微生物在废水处理中的应用进展

微生物在废水处理中的应用进展

第17卷　第1期重庆工学院学报2003年2月Vol.17No.1JournalofChongqingInstituteofTechnologyFeb.2003　　文章编号:167120924(2003)0120008204X微生物在废水处理中的应用进展全学军,林治华,周跃钢(重庆工学院生物工程学院,重庆　400050)摘要:污水处理主要分为生化法和物理化学法两类。生化法具有投资少,操作方便,时间短等优点,而且能有效地减轻,甚至没有二次污染,高效回收有用物质。文中综述了微生物在含重金属离子废水、啤酒废水、染料废水、含油废水、核工业废水、抗生素工业废水等废水处理中的应用情况。关键词:微生物;废水;处理;应用中图分类号:Q93919文献标识码:A0　引言1　含重金属离子废水的处理随着工业的高速发展和人口的膨胀,水环境污染问题目前工业上普遍应用的几种处理重金属废水的方法:越来越严重地威胁着人类的生存环境,制约着社会和经济如活性污泥法、生物膜法、化学沉淀法、活性碳吸附法和离的进一步发展。因此,治理废水,保护世界上水资源免受子交换树脂法,虽效果较好,但因过程繁琐,成本较高,而污染已成为全球性课题。在目前所发展的废水处理技术不够理想。另一方面,我国的发酵工业比较发达,大量的中,废水生物处理法已成为世界各国处理城市污水和工业废弃菌丝体无法处置,已成为一个新的污染源。近几年废水,控制水污染的主要手段。来,国外有人利用废弃菌丝体吸附废水中重金属离子,这废水生物处理是除物理化学法外的另一类水处理方样即解决了工业废水污染问题,又解决了发酵废渣处置问法,它利用微生物生命活动过程对废水中污染物进行转移题。而且回收大量贵重金属,成本低廉,是环保领域以废和转化作用,使废水得到净化的处理方法。其主要特征是治废,变废为宝的新措施。应用微生物在为充分发挥微生物的作用而专门设计的生从废水、电镀污泥及下水道管内分离筛选出35株菌化反应器中,将废水中的污染物转化为微生物细胞以及简株,从中获得高效净化重金属的5株复合功能菌,进行微单形式的无机物。与物理化学方法相比,生物处理法具有生物净化回收电镀废水和污泥中铬等金属的示范工程,对一系列特点。由于污染物的生化转化过程不需要高温、高2+2+2+3+6+Zn、Cu、Ni、Cr、Cr等金属的一次净化率达到压,在温和的条件下经过酶催化即可高效并相对彻底完[1]99.9%以上,污泥量极少,并且从中回收铬等金属,回收成,因此,处理费用低廉;微生物具有来源广,易培养,繁殖[1]率大于85%。其处理机理是根据获得的高效功能菌对快,对环境适应性强和易实现变异等特性,适当地对其加金属离子有静电吸附作用,酶的催化转化作用、络合作用、以培养繁殖,特别是在一定特定条件下进行驯化,就能使絮凝作用、共沉淀作用及对pH值的缓冲作用,使得金属之很好地适应各种有毒的工业废水环境;通过有针对性地离子被沉淀,同原液分开离,废水被净化。对菌种进行筛选、培养和驯化,可以使大多数的有机物质微生物法是治理电镀废水的高效生物技术,建成的年实现生物降解处理,因此对废水水质的使用面越来越宽;[1]废水生物处理法不加投药剂,可以避免对水质造成二次污处理0.03～4.6万吨电镀废水的微生物治理工厂,运行染。另外,生物处理效果良好,不仅去除了有机物、病原稳定,处理效果很好。水回用,金属回收,功能菌无二次污体、有毒物质,还能去处臭味、提高透明度、降低色度等。染,消耗材料少,运行费和耗能均低,安全无毒。本技术有所有这些优点都使生物处理法处理废水成为废水处理方重大的实用价值和显著的社会、环境、经济三大效益,易于[1]法的首要选择。推广应用。X收稿日期:2002210207作者简介:全学军(19632),男,重庆人,博士,教授,主要从事生物工程研究1©1995-2005TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved.n全学军,等:微生物在废水处理中的应用进展9化物的去除率主要与硫化物容积负荷和溶解氧DO浓度2　含硫化物废水的处理有关,在保证去除率为90%以上时,反应器内所需的DO浓度与硫化物容积负荷呈线性关系。反应器内pH值会由于硫化物的氧化而升高,其升高值与硫化物去除负荷呈自然界中能氧化硫化物的微生物很多,大部分属于化线性关系。好氧生物膜反应器填料表面附着的无色硫细能营养型,主要可分为3类:丝状硫细菌、光合硫细菌和无菌(CSB)是一种适应能力较强、生长繁殖迅速、生化反应色硫细菌。