黃莉婷，韓昫身，金艷，馬強(qiáng)，于建國

（1華東理工大學(xué)資源過程工程教育部工程研究中心，上海 200237；2華東理工大學(xué)國家鹽湖資源綜合利用工程技術(shù)研究中心，上海 200237；3蘇州聚智同創(chuàng)環(huán)?？萍加邢薰?，江蘇常熟 215513；4中國石油川慶鉆探工程有限公司頁巖氣勘探開發(fā)項(xiàng)目經(jīng)理部，四川成都 610051）

引言

我國是一個(gè)富煤貧油少氣的國家，煤礦資源開發(fā)利用對于國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展至關(guān)重要。在煤礦資源深度加工生成化工產(chǎn)品過程中，會(huì)產(chǎn)生大量廢水，其COD 濃度為100～5000 mg/L[1-2]，TDS 濃度為10000～100000 mg/L，主要含有Cl-、Na+、SO42-、Mg2+[3]，同時(shí)含有致畸性、毒性有機(jī)物，是一種較難處理的高鹽廢水[4]。

現(xiàn)代煤化工廢水處理過程一般經(jīng)過以下幾步：化學(xué)氧化、生物氧化、反滲透脫鹽等[5]，上述工藝在清水達(dá)標(biāo)排放的同時(shí)會(huì)產(chǎn)生一股更難降解的高鹽濃縮有機(jī)廢水，這類廢水色度高、成分復(fù)雜且難降解有機(jī)物(酚類、長鏈正構(gòu)烷烴、多環(huán)芳烴、呋喃、含氧及含硫雜環(huán)化合物等)濃度高，處理難度極大[6]。直接蒸發(fā)濃縮產(chǎn)生的危廢處理成本高，且填埋處理環(huán)境污染大[5,7]，綠色經(jīng)濟(jì)型反滲透濃水有機(jī)物降解工藝成為煤化工行業(yè)亟需解決的技術(shù)難題，其成功突破有助于后續(xù)分質(zhì)結(jié)晶技術(shù)的推進(jìn)，降低有機(jī)物對結(jié)晶過程的抑制作用，制備出硫酸鈉、氯化鈉、硝酸鈉等產(chǎn)品[8-9]。

工業(yè)有機(jī)廢水的有機(jī)物去除方法主要分為化學(xué)法(高級氧化法)和生物法[3,10-11]，由于生物法相比于化學(xué)法運(yùn)行成本低，且無二次污染，具有很大優(yōu)勢。就煤化工反滲透濃水生化處理過程而言，國內(nèi)外已有報(bào)道基本利用活性污泥作為菌源進(jìn)行反滲透濃水處理，經(jīng)過長期的啟動(dòng)過程，利用微生物在該環(huán)境的群落演替，形成適合降解反滲透濃水的群落。例如Pradhan 等[12-13]采用UV/H2O2結(jié)合生物濾池處理不同鹽度的煤化工反滲透濃水，活性炭柱生物膜上逐漸演替出芽孢桿菌屬、假單胞菌屬為主的微生物群落，組合工藝共運(yùn)行230 d，有機(jī)物去除率達(dá)到45%～49%；Jia 等[14]將好氧活性污泥投加到MBR(膜生物反應(yīng)器)系統(tǒng)中處理煤氣化廢水廠兩級RO出水，并添加甲醇輔助微生物生長，運(yùn)行30 d 后TOC 平均去除率為51.6%；Liu 等[15]采用三級MABR(曝氣膜生物反應(yīng)器)處理煤化工反滲透濃水，處理過程中不外加碳源，反滲透濃水的占比從20%增加至100%，運(yùn)行130 d 出水COD 趨向于穩(wěn)定，穩(wěn)定運(yùn)行后COD 去除率為69%左右；Lan 等[16]采用三個(gè)膜生物反應(yīng)器連續(xù)處理煤化工反滲透濃水，投加活性污泥作為微生物來源，運(yùn)行40 d COD 去除率達(dá)到80.0%以上，生物膜上出現(xiàn)了以變形桿菌和擬桿菌門為主的耐鹽菌群。綜上，活性污泥作為菌種來源，反應(yīng)器啟動(dòng)時(shí)間長，且諸多研究報(bào)道一般活性污泥在面對致畸、致癌性強(qiáng)的有機(jī)物沖擊時(shí)容易解體[17-19]，制約了生物法在煤化工反滲透濃水處理中的廣泛應(yīng)用[20]。

