废液种类变换时生化处理的微生物体系与污染物质去除

1、收稿日期:2000209218(修改稿本研究课题得到了教育部留学回国人员科研启动基金和加拿大魁北克省教育部的资助。广东省自然科学基金团队项目资助课题。废液种类变换时生化处理的微生物体系与污染物质去除高扬(华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室,广州,510641许玮H.2Claude Lavall e (Universit du Qu bec T rois 2Rivi ères 摘要化学机械法制浆系统中有阔叶木和针叶木交替使用的情况。原料种类的变化导致了制浆废液污染特性和污染负荷的差异,对废液生化处理系统会产生冲击。本文讨论了不同制浆废液的更换过程中,废水活性污泥法处理的污染物质去除

2、、微生物体系构成及其变化。关键词活性污泥法废液种类变换微生物体系污染物质中图分类号:X 793文献标识码:A 文章编号:100026842(20010120091206基于制浆造纸工业面临的原料短缺、能源紧张、污染严重的现实状况,高得率制浆技术的发展和应用在世界范围引起了广泛的重视。目前,国际上制浆造纸工业发达国家的纸浆生产已经大量采用了化学机械法和热磨化学机械法制浆技术,生产的纸张品种不断增加,产品质量不断提高,成为制浆造纸工业的重要技术发展趋势之一1、2。研究化学机械法制浆废液的处理工艺与技术,对于制浆造纸工业污染治理和可持续发展具有重要的意义36。由于原料供给的限制和经济方面的因素,采用

3、化学机械法生产的制浆造纸工厂在实际生产中,时常出现阔叶木和针叶木交替使用的情况。化学机械法制浆废液的特性随着原料种类和生产条件的不同存在着差异,废液特性的相应变化造成了对废液处理系统运行的影响,污染物质去除率会发生变化,出水水质产生波动,产生的影响需要经过若干时间恢复。为了给工厂废水处理系统实际运行提供理论上的指导,在研究废液种类改变引起系统波动并加以调控的基础上,结合污染物质变化的指标测定和显微镜观察的结果,本文讨论了活性污泥法废水处理系统的微生物群落构成及其变化。1试验方法111废水、处理装置及其运行控制化学机械法制浆废液来自加拿大东部某大型新闻纸厂,所用针叶木材种为云杉(Epinette

4、 ,阔叶木材种为欧洲山杨(Tremble ,制浆方法为CT MP 。实验室处理系统由生化反应器(曝气池和次级沉淀池构成,反应器配置了温度、pH 值的反馈控制装置以及供气系统。沉淀池的上部为柱体、下部为锥体,内设溢流挡板分离回流污泥与澄清的出水。废液经过初步处理,除去沉淀和悬浮的杂物后,进入反应池与活性污泥液混合,通入空气使得混合液处于良好的悬浮状态,保证微生物代谢所需的好氧条件。废液中的有机污染物质被活性污泥吸附、吸收和氧化分解之后,悬浮混合液进入沉淀池进行固液分离,净化的出水排放,参与循环的活性污泥定量返回反应池,净增殖的生物质量作为剩余污泥排出系统。19中国造纸学报V ol 1162001

5、T ransaction of China Pulp and Paper29中国造纸学报第16卷废水处理系统属于完全混合式活性污泥法。检测项目包括废液的进出流量、混合液溶解氧含量和耗氧速率、反应器温度和pH值、污泥产率和沉降速率、混合液悬浮固体含量以及挥发性悬浮固体含量、处理前后废液的化学耗氧量、生化耗氧量及其去除率等。调节控制的项目主要包括进水流量、通入的空气量即溶解氧含量、混合液pH值、回流的污泥量、补充的氮磷营养物等。试验中定时检测运行参数,依据检测数据及时进行调节控制,保持废液处理系统始终处于最佳运行状态。112运行中检测的项目11211反映污泥情况的项目7混合液的溶解氧(DO和耗氧速

6、率(S OUR,每天测定1次。污泥沉降比(SS V30min每周测定3次。混合液悬浮固体(M LSS和挥发悬浮固体(M LVSS,每周测定2次。11212反映污泥营养的项目8、9出水中的氨氮含量和磷含量,采用720A Benchtop PH/ISE Meter和H ACH DR/4000U S pectrophotometer测定,每周测定1次。11213反映系统运行条件的项目pH值、反应器混合液温度,进水流量,污泥回流量,通入反应器的空气流量等,每天测定1次。11214反映处理效果的项目化学耗氧量(C OD和生化耗氧量(BOD5,按照CPPA标准方法,采用H ACH DR/4000U S p

