洗浴廢水處理技術(shù)
目前，世界各國都面臨著水污染嚴(yán)重、水資源短缺的現(xiàn)實(shí)問題。中國是全球水資源最為缺少的13個(gè)國家之一，水資源短缺已成為制約我國可持續(xù)發(fā)展的一個(gè)重要因素〔1〕。洗浴廢水約占城市生活污水的30%，是一種可回收再利用的優(yōu)質(zhì)中水水源，將其處理后回用，將會(huì)緩解我國目前用水緊張的問題。因此，對(duì)洗浴廢水的處理回用是一項(xiàng)具有現(xiàn)實(shí)意義的工作。
眾多學(xué)者針對(duì)洗浴廢水的處理方法進(jìn)行了大量的研究工作，并取得了一定的研究成果。所涉及的處理方法包括混凝、吸附、高級(jí)氧化和生物法〔2－4〕。本研究通過純種分離獲得LAS優(yōu)勢(shì)降解菌，并以活性炭纖維為載體掛膜形成強(qiáng)化吸附性生物膜用于洗浴廢水的處理，通過動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)確定了其最佳運(yùn)行參數(shù)。該項(xiàng)研究可為洗浴廢水處理工藝的設(shè)計(jì)提供有益的借鑒。
1LAS優(yōu)勢(shì)降解菌的篩選及菌種鑒定
1.1實(shí)驗(yàn)條件及測(cè)試方法
1.1.1實(shí)驗(yàn)條件
本實(shí)驗(yàn)采用的富集培養(yǎng)基成分：酵母膏1.2g，MgSO4·7H2O0.14g，F(xiàn)eSO4·7H2O0.0005g，K2HPO40.33g，KCl0.06g，LAS5mg，蒸餾水1000mL，pH7.0。0.1MPa下滅菌30min〔5〕。
考慮不同批次活性炭顆粒性能的差異，本研究采用深圳慧聰凈化廠生產(chǎn)的實(shí)驗(yàn)用CF-Z黏膠基活性炭纖維氈代替活性炭顆粒，其中所含活性炭>130g/m2，規(guī)格為1m×1m×5mm，比表面積為1500m2/g。使用前用蒸餾水洗滌3次，然后煮沸1h，再用蒸餾水洗滌3次，最后在120℃下烘焙48h，備用。
為保證實(shí)驗(yàn)的重現(xiàn)性和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可比性，本實(shí)驗(yàn)所用水樣為模擬實(shí)際洗浴廢水水質(zhì)自行配制，其水質(zhì)：LAS（陰離子表面活性劑）為5mg/L，CODCr為300mg/L，NH3-N為20mg/L。
1.1.2主要測(cè)試方法
LAS采用亞甲藍(lán)分光光度計(jì)法測(cè)定；COD采用COD快速消解測(cè)定儀直接測(cè)定；NH3-N采用鈉氏試劑法測(cè)定；pH采用pH計(jì)測(cè)定；微生物的生長量用比濁法測(cè)定，用OD值表示。
1.2LAS優(yōu)勢(shì)降解菌的篩選及鑒定
1.2.1LAS優(yōu)勢(shì)降解菌的篩選
實(shí)驗(yàn)菌種取自遼寧省阜新市清源污水處理廠二沉池污泥。將新取回的污泥靜置12h后，取10g放入裝有90mL無菌水的三角燒瓶中，在30℃條件下，以200r/min在搖床上振蕩30min，形成均勻的菌懸液。用已滅菌的移液管各移取菌懸液5mL，分別加入到3個(gè)盛有200mL已滅菌富集培養(yǎng)基的250mL三角燒瓶中，塞好棉塞后，在30℃、150r/min的搖床上連續(xù)振蕩培養(yǎng)5d。觀察發(fā)現(xiàn)：澄清的培養(yǎng)基逐漸變渾濁并有顆粒物出現(xiàn)，在三角燒瓶液面處有乳白色黏稠物生成。通過測(cè)定3個(gè)平行樣品中的LAS濃度，發(fā)現(xiàn)3個(gè)平行樣品中的LAS均有部分降解，從而確定菌懸液中已有LAS降解菌存在。
1.2.2LAS優(yōu)勢(shì)降解菌的富集
