基于嗜鹽微生物的高鹽廢水生物強化處理研究進展*

王詩卓 楊銀川 陳家斌 張 唯 張 濤 周雪飛 張亞雷

(同濟大學環境科學與工程學院,上海 200092)

石油化工生產和紡織皮革制造過程中產生的高鹽廢水是近幾年來工業生產環節最需解決的問題[1]。高鹽廢水是指總溶解固體質量分數≥3.5%的廢水[2]。高鹽廢水處理難度較高,盡管生物法相比化學法、物理法成本低,但仍存在鹽度耐受力低與有機物處理效率不穩定等問題[3]。與土著菌混合后,定向篩選適用于處理高鹽廢水的嗜鹽微生物,能夠顯著提高反應器處理效率,因此近年來關于嗜鹽微生物處理高鹽廢水的研究引起人們廣泛關注。筆者經過文獻檢索發現,目前該研究方向的綜述文章存在研究深度不高和梳理水平不深等問題。本研究著眼于嗜鹽微生物的應用前景,介紹了嗜鹽微生物環境篩選與馴化培養的方式,列舉了不同嗜鹽微生物的功能以及適用條件;分析嗜鹽微生物降解污染物的影響因素;最后結合好氧和厭氧反應器中的應用實例,總結了嗜鹽微生物對廢水中污染物降解的強化作用,為后續技術優化提供新的研究思路和方向。

1 嗜鹽微生物概述

1.1 耐鹽機理

當環境鹽離子濃度很高時,嗜鹽微生物通過生理結構主動排出Na+,再通過Na+/H+反轉運蛋白來維持胞內的離子濃度[4]。高鹽分環境使得嗜鹽微生物的蛋白肽鏈發生折疊,形成特定的結構來維持活性[5]。普通生物體內的酶會被高濃度K+抑制,但嗜鹽微生物在細胞內會積累相容性物質,平衡內外滲透壓。不同類別的嗜鹽微生物積累的相容性物質不同,這些物質一般不帶電荷且易溶于水,如甜菜堿、氨基酸和葡萄糖等[6]。

另一些微生物采用鹽溶機制來平衡細胞內外的滲透壓,即在細胞內積累高濃度Cl-和K+,使得酶系統具有很高的耐鹽性[7]。部分嗜鹽微生物擁有一個特殊的結構——紫膜,紫膜接受光能并合成腺嘌呤核苷三磷酸(ATP),既補充有氧反應過程中消耗的能量,又為細胞濃縮K+、排斥Na+提供能量。在鹽濃度較高的環境中,非嗜鹽微生物因聚集而失活,而嗜鹽微生物更易分散;但嗜鹽微生物適應環境變化的能力有限,在較低的鹽濃度下,會因蛋白質變性失活而死亡。

在高鹽環境中,嗜鹽微生物的胞外聚合物數量快速增加,通過改變細胞表面諸如疏水性、表面電荷等理化性質,增強主動運輸以及擴散能力,這對維持細胞結構完整性以及形成生物膜都有很好的作用[8]。

1.2 馴化培養

篩選和馴化嗜鹽微生物有兩種途徑：一種是逐步提高培養環境的鹽濃度定向馴化污泥,但污泥馴化和迭代周期較長,系統的抗沖擊負荷能力較差[9];另一種是從鹽堿地區或者海洋環境中篩選出合適的嗜鹽微生物接種于反應器中。嗜鹽微生物通常從以下環境中獲取[10]：海水、海泥、鹽沉積物或鹽漬土壤樣品中;被苯酚、石油或其他有機物質污染的土壤和水樣內;由處理含苯酚或染料廢水的污水處理廠所產生的活性污泥中;海洋魚類的消化道內。馴化方式也分兩種：一種是根據原水理化性質,配置廢水進行培養;另一種則是使用待處理的原水培養。

