关于微生物菌剂构建及其在焦化废水处理中应用的研究

作者：郑晓敏

   目前焦化废水一般按常规方法进行两级处理。第一级处理包括：隔油，过滤，溶剂萃取脱酚，蒸氨，黄血盐脱氰等。第二级处理包括：浮选，生物脱酚，混凝沉淀等。焦

化废水经上述两级处理后，外排废水中酚的含量可达标，但氰化物、COD及氨氮很难达标。因此，还需要进行深度处理即三级处理。然而，深度处理费用昂贵，成本压力大，多数焦化厂仅采用生化处理，未经三级处理，造成未达标排放，严重污染了水环境，给人类健康带来了严重危害。

  生物增效是通过添加具有某种特定降解能力的微生物菌株来增强原有微生物种群作用的方法。特效微生物是从自然界中筛选出来的优势菌种，对原有生化系统无任何不利影响。该方法并不替代现有的细菌群，但可以提高菌群在某些特定菌群在特定情况下的反应力，或增强菌群降解污水组分的能力，从而提高污水处理效果。相比较于物理法和化学法，生物增效具有以下优点：无需增加设备，节约成本，针对不同水质特点针对性去除，并且不会造成二次污染。生物增效菌剂是将具有特定降解能力的微生物菌株按特定的比例混合配制而成的微生物混合剂，具有适应能力好，针对性强的特点，可以有效地去除污水中难以降解的有机物。目前生物增效菌剂已被广泛应用于曝气生物滤池(BAF)、序批式活性污泥法(SBR)等生化系统中进行处理焦化废水。

  本研究通过人工筛选高效分解有机物的降解菌，结合好氧活性污泥法，提高原有焦化废水处理系统的处理能力，使得难以降解的芳香族化合物得到降解，降低出水COD浓度，不需要额外增加设备投入，也无需更改已有工艺，大大节约了运行成本，并且可以提高生化系统抗负荷冲击的能力，同时实现污泥减排。

1  试验材料和方法

1.1  试验材料

1.1.1  样品来源

  污泥样品采集于鞍钢好氧生化池。

1.1.2培养基

筛选培养基1：萘2 g/L，(NH4)2S04 0.4 g/L，琼脂15 g/L，pH 7.0，121℃灭菌20 min，其中萘在培养基灭菌后加入。

  筛选培养基2：苯酚0.5 g/L，(NH。)。SO。0.4 g/L，琼脂15 g/L，pH 7.0，121℃灭菌20 min，其中苯酚在培养基灭菌后加入。

  筛选培养基3：吡啶0.3 g/L，(NH4)2S04 0.4 g/L，琼脂15 g/L，pH 7.0,121℃灭菌20 min，其中吡啶在培养基灭菌后加入。

  LB培养基：蛋白胨10 g/L，酵母膏5 g/L，NaCI 5 g/L，pH 7.2，121℃灭菌20 min。

  无机盐培养基：Na2HP04·l2H20 6.5 g/L，KH2PO。0.9  g/L, (NH4)2S04 0.4  g/L, MgS04-7H20  0.2  g/L,pH 7.0, 121℃灭菌20 min。

1.1.3  实验装置

  微生物菌剂处理焦化废水小试实验所用好氧生化反应器由圆柱体的玻璃构成，装置图见图1。反应器内径为60 mm，外径为80 mm，反应器高度为450mm，有效容积为1.6 L。

1.2  试验方法

1.2.1  微生物菌剂中菌株的获得

  将焦化污泥进行梯度稀释（稀释106、l07、l08倍），分别吸取各浓度梯度0.1 mL稀释液加入到筛选培养基1固体平板上，用玻璃棒涂布均匀，30℃培养2-4d，挑取生长最快的一株单菌落作为萘降解菌；将焦化污泥进行梯度稀释（稀释106、107、108倍），分别吸取各浓度梯度0.1 mL稀释液加入到筛选培养基2固体平板上，用玻璃棒涂布均匀，30℃培养2～4 d，挑取生长最快的一株单菌落作为苯酚降解菌；同样将焦化污泥进行梯度稀释（稀释106、107、108倍），分别吸取各浓度梯度0.1 mL稀释液加入到筛选培养基3固体平板上，用玻璃棒涂布均匀，30℃培养2-4 d，挑取生长最快的一株单菌落作为吡啶降解菌。