為了進(jìn)一步提高菌懸液中LAS降解菌的數(shù)量與活性，采用重復(fù)傳種的定向培養(yǎng)方法多次移種傳代，以此得到既能夠降解LAS，又對(duì)LAS有良好耐性的優(yōu)勢(shì)菌株。具體實(shí)驗(yàn)操作：取經(jīng)過前代篩選出的菌懸液5mL，分別加入到3個(gè)盛有200mL已滅菌富集培養(yǎng)基的250mL三角燒瓶中，其中LAS質(zhì)量濃度為5mg/L。塞好棉塞后，在30℃、150r/min的搖床上連續(xù)振蕩培養(yǎng)5d，經(jīng)過3次傳代接種，3個(gè)平行樣中LAS的去除率分別為82.2%、85.0%和85.6%，據(jù)此認(rèn)為LAS優(yōu)勢(shì)降解菌的富集完成。
為了同步考察LAS優(yōu)勢(shì)降解菌對(duì)水樣中COD和NH3-N的降解能力，將富集得到的LAS優(yōu)勢(shì)降解菌接種于LAS、COD和NH3-N分別為5、300、20mg/L的水樣中。按前述的方法，自接種后每隔24h測(cè)定一次LAS、COD、NH3-N濃度，結(jié)果表明，水樣中的COD、LAS在反應(yīng)初期下降趨勢(shì)明顯，隨著時(shí)間的延長，其下降趨勢(shì)逐漸變緩；而在反應(yīng)過程中NH3-N濃度不降反升。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，LAS濃度在4d后基本達(dá)到穩(wěn)定，因此在后續(xù)實(shí)驗(yàn)中，取經(jīng)過4d培養(yǎng)的菌懸液進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。
1.2.3LAS優(yōu)勢(shì)降解菌的鑒定
通過對(duì)LAS優(yōu)勢(shì)降解菌菌株的實(shí)驗(yàn)鑒定發(fā)現(xiàn)：（1）LAS優(yōu)勢(shì)降解菌屬革蘭氏陰性菌（G-），并呈短桿狀；（2）呈硝酸鹽還原陽性菌；（3）呈甲基紅陰性，可以將產(chǎn)生的酸性物質(zhì)轉(zhuǎn)化為中性；（4）呈過氧化氫陽性，能夠產(chǎn)生過氧化氫酶；（5）經(jīng)需氧性實(shí)驗(yàn)測(cè)定其為好氧菌〔6,7〕。
2強(qiáng)化吸附性生物膜處理洗浴廢水的動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)研究
生物活性炭纖維（BACF）是近年發(fā)展起來的新技術(shù)，它是以活性炭纖維作為載體，人為地將工程菌吸附在其表面形成生物膜，利用工程菌的生物降解和活性炭纖維吸附的協(xié)同作用去除水中的污染物，以此來提高對(duì)污水的處理效果，同時(shí)還可延長ACF的飽和周期〔8〕。
2.1動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)
動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。
圖1動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)裝置示意
動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)裝置為自制的40cm×30cm×40cm的玻璃容器，用隔板平均分為3格作為3個(gè)獨(dú)立的反應(yīng)器，即：反應(yīng)器Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ。反應(yīng)器Ⅰ、Ⅲ用作生物活性炭纖維反應(yīng)器（BACF），反應(yīng)器Ⅱ用作活性炭纖維反應(yīng)器（ACF）。在各反應(yīng)器中裝填活性炭纖維，活性炭纖維的填充量為總?cè)莘e的40%，有效容積約6L。反應(yīng)器Ⅱ直接用作活性炭纖維吸附床，反應(yīng)器Ⅰ采用活性污泥直接掛膜，反應(yīng)器Ⅲ采用LAS優(yōu)勢(shì)降解菌菌懸液掛膜。實(shí)驗(yàn)過程中，利用高位水箱自反應(yīng)器的一端進(jìn)水，在進(jìn)水管路中設(shè)置控制閥，調(diào)節(jié)進(jìn)水量；另一端靠近底部設(shè)置取樣口。利用充氧機(jī)在生物反應(yīng)器Ⅰ、Ⅲ的進(jìn)水端進(jìn)行曝氣。為考察不同工藝對(duì)洗浴廢水的處理效果，在相同的進(jìn)水條件下，對(duì)3個(gè)反應(yīng)器的處理效果進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。
