三相流化床中人苍白杆菌的挂膜及其降解苯胺废水.pdf

三相流化床中人苍白杆菌的挂膜及其降解苯胺废水 ＊ 吴锦华 韦朝海 李 平 谭展机 华南理工大学环境科学与工程学院, 广州 510640 摘要 利用驯化筛选的苯胺优势降解菌人苍白杆菌 Ochrobactrum anthropi 在内循环三相流化床内处理含苯胺废水, 以 自行研制的纤维颗粒为载体, 研究了溶解氧 DO 和水力停留时间 HRT 对苯胺降解过程的影响, 探讨了反应器抗废水 浓度负荷冲击的能力并考察了反应器对含苯胺生产废水的处理效果 。 结果显示, 在 4 d 内微生物开始附着纤维载体 生长, 反应器经过 30 d 驯化启动即进入稳定状态; 对废水获得良好的处理效果。 由此证明了优势菌种与生物流化床 结合处理毒性难降解苯胺废水的高效性。 关键词 苯胺废水 优势菌种 生物降解 三相流化床 ＊国家自然科学基金 20477011 ; 广东省自然科学基金 05300188 资 助项目 0 引言 苯胺是涂料 、 染料 、异氰酸酯 MDI 和制药等行 业的重要原料, 其下游产品有 150 余种 [ 1] 。自然环境 中硝基芳香化合物和苯胺类农药的微生物转化也可 以形成苯胺 [ 2] 。苯胺类化合物是毒性难降解物质 ,对 于生态系统和人类身体健康带来巨大的危害 [ 3] ,迫切 需要高效的处理方法来解决苯胺废水造成的环境问 题。生物降解过程是消除苯胺污染的最有效途径之 一 [ 4] 。然而,废水生物处理过程需要微生物在反应器 中降解污染物, 微生物的降解能力以及反应器的传质 效能和操作条件直接影响目标污染物的降解效果。 因此 ,本研究尝试以优势菌种结合传质良好的内循环 三相流化床 [ 5] 处理苯胺废水并探讨有关的特性 。 1 材料与方法 1. 1 菌种来源 从苯胺废水处理站下水道污泥分离获得苯胺高 效降解菌人苍白杆菌 Ochrobactrum anthropi ,非发酵 属,革兰氏阴性 ,其最佳生长条件为 pH 6. 8～ 7. 5,温 度30 ℃。菌种经摇瓶扩培后, 直接加至流化床反应 器进行反应器启动和挂膜 。 1. 2 生物载体 采用糖厂蔗渣粉末及木材加工厂的锯末作为基 质,以浓度为 10的NaOH 溶液浸泡 2. 5 h ,洗除木质 素后经烘箱于 65 ℃脱除水分, 配以胶粘剂及微生物 生长所需的营养基质后造粒。颗粒密度为 1. 02 ～ 1. 05 g cm 3 , 粒径为 1. 0 ～ 2. 5 mm , 比表面积1 500 ～ 2 300 m 2 m3 。载体在反应器的填充量 V V 为 8。 1. 3 废水来源 苯胺 2. 5 ～ 25 g ; NaCl 5 g ; KH2PO4、K2HPO4、 NaH2PO4、 Na2HPO4各 0. 5 g ;MgSO40. 5 g ; CaCl20. 5 g ; NaHCO35 g ; 自来水 50 L 以及浓度为 0. 5的 FeCl3、 MnSO4、HBO3、CoCl2、ZnCl2、CuSO4、 NH46Mo7O24各 2 mL [ 6] ,调节 pH 6. 5 ～ 7. 5。产业废水来自惠州东江 制药厂, 废水水质为 CODCr675 ～ 1 205 mg L , 苯胺 182. 45～ 374. 62 mg L。 1. 4 实验流程 实验装置流程见图 1。 1空压机; 2缓冲罐; 3转子流量计; 4计量泵; 5配水槽; 6三相生物流化床; 7加热带; 8温控仪。 图 1 实验装置流程 实验在一个体积为 5. 5 L 的内循环三相流化床 反应器中进行, 反应器外径 14 cm、内径 9 cm 、外筒高 40 cm、 内筒高 28 cm 。压缩空气从流化床底部陶瓷微 孔气体分布器进入反应器 ,废水由计量泵送入流化床 反应器,并可通过计量泵改变废水在反应器内的HRT 。 反应器外壁包裹加热带,控制反应器内温度 30 1 ℃。 2 结果与讨论 2. 1 反应器的启动与驯化 控制进水 HRT 10 h, DO 为 2. 0 ～ 3. 0 mg L。开 10 环 境 工 程 2006年 12 月第 24卷第 6 期 始在进水中添加 200 mg L 葡萄糖, 逐渐提高苯胺的 浓度并 降低葡萄 糖的添加 量, 当微生物量 达到 10. 5 g L时 ,每 2 d 排走老化污泥, 控制污泥在反应器 内的停留时间 SRT 为 12 d 。反应器运行 4 d,即可肉 眼观察到载体表面滋生一层薄薄的乳白色生物膜 ,并 且随着营养基质的连绵供给及进水基质浓度的提高, 载体上的生物膜在不断增厚, 颜色也不断加深 ,由乳 白色逐渐转化成黄褐色。30 d 后镜检测得膜厚为 80～ 120 μ m ,而且原生动物附着载体生长, 形成种群 结构致密的生物膜体系 ,表 1 的数据表明, 随着进水 苯胺浓度的增加, 优势降解菌利用苯胺的能力不断 增强 ,苯 胺 降解 速率 从 115. 9 mg L d上升 至 1 149. 8 mg Ld 。 当进水苯胺浓度为 506. 43 mg L 时,反应器对苯胺的去除率依然保持94. 60,而在同 一反应器和同一操作条件下, 没有投加优势菌种的活 性污泥系统仅能处理苯胺浓度 250 mg L 的废水 ,且 苯胺降解率 87. 32。在整个驯化周期内, 反应器 对CODCr的去除率一直保持 91. 57以上 , 经过 30 d 的启动驯化,反应器进入稳定状态 。 表 1 驯化阶段反应器的处理效果 运行时间 d 进水 mg L-1出水 mgL- 1去除率 降解速率 mg L-1d- 1 苯胺CODCr苯胺CODCr苯胺CODCr苯胺CODCr 048. 62325. 720. 3412. 8299. 3096. 06115. 