含盐工业废水生化处理耐盐污泥驯化及其机制

高盐污水生物处理技术

1 高盐废水产生途径

1.1海水代用排放的废水

所谓海水代用就是将海水不进行淡化处理而直接替代某些场合使用的淡水资源。

在工业上，海水可以广泛的用作锅炉冷却水，应用到热电、核电、石化、冶金、钢铁厂等行业上。发达国家年海水冷却水用量已经超过了1000亿m3。目前我国海水的年利用量为60多亿m3。青岛电厂1936年就开始将海水作为工业冷却水，至今已经有60多年的历史。目前，青岛市电力、化工、纺织等行业的12家临海企业，年用海水8.37亿m3。天津年利用海水达到18亿m3。此外，秦皇岛热电厂、黄道热电厂和上海石化总厂等70多家临海火力发电、核电、化工、石化等企业均已不同的方式直接利用海水。对于印染、建材、制碱、橡胶以及海产品加工等行业，海水还可以作为工业的生产用水。

城市生活用水。在城市生活中，海水可以替代淡水作为冲厕水。目前香港海水冲厕的普及率高达70％以上，未来计划普及率提高到100％，并因此成为世界上唯一以海水作为冲厕水的城市。而在大连、天津、青岛、烟台等城市的个别单位，也有采用海水冲厕的实践，但规模较小。

1.2工业生产废水

一些行业，如印染、造纸、化工和农药等，在生产中产生高含盐量的有机废水。

1.3 其他高盐废水

船舶压舱水

废水最小化生产中产生的污水

大型船舰上产生的生活污水

2 无机盐对微生物的抑制原理

2.1 抑制原理

含盐废水主要毒物是无机毒物，即高浓度的无机盐。

有毒物质对废水生物处理的影响与毒物的类型和浓度有关，一般随着浓度升高可分为刺激作用、抑制作用和毒害作用三大类。

高浓度无机盐对废水生物处理的毒害作用主要是通过升高的环境渗透压而破坏微生物的细胞膜和菌体内的酶，从而破坏微生物的生理活动。

①微生物在等渗透压下生长良好。微生物在质量为5~8.5g/L的NaCI溶液中，红血球在质量为9g/L的NaCI溶液中形态和大小不变，并生长良好；②在低渗透压（ρ（NaCI）=0.1g/L）下，溶液水分子大量渗入微生物体内，使微生物细胞发生膨胀，严重者破裂，导致微生物死亡；③在高渗透压（ρ（NaCI）=200g/L）下，微生物体内水分子大量渗到体外，使细胞发生质壁分离。

2.2 淡水微生物在不同盐度下的存活率

不同生活在淡水环境下或者淡水处理构筑物中的微生物接种到高盐环境下，仅有部分微生物存活。这是盐度对微生物的一种选择。将淡水微生物的存活率定义为100％，当盐度超过20g/L,其存活率低于40％。因此，当盐度超过20g/:L，一般认为用不同淡水微生物无法进行处理。

3 适盐微生物的分类与利用

耐盐微生物：能耐受一定浓度的盐溶液，但在无盐条件下生长最好，其生长也不需要大量无机盐。

嗜盐微生物：指在高盐条件下可以生长的细菌，其生长离不开高盐环境。按照最佳生长盐度范围可以分为三类。

海洋菌：最佳生长盐度1～3％

中度嗜盐菌：最佳生长盐度3～15％

极度嗜盐菌：最佳生长盐度15～30％

此图为部分适盐微生物形态的电镜图

4 生物处理高盐污水遇到的问题

盐度适应差

传统活性污泥法驯化处理盐度低于2％含盐废水。

当盐度环境变为淡水环境时，污泥的适应性会很快消失。盐度变化影响大

盐度在0.5～2％变化通常会对处理系统产生严重的干扰。

突然变化盐度比逐渐变化盐度对系统的干扰更大

从高盐变为无盐产生影响比低盐环境变为高盐环境产生的影响要大

降解速率缓慢

随着盐度的升高有机物降解速率下降，因此低F/M更适合含盐废水的处理。图3.5为SBR法处理在各盐度下的处理效果。

污泥流失严重

盐度改变污泥中微生物的组成，改变了污泥的沉淀性和出水SS，污泥流失严重.