2.2動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)過程及結(jié)果分析
2.2.1生物活性炭反應(yīng)器掛膜法
在動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)裝置安裝完成后，量取備用的活性污泥樣品2L（經(jīng)測(cè)定活性污泥的MLSS為21.74g/L），將其倒入反應(yīng)器Ⅰ內(nèi)，然后加入洗浴廢水直至恰能浸沒活性炭纖維載體材料；之后利用供氧機(jī)對(duì)反應(yīng)器Ⅰ進(jìn)行供氧，靜置曝氣48h后，排空反應(yīng)器中的污水。按上述步驟重復(fù)操作2次，經(jīng)過6d的反復(fù)操作以后，開始以1.5L/h的流量連續(xù)通入洗浴廢水，同時(shí)在反應(yīng)器Ⅰ進(jìn)水口處持續(xù)曝氣〔9,10〕。
取LAS優(yōu)勢(shì)降解菌菌懸液（OD=0.4）2L加入到反應(yīng)器Ⅲ內(nèi)，采用上述相同的方法對(duì)反應(yīng)器Ⅲ進(jìn)行掛膜。
掛膜在常溫（20～25℃）條件下進(jìn)行，經(jīng)過6d的反復(fù)悶曝、排空后，肉眼可見反應(yīng)器Ⅰ的曝氣口端有淡黃的膠質(zhì)黏性物質(zhì)產(chǎn)生；反應(yīng)器Ⅲ的曝氣口則呈現(xiàn)乳白色的膜狀物質(zhì)，且較反應(yīng)器Ⅰ中形成的生物膜厚度略薄。自洗浴廢水流入后，隨著時(shí)間的延長，反應(yīng)器Ⅰ、Ⅲ生物膜不斷地向外圍擴(kuò)散。
2.2.2動(dòng)態(tài)反應(yīng)條件
在反應(yīng)器Ⅰ、Ⅲ掛膜完成后，為對(duì)比3個(gè)反應(yīng)器對(duì)洗浴廢水的處理效果，同時(shí)對(duì)3個(gè)反應(yīng)器進(jìn)行動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)研究。為增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可比性，反應(yīng)器Ⅰ、Ⅲ采用相同的反應(yīng)條件，即：進(jìn)水流量為1.5L/h，HRT為4h，曝氣量為1.5mg/L；而反應(yīng)器Ⅱ的進(jìn)水流量為3L/h，HRT為2h（前期實(shí)驗(yàn)研究表明：HRT為30min時(shí)，活性炭纖維即可達(dá)到吸附平衡），目的是為了避免由于水力停留時(shí)間過長在活性炭纖維上產(chǎn)生自然掛膜現(xiàn)象而失去比較意義。
2.2.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析
動(dòng)態(tài)運(yùn)行階段，每隔2h分別對(duì)3個(gè)反應(yīng)器出水中的LAS、COD、NH3-N監(jiān)測(cè)一次，在此基礎(chǔ)上，計(jì)算各工藝對(duì)洗浴廢水中LAS、COD、NH3-N的去除率。
3種工藝對(duì)洗浴廢水中LAS的去除效果見圖2。
圖23種工藝對(duì)洗浴廢水中LAS的去除效果