9751. 0 585. 27429. 331. 7236. 1897. 9891. 57200. 5943. 6 10125. 65554. 523. 2142. 8397. 4592. 28293. 91 228. 1 15195. 02779. 566. 6047. 1296. 6293. 96452. 21 757. 9 20304. 361128. 512. 1253. 4396. 0295. 27701. 42 580. 2 25397. 611427. 618. 6759. 6095. 3095. 83909. 53 283. 2 30506. 431734. 927. 3463. 8194. 6096. 321149. 84 010. 6 2. 2 DO 对降解过程的影响 选择进水苯胺浓度 400 mg L , 控制反应器内的 DO 值为 0. 1、1. 0、2. 0、3. 0 、 4. 0 mg L ,每个 DO 条件下 反应器稳定运行 5 d, 监测第 3 ～ 5 d 出水苯胺浓度, 取平均值, 结果见图 2。DO 为 0. 1 mg L 时 ,无法满足 苯胺降解菌的代谢需要, 降解菌只能降解部分苯胺。 DO 从 0. 1 mg L 升至 3. 0 mg L 的过程中, 苯胺的降解 率提高了 1. 46 倍 ,从 38. 65升至 95. 26, 但 DO 的 进一 步 增大 , 苯胺 降解 率 增长 缓 慢。 当 DO 为 4. 0 mg L 时, 苯胺降解率达到 97. 42。 由此可见, DO 对苯胺的降解至关重要, DO 为 3. 0 mg L 时能满 足降解菌代谢需要。 图 2 DO 对苯胺降解影响 2. 3 水力停留时间 HRT 的影响 选择进水苯胺浓度 400 mg L, 控制 DO 3. 0 mg L, 调节HRT 分别为4、6、 8、 10、 12、 16、24 h。每1 个 HRT 条件稳定运行5 d , 监测第 3 ～ 5 d 进出水数据, 取它 们的平均值, 列于表 2。反应器在 HRT 为 4 h 时, 苯 胺 的 降 解 率 可 达 78. 24, 但 出 水 苯 胺 高 达 87. 50 mg L 。 随着HRT 从4 h 延长至 10 h,苯胺的降解 率迅速增加 ,从 78. 24增至 95. 71, 而HRT 的进一 步延长,苯胺降解率增长减缓 ,降解速率也不断下降。 HRT 为 24 h 时 ,出水苯胺含量为3. 01mg L, 此时苯胺 的 降 解 率 和 降 解 速 率 分 别 为99. 24 和 393. 2 mg Ld 。 由此可见, 反应器可在 HRT 为 10 h 时获得较高的苯胺降解率和降解速率。 表 2 HRT 对降解过程的影响 HR T h 进水 浓度 mgL- 1 出水 浓度 mgL- 1 苯胺降解 率 苯胺降解 速率 mgL- 1d- 1 4402 . 1287 . 5078 . 241 887. 7 6408 . 5159 . 3985 . 461 396. 5 8389 . 6234 . 4891 . 151 065. 4 10394 . 2516 . 9195 . 71905. 6 12393 . 3012 . 4196 . 84761. 8 16398 . 735 . 7498 . 56589. 5 24396 . 243 . 0199 . 24393. 2 2. 4 浓度冲击对出水影响 控制进水HRT 10 h ,连续进行 2 个多月的动态 实验 ,通过改变进水苯胺的浓度考察污染物浓度变化 对反应器的影响。实验过程中采用脉冲投料的方法 使反应器内苯胺浓度剧增到某一水平,考察浓度负荷 冲击对反应器运行的影响 ,结果如图 3 所示。可以看 出在整个运行期间进水苯胺平均浓度为 467. 5 mg L, 此时出水苯胺浓度平均值为 30. 98 mg L ,反应器对苯 胺的容积负荷为 1. 12 kg m 3 d , 平均去除率为 93. 40, 反应器一直维持较好的处理能力。当进水 11 环 境 工 程 2006年 12 月第 24卷第 6 期 苯胺浓度在55～ 720mg L 的范围内波动时, 出水苯胺 浓度基本保持在 0～ 35 mg L ,去除率达到 94以上, 微生物能自动调整代谢的过程 ,适应浓度的变化。当 进 水 苯 胺 浓 度 由 490. 20 mg L 突 然 提 升 到 1 640. 50 mg L的过程中, 出水苯胺浓度随之升高, 最 高时可达 365. 60 mg L ,但苯胺的去除率仍达到 70 以上 。当进水苯胺浓度恢复到原来的水平,出水水质 经过 48 h 可恢复正常 ,可以认为, 该反应器可以承受 3 倍以内的浓度冲击。其原因一方面是选择的微生 物具有很强的抗毒性效应 ; 另一方面是由于能形成循 环流态化, 提高液流的混合与传质, 可以使进水中高 浓度的有机物得到很好的稀释 。 图 3 进水浓度对出水水质影响 2. 5 实际废水运行结果 以人工配制的废水使反应器达到稳定运行状态 后,用从惠州东江制药厂采集的制药废水来检验生物 可降解性和反应器运行的可行性。废水除了苯胺外 还含有少量的氯苯胺 、 硝基苯胺、 苯二胺等化合物 浓 度 3 mg L 。分别控制进水HRT 10 h和 5. 2 h, 每种 水力负荷条件稳定运行 15 d, 结果列于表 3 表中数 据为平均值 。可以看出当HRT 10 h 时, CODCr容积 负荷为 1. 83 kg m 3d , 反应器对苯胺和 COD Cr的去 除率分别达到 98. 19和 91. 40。当 HRT 5. 2 h 时,CODCr容积负荷为 3. 62 kg m 3d , 反应器对苯胺 和CODCr保持 83. 