7、ectrophotometer和ORI ON Oxygen Meter测定,每周测定3次。113生物相的显微镜观察采用双目镜生物显微镜,更换废水种类期间,每天取样进行观察(放大倍数取×100和×200。2结果与讨论211从阔叶木CT MP废液更换为针叶木CT MP废液时的污染负荷去除欧洲山杨化机浆废液的污染物质指标(C OD、BOD、TSS均显著高于云杉化机浆废液的相应检测值,废液中污染成分有着较大的差异,可生化性的评价分析亦显著不同,前者的BOD5/ C OD比值为01610166,后者仅为01310133。因而,废液种类变换时,将会对活性污泥法废水处理系统的运行造成冲击

8、和影响。首先将欧洲山杨化学机械法制浆废液引入废水处理系统,连续稳定运行,待体系中的微生物及其新陈代谢达到平衡,出水质量稳定之后,更换为云杉化学机械法制浆废液,考查废水处理系统运行过程的时间超过1个月,各项指标的检测结果如表1所示。表1从欧洲山杨CTMP废液更换为云杉CTMP废液过程的污染负荷去除情况废液种类欧洲山杨CT MP废液云杉CT MP废液运行天数4天之前前3天前1天更换废水第2天第3天第5天6天之后进水pH值612615616519612611615613610615出水pH值713715715713713714715713713716进水C O D/m gL-143205180458

9、04560452044102348227820482283出水C O D/m gL-1781746792701703766584545604580 COD去除率/%8119851682178416831582167511761170157416进水BO D5/m gL-1268034253668325518981110762695642752出水BO D5/m gL-11231381181041531428614291420142313 BOD5去除率/%9514961296189617911987128817951896189710进水T S S/m gL-11392261121281011

10、361158982112出水T S S/m gL-1231648162414281216121816181081813141318 TSS去除率/%7018781678127718831986138413901783168717从表1可以看出,当欧洲山杨CT MP 废液更换为云杉CT MP 废液,废水处理系统的运行经过一定程度的波动,污染成分的去除逐渐达到稳定,这个过程大约需要5天。整个废水更换的过程中,出水的C OD 去除率先从82%85%降低至82%83%,之后降低并稳定在70%75%;BOD 5的去除率从95%96%降低至88%92%,之后又回升并稳定在96%97%;TSS 的去除率原先

11、为71%79%,稳定之后有所提高,达到了84%88%。从污染物质去除结果的指标测定可以看出,尽管欧洲山杨化机浆废液的C OD 高出云杉化机浆废液1倍,但是前者的去除率显著高于后者,分别为82%85%和70%74%。欧洲山杨化机浆废液的BOD 5也远较云杉化机浆废液为高,经过一定的波动,最后两者的去除率同为96%97%。云杉化机浆废液的TSS 去除率高于山杨化机浆废液,分别为71%79%和84%88%。造成这些差异的原因,除了由于两种废液的特性和污染负荷不同,针叶木化机浆废液中的树脂酸等毒性成分对于微生物代谢的影响也是重要原因。此外,也表明了活性污泥法对于处理有较高负荷的废液,具有较好的适应性和

12、污染物质的去除效果。212活性污泥的显微镜观察与生物相指示对于活性污泥法废水生化处理系统,微生物的数量组成和优势种属的类别,可以作为废水水质和处理效果的生物相指示10,11。活性污泥中出现的生物主要是细菌、放线菌、真菌、原生动物(单细胞和少数其它微形动物(多细胞。正常情况下,活性污泥中的细菌是以菌胶团形式存在,显微镜下观察成熟的污泥,常常可以看到丝状菌,并且与菌胶团交织在一起。如果丝状菌过量增殖,外延的丝状体缠绕在一起并粘连污泥颗粒,使得絮凝体松散,污泥容积指数增大,沉淀性能变差,就会出现污泥膨胀现象12。显微镜下可以观察到的原生动物种类很多,可以看到纤毛类、鞭毛类和肉足类等,尤其以固着型纤毛

13、类如钟虫、盖虫、枝虫等的数量为多。其中,钟虫属生物的出现频率高,数量大,在生物演变中有着较为严密的规律性,依据文献介绍可以钟虫属生物作为活性污泥法的特征指示生物。处理设施运行状况良好,控制条件适宜时,微生物代谢活力旺盛,繁衍活跃,可以观察到钟虫的纤毛环摆动较快,食物泡数量多,个体大。当系统有机负荷增高,曝气不足时,污泥状况恶化,此时出现的原生动物主要有滴虫属生物、波豆虫、肾形虫和草履虫等。如果曝气过度,出现的原生动物主要是变形虫。原生动物以游离细菌和有机物质作为食物,生长的适宜pH 值范围与细菌相仿。因而,在观察菌胶团存在状态的同时,定性观察与鉴别原生动物种属变化、数量增减和活动状况,可以作为