從圖2可以看出，反應(yīng)器Ⅰ連續(xù)運(yùn)行14d后對(duì)LAS的去除率才趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定后的LAS去除率約為79.51%；反應(yīng)器Ⅲ連續(xù)運(yùn)行10d后即對(duì)LAS的去除率趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定后的LAS去除率約為87.14%；而反應(yīng)器Ⅱ在運(yùn)行初始階段對(duì)LAS表現(xiàn)出良好的吸附性，但隨著處理時(shí)間的延長，其對(duì)LAS的去除率日漸降低，實(shí)驗(yàn)觀測(cè)期間平均LAS去除率僅為66.67%。
分析其原因主要是：反應(yīng)器Ⅰ采用普通活性污泥掛膜，由于普通活性污泥中菌種復(fù)雜多樣，可能引發(fā)了除LAS降解菌以外的其他菌體大量繁殖，從而影響了其對(duì)LAS的降解性能。而反應(yīng)器Ⅲ采用LAS優(yōu)勢(shì)降解菌菌懸液進(jìn)行掛膜，其對(duì)洗浴廢水的適應(yīng)能力較強(qiáng)，所以在較短的時(shí)間內(nèi)就能達(dá)到穩(wěn)定，進(jìn)入穩(wěn)定期后在活性炭纖維和生物膜的協(xié)同作用下，對(duì)LAS的去除率相對(duì)較高。反應(yīng)器Ⅱ由于活性炭纖維的吸附容量有限，雖然在初始階段表現(xiàn)出良好的吸附性，但隨著對(duì)有機(jī)物吸附量的增大，多數(shù)吸附位被占用，影響了吸附的持久性，因此隨著時(shí)間的增長，吸附能力逐漸下降。
3種工藝對(duì)洗浴廢水中COD的去除效果見圖3。
圖33種工藝對(duì)洗浴廢水中COD的去除效果
從圖3可以看出，反應(yīng)器Ⅰ連續(xù)運(yùn)行12d后對(duì)COD的去除率趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定后的COD去除率約為81.67%；反應(yīng)器Ⅲ連續(xù)運(yùn)行13d后對(duì)COD的去除率趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定后的COD去除率約為85.87%；而反應(yīng)器Ⅱ在運(yùn)行初始階段對(duì)COD表現(xiàn)出良好的吸附性，但隨著處理時(shí)間的延長，其對(duì)COD的去除率日漸降低，COD去除率最高可達(dá)73.67%。
分析其原因主要是：反應(yīng)器Ⅰ在運(yùn)行初期由于微生物剛剛附著于活性炭纖維表面，營養(yǎng)匱乏，生長較為緩慢，同時(shí)微生物的附著又占據(jù)了活性炭纖維的有效吸附位，因此在初始階段其對(duì)COD的去除率相對(duì)較低；隨著處理時(shí)間的延長，活性炭纖維不斷使污水中的營養(yǎng)物質(zhì)聚集在表面上，異養(yǎng)菌大量繁殖，COD去除率顯著增加；達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行后，污泥中的雜質(zhì)和菌種的代謝產(chǎn)物在掛膜期間占據(jù)了活性炭纖維上一定量的吸附位，致使出水COD相對(duì)較高。反應(yīng)器Ⅲ由于菌種相對(duì)單一，其適應(yīng)能力較弱，達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行的時(shí)間相對(duì)較長；但達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行后，活性炭纖維的吸附中心不會(huì)被大量占用，因此廢水處理階段反應(yīng)器Ⅲ的吸附能力與微生物降解作用的協(xié)同效果明顯，出水效果更佳。反應(yīng)器Ⅱ單純依靠活性炭纖維的吸附作用，對(duì)洗浴廢水中COD的去除在運(yùn)行初期比較穩(wěn)定；隨著運(yùn)行時(shí)間的延長，其對(duì)COD的去除率逐漸下降，連續(xù)運(yùn)行18d后達(dá)到吸附平衡，測(cè)試期間平均COD去除率為59.94%。
3種工藝對(duì)洗浴廢水中NH3-N的去除效果如圖4所示。
圖43種工藝對(duì)洗浴廢水中NH3-N的去除效果
