基于嗜盐微生物的高盐废水生物强化处理研究进展*

王诗卓 杨银川 陈家斌 张 唯 张 涛 周雪飞 张亚雷

(同济大学环境科学与工程学院,上海 200092)

石油化工生产和纺织皮革制造过程中产生的高盐废水是近几年来工业生产环节最需解决的问题[1]。高盐废水是指总溶解固体质量分数≥3.5%的废水[2]。高盐废水处理难度较高,尽管生物法相比化学法、物理法成本低,但仍存在盐度耐受力低与有机物处理效率不稳定等问题[3]。与土著菌混合后,定向筛选适用于处理高盐废水的嗜盐微生物,能够显著提高反应器处理效率,因此近年来关于嗜盐微生物处理高盐废水的研究引起人们广泛关注。笔者经过文献检索发现,目前该研究方向的综述文章存在研究深度不高和梳理水平不深等问题。本研究着眼于嗜盐微生物的应用前景,介绍了嗜盐微生物环境筛选与驯化培养的方式,列举了不同嗜盐微生物的功能以及适用条件;分析嗜盐微生物降解污染物的影响因素;最后结合好氧和厌氧反应器中的应用实例,总结了嗜盐微生物对废水中污染物降解的强化作用,为后续技术优化提供新的研究思路和方向。

1 嗜盐微生物概述

1.1 耐盐机理

当环境盐离子浓度很高时,嗜盐微生物通过生理结构主动排出Na+,再通过Na+/H+反转运蛋白来维持胞内的离子浓度[4]。高盐分环境使得嗜盐微生物的蛋白肽链发生折叠,形成特定的结构来维持活性[5]。普通生物体内的酶会被高浓度K+抑制,但嗜盐微生物在细胞内会积累相容性物质,平衡内外渗透压。不同类别的嗜盐微生物积累的相容性物质不同,这些物质一般不带电荷且易溶于水,如甜菜碱、氨基酸和葡萄糖等[6]。

另一些微生物采用盐溶机制来平衡细胞内外的渗透压,即在细胞内积累高浓度Cl-和K+,使得酶系统具有很高的耐盐性[7]。部分嗜盐微生物拥有一个特殊的结构——紫膜,紫膜接受光能并合成腺嘌呤核苷三磷酸(ATP),既补充有氧反应过程中消耗的能量,又为细胞浓缩K+、排斥Na+提供能量。在盐浓度较高的环境中,非嗜盐微生物因聚集而失活,而嗜盐微生物更易分散;但嗜盐微生物适应环境变化的能力有限,在较低的盐浓度下,会因蛋白质变性失活而死亡。

在高盐环境中,嗜盐微生物的胞外聚合物数量快速增加,通过改变细胞表面诸如疏水性、表面电荷等理化性质,增强主动运输以及扩散能力,这对维持细胞结构完整性以及形成生物膜都有很好的作用[8]。

1.2 驯化培养

筛选和驯化嗜盐微生物有两种途径：一种是逐步提高培养环境的盐浓度定向驯化污泥,但污泥驯化和迭代周期较长,系统的抗冲击负荷能力较差[9];另一种是从盐碱地区或者海洋环境中筛选出合适的嗜盐微生物接种于反应器中。嗜盐微生物通常从以下环境中获取[10]：海水、海泥、盐沉积物或盐渍土壤样品中;被苯酚、石油或其他有机物质污染的土壤和水样内;由处理含苯酚或染料废水的污水处理厂所产生的活性污泥中;海洋鱼类的消化道内。驯化方式也分两种：一种是根据原水理化性质,配置废水进行培养;另一种则是使用待处理的原水培养。

2 嗜盐微生物处理高盐废水的影响因素

2.1 嗜盐微生物种类

在自然界中,嗜盐微生物主要分布在放线菌门(Actinobacteria)、厚壁菌门(Firmicutes)、蓝细菌门(Cyanobacteria)和拟杆菌门(Bacteroidetes)中,中度嗜盐微生物(最适NaCl为0.5～2.5 mol/L)和极端嗜盐微生物(最适NaCl为2.5～5.0 mol/L)在数量上占主导地位[11]。中度嗜盐微生物包括肋骨盐弧菌(Vibriocosticola)和嗜盐脱氮副球菌(Paracoccushalodenitrificans)等;极端嗜盐微生物中有代表性的为盐沼盐杆菌(Halobacteriumsalinarium)和鳕盐球菌(Halococcusmorrhuae)。少量真核微生物也可在高盐环境下生存,如酵母菌(Saccharomyces)、杜氏藻(Dunaliella)等[12-13]。嗜盐古菌包括嗜盐古菌纲(Halobacterium)、嗜盐甲烷古菌类群以及纳米嗜盐古菌类群[14]。