96 和 82. 63 的去除率, 表明优势 菌种结合内循环三相流化床具有较高的容积负荷 ,体 现了该耦合工艺在处理有毒难降解有机物的优越性。 此外 ,出水检测不到氯苯胺、 硝基苯胺、苯二胺等化合 物,表明微生物能同时降解这些化合物 。实验后对反 应器内的微生物进行综合鉴定 , 发现除人苍白杆菌 外, 还存在吉氏拟杆菌 Bacteroides distasonnis 、屎拟 杆菌 Bacteroides merdae 、枯草 芽孢杆菌 Bacillus subilis 和 洛 菲 氏 不 动 杆 菌Presumptive acinetobacteriwoffii 等主要的降解菌, 表明优势菌种经 过长时间的运行 ,不断更新变异以适应废水环境。 表 3 药厂废水试验结果 HRT h 进水 mgL-1出水 mgL- 1 苯胺 CODCr 苯胺 CODCr 苯胺去除 率 CODCr去除 率 10232. 7764. 54. 2165. 7298 . 1991. 40 5 . 2256. 1785. 341. 08136 . 483 . 9682. 63 3 结论 在三相流化床内考察了人苍白杆菌的挂膜及其 降解苯胺废水的特性, 结果显示, 在 4 d 内微生物开 始附着纤维载体生长 ,逐渐形成种群结构致密的生物 膜体系,反应器经过 30 d 驯化即进入稳定状态 ,生物 膜厚为 80～ 120 μ m。DO 和 HRT 是降解过程的重要 控制参数 , DO 为 3. 0 mg L 时满足降解菌代谢需要, 苯胺降解率可达 95. 26; HRT 为 10 h 时, 反应器可 获得较高的苯胺降解率和降解速率 ,分别为 95. 71 和905. 6 mg Ld 。此外, 该反应器体系可以承 受3 倍以内的浓度冲击 ,对含苯胺的生产废水也获得 良好的处理效果 。由此可见, 将优势微生物菌种结合 传质性能良好内循环三相流化床在处理毒性难降解 有机废水领域具有广泛的前景 。 参考文献 [ 1] 杨义燕, 苏海佳, 秦炜. 络合萃取法处理工业苯胺废水. 化工进 展, 1995, 2 24-27. [ 2] L. E. Hallas, M. Alexander. Microbial transation of nitroaromatic compounds in sewage effluent. Appl . Environ. Microbil. , 1983, 45 1234 -1241. [ 3] H. Shabbir, Gheewala, Annachhatre. Biodegradation of aniline . Wat. Sci. Tech. , 1997,36 10 53-63. [ 4] F. J. Oneill, K. C. A . Bromley , R. J. Greenwood et al . Bacterial growth on aniline implication for the biotreatment of industrial wastewater. Wat. Res. , 2000, 34 18 4397 -4409. [ 5] 韦朝海, 吴锦华, 吴超飞等. 新型内构件内循环三相流化床氧传 递特性的研究. 中国环境科学,2001, 21 6 507 -510. [ 6] U. S. Zissi, G. C. Lyberatos. Kinetics of growth and aniline degradation by Stenotrophomonas maltophilia. Wat. Env . Res. ,1999, 71 43 -48. 作者通讯处 吴锦华 510640 广州市 华南理工大学环境科学与 工程学院 E -mail jinhuawuscut. edu. cn 2005- 12-20 收稿 12 环 境 工 程 2006年 12 月第 24卷第 6 期 PHOSPHORUS REMOVAL PERANCE OF BI-CYCLIC TWO-PHASE BICTBIOLOGICAL PROCESS ON APPLICATION -SCALEPanYang Huang Yong Li Yong et al7 Abstract The perance of a new biological nutrient removal process BICT bi -cyclic two -phase biological processis studied based on application-scale experimentswith municipal sewage. The new system consistsof anindependent attached-growth reactor and a set of suspended- growthsequencing batch reactors. The configuration and operation modes of the process provide a good potential for optimizing the operation conditions according to the specific requirements, especially for increasing the stability and reliability of the process. According to the experimental results withmunicipalsewage, the processhas strong and stable capability for phosphorus removal. Under suitable conditions, the removal rate of TP total phosphorus is over 90, and the effluent concentration of TP can be controlled below and 1. 