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高盐废水生物处理研究进展与可行性分析

更新时间:2019-08-19 11:50 来源:四川环境 作者: 郭沙沙 等 阅读:713 网友评论0

摘要:高盐废水中的高含盐量对微生物的生长有很强的抑制作用, 增加了含盐废水生物处理的难度。本文从盐度对生物处理系统有机物去除率和对脱氮、除磷效果影响等三个方面, 综述了高盐废水生物处理的研究进展情况, 分析了高盐废水生物处理的可行性, 指明了高盐废水生物处理今后的研究方向, 以期为今后高效处理高盐度废水提供有益的资料。

关键词:高盐废水;生物处理;可行性

随着水资源的短缺, 废水(含高盐废水)的处理及回收利用越来越受到人们的重视。高含盐量废水是指含有有机物和至少3.5%的总溶解固体物TDS的废水。这些废水主要来源于海水直接利用过程中排放;某些工业行业的排放, 如化学试剂的生产、石油、印染等企业;以及其他含盐废水排放,如大型船舰上的污水等等。在这些废水中除含有有机污染物外, 还含有大量的无机盐, 如Cl- 、SO2 -4 、Na+、Ca2 +等离子。虽然这些离子都是微生物生长所必需的营养元素, 但浓度过高, 会抑制微生物的生长, 从而使废水无法达到理想的处理效果, 是目前难处理的废水之一。

目前, 含盐有机废水主要采用两种处理方式:非生物法(物理、化学)和生物法。由于此类废水的溶解性有机物含量高, 一般物理、化学方法难以处理并且处理成本高, 而生物处理法因具有经济、高效、无害的特点, 应该是首选的处理方法。在利用生物处理法处理高盐废水时, 往往由于废水中盐浓度过高, 对微生物的生长会产生抑制作用,使传统的生物处理法受到了极大的限制[ 1 ~ 3] 。因此, 加强在高盐环境中仍能降解污染物的特殊微生物, 即嗜盐微生物的研究探讨显得尤为必要。

本文从盐度对生物处理系统有机物去除率和对脱氮、除磷效果影响等三个方面, 综述了高盐废水生物处理的研究进展情况, 分析了高盐废水生物处理的可行性, 指明了高盐废水生物处理今后的研究方向,以期为今后高效处理高盐度废水提供有益的资料。

1高盐度对生物处理系统有机污染物的降解效率的影响

国内外关于盐度对有机物降解效率影响的报道很不一致。多数人认为, 高盐环境对生化处理有抑制作用。在高盐度环境下, 微生物代谢酶活性受阻, 生物增长缓慢, 产率系数低。Ingram[ 4] 通过对杆菌的研究发现, 当NaCl浓度>10g/L时, 微生物呼吸速率降低。LawtonGW[ 5] 的研究表明, 当NaCl浓度>20g/L时, 会导致滴滤池BOD去除率降低,实验表明, BOD的去除率随着盐浓度的增加而降低。DavisEM[ 6]报告, 使用活性污泥系统, 对含盐浓度高达12%的废水进行中试处理实验, 实验结果证明, 废水中的TOC去除率仅为28% ~ 43%, 而且试验运行困难。

但也有一些学者研究得出相反的结论。他们认为, 高盐度不会降低废水生物处理的有机物去除率, 适当的含盐量可以提高污泥絮凝性, 还对生物处理系统起到稳定作用。

Woolard等[ 7] 把嗜盐微生物在序批式生物膜反应器(SBR)中培养, 处理含盐量1% ~ 15%的合成含酚废水, 即使含盐量高达15% (150g/L), 对酚的去除率依然在99%左右。Hamoda和Al-Atlar[ 8]对活性污泥法处理含盐废水(10g/L和30g/L)的研究发现, 在高盐度环境中生物活性和有机物去除率均有提高, TOC去除率在NaCl为0g/L、10g/L、30g/L时分别为96.3%、98.9%、99.2%, 他们认为在高盐度环境中, 微生物生长没有受到抑制, 相反促进了一些嗜盐细菌的生长, 使反应器内微生物浓度增加, 降低了有机负荷, 也提高了污泥的絮凝性。由此可见, 嗜盐微生物比普通微生物对高盐度环境有更强的适应能力, 以嗜盐微生物为主的生物处理系统更具稳定性。