本研究通過篩選高效降解煤化工反滲透濃水中有機(jī)物的耐鹽菌株，制備出高效耐鹽復(fù)合菌劑，顯著縮短生化反應(yīng)器達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間，取得良好的有機(jī)物去除效果。本研究提出了一種生物強(qiáng)化處理高鹽煤化工難降解廢水的工藝。

1 材料及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)用水

實(shí)驗(yàn)用水為中國石化長城能源化工有限公司零排放系統(tǒng)中的反滲透濃水，進(jìn)反滲透之前已經(jīng)過多級生化及氧化處理，流程示意圖如圖1所示。

圖1 煤化工反滲透濃水的來源Fig.1 Generation of coal chemical hypersaline wastewater after reverse osmosis process

1.2 菌種篩選、培養(yǎng)及鑒定方法

1.2.1 耐鹽菌的培養(yǎng)

(1)菌株來源

煤化工、石油煉化、精細(xì)化工高鹽廢水排放口周邊土壤和相關(guān)生化處理系統(tǒng)中污泥。

(2)培養(yǎng)基

合成培養(yǎng)基：FeSO4·7H2O 0.05 g/L；MgCl2·6H2O 0.5 g/L；KCl 0.3 g/L；NH4Cl 0.3 g/L；KH2PO40.45 g/L；酵母粉0.2 g/L；無水葡萄糖1 g/L；Na2SO4；去離子水；pH 調(diào)節(jié)為7.2～7.4，若為固體培養(yǎng)基則添加2%瓊脂。

廢水培養(yǎng)基：煤化工反滲透濃水中投加尿素、KH2PO4，調(diào)節(jié)廢水C∶N∶P=100∶5∶1，pH 調(diào)節(jié)為6.5～7.0，若為固體培養(yǎng)基則添加2%瓊脂。

LB 培養(yǎng)基：NaCl 10 g/L，蛋白胨10 g/L，酵母粉5 g/L，去離子水，pH 調(diào)節(jié)為7.2～7.4，若為固體培養(yǎng)基則添加2%瓊脂。

(3)耐鹽菌的分離純化[21-22]

富集：取污泥或土壤樣品1 g 于廢水培養(yǎng)基中30 ℃下振蕩培養(yǎng)，富集時(shí)間以4 d 為周期重復(fù)三次，獲得富集的耐鹽微生物群落。

菌株的分離與純化：采用稀釋涂布法和平板劃線法進(jìn)行菌株分離純化。首先吸取1 ml 所富集的菌液于無菌試管中，加入9 ml 無菌去離子水，充分混勻后從中取出1 ml 放入另一支加有9 ml 無菌去離子水的試管中，以此類推，將菌液稀釋至6個(gè)不同的梯度(10-1、10-2、10-3、10-4、10-5、10-6)，分別吸取菌液0.1 ml，均勻涂布在廢水固體培養(yǎng)基上，于30℃生化培養(yǎng)箱中倒置培養(yǎng)2～3 d，挑取平板上不同顏色不同形狀的單菌落，接入150 ml 廢水培養(yǎng)基中，于搖床中30℃、180 r/min 培養(yǎng)2 d，反復(fù)于廢水固體培養(yǎng)基上劃線，純化三次后挑取單菌落，將純菌液與60%(體積)甘油按體積比1∶1 加入保種管，混勻后于-80℃冰箱保存。

1.2.2 菌株16S rDNA測序和系統(tǒng)發(fā)育樹構(gòu)建

(1) 使用DNA 試劑盒(天根生化科技有限公司)提取菌株DNA。16S rDNA 的PCR 引物序列為27f：AGAGTTTGATCMTGGCTCAG，1492R:TACGGYTA CCTTGTTACGACTT。PCR 反應(yīng)體系如下：17.8 μl H2O，3 μl Buffer，2 μl dNTP，3 μl Primer1，3 μl Primer2，1 μl DNA 模板，0.2 μl 酶，總體積30 μl。PCR反應(yīng)條件如下：95℃5 min；95 ℃30 s，55℃30 s，72 ℃1 min，循環(huán)35次；72 ℃10 min；12 ℃保溫。

(2)測序由北京六合華大基因科技有限公司武漢分公司完成。測序結(jié)果在NCBI 數(shù)據(jù)庫用BLAST于Gene Bank 中比較同源性，并用MEGA 5.0 軟件[23]選擇鄰接法(neighbor-joining method)對菌株序列進(jìn)行同源性分析，構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹[24]。

1.2.3 微生物的生理生化鑒定［25-27］

氧化酶實(shí)驗(yàn)：在濾紙上滴加1%的二鹽酸四甲基對苯二胺使之浸潤，用玻璃棒蘸取菌液并滴加在濾紙上，10 s內(nèi)出現(xiàn)紅色則為陽性，不變?yōu)殛幮浴?/p>

