關(guān)于微生物菌劑構(gòu)建及其在焦化廢水處理中應(yīng)用的研究
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作者：鄭曉敏
目前焦化廢水一般按常規(guī)方法進(jìn)行兩級(jí)處理。第一級(jí)處理包括：隔油，過(guò)濾，溶劑萃取脫酚，蒸氨，黃血鹽脫氰等。第二級(jí)處理包括：浮選，生物脫酚，混凝沉淀等。焦
化廢水經(jīng)上述兩級(jí)處理后，外排廢水中酚的含量可達(dá)標(biāo)，但氰化物、COD及氨氮很難達(dá)標(biāo)。因此，還需要進(jìn)行深度處理即三級(jí)處理。然而，深度處理費(fèi)用昂貴，成本壓力大，多數(shù)焦化廠僅采用生化處理，未經(jīng)三級(jí)處理，造成未達(dá)標(biāo)排放，嚴(yán)重污染了水環(huán)境，給人類健康帶來(lái)了嚴(yán)重危害。
生物增效是通過(guò)添加具有某種特定降解能力的微生物菌株來(lái)增強(qiáng)原有微生物種群作用的方法。特效微生物是從自然界中篩選出來(lái)的優(yōu)勢(shì)菌種，對(duì)原有生化系統(tǒng)無(wú)任何不利影響。該方法并不替代現(xiàn)有的細(xì)菌群，但可以提高菌群在某些特定菌群在特定情況下的反應(yīng)力，或增強(qiáng)菌群降解污水組分的能力，從而提高污水處理效果。相比較于物理法和化學(xué)法，生物增效具有以下優(yōu)點(diǎn)：無(wú)需增加設(shè)備，節(jié)約成本，針對(duì)不同水質(zhì)特點(diǎn)針對(duì)性去除，并且不會(huì)造成二次污染。生物增效菌劑是將具有特定降解能力的微生物菌株按特定的比例混合配制而成的微生物混合劑，具有適應(yīng)能力好，針對(duì)性強(qiáng)的特點(diǎn)，可以有效地去除污水中難以降解的有機(jī)物。目前生物增效菌劑已被廣泛應(yīng)用于曝氣生物濾池(BAF)、序批式活性污泥法(SBR)等生化系統(tǒng)中進(jìn)行處理焦化廢水。
本研究通過(guò)人工篩選高效分解有機(jī)物的降解菌，結(jié)合好氧活性污泥法，提高原有焦化廢水處理系統(tǒng)的處理能力，使得難以降解的芳香族化合物得到降解，降低出水COD濃度，不需要額外增加設(shè)備投入，也無(wú)需更改已有工藝，大大節(jié)約了運(yùn)行成本，并且可以提高生化系統(tǒng)抗負(fù)荷沖擊的能力，同時(shí)實(shí)現(xiàn)污泥減排。
1 試驗(yàn)材料和方法
1.1 試驗(yàn)材料
1.1.1 樣品來(lái)源
污泥樣品采集于鞍鋼好氧生化池。
1.1.2培養(yǎng)基
篩選培養(yǎng)基1：萘2 g/L，(NH4)2S04 0.4 g/L，瓊脂15 g/L，pH 7.0，121℃滅菌20 min，其中萘在培養(yǎng)基滅菌后加入。
篩選培養(yǎng)基2：苯酚0.5 g/L，(NH。)。SO。0.4 g/L，瓊脂15 g/L，pH 7.0，121℃滅菌20 min，其中苯酚在培養(yǎng)基滅菌后加入。
篩選培養(yǎng)基3：吡啶0.3 g/L，(NH4)2S04 0.4 g/L，瓊脂15 g/L，pH 7.0,121℃滅菌20 min，其中吡啶在培養(yǎng)基滅菌后加入。
LB培養(yǎng)基：蛋白胨10 g/L，酵母膏5 g/L，NaCI 5 g/L，pH 7.2，121℃滅菌20 min。
無(wú)機(jī)鹽培養(yǎng)基：Na2HP04·l2H20 6.5 g/L，KH2PO。0.9 g/L, (NH4)2S04 0.4 g/L, MgS04-7H20 0.2 g/L,pH 7.0, 121℃滅菌20 min。
1.1.3 實(shí)驗(yàn)裝置