14、辅助手段,结合污染物质去除的指标测定,帮助了解活性污泥法系统的运行情况以便实施调控。213废液更换过程中的微生物体系活性污泥主要由微生物组成,每克干活性污泥中可以容纳数百亿细菌。就菌体轮廓来看,细菌主要分为球菌、杆菌和螺旋菌(或弧菌。若干种类的细菌在胞壁外面分泌一定厚度的胶状物质层,聚集在一起形成菌胶团。菌胶团是活性污泥的重要组成部分,具有吸附、吸收和氧化有机物质的能力,在废水生化处理中起着主导作用。在溶解氧存在的情况下,废水中溶解性的有机物质可以直接透过细菌的胞壁被吸收,固体和胶体的有机物质首先附着在细菌体外,被细菌分泌的胞外酶分解为溶解物质后再进入细菌细胞。细菌通过自身的氧化、还原、合成等

15、反应,使得被吸收的一部分有机物质变成简单的无机物质,并且提供细菌生长所需要的能量,另39第16卷废液种类变换时生化处理的微生物体系与污染物质去除49中国造纸学报第16卷一部分有机物质转化成为微生物生命的营养物质,合成新的生物体。如此进行从而完成生物代谢和废水的净化过程。除了上述种类的细菌之外,活性污泥中还存在一些较高等的单细胞和多细胞细菌,呈现分枝或者丝状群体,称为放线菌,主要有球衣细菌和硫丝菌等。这类细菌大量繁衍后,会造成污泥结构松散,浮力增加,造成混合絮凝液沉淀困难,即污泥膨胀,这是不希望发生的现象。废水生化处理的主体微生物虽然是细菌,但是细菌观察及其分类比较困难,检测需要花费较长时间,不

16、便及时指导废水设施的运行和调控。原生动物和后生动物虽然对于污染物质去除不起主要作用,但是这些低等动物是以吞食细菌为生,对于废水性质的变化特别是毒性物质的存在更为敏感。因而,可以在观察菌胶团形态的同时,观察原生动物及后生动物的种类、数量和活动规律,结合污染物质去除的测定指标,分析废水处理设施的运行及其处理效果的变化情况。处理欧洲山杨化机浆废液的运行进入稳定阶段直至更换废液种类的当天,活性污泥的显微镜观察表明:菌胶团(zoogloeae呈现胶状细菌凝聚团形态,而且絮凝物整体的枝状形态特征明显。絮凝物内分布有较多的卵团状微小生物。菌胶团中有丝状物伸出胶团之外,胶团之间可见搭桥现象。显微镜下观察到的单

17、细胞原生动物主要有钟虫(Vorticelle Allongee、沟钟虫(Vorticella Con2 vallaria、草履虫(Paramecium spp.、盖虫(Opercularia spp.、枝虫(Epistylis spp.、游什虫(G enre Eulotes、盾纤虫(Aspidisca Costata、独缩虫(Carchesium spp.。这些单细胞的纤毛类原生动物均以细菌和有机物质为食。在活性污泥法中观察到的多细胞动物以轮虫为多,主要有G enre Proales、G enre Colurella和G enre Adineta三种。此外,反应器中还有线虫(nematode繁

18、衍,成团积聚在管道转角处,生长很快,需要经常予以清理以免堵塞管道。生物相中的钟虫(Vorticella microstoma和Vorticella campanula和草履虫数量多,并且很活跃。可以看到大量盾纤虫活动。此外,上述的其它单细胞生物均可观察到,数量不等,运动比较活跃。枝虫和独缩虫的数量较少。多细胞生物中以轮虫(G enre Proales和G enre Colurella为多,也可以观察到轮虫(G enre Adineta在活动。这个时期的废水处理效果良好,C OD去除率为82%85%;BOD5去除率为96%左右;TSS 去除率为71%78%。更换为云杉化机浆废液后的第2天至第3天

19、,菌胶团呈现块团状的絮凝物形态,整体的枝状分布特征不如更换废液之前显著。絮凝物中仍然可见色泽较深的大量卵团状微小生物。可以观察到草履虫、轮虫(G enre Proales和轮虫(G enre Colurella的存在和活动,钟虫和沟钟虫的活动较少。其它单细胞和多细胞生物也可以观察到,但是活动不甚活跃。这个阶段的废水处理效果出现波动,C OD去除率为82%83%;BOD5去除率为87%92%,降低幅度比较显著; TSS去除率有所增加,达到84%86%。第4天至第5天,显微镜的观察情况与前面类似,但是菌胶团絮凝物的整体枝状特征逐渐明显,可以看到纤丝状物及其搭桥现象。单细胞和多细胞生物的活动逐渐恢复

