固定化光合细菌处理染料工业废水研究

　　自20世纪60年代小林正泰等开展了利用光合细菌处理有机废水的实验研究，先后成功的用光合细菌对食品、淀粉、皮革、豆制品等进行处理。与活性污泥法相比，光合细菌处理有机废水具有可直接处理高浓度有机废水；不存在污泥的处理问题，其污泥是很好的有机肥料；所需场地小；且处理费用低等优点[1]，但光合细菌处理菌体轻，菌体易随水流失限制了其广泛应用。本文利用固定化光合细菌处理实际染料工业废水。固定化光合细菌不仅克服了菌体易随水流失的不足，而且提高了系统容积负荷、抗冲击负荷能力和耐盐性。
　　 1 材料与方法








　　 2 结果与讨论
　　2.1处理系统抗冲击负荷的比较
　　取湿菌（含干菌重0.25 g）制成光合细菌固定化小球(已经过富集培养基活化24 h)，加入2.5 L染料工业废水（CODCr=2250mg/L），装置连接如图1所示。进行染料工业废水的连续处理实验，实验过程中，每两天将容积负荷提高0.5 kg/（m3·d），连续运行16 d，实验结果如图2所示。同时进行了悬浮光合细菌处理染料工业废水实验。
　　取湿菌（含干菌重0.25 g），加入2.5 L染料工业废水（CODCr=2250 mg/L），装置连接同图1，进行染料工业废水的连续处理实验，实验过程中，每两天将容积负荷提高0.5 kg/（m3·d），连续运行10 d，实验结果如图3所示。
　　比较图2和图3可以看出：固定化光合细菌系统中，当容积负荷低于3.5 kg/（m3·d）时，系统处理效果稳定，CODCr去除率在90％以上，当容积负荷高于3.5 kg/（m3·d）时，出水CODCr有所增加，但并没有发生冲击现象，即系统仍具备处理能力，说明固定化光合细菌有一定的的耐冲击负荷性。利用悬浮光合细菌法处理该染料工业废水的最大容积负荷为2 kg/（m3·d）。当容积负荷小于2 kg/（m3·d）时，出水CODCr稳定在500 mg/L左右；当容积负荷大于2 kg/（m3·d）时，出水水质急剧变坏，说明悬浮光合细菌生物系统已基本无处理能力。说明悬浮光合细菌系统的抗冲击负荷能力弱。光合细菌从本质上讲也是一种含有多种官能团的蛋白质结构，经固定化后的光合细菌其官能团与载体之间发生了共价键或范得华力等形式的作用，主链结构得到加固，不易流失，不易被破坏，能耐有机物生物毒性物质的冲击，不易失活。
　　2.2容积负荷对光合细菌生物活性影响研究
　　光合细菌经固定化后，可以根据染料生产的实际情况，通过投加不同的固定化光合细菌量来改变处理体系的容积负荷和有机负荷。实验中，将固定化光合细菌的投加量增加一倍，进样流量也提高一倍，即：反应体系有机负荷不变，容积负荷提高一倍，进行高容积负荷的染料工业废水连续性处理实验，实验结果如图4所示。同时，测定不同容积负荷条件下固定化光合细菌酶活力。
　　由图4可见，在系统有机负荷不变的条件下，提高容积负荷，对出水水质影响不大。这样，在处理的过程中，就可以在不改变有机负荷的条件下，通过增加固定化光合细菌的投加量，提高容积负荷，减少处理装置的体积，节约投资和处理成本。同时，从图5可以看出：随着反应体系容积负荷的增大，固定化光合细菌的酶活力也不断增强。当容积负荷增大到4 kg/（m3·d）时，光合细菌酶活力增加了1.59倍，这对实际染料工业废水处理非常有现实意义：因为在染料的实际生产过程中，水质水量是经常变化的，固定化光合细菌可以随着外界环境的变化不断强化，这是固定化光合细菌抗冲击负荷的一个重要原因。
　　2.3固定化对光合细菌耐盐性影响
　　染料工业废水盐度高是造成普通活性污泥无法适应的一个主要原因。光合细菌有很强的耐盐性，这是光合细菌处理染料工业废水的优势之一。为了研究光合细菌被固定化以后，对细菌耐盐性的影响。配制不同盐度的酸性大红模拟废水（CODCr＝2250 mg/L，pH＝5.5），测定不同盐度（以NaCl计）的条件下不同时刻的固定化光合细菌和悬浮固定化光合细菌对模拟废水中的CODCr的去除率。　
　　从图6可以看出：光合细菌被固定化后，耐盐能力有了明显的增强。悬浮态光合细菌处理盐度为7 g/L的酸性大红模拟废水，CODCr去除率稳步上升，说明，在该条件下，光合细菌的生长和活性没有受到太大的影响。悬浮态光合细菌处理盐度为10 g/L的酸性大红模拟废水，12 h 后CODCr去除率基本没有增加，说明在该条件下，悬浮光合细菌的生长和活性受到严重的抑制，基本上丧失了降解有机物的能力。当光合细菌被固定化以后，在盐度为10 g/L时，固定化光合细菌CODCr去除率基本没有受到影响，当盐度为12 g/L时，开始光合细菌CODCr去除率没有太大变化，36 h后，CODCr去除率逐渐增大，说明固定化光合细菌已经适应了高盐的环境，恢复了生物活性，当盐度为15 g/L时，12 h后CODCr去除率基本没有增加，说明在此条件下固定化光合细菌已基本丧失降解有机物的能力。因此，可以得出如下结论：固定化光合细菌的耐盐度为12 g/L，比悬浮态光合细菌的耐盐度（7 g/L）有了大幅度的提高。这对于染料工业废水的处理非常有利，一方面，固定化光合细菌能更好的适应染料工业废水的高盐环境，另一方面，由于在处理过程中不需要加稀释水以降低废水的盐度，节约大量的稀释水，同时可以减小污水处理池的池容，大大降低处理成本。
　　固定化微生物被包埋在载体中后处于一相对稳定的微环境中，能够抵抗外界环境剧烈变化所带来的冲击，外界有害物质必须逐渐渗透才能进入载体内部，使得细菌表面的实际污染物浓度降低，毒性减小，固定化载体起了缓冲作用；固定化微生物在载体内的浓度较高，有利于保持菌种优势；细菌经固定化后，在载体与细菌之间建立了某种物理或化学联系，增加了细菌膜的稳定性。虽然由于载体的作用，氧传质受到限制，但光合细菌既不象好氧的活性污泥菌胶团细菌那样受污水中氧浓度的限制，可以利用光能进行高效的能量代谢，即使微弱的光照也能进行；又不象严格厌氧的甲烷细菌等对氧存在着高度敏感，它可以在有氧条件下分解有机物，通过氧化磷酸取得能量[5]。厌氧条件下由于不受氧传质的影响，固定化光合细菌的处理能力可以得到充分体现，并且可长时间保持较高的生物量和生物活性，充分显示出固定化光合细菌处理废水的优越性。
　　 3 结 论
　　通过试验研究，可得出以下结论：固定化光合细菌有一定的耐冲击负荷性。处理该染料废水最高容积负荷为3.5 kg/（m3·d）；固定化光合细菌的酶活力随着反应体系容积负荷的增大不断增强；固定化提高了细菌的耐盐性，固定化光合细菌的耐盐度为12 g/L