高鹽廢水MBR耐鹽馴化過程微生物的效能及代謝產物研究

＊高睿 鐘輝 袁野 陳明,3 鐘常明,3*

（1.贛州市全南生態環境局 江西 341800 2.江西理工大學資源與環境工程學院 江西 341000 3.江西省礦冶環境污染控制重點實驗室 江西 341000）

MBR工藝是處理高鹽廢水的有效手段之一，其鹽度升高導致微生物死亡而影響污染物的去除[1-3]，通過耐鹽馴化使微生物成為優勢菌種，從而提高反應器運行效果。傳統活性污泥法難以處理高鹽廢水，而MBR的高效截留性防止微生物流失能提高反應器內微生物濃度，是處理含鹽廢水有效方式之一[4-5]。

采用課題組馴化構建適應3%鹽度的MBR系統，采用逐步提高進水0.5%鹽度的馴化方法，以目標鹽度為5%構建高鹽微生物處理系統，本文僅研究鎢冶煉廢水3%～5%鹽度馴化過程中MBR對污水中COD、氨氮和總氮的去除效果情況及代謝產物。

1.實驗材料與方法

(1)實驗用水

本實驗廢水取自贛州市某鎢冶煉廠生產廢水調節池，廢水水質特點為無機鹽濃度較高，C/N低，pH值呈中性。本實驗研究3%～5%鹽度廢水，故根據實時測得鹽度進行稀釋或者添加氯化鈉進行調整實驗用水鹽度，稀釋試驗用水時，添加適量葡萄糖和氯化鈉控制COD和氨氮濃度恒定，具體水質指標如表1所示。

表1 鎢冶煉生產廢水水質情況

(2)試驗裝置

本實驗使用5mm有機玻璃板（PMMA）自制一體式MBR反應器，反應器規格為200mm×100mm×260mm，有效容積為4L，實驗裝置如圖1所示。

圖1 實驗裝置示意圖

試驗用膜為天津膜天膜科技股份有限公司生產的PVDF中空纖維膜制作而成，具有0.6mm的內徑和1.0mm的外徑，設計膜通量15～25L/d，有效截留面積0.023m2。

(3)實驗藥劑

實驗過程所用主要試劑1,10-鄰菲羅啉、4-氨基苯磺酰胺、氨基磺酸等均為分析純，分析采用自制去離子水。

(4)分析項目與檢測方法

①COD：高錳酸鉀法；②DO：溶解氧測定儀；③MLVSS/MLSS/SVI：重量分析法；④NH4+-N、NO2--N、NO3--N：分光光度計法；⑤pH：pH測定儀；⑥SV30：靜置觀察量筒測定法。

(5)實驗方法

①污泥接種。污泥活化培養期每天更換一次3%鹽度的鎢冶煉廢水，DO為2.0～3.0mg/L之間，pH為7.3～7.8之間，每天固定時間測定進水和出水COD、NH4+-N濃度。連續培養10d后，污泥變成黃褐色絮體，沉降效果良好，污泥濃度在7000mg/L左右，COD去除率在94%左右，NH4+-N去除率在85%左右。

②耐鹽馴化。采用0.5%作為一個梯度鹽度逐步馴化，構建高鹽度的微生物處理系統，每個鹽度梯度馴化14d，直至MBR反應器在5%鹽度下連續運行至污染物去除率保持穩定，即認為污泥耐鹽馴化完成。

2.結果與討論

(1)馴化期間污泥沉降性能變化

對不同馴化階段污泥穩定運行的第14d進行MLSS和SVI測定，實驗結果如圖2所示：隨著馴化時間延長，在5%鹽度時，MLSS呈增加趨勢，由于MBR的高效截留性使微生物不流失，MLSS達到9265mg/L；SVI從3%鹽度的38mL/g降至5%鹽度的34.8mL/g，沉降速度雖加快，但上清液仍然渾濁。

