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嗜鹽菌的特性與高鹽廢水生物處理進展

發布時間:2019-10-22 17:22:56  中國污水處理工程網

  高含鹽量廢水是指含有有機物和至少3. 5%的總溶解固體物TDS( To tal Di sso lv ed Solid)的廢水,在這些廢水中除了含有有機污染物外,還含有大量的無機鹽,如Cl- 、SO2-4 、Na+ 、Ca2+ 等離子,這些鹽的存在對常規生物處理有明顯的抑制作用。因此有必要探討在高鹽環境中仍能降解有機污染物的特殊微生物,即耐鹽微生物和嗜鹽微生物。本文研究的重點是嗜鹽菌。嗜鹽菌一般生長在鹽湖、鹽堿湖、死海、鹽場和海洋中,我國嗜鹽微生物資源十分豐富。由于嗜鹽菌具有獨特的結構組成、生理功能和代謝產物,許多學者對其在生物電子、能源開發、發酵生產、環境保護等領域開展了應用研究。本文對嗜鹽細菌的形態、生理特性、遺傳等特性作了詳細描述,并綜述了利用其特性對高含鹽量有機工業廢水進行生物處理的應用研究。

  1嗜鹽菌的特性

  1. 1嗜鹽菌的分類

  根據細菌最佳生長所需的鹽濃度(一般以NaCl計)的不同,細菌可分為非嗜鹽菌、海洋細菌和嗜鹽細菌。

  非嗜鹽菌是指在含鹽濃度不高于1%的介質中能良好生長,在普通生物法的活性污泥以及在淡水和陸地生態系統中主要含有這種細菌。

  海洋細菌,也稱弱嗜鹽菌,是指適于生長在含鹽濃度為1%~ 3%的介質中。這種微生物既具有耐鹽菌]的特性,同時在高鹽環境中又能和嗜鹽菌共存。

  嗜鹽細菌是指只有在含鹽的環境才能生長的微生物,在種屬上可分為嗜鹽桿菌屬、嗜鹽球菌屬、嗜鹽堿桿菌屬、小盒球菌屬等。按最適宜生長所需的鹽量,分為中度嗜鹽菌和極端嗜鹽菌。中度嗜鹽菌指在含鹽濃度為3%~ 15% 的環境中能良好生長的微生物,主要是真細菌群落。極端嗜鹽菌是指在含鹽濃度為15%~ 30% 的介質中也能良好生長的微生物,最適宜生長濃度為20%~ 25% , 甚至在飽和濃度中也能生長。

  1. 2嗜鹽菌的生態與營養結構

  嗜鹽菌為革蘭氏陰性菌,多為好氣化能異養,能利用的碳源十分廣泛,適宜于偏堿性的環境( pH為9~ 10) ;該種群具有極高的生長速率,其時代周期約為4 h;菌體多為圓形,直徑為2~ 4 mm;外觀呈紅色、紫色或淺褐色;不運動或叢鞭毛運動;這些異養型和自養型的中度和極端嗜鹽菌的特性非常適用于處理含鹽有機工業廢水。

  嗜鹽菌的生長需要很復雜的營養結構,一些細菌在葡萄糖、氨和無機鹽的介質中就可生長,但大多數嗜鹽菌都需要諸如氨基酸或維生素等生長因素。在實驗室中,可利用酵母膏和蛋白質水解產物提供這些生長因素。嗜鹽菌的生長隨著鹽濃度的增加,所需的營養構成就越復雜。另外, 80 μg /L的鐵離子和48 mg /L的鎂離子是嗜鹽菌生長必不可少的營養。

  1. 3嗜鹽菌的生理特性與嗜鹽機制

  嗜鹽菌之所以能夠在高鹽環境中良好生長,是因為嗜鹽菌特殊的生理結構和細胞中所含的物質使之需要鹽才能得以生長。嗜鹽菌的細胞內所含的K+ 濃度是細胞外的100倍左右,而細胞外Na+ 的濃度是細胞內的4倍,因此,嗜鹽菌應該具有靈巧的排鈉吸鉀的生理特性,而嗜鹽細菌的紫膜( purplemembra ne)提供了這種生理功能。紫膜接受光能驅動細胞的質子,形成電位梯度, 產生能量可以合成A TP,彌補在高鹽濃度(鹽濃度越高, 溶解氧越低)下底物有氧氧化所得能量的不足,為細胞濃縮K+和排斥Na+ 提供能量保證,以滿足嗜鹽菌正常的生理需要。一些細胞還含有視黃醛( retinal)朊,這種朊的存在為細胞內的質子移動提供推動力。