20、活跃。钟虫和沟钟虫的数量和活动仍比较少。草履虫的数量增加,游动相当活跃。污染物质去除的指标测定表明,C OD去除率继续降低,约为75%76%;BOD5去除率为89%95%;TSS去除率为84%90%。表明系统受到的冲击和波动正在逐渐得到恢复。第6天以后,菌胶团发展逐渐良好,整体大多数呈现枝状形态。胶团絮凝物内分布许多卵团状的色泽较深的微小生物。胶团絮凝物中可以见到纤丝存在,絮凝物搭桥现象较多。单细胞动物钟虫和沟钟虫的数量和活动开始增加。盾纤虫等大量出现,草履虫的数量有所减少。很少看到枝虫、游什虫和独缩虫等单细胞动物。多细胞动物轮虫比较活跃,而且出现较多的体形较小的新生轮虫,主要是轮虫G enr

21、e Proales 和G enre Colurella ,也可以见到轮虫G enre Adineta 。纤毛类原生动物可以分为两类,草履虫周身长有纤毛,活动能力大,以游动方式进食;钟虫为固着型原生动物,只在上端钟口周围生长纤毛。当活性污泥成熟时,游离细菌大多已被吞食,絮凝混合液中大量是原生动物无法吞食的菌胶团。这种情况下,游动型的原生动物有所减少,活性污泥的主体为菌胶团和钟虫、盖纤虫之类的固着型原生动物,表明此时活性污泥生化处理系统的运行状况较好。C OD 去除率保持在70%72%;BOD 5去除率恢复为95%97%;TSS 去除率明显增加,保持在84%88%。系统开始进入稳定运行状态。综合上

22、述分析,从菌胶团的形态、原生动物及后生动物的种类、数量和活动情况,可以从一个侧面了解废液种类变换时生化系统的运行状况。研究结果表明,生化处理系统采用的生物群落在制浆废液种类改变的情况下,经过波动和恢复的过程,依然具有很高的降解污染物质的效率。在制浆原料种类从欧洲山杨改变为云杉的情况下,对于CT MP 废液中的污染物质依然保持了较高的降解效率,污泥的沉降性能良好。由于废液所含污染成分和特性的改变,针叶木CT MP 废液可生化降解性较阔叶木CT MP 废液为低,表现在C OD 的去除率显著降低。3结论311本研究采用的活性污泥法处理系统具有高效菌种群体,对于阔叶木和针叶木两种原料的化机浆废液均有着

23、良好的处理效果。当废液种类改变时,通过采取适当的调控措施,废水处理系统显示出了较好的适应性。312由于两种原料化机浆废液的污染成分和特性不同,当引入废水处理系统的废水种类改变时,会对系统造成冲击和影响,污染指标去除率表现出变化。欧洲山杨CT MP 废液的可生化降解性显著高于云杉CT MP 废液,在C OD 的去除率上表现尤为明显。313在观察菌胶团形成和存在状态的同时,定性观察与鉴别原生动物种属变化、数量增减和活动状况,可以作为辅助手段,结合污染物质去除的指标测定,帮助了解活性污泥法系统的运行情况以便实施调控。参考文献1Christopher J.Biermann.Essentials of

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29、e of CTMP effluents on activated sludge process was discussed in this paper. Results showed that , under conditions of convenient adjustment operation , pollutants in both softwood ( Epinette and hardwood ( Tremble CTMP effluent could be effectively removed. Operating under dominant species of micro

30、organism community , the 11 唐受印等编 1 废水处理工程 1 北京 : 化学工业出版社 ,1998 :207 77 (11 :167 12 S N ,Lavallee H C. Activated Sludge Treatment of TMP Mill Effluents. Effluent Characterization and Treatability Study. Tappi J ,1994 , Lo Microorganism Observation and Pollutant Elimination in Activated Sludge System

31、 of Alternating V arieties of CTMP Effluents Gao Yang ( South China University of Technology , Guangzhou , Guangdong Province , 510641 ( Universite du Quebec a Trois2Rivieres , Quebec , Canada al supply. Pollutant and load in the effluent will change in this case. An impact which resulted from the changes of pollutant characteristics and their load on the effluent biochemical treatment process takes place. Combining with determination of COD , BOD and TSS , this paper discussed zoo