微生物菌劑處理焦化廢水小試實(shí)驗(yàn)所用好氧生化反應(yīng)器由圓柱體的玻璃構(gòu)成，裝置圖見(jiàn)圖1。反應(yīng)器內(nèi)徑為60 mm，外徑為80 mm，反應(yīng)器高度為450mm，有效容積為1.6 L。
1.2 試驗(yàn)方法
1.2.1 微生物菌劑中菌株的獲得
將焦化污泥進(jìn)行梯度稀釋（稀釋106、l07、l08倍），分別吸取各濃度梯度0.1 mL稀釋液加入到篩選培養(yǎng)基1固體平板上，用玻璃棒涂布均勻，30℃培養(yǎng)2-4d，挑取生長(zhǎng)最快的一株單菌落作為萘降解菌；將焦化污泥進(jìn)行梯度稀釋（稀釋106、107、108倍），分別吸取各濃度梯度0.1 mL稀釋液加入到篩選培養(yǎng)基2固體平板上，用玻璃棒涂布均勻，30℃培養(yǎng)2～4 d，挑取生長(zhǎng)最快的一株單菌落作為苯酚降解菌；同樣將焦化污泥進(jìn)行梯度稀釋（稀釋106、107、108倍），分別吸取各濃度梯度0.1 mL稀釋液加入到篩選培養(yǎng)基3固體平板上，用玻璃棒涂布均勻，30℃培養(yǎng)2-4 d，挑取生長(zhǎng)最快的一株單菌落作為吡啶降解菌。
而菌株SY-SW51、SY-25以及SY-ND為實(shí)驗(yàn)室已有的具有絮凝功能的菌株。
1.2.2 菌種的鑒定
用LB培養(yǎng)基將用于構(gòu)建菌劑的各株菌株培養(yǎng)至對(duì)數(shù)期，離心，用天根公司基因組提取試劑盒提取各菌株的基因組DNA，作為PCR反應(yīng)的模板，l6SrRNA基因的PCR擴(kuò)增：擴(kuò)增引物如下：
PCR反應(yīng)體系如表1。
PCR反應(yīng)條件為：(94℃3 min)-( 94℃1 min-55℃30 s-72℃1 min)x30個(gè)循環(huán)一(72℃1 min)。
PCR產(chǎn)物經(jīng)瓊脂糖凝膠電泳純化后與pMDl8-T載體連接，轉(zhuǎn)化到大腸桿菌DH5a，然后提取重組質(zhì)粒，測(cè)定l6S rRNA基因序列。將基因序列登錄美國(guó)國(guó)立生物技術(shù)信息中心網(wǎng)站( http://www.ncbi.nlm．nih.gov)，進(jìn)行核苷酸序列Blast比對(duì)，得到與相關(guān)菌株的16S rRNA基因序列同源的若干核苷酸序列。
1.2.3 微生物菌劑的構(gòu)建及制備
利用LB液體培養(yǎng)基培養(yǎng)上述的6株菌至對(duì)數(shù)期，通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)，對(duì)各菌株進(jìn)行不同的配比組合。為了確定最佳的菌劑配比，在250 mL的搖瓶中添加100 mL遼寧某廠焦化廢水，添加體積比為20%的活性污泥，再將各個(gè)配比組合的菌劑以0.5%的體積比添加到各個(gè)搖瓶中，對(duì)照組只添加活性污泥而不添加任何菌劑，考察不同配比的菌劑處理焦化廢水時(shí)對(duì)COD去除的實(shí)際效果。
將上述6株菌株的發(fā)酵液按最佳配比的比例混合，離心，收集菌體，再利用無(wú)機(jī)鹽培養(yǎng)基適當(dāng)稀釋菌體，使混合菌液濃度在1010 cfu/mL左右，即為微生物增效菌劑。
1.2.4 微生物菌劑處理焦化廢水小試實(shí)驗(yàn)
1.2.4.1 微生物菌劑處理哈爾濱某廠煤氣廢水小試
哈爾濱某廠煤氣廢水進(jìn)行好氧生化處理前COD濃度約為1300 mg/L．活性污泥組和增效污泥組均投加約占反應(yīng)器總體積20%的活性污泥，好氧生化反應(yīng)器水力停留時(shí)間為48 h，DO控制在3-5 mg/L之間，溫度控制在30℃左右，pH控制在7.0~7.5之間，系統(tǒng)運(yùn)行到第13天時(shí)一次性向增效污泥組投加占反應(yīng)器有效體積0.5%的微生物增效菌劑。