2 嗜鹽微生物處理高鹽廢水的影響因素

2.1 嗜鹽微生物種類

在自然界中,嗜鹽微生物主要分布在放線菌門(Actinobacteria)、厚壁菌門(Firmicutes)、藍細菌門(Cyanobacteria)和擬桿菌門(Bacteroidetes)中,中度嗜鹽微生物(最適NaCl為0.5～2.5 mol/L)和極端嗜鹽微生物(最適NaCl為2.5～5.0 mol/L)在數量上占主導地位[11]。中度嗜鹽微生物包括肋骨鹽弧菌(Vibriocosticola)和嗜鹽脫氮副球菌(Paracoccushalodenitrificans)等;極端嗜鹽微生物中有代表性的為鹽沼鹽桿菌(Halobacteriumsalinarium)和鱈鹽球菌(Halococcusmorrhuae)。少量真核微生物也可在高鹽環境下生存,如酵母菌(Saccharomyces)、杜氏藻(Dunaliella)等[12-13]。嗜鹽古菌包括嗜鹽古菌綱(Halobacterium)、嗜鹽甲烷古菌類群以及納米嗜鹽古菌類群[14]。

2.2 操作條件

主要介紹水力停留時間、填料和溶解氧含量這3種條件。在生物處理的反應器中,隨著水力停留時間的增加,有機物的降解效率和礦化程度升高,污泥負荷降低,加快了微生物的死亡。反應過程中,操作者需要根據污染物的復雜程度,靈活調節水力停留時間;填料作為生物反應器(以下簡稱反應器)的核心組成,可為微生物的代謝活動提供場所,同時起到提供營養或者緩沖pH的作用,合理使用填料可以提高處理效率[15]。理想的填料應滿足孔隙率大、比表面積大、成本低、結構穩定以及耐鹽耐腐蝕能力較高等特點,常見的填料有沸石、瓷片、生物炭等[16]。溶解氧在生化反應中既可以為好氧微生物提供代謝活動所需營養,又可以提供紊流增加反應接觸面積,提高污染物降解效率。但是過高的溶解氧會使微生物大量失活,研究者通過水質自身調節或者人工曝氣的方式,提高嗜鹽微生物的污染物去除效率。

2.3 水質條件

本節通過廢水可生化性、pH以及鹽含量進行分析。在對廢水的可生化性評價方法中,使用生化需氧量(BOD)和化學需氧量(COD)質量比(B/C)作為污水可生化性的評價指標。B/C越大,說明污水越容易被生物降解[17]。綜合國內外的研究結果,當B/C<0.3時,水質為難生化狀態;當0.30≤B/C≤0.45時,水質為可生化狀態;當B/C>0.5時,水質為易生化狀態[18]。此外,懸浮物、含氮量以及含磷量等指標都對污水的可生化性有較大影響。大多數嗜鹽微生物的適宜pH在7左右,對于pH過高或者過低的廢水,應進行預處理,控制進水pH介于6.5～8.5。嗜鹽微生物主要通過鹽溶解、胞內小分子相容溶質的積累、調節蛋白質穩定和細胞表面穩定等方式適應高鹽環境[19-22],因此廢水的鹽含量對嗜鹽微生物的代謝活動有較大的影響。

3 嗜鹽微生物應用實例分析

3.1 好氧工藝

3.1.1 曝氣生物濾池(BAF)

BAF是將接觸氧化法與快濾池的優點有機結合的反應器。反應器內有明顯的空間梯度特征,因此其中附著的菌群結構較為穩定,可以耐受較高的水力沖擊和有機負荷,且容積和占地面積較小。在傳統的BAF中,溶解氧濃度以及氧化還原電位較高,不利于脫磷和反硝化細菌的生存,系統的除磷脫氮能力較差。石愷[23]采用間歇曝氣的方式,在廢水處理過程中添加嗜鹽聚磷兼性海洋細菌,使系統的除磷能力不受環境抑制,提高反應器除磷效率。結合鹽度變化適當降低污泥停留時間,增加反沖洗頻率,可提高除磷效率。劉鵬程等[24]在二級BAF中添加芽孢桿菌(Bacillussp.),有效地去除污水中殘留的氨氮,并強化復合菌株對水中污染物的降解效果。ZHENG等[25]在處理海水養殖系統循環水的濾池中提取出嗜冷桿菌(Psychrobactersp.)S1-1,并研究了影響該菌株脫氮效果的因素,如碳源、pH、鹽度、溫度和碳氮比等。與此同時,在HUANG等[26]的研究中被證實,向BAF中添加結構簡單、分子量小的外加碳源更有利于反硝化反應發生。