采用好氧生物膜反应器进行生物脱硫。其硫[2]速率很高的细菌。其处理废水的流程见图1。[2]化物的去除率可达90%以上,被去除的硫化物几乎全部转化为单质硫,有机物的去除率在10%左右。另外,硫图1　生物脱硫实验流程1、计量泵　2、空气泵　3、转子流量计　4、脱硫反应器　5、沉淀池3　啤酒废水的处理4　染料废水的处理啤酒废水是一种容易生物降解的有机废水。它里面用生物方法进行印染废水处理具有广泛应用前景。含有麦糟、糖类、酵母体、啤酒残液、洗涤剂和其他一些污从印染厂污水中分离、筛选出高效脱色菌,将其固定化于物。据报道,国外每产一吨啤酒可产生废水8～20吨,国凹凸棒颗粒,组装成固定化微生物反应柱,试验其对各种内一般为20～30吨,啤酒废水中有机物含量较高,不处理染料及实际废水的脱色效果,确定生物降解条件和各种参直接排放,会大量消耗水体溶解氧,恶化环境。近几年来,数,并探讨脱色机理,为开发实用化的固定化生物技术提我国啤酒产量又有了非常显著的增加,所以它的废水处理供参考和依据。[4]已是一个日益引人关注的问题。凹凸棒颗粒对染料的吸附与固定化细菌对染料的取动物源污水处理站的消化污泥,过滤去除杂质后让降解的双重作用,固定化填料吸附了染料,既有利于废水其沉淀,去掉部分清液,取一定量污泥放入消化罐内作为的脱色,又为细菌提供了集中的营养物,有利于细菌繁殖。菌种,只是注意保持恒温30℃,pH值调到6.7和加入进细菌对染料降解,不断腾出填料的吸附空间,可以再吸附水含少量尿毒、磷盐,碳∶氮∶磷比为100:2.5:0.5的水,该水中的染料。[4]接种污泥菌胶团丰富,结构好,絮状体大,产气活跃,对啤虽然所试验的3种染料结构相差很大,但个别染料的降解产物扫描曲线在350NM处均有吸收峰,引起吸收酒废水适应快,接种几天后COD就有明显的去处效果。峰的产物到底是苯环类小分子物质(染料分子均含苯环结经过一个多月的培育驯化,部分菌胶团便开始形成一些不构),还是细菌自身的降解产物,以及这种降解产物与处理规则图形的颗粒状污泥,至两三个月后,颗粒状污泥大量[4]废水中COD的关系,有待进一步研究。出现,随后污泥沉降性能改善,出水清澈,出水悬浮固体通实验用的装置及流程如图2所示:常都在100mgPL左右,因而为提高水力负荷提供了有利的条件。通过试验了解到,颗粒状污泥是由厌氧污泥中的菌胶团通过其中的细菌的生长繁殖,逐渐加厚增大而发展过来的,且它不必特殊培养,只要合适的水质和条件,经过二、三个月的正常运行,便可在厌氧活性污泥中自然形成。采用厌氧方法处理,可以达到减少污染和获取沼气的目的。只要实验中控制好运行条件,促进颗粒状污泥的形成,可以显著提高处理效率。由于啤酒废水所能提供的碱图2　固定化运行系统装置示意图度较低,在水中适当投加一些碳酸钠,对于正常运行是必1、贮水池　2、蠕动泵　3、固定化柱　4、液体流量计[3]要的。5、空气流量计　6、空气泵　7、预热器©1995-2005TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved.n10重庆工学院学报[5]25℃避光条件下进行的。5　含油废水的处理微生物降解有机物的速率,在很大程度上是取决于氧的供给和含油废水中是否有适于微生物生长的营养物,最佳营养物的组成,加入数量和加入方式以及有效供氧将有在石油开采、储运和炼制过程中,由于操作不当或事待继续研究。监测在反应初期的耗氧速率是评估微生物故泄露等原因,常会有石油外溢或排放,造成环境污染。[5]降解含油废水中有机污染物的可行方法之一。微生物降解方法在环境污染净化过程中起着重要作用,正日益受到重视。在适宜的条件下,用存在于石油污染现场的微生物群能够有效地降低废水中有机物的含量,利用生6　核工业废水中钚2239的处理物降解法处理含油废水具有成本低、投资省、不会造成二239次污染等优点。微生物对废水中石油烃类的降解,主要是多年来,国内外对Pu废水的治理最多的方法是用239在加氧酶的催化作用下,将分子氧结合到基质中,先是形离子交换———水泥固化法,该法工艺流程冗长,处置Pu成含氧中间体,然后再转化成其他物质。因而,氧是影响的水泥罐堆积如山,需要保存几万年。80年代以来,国内2+2+2+好氧微生物生长和降解有机污染物的重要因素。在有机外一些学者探索了微生物去除废水中Cd、Zn、Ni、6+239污染物存在时,微生物耗氧变化已被用于表征有机物的可Cr、U、Th、Pu的可能性,其中微生物净化U的研究进239降解性。展较大。