李义勇，连梓彬，王广华，李东亚，杜建军，王宝娥,*

(1. 仲恺农业工程学院资源与环境学院，广东省农业产地环境污染防控工程技术研究中心，广东广州 510225；2. 广州市市政工程设计研究总院有限公司，广东广州 510070；3. 武汉纺织大学环境工程学院，湖北武汉 430200)

据《2018年中国环境统计年报》统计，造纸与纸制品业、纺织业、煤炭开采业和洗选业为工业废水排放量最多的4个行业，仅造纸和纸制品业废水排放量就占我国工业废水总排放量的13.1%[1]。造纸废水中的有机污染物总量占我国工业废水有机污染物总量的25%，且有机污染物的种类繁多、毒性强，对环境构成了严重威胁[2]。

一般采用“一级物化+二级生化+深度处理”的方法处理造纸废水[1]。其中，二级生化是整个工艺的关键，直接关系到处理效果和成本[3]。若能进一步提高生物处理单元的去除能力，例如提高生物好氧池COD降解率，可显著节约废水处理成本，提高企业经济效益[4]。

生物强化技术具有无需设备投入、无需基建等特点，且在实际应用中被证明可普遍提高生化处理效率[5-7]。因此，将生物强化技术应用于造纸废水处理受到普遍关注[3,8-11]，对造纸废水中的营养性污染物和难降解污染物达到了良好的去除效果，提高了废水处理效率，且已有成功案例，但面临的一个共性问题是生物强化菌剂的使用成本较高[12-13]。筛选廉价、高效的生物强化菌剂一直是造纸废水处理领域研究的热点之一。本研究探索性地利用畜禽粪便堆肥“天然菌剂”、餐厨垃圾降解物“天然菌剂”、“人工培养菌剂C”、“人工培养菌剂D”和“人工培养菌剂E”这5种菌剂处理造纸废水，进行对比研究，以COD去除及对活性污泥的影响程度作为评价指标[14]，探讨了这5种菌剂强化造纸废水生物处理的效果，并确定了优选菌剂，从而为造纸废水的生物强化处理提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 造纸废水样品和活性污泥

造纸废水样品和活性污泥分别取自江西某大型造纸厂污水处理系统的进水口和二沉池回流污泥。废水CODCr为4 498 mg/L，活性污泥MLSS为6 956 mg/L，SVI为141 mL/g，曝气池溶解氧(DO)为1.6 mg/L。

1.2 菌剂

本试验使用的5种菌剂如表1所示。

表1 供试菌剂Tab.1 Microbial Agents for Testing

1.3 试验方法

(1)初筛试验。将200 mL的废水分别加入500 mL的锥形瓶中，然后加入60 mL活性污泥混合均匀，再分别加入2%的5种菌剂(菌剂A、B以重量/体积百分比计，菌剂C、D和E以体积/体积百分比计)，置于30 ℃、120 r/min的摇床中连续反应。其中，在4、24、72 h和120 h时，停掉摇床静置0.5 h，取1.5 mL上清液样品，进行COD测定。120 h时结束反应，并于静置前取样测定SV30。测定数据与不加菌剂组试验结果(空白)进行对比分析。

(2)优化试验。从初筛试验中选取2种COD去除效果较好的菌剂，开展条件优化试验。与初筛试验相比，提高了锥形瓶装液量(将废水加入量提高到385 mL，同比例加入活性污泥115 mL，混合均匀)，同时降低摇床转速(由120 r/min降低至80 r/min)以降低DO。相应地，DO(摇床反应1 h时监测值)由初筛试验中的6.1 mg/L降低至1.6 mg/L，后者与前文的大型造纸厂污水处理系统的曝气池DO水平相近。在此DO下，测试降低菌剂投加量(由2%降低至0.1%和0.01%)对COD降解效果的影响。以不加菌剂组作为空白对照。

1.4 分析测定与数理统计

COD：重铬酸钾氧化-化学滴定法，MLSS：称重法，DO：膜电极法[15]。根据MLSS和SV30计算SVI[16]。所有指标的测定结果为2组平行试验结果的平均值。