  而菌株SY-SW51、SY-25以及SY-ND为实验室已有的具有絮凝功能的菌株。

1.2.2  菌种的鉴定

  用LB培养基将用于构建菌剂的各株菌株培养至对数期，离心，用天根公司基因组提取试剂盒提取各菌株的基因组DNA，作为PCR反应的模板，l6SrRNA基因的PCR扩增：扩增引物如下：

PCR反应体系如表1。

  PCR反应条件为：(94℃3 min)-( 94℃1 min-55℃30 s-72℃1 min)x30个循环一(72℃1 min)。

  PCR产物经琼脂糖凝胶电泳纯化后与pMDl8-T载体连接，转化到大肠杆菌DH5a，然后提取重组质粒，测定l6S rRNA基因序列。将基因序列登录美国国立生物技术信息中心网站( http://www.ncbi.nlm．nih.gov)，进行核苷酸序列Blast比对，得到与相关菌株的16S rRNA基因序列同源的若干核苷酸序列。

1.2.3  微生物菌剂的构建及制备

  利用LB液体培养基培养上述的6株菌至对数期，通过正交实验，对各菌株进行不同的配比组合。为了确定最佳的菌剂配比，在250 mL的摇瓶中添加100 mL辽宁某厂焦化废水，添加体积比为20%的活性污泥，再将各个配比组合的菌剂以0.5%的体积比添加到各个摇瓶中，对照组只添加活性污泥而不添加任何菌剂，考察不同配比的菌剂处理焦化废水时对COD去除的实际效果。

  将上述6株菌株的发酵液按最佳配比的比例混合，离心，收集菌体，再利用无机盐培养基适当稀释菌体，使混合菌液浓度在1010 cfu/mL左右，即为微生物增效菌剂。

1.2.4  微生物菌剂处理焦化废水小试实验

1.2.4.1  微生物菌剂处理哈尔滨某厂煤气废水小试

  哈尔滨某厂煤气废水进行好氧生化处理前COD浓度约为1300 mg/L．活性污泥组和增效污泥组均投加约占反应器总体积20%的活性污泥，好氧生化反应器水力停留时间为48 h，DO控制在3-5 mg/L之间，温度控制在30℃左右，pH控制在7.0~7.5之间，系统运行到第13天时一次性向增效污泥组投加占反应器有效体积0.5%的微生物增效菌剂。

1.2.4.2  微生物菌剂处理河北某厂焦化废水小试

  河北某厂焦化废水进行好氧生化处理前COD浓度约为1700 mg/L，活性污泥组和增效污泥组均投加约占反应器总体积20%的活性污泥，好氧生化反应器水力停留时间为36 h，DO控制在3-5 mg/L之间，温度控制在30℃左右，pH控制在7.0~7.5之间，系统运行到第2天时一次性向增效污泥组投加占反应器有效体积0.5%的微生物增效菌剂。

1.2.5  主要分析项目和检测方法

  COD采用重铬酸钾法；MLSS采用HACH公司的Txpro-2悬浮物(MISS)分析仪测定。

  好氧呼吸速率( oxygen uptake rate，OUR)是指单位量的活性污泥在单位时间里所消耗的氧气的量，是鉴定废水可生化性的重要指标；脱氢酶的活性( triph-enyltetrazolium chloride-dehydrogenase activity,TCC-DHA)在很大程度上能够反映生物体的活性状态，是考察污泥活性的一项重要指标，以上2个指标的测定方法见参照文献[8]。