5 高盐污水生物处理工程对策

5.1 驯化淡水微生物

适应于生活在淡水生物处理设施中的微生物在进入一定浓度的含盐环境内，会通过自身的渗透压调节机制来平衡细胞内的渗透压或保护细胞内的原生质，这些调节机制包括聚集低分子量物质来形成新的胞外保护层，调节自身的代谢途径，改变基因组成等，因此，正常活性污泥可以在一定盐度范围内通过一定时间的驯化处理含盐废水。

虽然污泥通过驯化可以提高系统耐盐范围，提高系统的处理效率，但是，驯化污泥中的微生物对盐度的耐受范围有限，而且对环境的变化敏感。当盐度环境变化时，微生物的适应性会立刻消失。驯化只是微生物适应环境的暂时生理调整，不具有遗传特性。这种适应性的敏感对污水处理工程的实施很不利。

研究认为，在盐度小于20g/L条件下，可以通过盐度驯化处理含盐污水。但是驯化盐度浓度必须逐渐提高，分阶段的将系统驯化到要求盐度水平。突然高盐环境会造成驯化的失败和启动的延迟。

5.2 稀释进水盐度

既然高盐成为微生物的抑制和毒害剂，那么将进水进行稀释，使盐度低于毒域值，生物处理就不会收到抑制。这种方法简单，易于操作和管理；其缺点就是增加处理规模，增加基

建投资，增加运行费用，浪费水资源。

5.3 利用适盐微生物

接种或者基因固定化适盐微生物处理高盐污水是一种有效的处理方法。此种方法可以处理超过3％的高盐污水，这是不同驯化法无法实现的。其筛选出的某些具有特定污染物去除的适盐菌可以具有高的专性降解能力，大大提高处理效果。筛选接种物来源于海洋或者河口底泥、晒盐场底物和其他高盐环境下的活性物质。筛选往往有一定的程序和基因化措施。

这种方法的缺点是启动时间长，前期启动费用高。但是对于高盐污水生物处理而言，是可行的方法。

5.4 添加拮抗剂

拮抗作用是指一种毒物的毒害作用因另一种物质的存在或者增加而降低的情况。

图中可以看出一种毒物的毒害作用随着另一种物质的低浓度增加而减少，并在最佳状态后，随拮抗剂浓度的进一步增加而反应速率下降。

目前研究，发现K会对Na产生拮抗作用，减少Na盐对微生物的毒害作用。吸钾排钠作用

主要原理可能是Na+/K+反向转运功能。细菌的生长虽然需要高钠的环境,细胞内的Na 浓度并不高,如盐杆菌光介导的H+质子泵具有Na+/K+反向转运功能,即具有吸收和浓缩Ｋ+和向胞外排放Na+的能力. Ｋ+作为一种相容性溶质,可以调节渗透压达到细胞内外平衡,其浓度高达7mol/L,以维持内外同样的水活度.例如嗜盐厌氧菌、嗜盐硫还原菌及嗜盐古菌是采用细胞内积累高浓度K+来对抗胞外的高渗环境.例酵母中的Na+/K+反向载体可以将多余的盐分排出体外,提高酵母的耐盐性.

5.5 选择合适处理工艺

不同的处理工艺影响微生物的耐盐范围。以下为报道的几种生物处理方法中NaCl浓度的限制量

研究普遍认为生物膜法的耐盐能力大于悬浮活性污泥法。另外, 加设厌养段可以大大提高后继好氧段的耐盐范围。

6 高盐污水生物处理的设计要求

6.1 增设盐度调节池

盐度变化对稳定的系统产生极大的影响，表现为处理效率的急剧下降和污泥的大量流失。设计时应设立调节池保证盐度的相对稳定。可以在调节池进出口设立电导监测装置，加强盐度的在线的控制于反馈，防止盐度冲击造成处理系统处理的失败。

6.2 减少污泥负荷

盐度降低生物降解的速率，因此设计负荷要相对减少。很多研究已经证明，在高盐环境下污泥指数降低，因此，不必担心过低负荷造成的污泥膨胀。

6.3 增加污泥浓度

高盐处理污泥的蓄凝性差，污泥流失严重。因此，在设计中应保证高的污泥浓度。这也是提高处理效率的一种手段。还可以在设计污泥浓缩池时，保证额外的污泥储量，当污泥流失时，迅速补给。