而微生物净化Pu的研究甚少。L.E.Hersman当密封体系中有活性污泥和受试物存在时,溶液中溶观察到假单细胞可吸附微量的钚2239;H.R.Meyer等报道解氧的减少与反应时间呈线性关系。设在反应初期,微生将活的假单孢菌与粉丝状聚丙烯结合,得到聚合物能从水物自呼吸及有机物存在时耗氧速率遵从下式:中沉淀34%的悬浮PuO2和94%的可溶PuCl4。李福德等d[O2]同志从含钚废水和污泥中分离、筛选了13株菌,从中获得=k·S·O2(1)dt了高效富集239Pu的OR菌,OR菌对239Pu的去除率可达式中[O2]———溶液中溶氧量,mgPL;99%,回收率为95%[6]。S———活性污泥中微生物的质量;从核工厂的废水污泥中分离、筛选了13株菌,从中获k———反应速率常数,min。得了净化回收废水中钚2239的高效OR功能菌。OR菌净当S量一定时,化核工业废水中239Pu的条件是:pH6,30℃,每升Pu废水d[O2]中加入50gOR菌,振荡富集5min,可去除99%的239Pu;用=k[O2]dt200ml0.5molPLNaHCO3振荡解收10min,解吸2次,可从而有239回收95%以上的Pu。[O2]t239239ln=k′t+cOR菌富集的Pu机理是菌的细胞壁对Pu粒子捕[O2]o239获形成表面吸附,同时发生絮凝,使废水中Pu得以去式中[O2]o和[O2]t分别为溶液中起始含氧量和t时除。向解吸后的OR菌加以培养基,可使其复壮生长。用刻的含氧量,C为常数项。239OR菌净化回收核工业废水中Pu,投资小,运行费低,操实验测得,石油是由脂肪烃、芳香烃及少量沥青和其作简单,管理方便,不存在二次污染,该法可替代现行的离他有机物所组成,由于成份复杂,很难用单一的一种微生239子交换———水泥固化处理核工业废水Pu的方法。可避物进行降解。不同类型有机物对微生物耗氧速率的影响239免后者不能回收Pu的缺点,有显著得经济效益和社会有一定差异,这与有机物的结构类型或化学稳定性有[6]环境效益。[5]关。一般认为,微生物是通过自身特殊的呼吸系统使长链脂肪烃进入自身细胞内,然后在加氧酶的催化作用下使其逐步氧化分解,并摄取该分解过程中产生的能量供自身7　抗生素工业废水的处理生长所用。芳香烃类化合物则是先转化成脂肪烃化合物再逐步分解的,所以芳香烃类化合物的微生物降解速率比抗生素工业废水是一类高色度、含难降解和生物毒性直链脂肪烃类化合物慢。对于有机物结构与微生物可降物质多的高浓度有机废水,国内300多家企业生产占世界解性之间的关系则有不同的解释。但总的说来,有机物渗产量20%～30%的70多个品种的抗生素,废水排放量大透到微生物细胞是反应的速率控制步骤,对于同系物则是且目前大多直接排放,严重危害水体环境。目前国内外应支链烷烃化合物比直链烷烃化合物难降解,这是由于“空用的治理技术不多且不成熟,已建成的以好氧工艺为主的间效应”造成的。由实验还可知,受试物为苯和环已烷时工程,投资和处理成本高,废水实际处理率很低。欧美日[5]的耗氧速率常数k值相近,可用它们的“空间效应”相同等国从40年代生产青霉素时就已经开始处理其废水,因来解释。受当时处理技术的限制,至70年代大多仍采用活性污泥能降解石油烃的微生物多数属于假单胞菌属,故采用法、生物滤池等。而从70年代开始,他们将这类大宗常规适于假单胞菌属生长的培养基选育菌株,微生物培养是在原料药生产向发展中国家转移,转而开发高技术、高附加©1995-2005TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved.n全学军,等:微生物在废水处理中的应用进展11值的新药,原因之一就是污染治理问题。所以国内当前采保护,废水生物处理法作为水处理领域十分活跃的分支,用好氧、厌氧生物处理工艺的应用水平在一定程度上代表正在以惊人的速度发展变化着,发挥着巨大的作用。并且这类废水处理的实际水平。其可行的治理工艺为:前处理它的特殊作用不断得到挖掘,一些具有特异性的优势菌种-厌氧-好氧组合工艺。不断得到创造或改进。将这些高效专性菌如脱色、脱磷、前处理的目的是使物料的理化性状适合于后续厌氧脱氮菌、假单胞菌等进行固定化后菌体密度增大,从而大消化工艺要求,除调节稳定水量、水质(COD、SS、碱度、大提高了处理效率,尤其对难降解有毒物质的治理有明显pH、物料营养比例等)外,还有去处生物抑制物质,提高废的优势。虽然废水生物处理法还存在着一些缺陷和不足,水可生化性的作用。