2高盐度对生物处理系统脱氮效果的影响

高盐度会对硝化菌和反硝化菌产生抑制, 但许多研究结果表明, 如果污泥在高盐环境中有足够的驯化时间, 使硝化菌和反硝化菌大量增殖, 系统就能有较好的脱氮效果。但关于盐度对硝化反硝化的影响还存在一些不一致甚至自相矛盾的结论。

2.1高盐度对硝化反应的影响

盐会抑制硝化菌的生长, 硝化反应对盐浓度和盐冲击都敏感。RoseM F等[ 9] 处理含盐废水时发现50g/L的NaCl系统中氨的去除率为48%, 而没有NaCl的系统氨的去除率高达94%。ChenG H等[ 10] 发现盐度在4.12g/L的NaCl有利于硝化, 但超过这个浓度会下降。

2.2高盐度对反硝化反应的影响

许多研究证实高盐环境中可以进行反硝化反应, 如vanderHoekP等[ 11] 发现NaCl或Na2 CO3为30g/L时能够进行反硝化反应。大部分的研究结果表明反硝化效率随着进水盐度增加而降低, 但是YoshieS等[ 12] 通过试验得出盐度为10%的反硝化活性高于盐度为2%的反硝化活性, 2%盐度下嗜盐菌反硝化菌和非嗜盐反硝化菌可能共存, 并且互相竞争底物, 然而10%盐度下可能会导致嗜盐菌反硝化菌占统治地位, 从而提高了反硝化效率。

分析其产生对立结论的原因可能是:(1)系统的构造和实验条件(如:温度、pH、废水中含有抑制微生物的化合物等)的差异;(2)系统微生物种类, 如使用单一或混合的微生物, 驯化或没有驯化的微生物;(3)盐加入系统的方式, 如突然加入或逐渐加入。

另外, 还有研究表明, 在硝化反应过程中, 硝化细菌对盐度比亚硝化细菌更敏感, 在达到一定盐度后硝化过程中会出现亚硝酸盐的大量积累。由于反硝化菌能够直接将NO-2 -N还原, 生物脱氮可经过NH+4 -N※NO-2 -N※N2 这样的途径完成(即短程硝化反硝化生物脱氮)。短程硝化反硝化生物脱氮工艺可以减少硝化阶段的需氧量, 并且可以节省反硝化阶段的有机碳源[ 13] , 因此, 可以通过控制温度、pH值、溶解氧、游离氨以及污泥龄等条件来抑制硝化菌的活性或减少硝化菌的数量, 以实现短程硝化[ 14 ~ 17] 。

3高盐度对生物处理系统除磷效果的影响

国内外关于高盐条件下生物除磷的研究不多,从已有的报道来看, 高盐环境下的除磷效果并不理想。

IntrasungkhaN等[ 18] 采用SBR反应器将进水盐度由低逐渐升高研究了盐度对氮磷去除的影响。盐度大于5g/L时, 磷的去除率大幅度下降, 无法进行生物除磷。UygurA等[ 19]研究发现, 当废水中含盐浓度从0g/L增加到60g/L时, PO3 +4 -P的去除率由84%降到22%。

李玲玲[ 20]研究发现, 聚磷菌在含盐环境中经过长期驯化, 也能适应高盐环境:废水中含盐浓度低于32.5g/L时, 经过3 ~ 7 h的好氧吸磷阶段,可使出水PO3 +4 -P浓度低于0.5g/L;当含盐量超过35g/L后, 好氧吸磷速率明显降低。