6.4 加大澄清池停留时间

高盐影响蓄凝性，因此加长的停留时间有力于污泥的沉降。

6.5 加大曝气量

微生物在高盐环境的适应表现为好氧呼吸速率加大，因此呼吸会造成额外的氧耗量。提高水中溶解氧浓度利于微生物的新陈代谢作用。提供其适应高盐环境的生理要求。

含盐工业废水生化处理耐盐污泥驯化及其机制

来源：中国论文下载中心 [ 06-03-06 13:47:00 ] 作者：何健，李顺鹏＊，崔中编辑：

studa9ngns

论文作者：何健，李顺鹏＊，崔中利，陈立伟，顾向阳

摘要：通过比较在高盐和低盐条件下活性污泥驯化过程，研究了含盐工业废水生化处理耐盐污泥驯化的可行性、特点及其生物学过程。结果表明以盐份作为选择压力可以驯化出具有高降解活性的耐盐污泥，在NaCl浓度为45000mg/L，容积负荷为1。6kgCODCr/m3d时，其CODCr去除率可达到96.6%。对耐盐污泥的驯化过程中的微生物优势生理群变化分析显示，随着进水盐浓度的增加，耐盐苯乙酸降解微生物生理群数量在15d时间内从109cfu/gVSS上升到1011cfu/gVSS，成为污泥中的优势生理群。

关键词：高盐工业废水生化处理耐盐污泥驯化优势生理群演替耐盐微生物

对于含盐工业废水生化处理的研究国内外虽有报道[1－6]，但多局限于可行性和工艺条件研究，而对于在高盐份条件下污泥或生物膜中微生物菌群组成和变化则未见报道，且已有的数据得出的结论也很不一致，有人认为含盐工业废水适于生化处理[1－6，11]，也有人认为含盐工业废水因盐份对微生物的毒害而不适于生化处理[8，9]，造成这种争论的原因是对污泥适应盐份的生物学机制缺乏了解。因此，研究含盐废水生化处理的污泥驯化特点和生物学过程有相当重要的理论意义和应用价值。

1 材料与方法

1.1 材料

试验废水取自泰兴德源精细化工厂苯乙酸车间酸化废水母液，pH值为2~3，含有高浓度的NaCl(以HCl调节pH值到中性后其NaCl质量百分含量为22.5%)、苯乙酸(8600mg/L)和CODCr (18500mg/L)。

接种污泥为扬子石化公司污水生化好氧处理系统脱水后的剩余污泥，含水量为86。6%，活菌数为2.6×109cfu/gVSS。

1.2 方法

1.2.1 污泥的驯化方法

一般工厂排放的高盐废水和其他废水(生活废水、地面冲洗水等)混合后，NaCl浓度在1%~5%左右，选择45000mg/LNaCl (由原废水稀释5倍)的盐浓度作为目标进水盐浓度。为减轻瞬间高浓度盐份对污泥中微生物的冲击和毒害，驯化时采用逐步加压驯化方法，即接种污泥后，开始低浓度进水(原废水稀释40倍)，在驯化过程中视系统CODCr去除率和污泥驯化情况逐步提高进水浓度，直到预定的目标盐浓度。同时设一低盐浓度为7500mg/L(由原废水稀释30倍)下正常运行。

1.2.2 分析项目和测试方法

污泥沉降比、SVI、TSS、VSS测定采用文献[10]的方法。

DO测定采用JPB-607型溶解氧自动测定仪，上海安亭仪器厂生产。

CODCr测定水样经硝酸银充分沉淀Cl－以消除干扰，测定方法见文献[10]。Cl－测定硝酸银滴定法[10]。

苯乙酸含量的测定水样经三氯甲烷萃取脱水后于258.8nm紫外比色测定。污泥中微生物计数和优势菌的分离，取反应器中泥水混合液，加入0.2%的焦磷酸钠作为解絮凝剂[11]，于摇床震荡30min，取1mL做梯度稀释涂平板。总菌数用含10000mg/LNaCl完全培养基平板计数;耐盐微生物总数用含45000mg/LNaCl完全培养基平板计数;苯乙酸降解微生物用含5000mg/LNaCl苯乙酸基础培养基平板计数;耐盐苯乙酸降解微生物用含45000mg/LNaCl苯乙酸基础培养基平板计数。

完全培养基：酵母膏5g，蛋白胨10g，琼脂20g，NaCl视需要添加，去离子水1000mL，pH值7.2。苯乙酸基础培养基：(NH4)2SO41g，K2HPO41.4g，KH2PO40.6g，MgSO40.1g，CaCl20.1g，苯乙酸0.3g，琼脂20g，NaCl视需要添加，去离子水1000mL，pH值7.5。