3.1.2 序批式活性污泥法反應器(SBR)

SBR采用間歇式的曝氣方式處理污水。由于工段簡單,在處理高鹽廢水時,研究者可直接從海洋環境中提取嗜鹽微生物菌株接種于反應器后進行生化反應。鹽桿菌(Halobacteria)在SBR中被較多研究：KARGI[27]于搖床中接種鹽桿菌,在5%鹽度下,接種組相較于空白組的COD去除率提高了27%;UYGUR[28]在實驗中也證實了鹽桿菌在COD去除方面的強化作用。LEFEBVRE等[29]在處理高鹽食品加工廢水的實驗中證實了接種嗜鹽微生物對強化反應器生物處理的可行性。廢水中鹽度并不總是有害的,在以好氧顆粒污泥為主的SBR中,隨著進水鹽度提高,微生物的活性和沉降性能都得到不同程度的強化[30]。在鹽度升高時,微生物可逐漸適應高鹽環境,在鹽脅迫下大量增殖,整體活性得到提高,強化系統對污染物的去除能力[31]。此外,鹽度增加使得細胞表面疏水性增強,提高了好氧顆粒污泥的沉降性能[32]。

3.1.3 膜反應器(MBR)

MBR是活性污泥法與膜法的有機結合,利用膜具有的高效截留微生物與有機污染物的特性,使得水力與污泥停留時間分離,并大幅度提高污泥的濃度與容積負荷,提升凈水效果[33]。傳統MBR應用較廣,周豪[34]于MBR中接種嗜鹽微生物強化處理模擬染料廢水,證實了芽孢桿菌能顯著增強系統對污染物的去除率。TAN等[35]以海泥為種泥培養出海洋活性污泥用于處理高鹽含酚廢水,結果表明海洋活性污泥對苯酚的去除率較高,且污泥體積指數低于傳統污泥,有更好的沉降性能。MBR面臨的最大問題是膜污染,因此滲透膜反應器(OMBR)應運而生。在OMBR中,研究者們使用高排斥半透正向滲透膜代替微孔膜[36]。QIU等[37]研究了OMBR中反硝化細菌的群落演替,發現隨著鹽度升高,活性污泥的原有優勢群落完全被替代,菌種多樣性急劇下降,因此提出接種專一降解目標污染物的嗜鹽微生物是提高MBR系統穩定性。研發抗污染膜材料、接種對膜親和的嗜鹽微生物以及研究生物處理機制,是提高該工藝處理效率的有效手段。

3.1.4 生物接觸氧化反應器(BCO)

BCO是在生物膜法的基礎上,結合活性污泥法處理特點的一種生化處理手段。使用惰性填料填充反應器,使污染物與微生物充分接觸,達到凈化水質的目的。處理效果的影響因素主要有填料、溫度和水質條件。在反應開始后,嗜鹽微生物在填料上大量繁殖,附著在填料上使生物膜變厚。隨著曝氣與水流的沖洗作用,生物膜交替產生保證了污染物的去除效果,BCO在工業難處理的高鹽廢水領域應用廣泛[38-39]。將海洋單胞菌(Oceanomonassp.)的菌株接種到BCO中,用于處理鹽度6.5%、含1 500 mg/L苯酚的模擬廢水,處理效果較好[40]。TAN等[41]在處理含鹽廢水(30 g/L)的過程中,將經BCO處理后的廢液接入MBR進行二次處理,相較于單獨MBR,BCO/MBR對廢水中COD和氨氮的降解率都得到提高。