從圖4可以看出，反應(yīng)器Ⅰ對(duì)NH3-N的去除相對(duì)較好，達(dá)到穩(wěn)定去除NH3-N用時(shí)15d，穩(wěn)定后的平均NH3-N去除率為78.63%；反應(yīng)器Ⅱ?qū)H3-N的去除率從運(yùn)行初期就一直比較穩(wěn)定，但NH3-N去除率僅為42.18%；反應(yīng)器Ⅲ在啟動(dòng)初期NH3-N去除率較低，僅為12.90%，啟動(dòng)12d后，NH3-N去除率開始迅速增加，直到第17天后，NH3-N去除率接近穩(wěn)定，穩(wěn)定后的平均NH3-N去除率為74.89%。
分析其原因主要是：NH3-N的去除依賴于生物膜中硝化菌的數(shù)量和活性，在反應(yīng)初期，環(huán)境中有機(jī)物含量高，造成異養(yǎng)菌優(yōu)勢(shì)生長，對(duì)硝化菌的生長產(chǎn)生抑制作用，因此運(yùn)行初期氨氮的去除效果較差，消耗的氮素營養(yǎng)僅用于異養(yǎng)菌的同化作用。隨著對(duì)有機(jī)物去除的穩(wěn)定，異養(yǎng)菌對(duì)硝化細(xì)菌的抑制減弱，大量的硝化細(xì)菌附著在載體上開始生長繁殖，氨氮去除率增大；钚晕勰鄴炷(duì)NH3-N的處理效果之所以好于菌懸液掛膜，是由于接種用活性污泥中原本含有硝化細(xì)菌，掛膜初期被直接截留并附著于載體表面生長繁殖，待生物膜生長穩(wěn)定后，在生物膜中硝化細(xì)菌所占的比例較高，因此其對(duì)氨氮的去除效果相對(duì)較好。
3結(jié)論
通過對(duì)微生物樣品的富集培養(yǎng)、純種分離獲得LAS優(yōu)勢(shì)降解菌，并對(duì)其進(jìn)行了菌種鑒定。在此基礎(chǔ)上，通過設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)，對(duì)3種工藝處理洗浴廢水的效果進(jìn)行了對(duì)比實(shí)驗(yàn)研究。得出的結(jié)論如下：
（1）對(duì)LAS優(yōu)勢(shì)降解菌菌種的鑒定結(jié)果表明，LAS優(yōu)勢(shì)降解菌屬革蘭氏陰性菌（G-），并呈短桿狀；為硝酸鹽還原陽性菌；呈甲基紅陰性，可以將產(chǎn)生的酸性物質(zhì)轉(zhuǎn)化為中性；呈過氧化氫陽性，能夠產(chǎn)生過氧化氫酶；經(jīng)需氧性實(shí)驗(yàn)測(cè)定其為好氧菌。
（2）通過動(dòng)態(tài)對(duì)比實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，在反應(yīng)器Ⅰ、Ⅲ進(jìn)水流量為1.5L/h，HRT為4h，曝氣量為1.5mg/L；反應(yīng)器Ⅱ進(jìn)水流量為3L/h，HRT為2h的實(shí)驗(yàn)條件下，反應(yīng)器Ⅲ對(duì)洗浴廢水中LAS和COD的去除效果均好于反應(yīng)器Ⅰ、Ⅱ，達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行后其去除率分別為87.14%和85.87%；對(duì)洗浴廢水中NH3-N的去除效果，反應(yīng)器Ⅰ好于反應(yīng)器Ⅱ、Ⅲ，達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行后，其去除率為78.63%。
（3）在進(jìn)水流量為1.5L/h，HRT為4h，曝氣量為1.5mg/L的動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)條件下，采用LAS優(yōu)勢(shì)降解菌菌懸液掛膜形成的強(qiáng)化吸附性生物膜處理洗浴廢水，LAS、COD和NH3-N去除率可分別達(dá)到87.14%、85.87%和74.89%。
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