2.2 操作条件

主要介绍水力停留时间、填料和溶解氧含量这3种条件。在生物处理的反应器中,随着水力停留时间的增加,有机物的降解效率和矿化程度升高,污泥负荷降低,加快了微生物的死亡。反应过程中,操作者需要根据污染物的复杂程度,灵活调节水力停留时间;填料作为生物反应器(以下简称反应器)的核心组成,可为微生物的代谢活动提供场所,同时起到提供营养或者缓冲pH的作用,合理使用填料可以提高处理效率[15]。理想的填料应满足孔隙率大、比表面积大、成本低、结构稳定以及耐盐耐腐蚀能力较高等特点,常见的填料有沸石、瓷片、生物炭等[16]。溶解氧在生化反应中既可以为好氧微生物提供代谢活动所需营养,又可以提供紊流增加反应接触面积,提高污染物降解效率。但是过高的溶解氧会使微生物大量失活,研究者通过水质自身调节或者人工曝气的方式,提高嗜盐微生物的污染物去除效率。

2.3 水质条件

本节通过废水可生化性、pH以及盐含量进行分析。在对废水的可生化性评价方法中,使用生化需氧量(BOD)和化学需氧量(COD)质量比(B/C)作为污水可生化性的评价指标。B/C越大,说明污水越容易被生物降解[17]。综合国内外的研究结果,当B/C<0.3时,水质为难生化状态;当0.30≤B/C≤0.45时,水质为可生化状态;当B/C>0.5时,水质为易生化状态[18]。此外,悬浮物、含氮量以及含磷量等指标都对污水的可生化性有较大影响。大多数嗜盐微生物的适宜pH在7左右,对于pH过高或者过低的废水,应进行预处理,控制进水pH介于6.5～8.5。嗜盐微生物主要通过盐溶解、胞内小分子相容溶质的积累、调节蛋白质稳定和细胞表面稳定等方式适应高盐环境[19-22],因此废水的盐含量对嗜盐微生物的代谢活动有较大的影响。

3 嗜盐微生物应用实例分析

3.1 好氧工艺

3.1.1 曝气生物滤池(BAF)

BAF是将接触氧化法与快滤池的优点有机结合的反应器。反应器内有明显的空间梯度特征,因此其中附着的菌群结构较为稳定,可以耐受较高的水力冲击和有机负荷,且容积和占地面积较小。在传统的BAF中,溶解氧浓度以及氧化还原电位较高,不利于脱磷和反硝化细菌的生存,系统的除磷脱氮能力较差。石恺[23]采用间歇曝气的方式,在废水处理过程中添加嗜盐聚磷兼性海洋细菌,使系统的除磷能力不受环境抑制,提高反应器除磷效率。结合盐度变化适当降低污泥停留时间,增加反冲洗频率,可提高除磷效率。刘鹏程等[24]在二级BAF中添加芽孢杆菌(Bacillussp.),有效地去除污水中残留的氨氮,并强化复合菌株对水中污染物的降解效果。ZHENG等[25]在处理海水养殖系统循环水的滤池中提取出嗜冷杆菌(Psychrobactersp.)S1-1,并研究了影响该菌株脱氮效果的因素,如碳源、pH、盐度、温度和碳氮比等。与此同时,在HUANG等[26]的研究中被证实,向BAF中添加结构简单、分子量小的外加碳源更有利于反硝化反应发生。

3.1.2 序批式活性污泥法反应器(SBR)

SBR采用间歇式的曝气方式处理污水。由于工段简单,在处理高盐废水时,研究者可直接从海洋环境中提取嗜盐微生物菌株接种于反应器后进行生化反应。盐杆菌(Halobacteria)在SBR中被较多研究：KARGI[27]于摇床中接种盐杆菌,在5%盐度下,接种组相较于空白组的COD去除率提高了27%;UYGUR[28]在实验中也证实了盐杆菌在COD去除方面的强化作用。LEFEBVRE等[29]在处理高盐食品加工废水的实验中证实了接种嗜盐微生物对强化反应器生物处理的可行性。废水中盐度并不总是有害的,在以好氧颗粒污泥为主的SBR中,随着进水盐度提高,微生物的活性和沉降性能都得到不同程度的强化[30]。在盐度升高时,微生物可逐渐适应高盐环境,在盐胁迫下大量增殖,整体活性得到提高,强化系统对污染物的去除能力[31]。此外,盐度增加使得细胞表面疏水性增强,提高了好氧颗粒污泥的沉降性能[32]。

3.1.3 膜反应器(MBR)

MBR是活性污泥法与膜法的有机结合,利用膜具有的高效截留微生物与有机污染物的特性,使得水力与污泥停留时间分离,并大幅度提高污泥的浓度与容积负荷,提升净水效果[33]。传统MBR应用较广,周豪[34]于MBR中接种嗜盐微生物强化处理模拟染料废水,证实了芽孢杆菌能显著增强系统对污染物的去除率。TAN等[35]以海泥为种泥培养出海洋活性污泥用于处理高盐含酚废水,结果表明海洋活性污泥对苯酚的去除率较高,且污泥体积指数低于传统污泥,有更好的沉降性能。MBR面临的最大问题是膜污染,因此渗透膜反应器(OMBR)应运而生。在OMBR中,研究者们使用高排斥半透正向渗透膜代替微孔膜[36]。QIU等[37]研究了OMBR中反硝化细菌的群落演替,发现随着盐度升高,活性污泥的原有优势群落完全被替代,菌种多样性急剧下降,因此提出接种专一降解目标污染物的嗜盐微生物是提高MBR系统稳定性。研发抗污染膜材料、接种对膜亲和的嗜盐微生物以及研究生物处理机制,是提高该工艺处理效率的有效手段。