3.2 厭氧工藝

3.2.1 升流式厭氧污泥床反應器(UASB)

UASB的底部有高濃度和高活性的污泥床,大部分有機物由底部進入進行厭氧發酵后降解為甲烷和二氧化碳,隨著水流的攪動和氣泡的產生,污染物與嗜鹽微生物均勻混合并進行生化降解反應[42]。由于污泥床的存在,UASB有較強的耐受高有機負荷能力,對廢水的可生化性要求不高[43]。目前在UASB系統中關于嗜鹽微生物應用的研究較少,研究者通過定向馴化厭氧污泥處理高鹽廢水。劉春爽等[44]收集油田周邊污水處理廠的污泥投加到UASB中,發現COD去除率高達65.08%,油去除率為74.33%。吳建華等[45]利用馴化后污泥，在中溫條件下以UASB處理有機廢水,當進水的COD為2 000～5 000 mg/L、NaCl為5 g/L時,系統對COD的降解率為83%。微生物的厭氧活性越高,產氣越劇烈,UASB內污泥與待處理廢水的混合效果越好。在UASB中使用顆粒污泥對微生物有天然的固定化效果,無需使用填料提高系統穩定性。

3.2.2 厭氧膜反應器(AnMBR)

AnMBR結合了厭氧處理和MBR技術的優點,也將水力停留和污泥停留時間分離[46]。厭氧環境可以最大限度地保留反應器內微生物群落,且微生物對鹽度和毒性有很強的耐受能力,因此AnMBR對于微生物的沉降性要求并不高。MARCUS等[47]將嗜鹽微生物接種于反應器內處理荷蘭地區的含鹽廢水,通過間歇運行以及定期反沖洗的方式有效地降低膜污染的問題。金艷青等[48]將沼氣循環系統與AnMBR結合,用于處理以丙酮和異丙醇廢液為主的有機廢水;李騰飛等[49]將電滲析技術與AnMBR結合,用于處理含甘油高鹽廢水。與MBR面臨的問題類似,研發更為清潔且不易損耗的膜材料以及綠色環保的膜沖洗方式,是AnMBR未來技術升級的主要方向。

3.3 小 結

嗜鹽微生物在反應器內強化效果實例總結于表1。

使用Web of Science整理了2018—2021年來幾種常見反應器的文獻研究情況(見圖1)。關于好氧反應器內嗜鹽微生物的應用研究較多,MBR、SBR因其良好的處理效果以及簡單的設備維護方式而成為研究熱點;厭氧反應器由于啟動時間(幾個月)遠高于普通好氧反應器(1～2周),投入使用相對較少,而本身具有較高的抗有機負荷以及鹽度能力的嗜鹽厭氧微生物具有很高的研究發展潛力。

4 展 望

高濃度鹽分會抑制微生物活性,使用能夠承受高鹽度并降解廢水中有機污染物的嗜鹽微生物來替反應器的研究越熱門。

表1 嗜鹽微生物在反應器內強化效果應用實例Table 1 Examples of application of halophilic microorganism in reactors to enhance the effect

注：圖中數值為文獻篇數；網格灰度越大表示相應年份關于該類圖1 各類反應器中嗜鹽微生物應用的文獻檢索分布Fig.1 Distribution of literature search for the application of halophilic microorganisms in various types of reactors

代普通活性污泥處理高鹽廢水,這一方式更為經濟實用且環境友好,但嗜鹽微生物強化高鹽廢水的生物法處理仍存在以下問題：

(1) 部分嗜鹽微生物絮凝能力較差,導致處理出水水質不達標。

(2) 嗜鹽微生物在文獻中的工業應用相關參數欠缺,工業化改良仍需研究和總結。

(3) 嗜鹽微生物在厭氧反應器中的應用較少,未來應多關注和開發厭氧嗜鹽微生物在工程應用中的強化作用,對厭氧嗜鹽微生物的自然界提取、馴化培養以及在厭氧反應器中的應用拓展進行深入研究。