2  结果与讨论

2.1  微生物菌剂的组成菌株

  微生物菌剂共由6株菌组成，分别是萘降解菌SY-NPD-3、苯酚降解菌SY-PD-27、吡啶降解菌SY-PDD-9、絮凝菌SY-SW51、SY-25以及SY-ND。李捍东等c9，则通过筛选酚类降解菌、喹啉降解菌、吡啶降解菌、萘降解菌和二甲基苯酚降解菌构建出一种由5株菌组成的微生物菌剂。江华等所应用的菌剂由吡啶、喹啉、苯酚、萘和吲哚降解菌等组成。叶姜瑜等通过筛选和组合获得一种由10株降解焦化废水有机物的优势菌组成的复合菌剂。从实际应用角度考虑，复合菌中的相互共存菌种越多，这个菌群就越稳定，具有较强的抗冲击能力，才能在废水系统中保持自己群落的优势，提高降解效率。

2.2  菌种的鉴定

  通过扩增各株菌的l6S rDNA并测定其l6S rD-NA序列，在GenBank比对后确定SY-NPD-3为假单胞菌（Pseudomonas sp），SY -PD -27为不动杆菌(Acinetobacter sp)，SY-PDD-9力鲍特氏菌（Bordetel-lsp），SY-SW51为克雷伯氏菌（Klebsiella sp），SY-25为巨大芽孢杆菌（Bacillus magterium），SY-ND为枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)。

2.3  微生物菌剂的构建

  通过正交实验确定微生物菌剂中SY-NPD-3、SY-PD-27、SY -PDD -9、SY-SW51、SY -25和SY-ND的最佳配比为5:1:2:3:3:3，在该组合下，微生物菌剂对焦化废水的COD去除率达到89.8%，而对照组的COD去除率只有78.4%。

2.4  微生物菌剂对焦化废水的处理效果

2.4.1  微生物菌剂对哈尔滨某厂煤气废水的处理效果

2.4.1.1  煤气废水的COD去除效果

  图2显示了活性污泥系统与增效污泥系统对哈尔滨某厂煤气废水COD的去除效果。在系统运行到第13天一次性投加微生物菌剂后，经过l周的适应期，增效污泥系统的出水COD从173 mg/L降低至105 mg/L，并在接下来近一个月内保持稳定。在稳定期内增效污泥系统的出水COD平均值为114 mg/L，COD去除率达到91.2%，而不添加菌剂的活性污泥系统的出水COD平均值为150 mg/L，添加菌剂可以在原有活性污泥系统的基础上使COD去除提高24%。

2.4.1.2  增效污泥系统的代谢活性分析

  OUR通过测定污泥的呼吸速率能够间接表征活性污泥的生理状况和代谢活性，脱氢酶是微生物降解有机污染物和获得能量的必需酶，TTC-DHA直接关系到有机物降解速率及生物处理设施的运行效果。因此，采用OUR和TTC-DHA表征污泥生物活性的大小。

  好氧呼吸速率计算公式如式(1)。

式(1)中，OUR为单位质量污泥在单位时间内利用的氧量，mgO2/(gMLVSS·h)；t1为初始时间；t2为末时间；DO1为t1时刻溶解氧浓度，mg02/L；D02为t2时刻溶解氧浓度，mgO2/L；MLVSS为污泥浓度，mg/L。

  脱氢酶的活性( TTC-DHA)的计算公式如式(2)。

  式(2)中，X为脱氢酶活性，TFμg/(g MLVSS·h);A为在已知标准曲线中根据吸光度(OD)值算得的TF含量；B为实际反应时间，h；C为测OD时试样所稀释的倍数。

  增效污泥系统与活性污泥系统的对比实验结果如表2所示。由表2可知，添加微生物菌剂的增效污泥系统的TTC-DHA和OUR数值均高于活性污泥系统，其中TTC-DHA比活性污泥系统的TTC-DHA提高了20.8%，而OUR比活性污泥系统的OUR提高了27.6%，可见增效污泥系统中的微生物生长能力更强、代谢活性更高且降解有机物的能力更强。同时增效污泥系统中的MLVSS与活性污泥系统中的MLVSS相比又降低了20.5%，这样就实现了污泥的减排，减少了后续的污泥处置费用。