觸酶實(shí)驗(yàn)：載玻片上滴加50 μl 活化后的菌液，然后滴加5%H2O2溶液，覆蓋新鮮菌液，如有大量氣泡產(chǎn)生則為陽性，無氣泡為陰性。

淀粉水解實(shí)驗(yàn)：用1%可溶性淀粉制備培養(yǎng)基，倒平板后接種新鮮菌液。培養(yǎng)長出菌落后，用Lugol’s 碘液(l g 碘，2 g 碘化鉀，300 ml 水)滴加在培養(yǎng)基表面，如培養(yǎng)基上菌落周圍出現(xiàn)透明圈則為陽性，仍為藍(lán)黑色則為陰性。

產(chǎn)H2S 實(shí)驗(yàn)：用10% FeSO4制備培養(yǎng)基，采用穿刺法接種后30 ℃培養(yǎng)，培養(yǎng)基變黑為陽性，不變?yōu)殛幮浴?/p>

吲哚實(shí)驗(yàn)：將菌株接種至蛋白胨培養(yǎng)基后培養(yǎng)48 h，滴加1～2 ml 乙醚振蕩，靜置分層后滴加5 滴吲哚試劑(1 g 對二甲基氨基苯甲醛，95 ml 95%乙醇，20 ml 濃鹽酸)，如液層界面變紅則為陽性，不變?yōu)殛幮浴?/p>

酪素水解實(shí)驗(yàn)：用1%脫脂牛奶配制培養(yǎng)基，平板倒置24 h 至表面無水分，然后將活化后的菌液滴加在平板上，如出現(xiàn)透明圈則為陽性，不變?yōu)殛幮浴?/p>

明膠液化實(shí)驗(yàn)：用120 g/L 明膠配制培養(yǎng)基，穿刺接種后，20℃培養(yǎng)7 d，若明膠水解且不再凝固為陽性，不變?yōu)殛幮浴?/p>

脲酶實(shí)驗(yàn)：用0.012 g/L 酚紅配制培養(yǎng)基，pH 調(diào)節(jié)至6.8～6.9，高壓滅菌后冷卻至50～55 ℃；將20%的尿素溶液過濾除菌后滴加至培養(yǎng)基中(尿素終濃度為2%)，接種后室溫培養(yǎng)4 d 觀察顏色變化，若培養(yǎng)基變?yōu)榧t色則是陽性，不變?yōu)殛幮浴?/p>

菌株耐鹽特性實(shí)驗(yàn)：菌株培養(yǎng)24 h 后以1%(體積)接種量接種于含有0%、1%、3%、5%、10%、15%、20% Na2SO4的合成培養(yǎng)基中，加入配套的100 孔板中，在微生物自動(dòng)培養(yǎng)系統(tǒng)中，30 ℃振蕩培養(yǎng)72 h，以菌懸液的吸光度OD600繪制菌株生長曲線，不接種微生物的培養(yǎng)基作為空白對照。

1.2.4 耐鹽菌株降解廢水TOC 研究 耐鹽菌株培養(yǎng)24 h 后以1%(體積)接種量接種于廢水中，30℃、180 r/min培養(yǎng)48 h，檢測反應(yīng)始末TOC值，不接種微生物的廢水作為空白對照。上述實(shí)驗(yàn)均進(jìn)行了3組平行實(shí)驗(yàn)，取平均值作為最終數(shù)據(jù)。

1.3 復(fù)合耐鹽菌劑連續(xù)式廢水處理

采用LB 培養(yǎng)基分別活化9 株菌(液體培養(yǎng)基的0.1%，接種體積相同)，置于搖床中30℃、180 r/min培養(yǎng)24 h，使用冷凍離心機(jī)收集菌體，接著加入0.9%(質(zhì)量)生理鹽水制備成9 組菌懸液(菌體干重相同)，然后取相同體積的菌懸液振蕩混合，即可獲得復(fù)合耐鹽菌劑。

反應(yīng)器由有機(jī)玻璃組成，總?cè)莘e3 L，有效容積2 L，反應(yīng)器內(nèi)放置30%(體積)組合填料作為微生物生長載體，組合填料包括纖維填料(聚丙烯醛化纖維絲材料)、懸浮填料(聚丙烯材料)、海綿填料(聚氨酯材料)；同時(shí)放置曝氣頭供氧（圖2）。反應(yīng)開始時(shí)投加制備的復(fù)合耐鹽菌劑，悶曝72 h，進(jìn)水分別為煤化工反滲透濃水、臭氧氧化處理反滲透濃水后的產(chǎn)水，反應(yīng)器HRT(水力停留時(shí)間)為12 h，換水比為50%(體積)，每周期換水后靜置10 min后加入新的廢水。