2 结果与讨论

2.1 驯化前接种污泥活性

为了解接种污泥在驯化前的降解活性和耐盐能力，考察了接种污泥在降解几种有机废水时的氧气摄入速率(OUR)。OUR反映了污泥在好氧条件下的降解活性。在人工配制的不同NaCl浓度的含葡萄糖(1000mg/L)废水中，接种污泥的OUR随废水中NaCl浓度的升高而呈下降趋势，在盐浓度为5000mg/L时，接种污泥的OUR能达到28.0mgO2/(Lh)，当盐浓度为25000mg/L时，其OUR下降到12.0mgO2/Lh，当盐浓度为45000mg/L时，其OUR只有

3.2mgO2/Lh，表明接种污泥活性对盐份敏感，不能耐盐;在稀释30倍的苯乙酸酸化废水中，接种污泥的OUR只有0.3mgO2/Lh，而接种污泥内源代谢的OUR有0.5mgO2/Lh，表明接种污泥不但不能降解苯乙酸酸化废水且活性还受到抑制。

2.2 污泥驯化结果

试验结果表明，接种对盐份敏感的活性污泥，以盐份作为选择压力，逐步提高压力强度(图1)，可以驯化出能耐受高浓度盐份并具有良好降解性能的活性污泥。在进水NaCl浓度为45000mg/L，容积负荷为1.6kgCODCr/m3d条件下，其CODCr的去除率达到了96.6%，和对照没有明显区别(图2)。

图1NaCl浓度变化

Fig。1 The chronological curve of NaCl level

图2CODCr去除率和容积负荷的变化

Fig.2 The chronological curve of COD Crremoval efficiency and volumetric loading —◇—高盐CODCr去除率—□—对照CODCr去除率

—△—高盐容积负荷—○—对照容积负荷

2.3 污泥驯化过程中的理化性质变化

2.3.1 污泥形态结构的变化

接种污泥呈黑色团块，块径较小，平均为0.02~0.1mm(图3A)。曝气2d后，团块变得松散(图3B)，但没有良好的絮凝性能，污泥的颜色由黑色变为灰褐色再到淡黄褐色。到驯化的第10d后，污泥开始具有良好的絮凝性能，停止曝气后，能形成较大的絮状物，絮状物平均大小为2~6mm，镜检可以看到污泥中含有大量的细菌(图3C，图3D)，而沉淀后出水中细菌数量和悬浮物很少，水质很好。

图3接种污泥驯化过程中形态结构的变化

Fig。3 Structure change of the inocula

A。接种污泥(×1000倍) B。驯化第2d(×1000倍)

C。驯化第14d(×1000倍) D。驯化第38d(×1000倍)

2.3.2 污泥浓度的变化

在驯化期间，污泥浓度的变化如图4所示，可分为两个阶段，在驯化的前6d，污泥量呈下降趋势，其原因可能是接种污泥中不适应废水环境的微生物被淘汰以及可溶性组分的溶出而导致污泥浓度的下降。此后污泥浓度开始上升。高盐条件下驯化，污泥浓度的增加也较慢，说明盐度的升高抑制了污泥的增长。

2.3.3 污泥沉降性能的变化

在驯化过程中，随着污泥中有机组分的增加和絮体结构的改善，污泥的SVI逐渐变大(图5)，耐盐污泥的SVI要比对照高出将近50%，这说明盐份可以影响污泥的沉降性能。张雨山等人[2]研究海水盐度对二沉池污泥沉降性能的影响时认为盐度增加有利于污泥沉降，SVI下降。分析原因，可能是各自试验废水中盐份种类不同所致，文中所用材料为工业废水，其中盐份较单一，只有高浓度的Na+，而海水中除Na+外，还含有较多的Ca2+、Mg2+等。盐份可以增加混合液比重(不利于沉降)和电荷强度(有利于沉降)等，从而影响污泥结构。

图4污泥浓度随驯化时间的变化

Fig.4 Chronological curve of sludge level

图5污泥SVI随驯化时间的变化

Fig.5 The chronological curve of SVI

2.4 污泥驯化过程中微生物生理群和种属变化

接种污泥为石油工业废水');">工业废水好氧剩余污泥，由于经过高温厌氧消化处理，其中常温好气性微生物数量级为109cfu/gVSS，用选择性培养基培养计数表明，污泥中耐盐性微生物数量级为107cfu(gVSS，能降解苯乙酸的微生物数量级为102cfu/gVSS，而既能耐盐又