  中度嗜鹽菌的細胞內除了含有K+ 、Na+ 外,還含有有機化合物(氨基酸、三甲銨乙內酯、丙三醇等)以調節滲透壓。在調節滲透壓過程中, Na+ 并非必要的,但是嗜鹽菌的營養吸收、細胞質內pH的調節、電位的平衡都需要Na+ 的存在。嗜鹽菌的酶在高鹽環境能發揮作用是因為它們的蛋白質組織具有獨特的適應性,大多數嗜鹽菌微生物的蛋白質中含有過量的酸性氨基酸和非極性的殘余物,過量的酸性物質需要陽離子屏蔽其附近的負電荷,否則蛋白質會遭到破壞。總之,嗜鹽菌中的大多數酶的活性和穩定性、核蛋白的穩定性和功能的發揮以及細胞的生長都需要一定濃度的NaCl和KCl來維持。嗜鹽菌這種生長需要高鹽濃度的生理特征是在漫長的進化過程中,通過自然選擇,是細胞結構與功能高度適應高鹽環境的結果。

  此外,大多數嗜鹽菌能合成糖(主要是蔗糖、海藻糖、甘油葡萄糖)、氨基酸等,它們成為嗜鹽菌的滲透壓調節劑,有利于穩定和保護菌體內酶的活性,當受到高鹽廢水沖擊時,會調節自身新陳代謝,改變遺傳基因,使其能在高鹽濃度下正常生長。

  2嗜鹽菌處理含鹽有機工業廢水的研究進展

  2. 1鹽對常規生化法的影響

  1937年, Zo bell等首次通過實驗研究了鹽對處理有機廢水的影響,他們用從生活污泥、土壤和海水接種來的微生物處理含鹽廢水,結果發現,在含鹽度為28% 介質中三種不同來源的微生物存活率分別為0%、小于1% 、小于2% 。鹽對常規生化法的影響主要有以下四個方面:

  ( 1) 對出水水質影響處理系統對離子的濃度變化很敏感,當系統突然受含高鹽廢水的沖擊時,則系統的有機物去除率降低、微生物呼吸速率降低、SV I增大、出水BOD5、SS升高。鹽度突增2% 就能對系統產生顯著破壞,因此,保持鹽濃度的穩定是工程設計中主要考慮因素之一。

  ( 2) 對生物活性影響鹽濃度的增加將破壞生物的代謝功能和降低生物的降解動力。在含鹽3. 5%的系統中, 每毫克污泥降解總有機碳能力從0. 3mg /h降低到0. 12 mg /h。

  ( 3) 對生物種類的影響鹽度的增加,使處理系統中的原生動物和絲狀微生物減少,出水的懸浮物濃度一般高于100 mg /L。

  ( 4) 耐鹽度的極限許多文獻表明,鹽度超過3%~ 5% 的廢水不能用常規的生化法處理。

  2. 2含鹽廢水處理研究進展

  2. 2. 1處理系統中存在的耐鹽微生物

  在高含鹽量環境中存在原核微生物主要是嗜鹽菌,它們的生長需要鹽分,如紅皮鹽桿菌能在12% ~30% (飽和濃度為30% )的鹽度中生長,在鹽度小于12% 的環境中不生長;當鹽度低于9%時,細胞壁開始破裂,桿菌數量逐漸減少,直到消失。其他嗜鹽菌如條倫黃桿菌、鈉鹽脫硫弧菌、鹽制品桿菌、變異微球菌、鹽脫氮付球菌等也需要在含鹽介質中才能生長。

  在高含鹽量環境中存在的原生動物的種類隨含鹽濃度的不同而有所變化,當鹽含量低于8 g /L時,有大量輪蟲、游泳性纖毛蟲、有柄纖毛蟲和其他高級原生動物;當鹽含量在8~ 13 g /L時,還有輪蟲、游泳性纖毛蟲和個數多但不夠活躍的有柄纖毛蟲;而當鹽含量為20 g /L時,曝氣20 h后,尚存少量的低級原生動物、絲狀細菌和菌膠團,曝氣48 h 后,原生動物全部消失,只剩下菌膠團。具體聯系污水寶或參見http://www.1vfq.com更多相關技術文檔。

  在含鹽環境中,也存在著一些浮游生物。在鹽含量為2~ 12 g /L環境中,浮游植物有嗜鹽舟形藻、衣藻、光甲藻、綠裸藻等,嚙蝕隱藻、尖尾藍隱藻在鹽含量2~ 6 g /L中占優勢地位;在2、6、12 g /L三個鹽濃度梯度中,浮游動物的優勢種演替基本趨勢為橈足類→輪蟲(有時是原生動物)→橈足類和游仆蟲。

