势菌进 行降解，已取得显著的成就。许萍妹等【3 7 】采用活性污泥作菌种，对活性污泥进 行梯度驯化，对优势菌进行筛选和分离得到5 株优势菌，结果表明，焦化废水 经优势菌处理4 8 h 后，c o d 的最高降解率为8 1 1 ，氨氮为5 1 2 。 4 ) 橡胶废水 橡胶工业是我国主要的化工工之一，橡胶生产过程中产生大量有机废水， 对环境的污染严重，随着微生物治理废水的研究受到逐渐重视，为了提高微生 物技术处理橡胶废水的效果，探寻高效优势菌处理橡胶废水的研究也已展开。 陈锦英【3 8 】等人从生产环境中经过筛选分离和模拟现场群体降解实验获得可降解 促进剂m 盐的高效优势菌。以混合菌液驯化后进行模拟现场群体降解实验， c o d c r 清除率平均为7 7 2 。冉岩【3 9 1 等人以蜡样芽孢杆菌作为高效优势菌的代 天津工业大学硕士毕业论文 表株，通过在不同的实验条件下对废水处理进行降解功能实验，结果为细菌浓 度以5 转种量、培养1 8 h 时的废水c o d c ，清除率最佳；细菌培养过程中供养 和增加碳源均有利于c o d c f 清除率的提高；随着反应系统内废水停留时间的延 长，c o d c ，清除率升高明显，水力停留时间1 天为4 6 9 ，停留时间1 0 天为 8 0 6 。 5 ) 煤气废水 煤气废水中排放的主要污染物包括苯酚、甲酚、问苯二酚及其它酚类化合 物。这些化合物属芳香族化合物，毒性高且难于降解。在各种酚类中，挥发酚 的毒性最大，若进入生物体内，会引起蛋白质变性和凝固。孙学凯【4 0 】等人以沈 阳市铁西煤气厂瀑气池和沉淀池中的活性污泥作为菌源，苯酚和间苯二酚作为 底物，筛选出1 2 株脱酚能力较强的菌株。在好氧条件下，细菌将酚分解成二氧 化碳和水，从而达到降解酚的目的。单一菌株对苯酚和间苯二酚的最高去除率 分别达到8 3 4 6 和9 6 6 6 ；混合菌株具有协同代谢的作用，对酚的作用比单 一菌株作用明显，对苯酚和间苯二酚的最高去除率分别达到8 7 2 8 和9 7 0 6 。 6 ) 其他有机废水 s a r a v a n a n c e 等人【4 1 4 2 1 在传统生物处理不能得到很好效果的情况下，利用流 动床反应器，在厌氧条件下，通过生物强化来处理制药厂废水中的头孢力新和 反渗透药物。在传统的操作模式中，由于不能维持生物量增长，反应器难以保 障持久的去除效果，而通过每隔2 天加入3 0 - - 一7 3 2 9 微生物细胞方式，利用微 生物的强化作用，c o d 去除率最大可达到8 8 5 。 直链烷基苯磺酸钠( l a s ) 是一种阴离子表面活性剂，具有良好的乳化、去污、 渗透能力，广泛地应用于洗涤剂、化妆品等。同时它所带来的污染也引起了国 内外科学家的重视。c g l o x h u b e r 1 5 】等报道的粪产碱菌、大肠杆菌、绿脓假单 孢菌以及黏质沙雷氏菌可降解l a s 。柯娜【1 6 】等鉴定了一株可完全降解l a s 的 菌株g 2 6 ，定为苯基杆菌属的新种可动苯基杆菌。该菌株是目前报道的l a s 负 荷量最大的菌株。广泛应用于农药、有机合成工业的氯苯类化合物是毒性很高 的难降解化合物，被列为优先处理污染物，据报道假单胞菌和诺卡氏菌优势组 合菌可降解氯代芳香族化合物，厌氧条件下，1 7 周可完全降解酚类化合物【4 3 】。 1 2 4 优势菌技术的研究现状与发展方向 1 2 4 1 优势菌技术的研究现状 1 0 第一章绪论 目前国内外优势菌技术的研究主要集中在两方面，一是对高效优势菌的开 发与培育研究，二是对优势菌处理废水效果及相关影响因素进行的研究。 