主要前处理方法有:生物水解酸化、比如耗氧生物处理耗能多,有些方法占地多、不经济等。沉淀、絮凝、过滤等。但随着现代生物工程和技术的不断发展,人们正在不断完厌氧处理目的是利用高效厌氧工艺容积负荷高、COD善和改进现有技术和方法。可以预言,废水生物处理技术去处率高、耐冲击负荷的优点,减少稀释水量并且能较大必将取得更大的进步和发展。幅度地削减COD,以降低基建、设备投资和运行费用,并参考文献:回收沼气。厌氧段还有脱色作用,这对高色度抗生素废水的处理意义较大。[1]吴乾菁,李福德1微生物治理电镀废水的研究[J]1环境科好氧处理的目的是要保证厌氧出水(COD为1000～学,1997,18(5):4725014000mgPL[7])经处理后达标排放。同时,对于高氮、高[2]　左剑恶,袁琳1利用无色硫细菌氧化废水中硫化物的研究[J]1环境科学,1995,16(6):72101COD废水,通过厌氧2好氧组合工艺还可达到脱氮的目[7][3]　朱锦福1厌氧接触法处理啤酒废水的研究[J]1环境污染与的。防治,1986,8(3):92121[4]　梁沈平,王菊思,姜北春1固定化微生物柱对染料废水的脱8　结束语色实验[J]1环境科学,1998,19(5):102141[5]　李希明,向兰,柯家骏1微生物降解含油废水[J]1重庆环境科学,1998,20(1):121近年来,现代科学技术的发展也促进了废水生物处理[6]　李福德,赵晓红,杨杰1微生物净化回收核工业废水中钚2技术的进步,特别是电子计算机的广泛使用,不仅使处理239的研究[J]1环境科学,1995,16(6):1231工艺控制自动化,而且在生物技术上也广泛开展数学模拟[7]　杨军,陆正禹,胡纪萃,等1抗生素工业废水生物处理技术研究,把工艺动力学中许多环节,许多相关式用数学模型的现状与展望[J]1环境科学,1997,18(3):832851来表达,然后把动态程序设计输入电子计算机,由电子计[8]　邓洪权,杨平,潘永亮1废水生物处理技术研究进展[J]1重算机进行工艺条件最优化的选择,对结构的优化。据报庆环境科学,2000,22(6):472491道,有人已研制成功电子计算机辅助系统,该系统包括设[9]　屠娟,张利,赵力,等1非活性黑根霉菌对水中重金属离子计时的分析程序和处理程序,减轻了废水处理厂设计工作的吸附[J]1环境科学,1995,16(1):121的难度。[10]温汝俊1大城市污水处理工艺的经济选择因素[J]1重庆环随着人类环保意识的增加,人们越来越重视对环境的境科学,22(2):222231ApplicationofMicroorganisminWastewaterTreatmentQUANXue2jun,LINGZhi2hua,ZHOUYue2gong(CollegeofBiologicalEnginnering,ChongqingInstituteofTechnology,Chongqing400050,China)Abstract:Themethodsinwastewatertreatmentmainlyfallintobio2chemicalmethodandphysical2chemicalmethod.Bio2chemicalmethodpossessestheadvantagesoflessinvestment,easyoperationandshortperiodoftimeandcanef2fectivelyalleviateandeveneliminatesecond2timepollution.What’smore,itcanalsorecycleusefulobjectsefficiently.Thispapersummarizestheapplicationofbio2chemicalmethodinwastewaterwhichcontainsmetalparticles,wastewaterfrombeerproduction,dyewastewater,wastewatercontainingoil,wastewaterfromnuclearindustry,andwastewaterfromanti2bioticindustry.Keywords:micro2organism;wastewater;treatment;application(责任编辑　欧理平)©1995-2005TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved.