嗜盐菌的特性与高盐废水生物处理的研究应用进展

洒家是环境人 2019-10-28 AM 131℃ 0条
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( To tal Di sso lv ed Solid)的废水 ,在这些废水中除了含有有机污染物外,还含有大量的无机盐,如Cl- 、SO2-4 、Na+ 、Ca2+ 等离子,这些盐的存在对常规生物处理有明显的抑制作用。因此有必要探讨在高盐环境中仍能降解有机污染物的特殊微生物,即耐盐微生物和嗜盐微生物。本文研究的重点是嗜盐菌。嗜盐菌一般生长在盐湖、盐碱湖、死海、盐场和海洋中,我国嗜盐微生物资源十分丰富。由于嗜盐菌具有独特的结构组成、生理功能和代谢产物,许多学者对其在生物电子、能源开发、发酵生产、环境保护等领域开展了应用研究。本文对嗜盐细菌的形态、生理特性、遗传等特性作了详细描述,并综述了利用其特性对高含盐量有机工业废水进行生物处理的应用研究。

1 嗜盐菌的特性

1. 1 嗜盐菌的分类

根据细菌最佳生长所需的盐浓度(一般以NaCl计)的不同,细菌可分为非嗜盐菌、海洋细菌和嗜盐细菌。
非嗜盐菌是指在含盐浓度不高于1%的介质中能良好生长 ,在普通生物法的活性污泥以及在淡水和陆地生态系统中主要含有这种细菌。
海洋细菌,也称弱嗜盐菌,是指适于生长在含盐浓度为1%~ 3%的介质中。这种微生物既具有耐盐菌的特性,同时在高盐环境中又能和嗜盐菌共存。
嗜盐细菌是指只有在含盐的环境才能生长的微生物,在种属上可分为嗜盐杆菌属、嗜盐球菌属、嗜盐碱杆菌属、小盒球菌属等。按最适宜生长所需的盐量,分为中度嗜盐菌和极端嗜盐菌。中度嗜盐菌指在含盐浓度为3%~ 15% 的环境中能良好生长的微生物,主要是真细菌群落。极端嗜盐菌是指在含盐浓度为15%~ 30% 的介质中也能良好生长的微生物,最适宜生长浓度为20%~ 25% , 甚至在饱和浓度中也能生长。

1. 2嗜盐菌的生态与营养结构

嗜盐菌为革兰氏阴性菌,多为好气化能异养,能利用的碳源十分广泛,适宜于偏碱性的环境( pH为9~ 10) ;该种群具有极高的生长速率,其时代周期约为4 h;菌体多为圆形,直径为2~ 4 mm;外观呈红色、紫色或浅褐色;不运动或丛鞭毛运动;这些异养型和自养型的中度和极端嗜盐菌的特性非常适用于处理含盐有机工业废水。
嗜盐菌的生长需要很复杂的营养结构,一些细菌在葡萄糖、氨和无机盐的介质中就可生长,但大多数嗜盐菌都需要诸如氨基酸或维生素等生长因素。在实验室中,可利用酵母膏和蛋白质水解产物提供这些生长因素。嗜盐菌的生长随着盐浓度的增加,所需的营养构成就越复杂。另外, 80 μg /L的铁离子和48 mg /L的镁离子是嗜盐菌生长必不可少的营养。

1. 3 嗜盐菌的生理特性与嗜盐机制

嗜盐菌之所以能够在高盐环境中良好生长,是因为嗜盐菌特殊的生理结构和细胞中所含的物质使之需要盐才能得以生长。嗜盐菌的细胞内所含的K+ 浓度是细胞外的100倍左右,而细胞外Na+ 的浓度是细胞内的4倍,因此,嗜盐菌应该具有灵巧的排钠吸钾的生理特性,而嗜盐细菌的紫膜( purplemembra ne)提供了这种生理功能。紫膜接受光能驱动细胞的质子,形成电位梯度, 产生能量可以合成A TP,弥补在高盐浓度(盐浓度越高, 溶解氧越低)下底物有氧氧化所得能量的不足,为细胞浓缩K+和排斥Na+ 提供能量保证,以满足嗜盐菌正常的生理需要。一些细胞还含有视黄醛( retinal)朊,这种朊的存在为细胞内的质子移动提供推动力。
中度嗜盐菌的细胞内除了含有K+ 、Na+ 外,还含有有机化合物(氨基酸、三甲铵乙内酯、丙三醇等)以调节渗透压。在调节渗透压过程中, Na+ 并非必要的,但是嗜盐菌的营养吸收、细胞质内pH的调节、电位的平衡都需要Na+ 的存在。嗜盐菌的酶在高盐环境能发挥作用是因为它们的蛋白质组织具有独特的适应性,大多数嗜盐菌微生物的蛋白质中含有过量的酸性氨基酸和非极性的残余物,过量的酸性物质需要阳离子屏蔽其附近的负电荷,否则蛋白质会遭到破坏。总之,嗜盐菌中的大多数酶的活性和稳定性、核蛋白的稳定性和功能的发挥以及细胞的生长都需要一定浓度的NaCl和KCl来维持。嗜盐菌这种生长需要高盐浓度的生理特征是在漫长的进化过程中,通过自然选择,是细胞结构与功能高度适应高盐环境的结果。
此外,大多数嗜盐菌能合成糖(主要是蔗糖、海藻糖、甘油葡萄糖)、氨基酸等,它们成为嗜盐菌的渗透压调节剂,有利于稳定和保护菌体内酶的活性 ,当受到高盐废水冲击时,会调节自身新陈代谢,改变遗传基因,使其能在高盐浓度下正常生长。

2 嗜盐菌处理含盐有机工业废水的研究进展

2. 1 盐对常规生化法的影响

1937年, Zo bell等首次通过实验研究了盐对处理有机废水的影响,他们用从生活污泥、土壤和海水接种来的微生物处理含盐废水,结果发现,在含盐度为28% 介质中三种不同来源的微生物存活率分别为0%、小于1% 、小于2% 。盐对常规生化法的影响主要有以下四个方面:
  • ( 1) 对出水水质影响处理系统对离子的浓度变化很敏感,当系统突然受含高盐废水的冲击时,则系统的有机物去除率降低、微生物呼吸速率降低、SV I增大、出水BOD5、SS升高[21 ]。盐度突增2% 就能对系统产生显著破坏,因此,保持盐浓度的稳定是工程设计中主要考虑因素之一。
  • ( 2) 对生物活性影响盐浓度的增加将破坏生物的代谢功能和降低生物的降解动力。在含盐3. 5%的系统中, 每毫克污泥降解总有机碳能力从0. 3mg /h降低到0. 12 mg /h。
  • ( 3) 对生物种类的影响盐度的增加,使处理系统中的原生动物和丝状微生物减少 ,出水的悬浮物浓度一般高于100 mg /L。
  • ( 4) 耐盐度的极限许多文献表明,盐度超过3%~ 5% 的废水不能用常规的生化法处理。

2. 2含盐废水处理研究进展

2. 2. 1处理系统中存在的耐盐微生物

在高含盐量环境中存在原核微生物主要是嗜盐菌,它们的生长需要盐分,如红皮盐杆菌能在12% ~30% (饱和浓度为30% )的盐度中生长,在盐度小于12% 的环境中不生长;当盐度低于9%时,细胞壁开始破裂[ 9] ,杆菌数量逐渐减少,直到消失。其他嗜盐菌如条伦黄杆菌、钠盐脱硫弧菌、盐制品杆菌、变异微球菌、盐脱氮付球菌等也需要在含盐介质中才能生长。
在高含盐量环境中存在的原生动物的种类随含盐浓度的不同而有所变化,当盐含量低于8 g /L时,有大量轮虫、游泳性纤毛虫、有柄纤毛虫和其他高级原生动物;当盐含量在8~ 13 g /L时,还有轮虫、游泳性纤毛虫和个数多但不够活跃的有柄纤毛虫;而当盐含量为20 g /L时,曝气20 h后,尚存少量的低级原生动物、丝状细菌和菌胶团,曝气48 h 后,原生动物全部消失,只剩下菌胶团。
在含盐环境中,也存在着一些浮游生物。在盐含量为2~ 12 g /L环境中,浮游植物有嗜盐舟形藻、衣藻、光甲藻、绿裸藻等,啮蚀隐藻、尖尾蓝隐藻在盐含量2~ 6 g /L中占优势地位;在2、6、12 g /L三个盐浓度梯度中,浮游动物的优势种演替基本趋势为桡足类→轮虫(有时是原生动物)→桡足类和游仆虫。

2. 2. 2国内外处理含盐废水的研究进展

2. 2. 2. 1实验性研究

为了使适盐微生物能在含盐废水处理中广泛应用,国内外学者对此进行了大量的研究。1995年阿联酋U. A. E. 大学的Hamoda 等[28 ]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、30 g /L的废水在不同泥龄( 3~ 20 d)和不同有机负荷( CO DCr0. 5~ 2. 0 kg V SS· 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,而且对TOC的去除率均达到96%以上。
Wo olard等从大盐湖的土壤中筛选的嗜盐菌在SBR反应器中处理模拟含酚(约100 mg /L)油田废水,含盐量14%。经过7个月的连续运行,出水的酚浓度小于0. 1 mg /L, DOC浓度小于10 mg /L,悬浮物浓度小于50 mg /L。而利用序批式生物膜反应器处理含盐量15% 的含酚(约100 mg /L)废水,处理后出水酚含量低于5 mg /L,单位载体表面的生物膜量为3. 86 g (干物质) ,生物膜厚度达到126μm。从生活污泥中接种的菌种经驯化,对含盐量6% ~ 8%的废水的TOC 去除率达到80% ;对于含盐量为12%的废水TOC去除率能达到43% 。
Dalmacija等指出,利用活性污泥处理废水过程中,高含盐量(约29 g /L)和高水力负荷(大于1. 5d- 1 )将会使处理系统的污泥减少、有机物去除率降低、出水悬浮物升高。他们通过试验证明,向曝气池中投加200 g /L的活性炭会明显改善处理系统的功能和出水水质,污泥容积指数约为60 mg /L,出水悬浮物和CODCr分别为20 mg /L和50 mg /L。活性炭的作用是吸附部分有机物和固定微生物,在活性炭表面形成生物膜,使系统的处理效果得到显著的提高。
此外, Kargi等利用间歇生物反应器进行了自配水样实验,研究了盐的抑制作用和动力学常数;Ludzack等开展了用传统活性污泥工艺处理含盐废水的效率研究。国内学者也在这方面进行了大量的研究, 安林等讨论了盐对二段接触氧化法处理废水的影响;杨健用SBR法处理含盐含油发酵工业废水;梁展辉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,都取得了良好的效果。

2. 2. 2. 2实际工程应用

美国密苏里州的一个制药厂排放生产废水390m3 /d,含盐量7. 4% , CODCr为7400 mg /L,主要处理单元有ZenoGem系统→活性污泥系统→厌氧处理系统→ SBR反应器,出水水质达到国家排放标准
一个生产联氨产品的化工厂所排出的生产废水,含盐量为10% ,处理工艺流程为集水井→中和反应池→厌氧池→活性污泥流化床(流化床中以炭作为生物载体)。在流化床中形成的污泥浓度为传统活性污泥的25倍,联氨和TO C的去除率能分别达到80%和50% ,但系统的处理效果不是很稳定。墨西哥的一个制药厂排出的高含盐量的生产废水有两种治理方案。一种是将废水单独用一个生化系统处理,另一方案是将废水先通过一个蒸发设备,去除部分的盐,然后将废水排到该地区的污水处理系统。他们认为从技术角度考虑,两种方案都可行,但从经济角度考虑,后者比前者更具经济效益,因此,选择了第二种方案作为该废水的处理方法。

3 结论

国内外大量的研究实验证明了一些特殊微生物在高盐环境中照样能降解有机污染物,因此,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,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,还需要作很多更深入的研究。

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