1 ) 在优势菌开发培育方面： 近年来，世界各国的科学家做了大量工作，包括长期驯化得到具有一定降 解能力的微生物群体；从特定的环境中分离纯化得到某些具有特定降解能力的 微生物纯培养；通过基因工程手段来改造微生物，以使其具有特定的降解能力。 这些技术可以在反应器规模上用来处理工业废水，也可以制造微生物制剂现场 投放。 h s b ( h i g hs o l u t i o nb a c t e r i a ) 技术于1 9 9 1 年在台湾获得专利( 专利号 5 2 1 2 3 ) 。h s b 是一个复合微生物群的概念，现己发展到1 0 0 余种，如反硝化 产碱菌、脱氮硫杆菌、氧化硫杆菌、排硫硫杆菌等。h s b 技术具有高效净化 水质的功能，主要在于微生物之间存在互生、共生的协同作用，菌种互相依赖 形成特殊的分解链，达到净化水质的目的。目前，广泛应用于焦化废水、印染 废水、生活污水的生物处理，取得了良好的成效。胡中豪【2 9 】等采用h s b 菌液 与o a o 处理工艺相结合，处理高浓度焦化废水，结果表明：该法可有效降低 运行成本并显著提高c o d 的去除率。 e m ( e f f e c t i v em i c r o o r g a n i s m s ) 是日本琉球大学比嘉照夫教授等于2 0 世纪8 0 年代初期研制出来的一种复合微生物制剂，它是一种由好氧和厌氧微生物群组 成的互利共生体，包括1 0 个属8 0 多个微生物，其中主要代表微生物有光合细 菌、乳酸菌、酵母菌和放线菌类。各种微生物在其生长过程中产生有用物质及 其分泌物形成相互生长的基质和原料，通过相互共生、增殖关系形成一个组成 复杂、结构稳定、功能广泛的具有多种细菌的微生物群落的生物菌群。e m 菌在农业和环保领域得到了广泛的应用 4 5 1 。朱亮h 6 等以模拟生活污水为对象， 采用活性污泥法原理初步实验了e m 对生活污水有机质的降解能力，实验结果 表明：e m 富集培养液能有效处理高浓度污水，且与单独的活性污泥比，投加 菌液后，其c o d 的去除率提高达2 0 3 0 左右。但是目标污染物不同，e m 的 最适加入量也不同。e m 用于污水处理，主要存在着菌液复壮，防止菌液流失 和选择合适的菌液载体问题。e m 菌液经过复活后，能产生絮凝物质，具有生 物絮凝性。 2 ) 在处理效果与影响因素方面的研究则主要是通过两方面进行： 一是在实验室中，模拟实际操作，以难降解废水为处理对象，对优势菌的 处理效果进行研究； 另一种方法则是在实际工程应用中，通过对出水水质指标数据进行长期的 天津工业大学硕士毕业论文 记录，分析考察实际运用效果。 如王庆生【4 7 】等研究了优势复合工程菌对抗生素工业废水有机质的降解能 力，该实验出水可达国家规定的制药工业排放标准。 w a t a n a b e 4 8 】等把三种菌种接种到三个活性污泥单元体系来降解酚，将酚的 完全降解时间由十天缩至2 3 天。 w a g n e r 4 9 】等将假单胞菌p s e u d o m o n a s 固定化，并研究它在外循环三相流化 床反应器中降解萘2 磺酸。 1 2 4 2 优势菌技术的研究方向与发展前景 1 ) 研究方向 目前，处理高难度有机废水的高效优势菌以其成本低、二次污染少的优点， 在实践中得到了广泛的应用。 选择合适的生物降解环境，开发新的生物降解技术，培养和