圖2 復(fù)合耐鹽菌劑處理廢水Fig.2 Halotolerant bacteria preparation treatment of wastewater

1.4 臭氧氧化預(yù)處理

臭氧氧化反應(yīng)器為圓柱形結(jié)構(gòu)，由有機(jī)玻璃組成，反應(yīng)器底部設(shè)有多孔布?xì)獍?，上部設(shè)置排氣口，裝置高100 cm，直徑4.5 cm，有效容積1.3 L。實(shí)驗(yàn)前將臭氧濃度檢測儀、臭氧發(fā)生器預(yù)熱30 min，隨后將1 L 煤化工反滲透濃水加入反應(yīng)器中，待臭氧濃度穩(wěn)定打開臭氧發(fā)生器進(jìn)行氧化反應(yīng)，臭氧投加量為10.4 mg/min，反應(yīng)時(shí)間為1 h，反應(yīng)后的臭氧尾氣由碘化鉀溶液吸收后外排。

1.5 水質(zhì)檢測方法

TOC(總有機(jī)碳)采用InnovOx TOC 分析儀測定，樣品3500 r/min 離心20 min 進(jìn)行自動(dòng)測量和分析。BOD(生化需氧量)采用哈希BOD TrakII檢測儀測定，CODCr(化學(xué)需氧量)根據(jù)HZ-HJ-SZ-0107《水質(zhì)化學(xué)需氧量(CODCr)的測定 催化快速法》測定，氨氮根據(jù)HJ 535—2009《水質(zhì)氨氮的測定 納氏試劑分光光度法》測定，總磷根據(jù)F-HZ-HJ-SZ-0039《水質(zhì)總磷的測定 鉬酸銨分光光度法》測定，色度根據(jù)GB 11903—89《水質(zhì)色度的測定》測定，TDS(總?cè)芙夤腆w)根據(jù)質(zhì)量法測定，、總硬、鈣硬根據(jù)EDTA 滴定法測定，Cl-根據(jù)硝酸銀滴定法測定。

有機(jī)物成分采用固相微萃取-氣質(zhì)聯(lián)用法測定，實(shí)驗(yàn)儀器為安捷倫6890GC-5973MS，其中毛細(xì)柱為HP5MS(30 m×0.25 mm×0.25 μm)，載氣為流速1 ml/min的高純度氦氣，模式選用無分流進(jìn)樣。

1.6 實(shí)驗(yàn)儀器

TOC 分析儀(TOC ANALYZER，InnovOx，美國)，分光光度計(jì)(MAPADA UV-6100 s，美譜達(dá)儀器有限公司，中國)，微生物自動(dòng)培養(yǎng)系統(tǒng)(FP-1100-C，芬蘭)，冷凍離心機(jī)(Allegra X-12R，BECKMAN COULTER，美國)，臭氧發(fā)生器(SOZ-YB-16G，中國)，臭氧濃度檢測儀(BMT-964BT，BMT，德國)，海爾超低溫冰箱(DW-86L578J，中國)，超凈工作臺(tái)，高壓滅菌鍋，恒溫振蕩培養(yǎng)箱，隔水式培養(yǎng)箱。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 耐鹽菌的篩選

研究廢水為某煤化工廠零排放處理系統(tǒng)中的反滲透濃水，其水質(zhì)分析結(jié)果如下：CODCr為835.0 mg/L，TOC 為233.4 mg/L，TDS 為50.9 g/L，為13.6 g/L，Cl-為7.5 g/L，為1.4 g/L，為2.2 g/L，總硬度為200.2 mg/L，鈣硬為72.1 mg/L，色度為90.4 度，總磷為2.3 mg/L，氨氮為3.1 mg/L，pH為9.3。由上述水質(zhì)指標(biāo)可知，該廢水鹽度高達(dá)5.1%，BOD5/COD(生化需氧量/化學(xué)需氧量)僅為0.05，B/C 遠(yuǎn)小于0.3，其可生化性極差[28]。由此表明，該廢水是一種極難生物降解的高鹽有機(jī)廢水。