0 mg L. Keywords BICT, phosphorus removal and biological sludge BIOFILMATIONANDTHEDEGRADATIONOFANILINEWASTEWATERBY OCHROBACTRUM ANTHROPI IN A THREE -PHASE FLUIDIZED BED Wu Jinhua Wei Chaohai Li Ping et al 10 Abstract The treatment of aniline wastewater by internal loop three -phase fluidized bed coupled with Ochrobactrum anthropi which was isolated and domesticated from soil and water polluted by aniline was investigated with prepared fibre -granula as carrier. A variety of degradation conditions including dissolved oxygen DO , hydro -retention time HRT and resistant capacity of concentration load shock were studied to provide ination and recommendations for large -scale biological treatment of aniline -containing wastewater. The results showed that microorganism had settled on the surface of granula in 4 days and the reactor had achieved stable state for 30 -day domestication. Moreover, it had successfully eliminated the wastewater containing aniline from a pharmaceutical factory. Keywords aniline wastewater, predominant strain, biodegradation and three -phase fluidized bed TREATMENT OF WASTEWATER FROM WHITE CARD PAPER PRODUCTION WITH INCLINED SCREEN -FLOCCULATION SEDIMENTATION -A O PROCESS Tian Qiping Zheng Ping Fu Delong 13 Abstract The wastewater from white card paper production was treated with inclined screen -flocculation sedimentation-A O process. The resultsshowed that the average removal percentage of CODCrand SS reached 97. 9and99 . 1, respectively. The effluent couldmeet the national standard steadily. When the inclined screen was adopted to reclaim waste fiber in wastewater and the superficial loading rate was set at 5 ～ 12 m3 m2h, the removal percentage of CODCrand SS reached 52. 8 and 53. 7, separately. The benefit from fiber reclamation is equal to 33 yuan per ton of paper, whichis2. 5of the total cost of paper. Recycle of the excessive activated sludge could cut down the chemical dosage, thus saving 25 of total running cost and alleviating secondary pollution. Keywords inclined screen, flocculation sedimentation, A O process and paper -making wastewater A PILOT SCALE EXPERIMENT ON VC -MAKING WASTEWATER TREATMENT BY MEMBRANE BIO-REACTORFeng Pei Zhou