高盐有机废水的生物处理技术

在化工、制药、燃料的生产过程中，产生的废水除含有高浓度的有机物外，还含有高浓度的盐类物质，采用生物法进行处理，高浓度的盐类物质对微生物具有抑制作用，采用物化法处理，投资大，运行费用高，且难以达到预期的净化效果。采用生物法对此类废水进行处理，仍是目前国内外研究的重点。本文介绍了盐浓度对微生物的抑制作用，嗜盐菌的特性、培驯方法，并介绍了采用生物法处理含盐有机废水的研究及应用现状。
  1  盐浓度对生物处理的影响
  高含盐量有机废水的有机物根据生产过程不同，所含有机物的种类及化学性质差异较大，但所含盐类物质多为Cl-、SO42-、Na+、Ca2+等盐类物质。虽然这些离子都是微生物生长所必需的营养元素，在微生物的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。但是若这些离子浓度过高，会对微生物产生抑制和毒害作用，主要表现：盐浓度高、渗透压高、微生物细胞脱水引起细胞原生质分离；盐析作用使脱氢酶活性降低；氯离子高对细菌有毒害作用；盐浓度高，废水的密度增加，活性污泥易上浮流失，从而严重影响生物处理系统的净化效果。
  高盐环境对生化处理有抑制作用，表现为微生物代谢酶活性受阻，致使生物增长缓慢, 产率系数低。早在1940年，Ingram对杆菌研究发现，当NaCl浓度＞10 g/L时，能够使微生物的呼吸速率降低。Lawton研究表明，当NaCl浓度＞20 g/L时，会导致滴滤池BOD去除率降低；在此浓度下，活性污泥法的BOD去除率降低，同时污泥中的絮凝性变坏，出水SS升高，硝化细菌受到抑制。处理含高浓度卤代有机物废水的实验表明，BOD的去除率随着盐浓度的增加而降低。Davis采用活性污泥系统，处理含盐浓度高达12%的废水中试实验结果证明，废水中的TOC去除率较低，且实验运行相当困难。
  Kargi等利用间歇生物反应器研究了盐的抑制作用及动力学常数， Shim等研究了高盐环境下化工废水的生物处理， Li等讨论了盐度对二阶段接触氧化法处理含盐废水的影响。一些学者认为，在高盐度环境中，微生物生长没有受到抑制, 相反一些嗜盐细菌的生长得到了相应的促进, 使反应器内微生物浓度增加，降低了污泥负荷, 提高了污泥的絮凝性。Woolard等在序批式生物膜反应器( SBR) 中培养的嗜盐微生物处理含盐量1%－15%的合成含酚废水,当含盐量高达15%(150 g/L)时，对酚的去除率依然在99%左右。Hamoda等采用活性污泥法处理含盐废水(10 g/L 和30 g/L)，生物活性和有机物去除率均有提高，当NaCl 浓度分别为0、10、30 g/L 时，TOC 去除率分别为96.3%、98.9%、99.2%。由此可见, 嗜盐微生物比普通微生物对高盐度环境有更强的适应能力。
  2  嗜盐微生物的特征及其驯化
  2.1  嗜盐微生物的分类、特征及机理
  在一定浓度盐溶液中，生长良好的微生物，称为嗜盐菌。依据嗜盐浓度的不同，嗜盐菌可分为轻度嗜盐菌、中度嗜盐菌和极端嗜盐菌。抑制细菌生长的盐浓度，不同细菌差别很大，如大肠杆菌是6%，枯草杆菌是9%，嗜盐菌在10%以上也能增殖。
  由淡水环境到高盐环境时，由于菌种选择的结果能适应高盐的菌种很少，轮虫、固着及游泳性纤毛虫等原生动物迅速死亡，稳定以后游泳性纤毛虫可以重新出现。低盐到高盐时，微生物有一个适应期，盐浓度的变化可能引起微生物代谢途径的改变。细菌驯化过程就是使代谢方式逐渐适应高盐环境，并使耐盐菌大量增殖的过程，但这需要一定的时间，急剧地变化盐浓度或驯化时间过短都会使细菌受到抑制。因此，把握盐浓度的变化程度和驯化时间是十分重要的。
  高盐环境生物随着高盐生态系统中离子组成，盐浓度、pH值、氧气、养分供应等方面的变化而展现出复杂的微生物多样性。为了能在高盐环境中生存，各种嗜盐菌具有不同的适应环境机理。嗜盐厌氧菌，嗜盐硫还原菌以及嗜盐古菌是在细胞内积累高浓度钾离子(4－5 mol/L)的平衡高渗环境。嗜盐真核生物、嗜盐真细菌和嗜盐甲烷菌的嗜盐机理是在胞内积累大量的小分子极性物质，如甘油、单糖、氨基酸及它们的衍生物。这些小分子极性物质在嗜盐、耐盐菌的胞内构成渗透调节物质，帮助细胞从高盐环境中获得水分，而这些物质在细胞内能够被快速的合成和降解。因此，这种机制克服了高盐环境下微生物对环境渗透压的改变而具有较强的适应能力。
  2.2  嗜盐微生物的驯化