2 结果与讨论

2.1 生物强化处理对比试验

通过初筛试验，对比了5种菌剂强化COD去除的效果。由图1可知，随着反应进行，试验组和空白组的COD均呈现逐步降低的趋势，说明本研究中的活性污泥具有较好的有机污染物降解能力。在24 h时，试验组的COD均高于空白组，原因可能是外加菌剂自身含有营养物质，延缓了COD降解进程，可从4 h时COD浓度大小为E>C>D>B>A得到间接反映。液态菌剂(E/C/D)比固态菌剂(B/A)的培养基营养物更易溶于上清液，进而导致COD偏高，从而延缓COD降解进程。但在72 h之后，试验组的COD均低于空白组，且均趋于稳定，说明5种微生物菌剂最终均表现出对COD降解的强化作用。其中，菌剂A和菌剂D的强化效果最明显，72 h时CODCr浓度降低至912 mg/L和777 mg/L，降解率达到79.7%和82.7%。与空白组相比，CODCr浓度降低了96 mg/L和231 mg/L，COD降解率提高了2.7%和6.6%。Wang等[3]采用采绒革盖菌、黄孢原毛平革菌和固氮菌等组合菌剂强化好氧颗粒污泥处理造纸废水，COD降解率提高了5.7%；Chen等[10]采用一株分离自碱性过氧化氢机械浆废水的戈登氏菌JW8强化SBR反应器，COD降解率提高了6.3%；Chen等[11]采用戈登氏菌、土壤杆菌、芽孢杆菌和恶臭假单胞菌等组合菌剂强化好氧颗粒污泥处理造纸废水厌氧端出水，COD降解率提高了13.4%；刘娜娜[16]采用3株真菌强化处理造纸废水的SBR反应器，COD降解率提高了6.2%以上。这些研究均取得了一定的强化效果，具体表现为COD降解率提高了5.0%～15.0%，且以接近6.0%居多，与本研究结果较为一致。

图1 5种菌剂强化CODCr降解的效果Fig.1 Effect of Five Microbial Agents on Enhanced Degradation of CODCr

同时，在初筛试验中，对比了5种菌剂强化下的SVI，了解生物强化对活性污泥沉降性能的影响。一般，SVI为50～150 mg/L时，活性污泥具有较好的沉降性能。由图2可知，试验组A～D和空白组的SVI均接近此范围，说明其活性污泥均具有较好的沉降性能，尤其是前者的SVI均接近甚至低于后者，说明生物强化对活性污泥沉降性能无负面影响，反而使活性污泥的沉降性能得到改善。值得指出的是，菌剂E表现出较高的SVI，明显高于空白组，说明其活性污泥沉降性能降低。综上，菌剂A～E均表现出良好的COD生物强化去除效果；除菌剂E外，菌剂A～D均未对活性污泥产生不良影响。

图2 5种菌剂对活性污泥沉降性能的影响Fig.2 Effect of Five Microbial Agents on Activated Sludge Settling Performance

综上，菌剂A和菌剂D具有更好的强化COD降解效果，且不会对活性污泥产生不良影响，因此，选择这2种菌剂开展下一步的条件优化试验。另外，考虑到72 h时，降解反应已经趋于完全，因此，后续优化试验中的反应结束时间调整为72 h。

2.2 优选菌剂的条件优化

由于接种量关系到药剂投加成本，而DO关系到曝气能耗成本，为了降低处理成本并保证降解效果，对菌剂A和菌剂D开展了同步降低接种量和降低DO的条件优化试验。由图3可知，随着反应进行，各组的COD均呈现逐步降低的趋势，且变化趋势与图1一致，说明同步降低菌剂投加量和降低DO并不会影响COD的降解效果,反而全程均表现出更低的COD。原因可能是在降低菌剂投加量后减少了由外加菌剂带入的营养物质，加速了COD降解进程，也提高了COD降解程度，可从4、24 h和72 h时(与图1相比)均具有更低的COD得到间接反映。同时，2种菌剂的0.01%投加量组COD降解率仅略低于0.1%投加量组，说明0.01%投加量足以发挥良好的生物强化作用。在优化条件下，试验组的COD均明显低于空白组，说明微生物菌剂均表现出对COD降解的强化作用。另外，菌剂A与菌剂D的强化效果近似，考虑到与菌剂D相比，菌剂A还具有可直接使用、成本低廉的优势，确定菌剂A为优选菌剂。其在低投加量(0.01%)、低DO(1.6 mg/L)条件下，经72 h强化处理后的CODCr浓度仍可降低至632 mg/L，降解率达到85.9%，与空白组相比，COD降解率提高了10.7%。该结果已经达到现有相关文献报道的强化效果[3,10-11,16-17]，且该优选菌剂具有更明显的经济性，实现了本次筛选工作的目的。

图3 在较低DO水平下不同菌剂投加量强化 CODCr降解的效果Fig.3 Effect of Different Dosage of Microbial Agents on Enhanced Degradation of CODCr under Lower DO Level

3 结论

为了获得适用于造纸废水的廉价、高效的生物强化菌剂，本研究对5种菌剂A～E开展了初筛试验和条件优化试验，得出如下结论。

(1)5种菌剂最终均表现出了对造纸废水COD降解的强化作用，其中菌剂A和菌剂D具有更好的强化COD降解效果。

(2)本试验条件下，同步降低菌剂投加量和降低DO并不会影响COD降解效果。

(3)综合考虑效果和投入成本，确定了菌剂A为优选生物强化菌剂，在低投加量(0.01%)、低DO(1.6 mg/L)条件下，仍可使COD降解率提高10.7%。