1.2.4.2 微生物菌劑處理河北某廠焦化廢水小試
河北某廠焦化廢水進(jìn)行好氧生化處理前COD濃度約為1700 mg/L，活性污泥組和增效污泥組均投加約占反應(yīng)器總體積20%的活性污泥，好氧生化反應(yīng)器水力停留時(shí)間為36 h，DO控制在3-5 mg/L之間，溫度控制在30℃左右，pH控制在7.0~7.5之間，系統(tǒng)運(yùn)行到第2天時(shí)一次性向增效污泥組投加占反應(yīng)器有效體積0.5%的微生物增效菌劑。
1.2.5 主要分析項(xiàng)目和檢測(cè)方法
COD采用重鉻酸鉀法；MLSS采用HACH公司的Txpro-2懸浮物(MISS)分析儀測(cè)定。
好氧呼吸速率( oxygen uptake rate，OUR)是指單位量的活性污泥在單位時(shí)間里所消耗的氧氣的量，是鑒定廢水可生化性的重要指標(biāo)；脫氫酶的活性( triph-enyltetrazolium chloride-dehydrogenase activity,TCC-DHA)在很大程度上能夠反映生物體的活性狀態(tài)，是考察污泥活性的一項(xiàng)重要指標(biāo)，以上2個(gè)指標(biāo)的測(cè)定方法見(jiàn)參照文獻(xiàn)[8]。
2 結(jié)果與討論
2.1 微生物菌劑的組成菌株
微生物菌劑共由6株菌組成，分別是萘降解菌SY-NPD-3、苯酚降解菌SY-PD-27、吡啶降解菌SY-PDD-9、絮凝菌SY-SW51、SY-25以及SY-ND。李捍東等c9，則通過(guò)篩選酚類降解菌、喹啉降解菌、吡啶降解菌、萘降解菌和二甲基苯酚降解菌構(gòu)建出一種由5株菌組成的微生物菌劑。江華等所應(yīng)用的菌劑由吡啶、喹啉、苯酚、萘和吲哚降解菌等組成。葉姜瑜等通過(guò)篩選和組合獲得一種由10株降解焦化廢水有機(jī)物的優(yōu)勢(shì)菌組成的復(fù)合菌劑。從實(shí)際應(yīng)用角度考慮，復(fù)合菌中的相互共存菌種越多，這個(gè)菌群就越穩(wěn)定，具有較強(qiáng)的抗沖擊能力，才能在廢水系統(tǒng)中保持自己群落的優(yōu)勢(shì)，提高降解效率。
2.2 菌種的鑒定
通過(guò)擴(kuò)增各株菌的l6S rDNA并測(cè)定其l6S rD-NA序列，在GenBank比對(duì)后確定SY-NPD-3為假單胞菌（Pseudomonas sp），SY -PD -27為不動(dòng)桿菌(Acinetobacter sp)，SY-PDD-9力鮑特氏菌（Bordetel-lsp），SY-SW51為克雷伯氏菌（Klebsiella sp），SY-25為巨大芽孢桿菌（Bacillus magterium），SY-ND為枯草芽孢桿菌(Bacillus subtilis)。
2.3 微生物菌劑的構(gòu)建
通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)確定微生物菌劑中SY-NPD-3、SY-PD-27、SY -PDD -9、SY-SW51、SY -25和SY-ND的最佳配比為5:1:2:3:3:3，在該組合下，微生物菌劑對(duì)焦化廢水的COD去除率達(dá)到89.8%，而對(duì)照組的COD去除率只有78.4%。
2.4 微生物菌劑對(duì)焦化廢水的處理效果
2.4.1 微生物菌劑對(duì)哈爾濱某廠煤氣廢水的處理效果
2.4.1.1 煤氣廢水的COD去除效果