  2. 2. 2國內外處理含鹽廢水的研究進展

  2. 2. 2. 1實驗性研究

  為了使適鹽微生物能在含鹽廢水處理中廣泛應用,國內外學者對此進行了大量的研究。1995年阿聯酋U. A. E. 大學的Hamoda 等使用活性污泥完全混合反應器分別對不含鹽廢水、含鹽量10、30 g /L的廢水在不同泥齡( 3~ 20 d)和不同有機負荷( CO DCr0. 5~ 2. 0 kg V SS· d)條件下進行平行對照實驗,結果發現鹽度對未經馴化的活性污泥系統產生明顯的抑制影響,但經過一段時間馴化后,系統的活性污泥濃度增加,并顯著改變了活性污泥中微生物種群的組成,而且對TOC的去除率均達到96%以上。

  Wo olard等從大鹽湖的土壤中篩選的嗜鹽菌在SBR反應器中處理模擬含酚(約100 mg /L)油田廢水,含鹽量14%。經過7個月的連續運行,出水的酚濃度小于0. 1 mg /L, DOC濃度小于10 mg /L,懸浮物濃度小于50 mg /L。而利用序批式生物膜反應器處理含鹽量15% 的含酚(約100 mg /L)廢水,處理后出水酚含量低于5 mg /L,單位載體表面的生物膜量為3. 86 g (干物質) ,生物膜厚度達到126μm。從生活污泥中接種的菌種經馴化,對含鹽量6% ~ 8%的廢水的TOC 去除率達到80% ;對于含鹽量為12%的廢水TOC去除率能達到43% 。

  Dalmacija等指出,利用活性污泥處理廢水過程中,高含鹽量(約29 g /L)和高水力負荷(大于1. 5d- 1 )將會使處理系統的污泥減少、有機物去除率降低、出水懸浮物升高。他們通過試驗證明,向曝氣池中投加200 g /L的活性炭會明顯改善處理系統的功能和出水水質,污泥容積指數約為60 mg /L,出水懸浮物和CODCr分別為20 mg /L和50 mg /L。活性炭的作用是吸附部分有機物和固定微生物,在活性炭表面形成生物膜,使系統的處理效果得到顯著的提高。

  此外, Kargi等利用間歇生物反應器進行了自配水樣實驗,研究了鹽的抑制作用和動力學常數;Ludzack等開展了用傳統活性污泥工藝處理含鹽廢水的效率研究。國內學者也在這方面進行了大量的研究, 安林等討論了鹽對二段接觸氧化法處理廢水的影響;楊健用SBR法處理含鹽含油發酵工業廢水;梁展輝等]對高鹽度有機廢水進行吹脫和冷卻預處理后,再利用SBBR(序批式生物膜反應器)處理,都取得了良好的效果。

  2. 2. 2. 2實際工程應用

  美國密蘇里州的一個制藥廠排放生產廢水390m3 /d,含鹽量7. 4% , CODCr為7400 mg /L,主要處理單元有ZenoGem系統→活性污泥系統→厭氧處理系統→ SBR反應器,出水水質達到國家排放標準。

  一個生產聯氨產品的化工廠所排出的生產廢水,含鹽量為10% ,處理工藝流程為集水井→中和反應池→厭氧池→活性污泥流化床(流化床中以炭作為生物載體)。在流化床中形成的污泥濃度為傳統活性污泥的25倍,聯氨和TO C的去除率能分別達到80%和50% ,但系統的處理效果不是很穩定。墨西哥的一個制藥廠排出的高含鹽量的生產廢水有兩種治理方案。一種是將廢水單獨用一個生化系統處理,另一方案是將廢水先通過一個蒸發設備,去除部分的鹽,然后將廢水排到該地區的污水處理系統。他們認為從技術角度考慮,兩種方案都可行,但從經濟角度考慮,后者比前者更具經濟效益,因此,選擇了第二種方案作為該廢水的處理方法[ 36]。

  3結論

  國內外大量的研究實驗證明了一些特殊微生物在高鹽環境中照樣能降解有機污染物,因此,利用生物系統處理高含鹽量有機工業廢水技術上是可行的,但在實際工程中,利用生化法直接處理(指不經過稀釋和預先提取鹽)高含鹽量生產廢水的應用還遠遠不夠廣泛,要使生化法在含鹽有機廢水處理中真正得到廣泛的應用,還需要作很多更深入的研究。(來源:乾來環保)

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