3.1.4 生物接触氧化反应器(BCO)

BCO是在生物膜法的基础上,结合活性污泥法处理特点的一种生化处理手段。使用惰性填料填充反应器,使污染物与微生物充分接触,达到净化水质的目的。处理效果的影响因素主要有填料、温度和水质条件。在反应开始后,嗜盐微生物在填料上大量繁殖,附着在填料上使生物膜变厚。随着曝气与水流的冲洗作用,生物膜交替产生保证了污染物的去除效果,BCO在工业难处理的高盐废水领域应用广泛[38-39]。将海洋单胞菌(Oceanomonassp.)的菌株接种到BCO中,用于处理盐度6.5%、含1 500 mg/L苯酚的模拟废水,处理效果较好[40]。TAN等[41]在处理含盐废水(30 g/L)的过程中,将经BCO处理后的废液接入MBR进行二次处理,相较于单独MBR,BCO/MBR对废水中COD和氨氮的降解率都得到提高。

3.2 厌氧工艺

3.2.1 升流式厌氧污泥床反应器(UASB)

UASB的底部有高浓度和高活性的污泥床,大部分有机物由底部进入进行厌氧发酵后降解为甲烷和二氧化碳,随着水流的搅动和气泡的产生,污染物与嗜盐微生物均匀混合并进行生化降解反应[42]。由于污泥床的存在,UASB有较强的耐受高有机负荷能力,对废水的可生化性要求不高[43]。目前在UASB系统中关于嗜盐微生物应用的研究较少,研究者通过定向驯化厌氧污泥处理高盐废水。刘春爽等[44]收集油田周边污水处理厂的污泥投加到UASB中,发现COD去除率高达65.08%,油去除率为74.33%。吴建华等[45]利用驯化后污泥，在中温条件下以UASB处理有机废水,当进水的COD为2 000～5 000 mg/L、NaCl为5 g/L时,系统对COD的降解率为83%。微生物的厌氧活性越高,产气越剧烈,UASB内污泥与待处理废水的混合效果越好。在UASB中使用颗粒污泥对微生物有天然的固定化效果,无需使用填料提高系统稳定性。

3.2.2 厌氧膜反应器(AnMBR)

AnMBR结合了厌氧处理和MBR技术的优点,也将水力停留和污泥停留时间分离[46]。厌氧环境可以最大限度地保留反应器内微生物群落,且微生物对盐度和毒性有很强的耐受能力,因此AnMBR对于微生物的沉降性要求并不高。MARCUS等[47]将嗜盐微生物接种于反应器内处理荷兰地区的含盐废水,通过间歇运行以及定期反冲洗的方式有效地降低膜污染的问题。金艳青等[48]将沼气循环系统与AnMBR结合,用于处理以丙酮和异丙醇废液为主的有机废水;李腾飞等[49]将电渗析技术与AnMBR结合,用于处理含甘油高盐废水。与MBR面临的问题类似,研发更为清洁且不易损耗的膜材料以及绿色环保的膜冲洗方式,是AnMBR未来技术升级的主要方向。

3.3 小 结

嗜盐微生物在反应器内强化效果实例总结于表1。

使用Web of Science整理了2018—2021年来几种常见反应器的文献研究情况(见图1)。关于好氧反应器内嗜盐微生物的应用研究较多,MBR、SBR因其良好的处理效果以及简单的设备维护方式而成为研究热点;厌氧反应器由于启动时间(几个月)远高于普通好氧反应器(1～2周),投入使用相对较少,而本身具有较高的抗有机负荷以及盐度能力的嗜盐厌氧微生物具有很高的研究发展潜力。

4 展 望

高浓度盐分会抑制微生物活性,使用能够承受高盐度并降解废水中有机污染物的嗜盐微生物来替反应器的研究越热门。

表1 嗜盐微生物在反应器内强化效果应用实例Table 1 Examples of application of halophilic microorganism in reactors to enhance the effect

注：图中数值为文献篇数；网格灰度越大表示相应年份关于该类图1 各类反应器中嗜盐微生物应用的文献检索分布Fig.1 Distribution of literature search for the application of halophilic microorganisms in various types of reactors

代普通活性污泥处理高盐废水,这一方式更为经济实用且环境友好,但嗜盐微生物强化高盐废水的生物法处理仍存在以下问题：

(1) 部分嗜盐微生物絮凝能力较差,导致处理出水水质不达标。

(2) 嗜盐微生物在文献中的工业应用相关参数欠缺,工业化改良仍需研究和总结。

(3) 嗜盐微生物在厌氧反应器中的应用较少,未来应多关注和开发厌氧嗜盐微生物在工程应用中的强化作用,对厌氧嗜盐微生物的自然界提取、驯化培养以及在厌氧反应器中的应用拓展进行深入研究。