圖2顯示了活性污泥系統(tǒng)與增效污泥系統(tǒng)對(duì)哈爾濱某廠煤氣廢水COD的去除效果。在系統(tǒng)運(yùn)行到第13天一次性投加微生物菌劑后，經(jīng)過(guò)l周的適應(yīng)期，增效污泥系統(tǒng)的出水COD從173 mg/L降低至105 mg/L，并在接下來(lái)近一個(gè)月內(nèi)保持穩(wěn)定。在穩(wěn)定期內(nèi)增效污泥系統(tǒng)的出水COD平均值為114 mg/L，COD去除率達(dá)到91.2%，而不添加菌劑的活性污泥系統(tǒng)的出水COD平均值為150 mg/L，添加菌劑可以在原有活性污泥系統(tǒng)的基礎(chǔ)上使COD去除提高24%。
2.4.1.2 增效污泥系統(tǒng)的代謝活性分析
OUR通過(guò)測(cè)定污泥的呼吸速率能夠間接表征活性污泥的生理狀況和代謝活性，脫氫酶是微生物降解有機(jī)污染物和獲得能量的必需酶，TTC-DHA直接關(guān)系到有機(jī)物降解速率及生物處理設(shè)施的運(yùn)行效果。因此，采用OUR和TTC-DHA表征污泥生物活性的大小。
好氧呼吸速率計(jì)算公式如式(1)。
式(1)中，OUR為單位質(zhì)量污泥在單位時(shí)間內(nèi)利用的氧量，mgO2/(gMLVSS·h)；t1為初始時(shí)間；t2為末時(shí)間；DO1為t1時(shí)刻溶解氧濃度，mg02/L；D02為t2時(shí)刻溶解氧濃度，mgO2/L；MLVSS為污泥濃度，mg/L。
脫氫酶的活性( TTC-DHA)的計(jì)算公式如式(2)。
式(2)中，X為脫氫酶活性，TFμg/(g MLVSS·h);A為在已知標(biāo)準(zhǔn)曲線中根據(jù)吸光度(OD)值算得的TF含量；B為實(shí)際反應(yīng)時(shí)間，h；C為測(cè)OD時(shí)試樣所稀釋的倍數(shù)。
增效污泥系統(tǒng)與活性污泥系統(tǒng)的對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。由表2可知，添加微生物菌劑的增效污泥系統(tǒng)的TTC-DHA和OUR數(shù)值均高于活性污泥系統(tǒng)，其中TTC-DHA比活性污泥系統(tǒng)的TTC-DHA提高了20.8%，而OUR比活性污泥系統(tǒng)的OUR提高了27.6%，可見(jiàn)增效污泥系統(tǒng)中的微生物生長(zhǎng)能力更強(qiáng)、代謝活性更高且降解有機(jī)物的能力更強(qiáng)。同時(shí)增效污泥系統(tǒng)中的MLVSS與活性污泥系統(tǒng)中的MLVSS相比又降低了20.5%，這樣就實(shí)現(xiàn)了污泥的減排，減少了后續(xù)的污泥處置費(fèi)用。
2.4.2 微生物菌劑對(duì)河北某廠焦化廢水的處理效果
2.4.2.1 焦化廢水的COD去除效果
圖3顯示了活性污泥系統(tǒng)與增效污泥系統(tǒng)對(duì)河北某廠焦化廢水COD的去除效果。在系統(tǒng)運(yùn)行到第2天一次性投加微生物菌劑后，經(jīng)過(guò)約2周的適應(yīng)期，增效污泥系統(tǒng)的出水COD逐漸降低至120 mg/L以內(nèi)進(jìn)入穩(wěn)定期。在穩(wěn)定期內(nèi)增效污泥系統(tǒng)的出水COD平均值為108 mg/L，COD去除率達(dá)到93.6%，而不添加菌劑的活性污泥系統(tǒng)的出水COD平均值為143 mg/L，添加菌劑可以在原有活性污泥的基礎(chǔ)上使COD去除提高24.5%。
李詠梅等采用美國(guó)LRC技術(shù)有限公司提供的菌種處理焦化廢水COD去除率為70%以上。江華等在應(yīng)用高效菌劑處理進(jìn)水COD質(zhì)量濃度在2 000mg/L以下的焦化廢水時(shí)，COD去除率最高可達(dá)到85%。李政一等用Ol-Nl#菌處理初始COD濃度為1 200mg/L的焦化廢水時(shí)，COD去除率可以達(dá)到90%以上，但處理時(shí)間達(dá)到了96 h。而使用復(fù)合菌劑處理實(shí)際焦化廢水時(shí)，其處理效率較高，因此所需處理時(shí)間較短。李捍東等采用A1-A2-01-02工藝處理高濃度焦化廢水，通過(guò)投加菌劑進(jìn)行中試研究，COD去除率可以達(dá)到94.5%。