Wenbin Tang Guilan et al 16 Abstract It is maily introduced the perance of a wastewater plant of a VC -producing company and the start-up of the VC wastewater treated by the MBR process and the running under different conditions of the system. Through comparing two different process conditions, when the sludge concentration is controlled at 8 0000 mg L, DO controlled at 2mg L and the HRT controlled at 14 hours, the average CODCrremoval rate will be 90. 2 and the NH3-N removal rate will be 89. 95. Keywords VC-making wastewater, starting operation andMBR INVESTIGATION ON THE RUNNING PERANCE OF MUNICIPAL SEWAGE TREATMENT PLANTChen Hongbin Tang Xianchun Dong Bin et al 19 Abstract The objective of this study is to investigate the factors affecting running perances and the measures for improving the running effects of WWTPs. Through two -year running results of one wastewater treatment plant, it is showed that CODCr, BOD5andSS can alwaysmeet the discharge standard the low removal efficiencies of NH3-N and TN are concerned not only with short hydraulic retention time HRT, high organic loading rates, and low DO in aerobic stages, but also with the supernatants of sludge anaerobic digestion recycling directly to inletwellof wastewater treatment facilities; the removing efficiencies of TP and PO3 - 4 -P are influenced by the recycling of biological rich -phosphorus excess sludge and supernatants of sludge anaerobic digestion and dewatering too. The advantages and disadvantages of rich-phosphorus excess sludge recycling to primary sedimentation tanks are discussed;an additional treatment step is necessary for removing TP of supernatants from sludge anaerobic digestion before it flows back to wastewater treatment facilities. Keywords wastewater treatment plant, nitrogen phosphorus, excessive sludge and supernatants of sludge digestion THE DESIGN OF NITROGEN REMOVAL BY SBR PROCESSLi Ying Guo Aijun Li Weiran 23 Abstract Not only can SBR process remove organic pollutants efficiency, but also remove nitrogen well and do not need extra reactor. It is a process which is efficient, economical, easily -controlling and applicable for medium or small water flow. But there wasn t a integrated and accepted design aimed at nitrogen removal in SBR process. It was introduced a new design of nitrogen removal by SBR process, such asthe design 2 ENVIRONMENTAL ENGINEERING Vol. 24, No. 6, Dec . , 2006