目前, 对高盐废水中磷去除规律的研究较少,而且去除效果不理想, 分析其原因, 可能与聚磷菌对盐度更敏感和研究人员的驯化方法及驯化时间有关。聚磷菌受到高盐度冲击时, 不能立刻通过调节自身新陈代谢而对高盐环境产生适应性, 导致驯化时间短除磷功能大幅下降, 甚至会完全失去除磷功能。

4高盐废水生物处理的可行性分析与今后研究方向

适应于淡水环境的微生物在受到高盐度废水冲击时, 其正常代谢功能会受到抑制。但在高盐环境中, 微生物会通过自身的渗透压调节机制平衡细胞内的渗透压或保护细胞内的原生质, 这些调节机制包括细胞聚集低分子量物质, 如氨基酸、糖、甘氨酸三甲基内盐来形成新的保护层, 调节自身新陈代谢, 改变遗传基因[ 21] , 因而通过选择培养可以驯化出耐高盐度的菌种, 系统可获得较好的处理效果。

国内外大量的研究实验证明一些特殊微生物在高盐环境中照样能降解有机污染物。

1995年阿联酋U.A.E.大学的HamodaM F等[ 22] 使用活性污泥完全混合反应器分别对不含盐废水、含盐量10 ~ 30g/L的废水在不同泥龄(3 ~20d)和不同有机负荷(0.5 ~ 2.5kgCODCr/(kgVSS· d))条件下进行平行对照实验, 结果发现盐度对未经驯化的活性污泥系统产生明显的抑制影响, 但经过一段时间驯化后, 系统的活性污泥浓度增加,并显著改变了活性污泥中微生物种群的组成, 且对TOC的去除率均达到96%以上。

国内学者也在这方面进行了相应的研究。安林等[ 23] 讨论了盐对二段接触氧化法处理废水的影响;杨健[ 24]用SBR法处理含盐含油发酵工业废水;梁展辉[ 25]等对高盐度有机废水进行吹脱和冷却预处理后, 再利用SBBR (序批式生物膜反应器)处理, 都取得了良好效果。

另外, 在自然界高盐环境如盐湖、死海、盐场和海洋中, 也广泛生存着耐极高盐度的嗜盐菌。一些研究表明将嗜盐菌接种到污水处理构筑物中, 能有效的去除高盐废水中的有机物。如EstrellaAspe[ 26]等用海洋底泥接种可有效处理渔场废水。耐盐微生物和嗜盐微生物的广泛存在为高盐废水的生物处理提供了保证。

综上所述, 利用生物系统处理高含盐量有机工业废水技术上是可行的, 表明嗜盐菌在含盐有机废水处理中的应用有一定前景。但在实际工程中, 利用生化法直接处理(指不经过稀释和预先提取盐)高含盐量生产废水的应用还远远不够广泛, 要使生化法在含盐有机废水处理中真正得到广泛的应用,还需要做很多更深入的研究。

(1)处理含盐浓度很高的工业废水时, 所驯化的耐盐微生物耐受盐度范围有限, 且污泥需长期驯化, 因此, 直接利用生长在高盐环境中的嗜盐菌则是一种快速有效的方法。我们应充分利用广阔的盐土和盐水资源, 从环境中筛选和分离出嗜盐微生物, 用分子生物学方法进行鉴定分类, 富集培养出高效嗜盐微生物, 应用于处理含高盐有机废水的实践中。

(2)无机盐对微生物生长影响很大, 高盐环境下尤为如此。由于处理工艺、废水水质, 运行条件, 微生物驯化方式的不同, 得出的结论有很大差异, 因此嗜盐菌的降盐机理研究仍将是高盐度废水处理的研究热点, 如何利用耐盐菌的降盐机理, 并结合合适的构筑物处理实际的高盐废水, 还需进一步的研究和探讨。

(3)研究证明高盐环境下含氮化合物的去除率降低, 如何提高高盐环境下含氮化合物的去除率是今后研究的关键。可以利用固定化微生物技术开展耐盐脱氮微生物制剂的研制, 将其直接加入反应器中以实现快速、高效的脱氮目的。

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