2.4.2.2 增效污泥系統(tǒng)的代謝活性分析
增效污泥系統(tǒng)與活性污泥系統(tǒng)的對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。由表3可知，添加微生物菌劑的增效污泥系統(tǒng)的TTC-DHA和OUR數(shù)值均高于活性污泥系統(tǒng)，其中TTC-DHA比活性污泥系統(tǒng)的TTC-DHA提高了38.6%，而OUR比活性污泥系統(tǒng)的OUR提高了36.8%，可見(jiàn)在處理該廠焦化廢水時(shí)增效污泥系統(tǒng)中的微生物生長(zhǎng)能力也更強(qiáng)、代謝活性也更高且降解有機(jī)物的能力更強(qiáng)。同時(shí)增效污泥系統(tǒng)中的MLVSS與活性污泥系統(tǒng)中的MLVSS相比降低了33.3%，在該小試實(shí)驗(yàn)中也實(shí)現(xiàn)了污泥的減排，減少了后續(xù)的污泥處置費(fèi)用。
3 結(jié)論
(1)對(duì)從鞍鋼焦化污泥中篩選到的3株降解菌SY-NPD-3、SY-PD-27、SY-PDD-9與實(shí)驗(yàn)室已有的3株絮凝菌SY-SW51、SY-25和SY-ND進(jìn)行鑒定，其中SY-NPD-3為假單胞菌（Pseudomonas sp），SY-PD-27為不動(dòng)桿菌(Acinetobacter sp)，SY-PDD-9為鮑特氏菌(Bordetella sp)，SY-SW51為克雷伯氏菌（Klebsiella sp），SY -25為巨大芽孢桿菌（Bacillusmagterzum），SY-ND為枯草芽孢桿菌（Bacillus sub-tilis）。
(2)利用上述6株菌構(gòu)建出對(duì)焦化廢水COD降解效率高的微生物菌劑，SY-NPD-3、SY-PD-27、SY-PDD-9、SY-SW51、SY-25和SY-ND的最佳配比為5:1:2:3:3:3。
(3)應(yīng)用微生物菌劑進(jìn)行小試實(shí)驗(yàn)處理兩種不同來(lái)源的焦化廢水，微生物菌劑與活性污泥結(jié)合形成的增效污泥系統(tǒng)可以增強(qiáng)對(duì)COD的去除、提高微生物的生長(zhǎng)及代謝活性，并實(shí)現(xiàn)污泥的減排，降低了后續(xù)的污泥處理費(fèi)用。
4摘 要：對(duì)從鞍鋼焦化污泥中篩選到的3株功能菌和實(shí)驗(yàn)室已有的3株絮凝菌根據(jù)l6S rRNA基因序列進(jìn)行鑒定，結(jié)果是萘降解菌SY-NPD-3為假單胞菌（Pseudomonas sp），苯酚降解菌SY-PD-27為不動(dòng)桿菌(Acinetobacter sp)，吡啶降解菌SY-PDD-9為鮑特氏菌(Bordetella sp)，絮凝菌SY-SW51、SY-25和SY-ND分別為克雷伯氏菌（Klebsiella sp）、巨大芽孢桿菌（Bacillus magterium）和枯草芽孢桿菌（Bacillus subtilis）。以上述6株菌構(gòu)建出一種針對(duì)焦化廢水的微生物菌劑，最佳配比為5:1:2:3:3:3。應(yīng)用該菌劑進(jìn)行小試實(shí)驗(yàn)處理2種不同來(lái)源的焦化廢水，COD去除率分別達(dá)到91.2%和93.6%。菌劑與活性污泥結(jié)合形成的增效污泥系統(tǒng)可以增強(qiáng)COD的去除、提高微生物的生長(zhǎng)及代謝活性，并實(shí)現(xiàn)污泥減排，降低了后續(xù)的污泥處理費(fèi)用：