圖2 耐鹽馴化期間不同鹽度下MLSS與SVI變化情況

(2)馴化期間COD去除變化情況

將MBR反應器污泥馴化至5%鹽度期間，COD去除效果如圖3所示。

圖3 耐鹽馴化期間COD變化情況

進水鹽度3.0%階段，由于污泥剛接種至MBR系統，COD去除率較低，隨著馴化的進行，出水COD維持在10mg/L左右，去除率穩定在95%左右，略高于課題組前期試驗COD92.5%的去除率[1]。經過馴化，耐鹽微生物量會持續增長，可提高污染物去除效果。經過5個階段的馴化過程，反應器COD出水在10mg/L左右，去除率穩定在92.3%左右，微生物具有對高鹽度廢水的耐受性，耐鹽微生物群落在反應器內富集，因此，長時間耐鹽馴化可以給微生物適應環境提供時間，使微生物能夠在高鹽環境下生長發育繁殖，從而提高對污染物的去除效果。

(3)馴化期間脫氮效果變化情況

耐鹽馴化期間，MBR反應器對NH4+-N和TN去除效果變化如圖4所示。

圖4 耐鹽馴化期間NH4+-N與TN變化情況

在進水鹽度3.0%階段，反應器剛接種污泥，由于硝化菌對環境較為敏感，初始NH4+-N去除率較低，隨著時間延長，硝化菌逐漸富集，NH4+-N去除率逐漸回升至85%左右。隨著鹽度馴化進行，在鹽度變化時，反應器NH4+-N去除效果下降，這表明鹽度改變環境滲透壓，對系統內微生物產生沖擊，硝化菌對環境變化敏感，硝化速率降低，NH4+-N去除率下降，但是經過一段時間馴化，系統對氨氮去除率逐漸回升，可見微生物出現了對高鹽環境的耐受性。另外發現5%鹽度下，反應器對NH4+-N去除效果波動較大，分析認為在高鹽度下，硝化菌對環境變化非常敏感，外界環境的一些變化，都會影響硝化菌的活性，從而造成處理效果的波動。5%鹽度下，反應器NH4+-N出水在11mg/L左右，去除率為78%左右。系統對TN的去除率呈先升高后降低的趨勢，在馴化期間，每個鹽度梯度TN去除率分別為41.43%、58.07%、78.55%、77.45%和65.78%。

(4)馴化期間微生物代謝產物變化分析

高鹽條件微生物通過調節自身代謝和細胞結構抵御外界不良環境，代謝產物分為溶解性微生物產物（SMP）、松散胞外聚合物（LB-EPS）和緊密胞外聚合物（TB-EPS），采用Matlab軟件的DOMFluor工具進行PARAFAC分析三維熒光（EEM）的峰值變化情況，確定不同鹽度下MBR污泥代謝產物種類及其變化情況。從圖5可知SMP中主要成分為類蛋白質物質，從3%鹽度升高至3.5%鹽度時，類蛋白質含量先降低，隨后至5%鹽度其含量持續升高。海洋類腐殖質變化與類蛋白質相反，鹽度越高，海洋類腐殖質含量降低。可見類腐殖質含量變化與鹽度沖擊沒有明顯的相關性。

圖5 馴化期間SMP組分及強度變化圖

圖6表示鹽度馴化期間LB-EPS的熒光組分及不同組分變化情況，類蛋白質物質含量在3%～4.5%鹽度期間變化不明顯，在5%鹽度驟升；可見類腐殖質有相似的現象，在4.5%鹽度含量下降，5%鹽度含量驟升。分析認為，5%鹽度對微生物影響較大，促使微生物分泌更多EPS維持自身滲透壓平衡，無法適應環境的微生物死亡導致腐殖質含量增多。

圖6 馴化期間LB-EPS組分及強度變化圖

圖7表示鹽度馴化期間TB-EPS的熒光組分及不同組分變化情況，類蛋白質含量隨鹽度升高迅速上升，每變化1%鹽度，熒光強度會出現驟升；鹽度在3%～3.5%、4%～4.5%期間，類富里酸物質含量出現下降趨勢，在3.5%～4%、4.5%～5%期間，含量上升；類腐殖質含量變化有相似的現象，這可能是微生物在耐鹽馴化期間，耐受3%鹽度的微生物對3.5%鹽度環境具有更強的適應能力，但對4%鹽度環境難以承受，導致微生物死亡，腐殖質類物質出現上升趨勢，存活下來的微生物為了更好的適應環境，分泌更多的物質，所以類蛋白質含量上升。

圖7 馴化期間TB-EPS組分及強度變化圖

3.結論

通過鎢冶煉高鹽廢水3.0%～5.0%的耐鹽馴化培養，分析其污泥沉降性能、微生物處理效能和代謝產物的現象與結果，研究結果表明MBR處理高鹽廢水是切實可行的。