能降解苯乙酸的微生物未检测到，但预试验表明，通过摇瓶富集和驯化后，能检测到耐盐苯乙酸降解微生物。这表明接种污泥中虽然总菌数不多，但仍具有生理代谢上的多样性。

表1是高盐驯化过程污泥中各种可培养微生物生理群的计数结果，从表1可以看出，污泥中微生物总菌数和各生理群在整个驯化期处于动态变化之中。总菌数在10d左右的时间内从109cfu/gVSS急剧上升到了1011cfu/gVSS，苯乙酸降解微生物生理群数量从102cfu/gVSS 急剧上升到了1011cfu/gVSS，和总菌数处于同一数量级，说明总菌数的增加是苯乙酸降解生理群大量增殖的结果。而耐盐微生物生理群虽然也呈上升趋势，但并未占优势，在总菌数中所占比例不高，只有总菌数的1%左右。

表1污泥驯化过程中微生物生理群的变化(cfu/gVSS)

注：n.d.为未检出

在驯化的第14d后，高盐驯化的反应器污泥已经具有良好的苯乙酸降解活性，此时开始减少进水稀释倍数，增加进水盐浓度(反应器容积负荷通过进水量来调节)，以盐份为驯化压力对污泥进行驯化。在高浓度盐份冲击下，总菌数在整个冲击过程中变化不大，只是略有下降，数量一直维持在1011cfu/gVSS以上，但污泥中微生物生理群则发生了较大的变化，能够耐高盐又能降解苯乙酸的微生物在总菌数中所占比例在盐浓度升高后开始上升，到第30d 上升到了1.2×1011cfu/gVSS，和总菌数在同一个数量级。到第38d，耐盐苯乙酸降解生理群和总菌数在数量上已相当接近，说明耐盐苯乙酸降解生理群在污泥中已占据绝对优势。

从污泥计数涂布平板上菌落形态，个体显微形态和生理生化特征来判断污泥中的优势菌属的变化，在受到高盐份冲击前的稳定运行期，污泥中优势微生物主要为3种微生物，经初步鉴定为假单胞菌属(Pseudomonassp.，编号为P1)，邻单胞菌属(Plesiomonassp.，编号为PL1)，

假单胞菌属(Pseudomonassp.，编号为P2)。受到高浓度盐份冲击后，污泥活性急剧下降，但对微生物计数表明，原有的3种优势菌并没有立即死亡或消失，而是呈逐渐下降到非优势菌的趋势，这一过程大约经历了10d左右。同时，污泥中另外2种细菌[经初步鉴定为节细菌属(Arthrobactersp.编号为A1)，假单胞菌属(Pseudomonassp.编号为P3)]数量逐步增加，到第30d，其在数量上已超过前3种细菌，并在重新平稳运行的污泥中稳定存在。测定了这5种细菌在不同的盐浓度条件下的生长情况(测定培养液在610nm的吸光度，吸光度越大生长越好)，结果见表2，由表2可见P1、P2、PL1生长的最适盐浓度为5000~10000mg/L，而

A1和P3的最适盐浓度为45000~60000mg/L，A1、P3明显要比P1、P2、PL1耐盐能力强，所以在高盐环境中得到了增殖，成为耐盐微生物生理群中的主要种属。

表2 优势菌株耐盐能力比较

试验结果表明，在一定的进水条件下，通过逐步提高反应器中盐浓度的方法，以高浓度盐作为选择压力，可以把污泥中的非耐盐微生物淘汰，而使耐盐能力较强的菌群得到增殖，使之成为优势菌，从而使污泥逐步适应高盐浓度环境。耐盐污泥驯化的本质是在一定外部条件下，污泥通过改变其生物相组成来适应外界盐浓度的变化。

3 结论

3.1 以盐份作为选择压力，能驯化出在NaCl浓度为45000mg/L环境中具有高降解活性的耐盐污泥。

3.2 与低盐条件下运行的活性污泥驯化相比，耐盐污泥的驯化期较长。

3.3 在耐盐污泥驯化过程中耐盐苯乙酸降解性微生物生理群在选择压力驯化下逐步成

为污泥中优势微生物生理群，从而使污泥能耐受高浓度盐份。