  Woolard采用一种含盐量为15%的溶液作为实验用废水，其中含有140 g/L NaCl；2 g/L KCl；  0.5 g/L MgSO4；7.6 g/L MgCl2；0.2 g/L NaHCO3和1.7 g/L CaCl2，其他营养元素比如氮、磷、铁等以NH4Cl、K2HPO4和FeCl2·4 H2O的形式分别加入培养基中。在室温下培养，经过筛选，得到所需的微生物对苯酚的去处效果显著。宋应民等则采取渐进的方式来驯化污泥，取400 mL活性污泥于1 000 mL烧杯中，加入经复合的优势菌液50 mL，连续曝气24 h，加入10 mL高含盐化工有机废水；5 h后再加入20 mL废水，18 h后加入20 mL废水，经过5 h，再加入20 mL废水；第三天加入30 mL废水。从第四天起每天上、下午各加入25 mL废水，至累计加入200、300、400 mL时，各镜检水样一次。至第九天，共加入高含盐化工有机废水400 mL为止。得到的污泥处理效果显著。
  此外，还有其他一些驯化污泥的方法，具体步骤不尽相同，但是原理相似，都是利用微生物对环境的逐渐适应，优胜劣汰，最终获得高效、优质菌种。但是，上述驯化方法所需时间长，操作较为繁琐。更加廉价，方便，快捷的方式还有待进一步的研究和发现。
  3  高含盐有机废水生物处理技术
  3.1  好氧微生物法
  在实际的工程应用中，Ludzack和 Noran的研究表明，当氯化物的含量高于5－8 g/L的时候，将对传统的好氧废水处理工艺产生影响。尽管盐的含量对生物活性存在着致命性的影响，但活性污泥对高含盐环境的适应并非不可实现。工程上通常采用从低含盐量逐渐增加的方式来培养微生物，以使之适应高含量的环境，使废水得到净化。Doudoroff研究表明，埃希氏菌群在生长的停滞期对NaCl的适应能力最强。研究表明，盐浓度频繁改变比起逐渐改变对微生物能产生更加不利的影响，且盐浓度的大幅度改变将会导致细胞质的释放，从而使可溶COD上升。虽然可以证明通过驯化活性污泥可适应高盐环境，但是一个主要的瓶颈是此类适盐系统的正常运行通常需要在5%含盐量以下。
  Kargi和Dincer于1997年开始使用逆流床反应器研究盐浓度对好氧生物处理的影响。反应器中采用活性污泥接种，人工合成废水由溶解蜜糖、尿素、磷酸二氢钾和氯化钠组成，浓度为50 g/L，COD∶N∶P的比例为100∶10∶1。研究发现，当盐度从零上升到5%的时候，出水COD去除率从85%降至59%。此后，又进行了包括好氧生物转盘在内的一系列创造性的实验，得出嗜盐菌是改善好氧处理工艺的最佳途径。
  3.2  厌氧生物法
  早于1965年，Kugelman和McCarty就得出结论，Na+浓度超过10 g/L的时候，将强烈抑制甲烷的产生。然而，Omil等于1995年的研究表明，活性产甲烷菌群对废水盐度的适应是可能的，其效率取决于让菌群适应高含盐量所采取的方法。此外，Feijoo于1995年得出，污泥中Na+的毒性取决于多种因素，其中尤为重要的一点是，污泥的特征和对高含盐水的逐渐适应性。
  近年来，利用嗜盐微生物厌氧消化对废水中的有机物进行生物降解的研究和应用越来越广泛。不过相比好氧生物的相关研究，研究成果还相对较少，其中大多数探索的盐浓度在10－71 g/L之间，远比好氧研究的范围要小。
  Aspé等于2001年模拟了金属元素钼对厌氧消化的抑制作用，认为产甲烷阶段是最受抑制的阶段。后来，人们采用厌氧过滤器；上流式厌氧污泥床反应器；厌氧接触反应器等工艺；处理海产品加工废水，上述方式进行废水处理时，COD去除率在70%到90%之间，其有机负荷率为1－15 kg COD m3/d。Lefebvre等使用UASB技术研究皮革厂浸泡废水的厌氧消化处理，适宜的工况限制在较低有机负荷下。限制了此类工艺的应用。
  3.3  厌氧/好氧处理技术
  由于单独的好氧和厌氧工艺在处理工业废水中COD去除率无法达到预期的效果，因此为了更好的处理废水中的有机物，两种方法的结合成了研究人员的又一选择。Panswad和Anan于1999年采用了好氧/缺氧/厌氧工艺对含有3%盐分的合成废水进行处理，COD去除率达到71%的。2006年，Lefebvre等处理皮革废水实验，UASB技术与活性污泥后处理的结合改善了废水处理工艺总体效果，COD去除率可达96%[35]。采用厌氧/好氧处理工艺，物化手段的使用主要体现在废水的预处理上，其目的主要在于降低废水中的有机物和盐度，为微生物处理创造良好的环境。采取的整体工艺流程：废水首先经过调节池，然后经过物化的预处理(通常采用调节pH值、混凝、沉淀、电解、微电解等方法)，而后加入预先培养好的嗜盐菌进行生物处理。
  4  结  语
  废水中较高盐浓度对生物处理有抑制作用，针对利用污泥对高盐浓度的适应性，对微生物进行筛选和驯化，获得的嗜盐菌可承受较高盐度，使生物处理高含盐有机废水成为可能。嗜盐菌廉价，来源广，可以利用许多有机物(包括难降解和有毒物质)作为碳源，因此，利用嗜盐细菌处理高含盐量有机废水有广阔的应用前景，研究快捷的嗜盐菌选择驯化方法，对实际应用和理论研究均具有重要意义。（谷腾水网）

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