2.4.2  微生物菌剂对河北某厂焦化废水的处理效果

2.4.2.1  焦化废水的COD去除效果

  图3显示了活性污泥系统与增效污泥系统对河北某厂焦化废水COD的去除效果。在系统运行到第2天一次性投加微生物菌剂后，经过约2周的适应期，增效污泥系统的出水COD逐渐降低至120 mg/L以内进入稳定期。在稳定期内增效污泥系统的出水COD平均值为108 mg/L，COD去除率达到93.6%，而不添加菌剂的活性污泥系统的出水COD平均值为143 mg/L，添加菌剂可以在原有活性污泥的基础上使COD去除提高24.5%。

  李咏梅等采用美国LRC技术有限公司提供的菌种处理焦化废水COD去除率为70%以上。江华等在应用高效菌剂处理进水COD质量浓度在2 000mg/L以下的焦化废水时，COD去除率最高可达到85%。李政一等用Ol-Nl#菌处理初始COD浓度为1 200mg/L的焦化废水时，COD去除率可以达到90%以上，但处理时间达到了96 h。而使用复合菌剂处理实际焦化废水时，其处理效率较高，因此所需处理时间较短。李捍东等采用A1-A2-01-02工艺处理高浓度焦化废水，通过投加菌剂进行中试研究，COD去除率可以达到94.5%。

2.4.2.2  增效污泥系统的代谢活性分析

  增效污泥系统与活性污泥系统的对比实验结果如表3所示。由表3可知，添加微生物菌剂的增效污泥系统的TTC-DHA和OUR数值均高于活性污泥系统，其中TTC-DHA比活性污泥系统的TTC-DHA提高了38.6%，而OUR比活性污泥系统的OUR提高了36.8%，可见在处理该厂焦化废水时增效污泥系统中的微生物生长能力也更强、代谢活性也更高且降解有机物的能力更强。同时增效污泥系统中的MLVSS与活性污泥系统中的MLVSS相比降低了33.3%，在该小试实验中也实现了污泥的减排，减少了后续的污泥处置费用。

3  结论

  (1)对从鞍钢焦化污泥中筛选到的3株降解菌SY-NPD-3、SY-PD-27、SY-PDD-9与实验室已有的3株絮凝菌SY-SW51、SY-25和SY-ND进行鉴定，其中SY-NPD-3为假单胞菌（Pseudomonas sp），SY-PD-27为不动杆菌(Acinetobacter sp)，SY-PDD-9为鲍特氏菌(Bordetella sp)，SY-SW51为克雷伯氏菌（Klebsiella sp），SY -25为巨大芽孢杆菌（Bacillusmagterzum），SY-ND为枯草芽孢杆菌（Bacillus sub-tilis）。

  (2)利用上述6株菌构建出对焦化废水COD降解效率高的微生物菌剂，SY-NPD-3、SY-PD-27、SY-PDD-9、SY-SW51、SY-25和SY-ND的最佳配比为5:1:2:3:3:3。

(3)应用微生物菌剂进行小试实验处理两种不同来源的焦化废水，微生物菌剂与活性污泥结合形成的增效污泥系统可以增强对COD的去除、提高微生物的生长及代谢活性，并实现污泥的减排，降低了后续的污泥处理费用。

4摘  要：对从鞍钢焦化污泥中筛选到的3株功能菌和实验室已有的3株絮凝菌根据l6S rRNA基因序列进行鉴定，结果是萘降解菌SY-NPD-3为假单胞菌（Pseudomonas sp），苯酚降解菌SY-PD-27为不动杆菌(Acinetobacter sp)，吡啶降解菌SY-PDD-9为鲍特氏菌(Bordetella sp)，絮凝菌SY-SW51、SY-25和SY-ND分别为克雷伯氏菌（Klebsiella sp）、巨大芽孢杆菌（Bacillus magterium）和枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）。以上述6株菌构建出一种针对焦化废水的微生物菌剂，最佳配比为5:1:2:3:3:3。应用该菌剂进行小试实验处理2种不同来源的焦化废水，COD去除率分别达到91.2%和93.6%。菌剂与活性污泥结合形成的增效污泥系统可以增强COD的去除、提高微生物的生长及代谢活性，并实现污泥减排，降低了后续的污泥处理费用：