針對本研究廢水水質(zhì)特征，從煤化工、石油煉化、精細(xì)化工高鹽廢水排放口周邊土壤和相關(guān)生化處理系統(tǒng)的污泥中，經(jīng)過多次富集、篩選、純化，分離得到9 株有機(jī)物降解能力較強(qiáng)的菌株，分別編號為L-141～L-147 和L-275、L-276。如圖3 所示，9 株菌對煤化工反滲透濃水中TOC 的去除率能達(dá)到40.0%～62.0%，遠(yuǎn)高于對照組(blank，不接種微生物)的7%，因此，選擇這9 株菌株為降解煤化工反滲透濃水的耐鹽菌，開展進(jìn)一步研究工作。

圖3 耐鹽菌對TOC的去除效果(blank—空白對照組；L-HBP—9株菌等比例復(fù)配制備的菌劑)Fig.3 Degradation of TOC by halotolerant bacteria(blank—blank control;L-HBP—halotolerant bacteria preparation)

2.2 耐鹽菌株鑒定

2.2.1 16S rDNA 測序和系統(tǒng)發(fā)育樹 對上述9 株菌進(jìn)行DNA 提取、PCR 擴(kuò)增、電泳產(chǎn)物鑒定，得到16S rDNA 基因序列，將基因序列提交至NCBI 數(shù)據(jù)庫進(jìn)行序列比對，查找相似度最高的菌株確定親緣關(guān)系，具體如表1所示。9株菌與數(shù)據(jù)庫中現(xiàn)有菌株的最高相似度均在99%以上，16S rDNA 基因序列比對表明，菌株L-141 和L-142 屬于假單胞菌屬，菌株L-143、L-145、L-146、L-147、L-275 以及L-276 屬于芽孢桿菌屬，菌株L-144 屬于嗜鹽單胞菌屬。據(jù)前人研究可知，假單胞菌屬多種微生物具有良好的耐鹽特性[29-30]，并且在含苯環(huán)類有機(jī)廢水處理中應(yīng)用廣泛[31-32]；嗜鹽單胞菌屬微生物是環(huán)境中重要的嗜(耐)鹽微生物，多于高鹽體系下生長，較多應(yīng)用于高鹽廢水處理過程[33]，例如Zerva 等[34]處理煤化工廢水時(shí)發(fā)現(xiàn)，隨著鹽度逐漸升高至10%，反應(yīng)器中會(huì)逐漸演替出嗜鹽單胞菌屬微生物，可以有效降解廢水中苯酚等芳香族化合物[35-36]；芽孢桿菌屬作為厚壁菌門中的一員，是一種能耐受高有機(jī)負(fù)荷的微生物，可以在極端條件下產(chǎn)生芽孢抵抗惡劣環(huán)境[37]，該屬多種微生物可以耐受3%以上的鹽度環(huán)境[38-39]。最為相似的是，Pradhan 等[12]采用生物活性炭柱處理煤化工反滲透濃水時(shí)，經(jīng)過230 d 連續(xù)運(yùn)行，活性炭柱生物膜上逐漸演替出芽孢桿菌屬、假單胞菌屬為主的微生物群落，且有機(jī)物去除率達(dá)到45%～49%。綜上，假單胞菌屬、芽孢桿菌屬、嗜鹽單胞菌屬微生物對高鹽環(huán)境具有良好的抗逆性能，并且對于煤化工行業(yè)廢水有機(jī)物具備良好的降解效果?？梢灶A(yù)計(jì)，這9 株菌在反滲透濃水生化處理過程具備良好的應(yīng)用前景。

表1 耐鹽菌菌種鑒定Table 1 Identification of screened halotolerant bacteria

選取與9株耐鹽菌相似度在98%以上的菌株序列進(jìn)行BLAST 分析，使用MEGA 5.0 軟件Clustal W比對分析，設(shè)置自展值(Bootstrap)為1000，用Neighbor-joining算法構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹，如圖4。

圖4 耐鹽菌株16S rDNA系統(tǒng)發(fā)育樹Fig.4 The phylogenetic tree of halotolerant bacteria

2.2.2 菌株生理生化特性 對9株耐鹽菌進(jìn)行生理生化特性鑒定，結(jié)果如表2 所示。菌株L-141 為革蘭陰性菌，其余菌株均為革蘭陽性菌。菌株L-141、L-276 能水解淀粉，其余菌株均不能水解淀粉。所有菌株均為好氧菌，均能水解酪素、分解尿素，所有菌株均不能合成氧化酶，也不能產(chǎn)生觸酶，均不能分解色氨酸生成吲哚、產(chǎn)生H2S 氣體，也不能水解明膠。

表2 耐鹽菌株的生理生化特性Table 2 Physiological properties of halotolerant bacteria

2.2.3 耐鹽特性分析 對9株耐鹽菌的耐鹽特性進(jìn)行測試鑒定，將不同菌株分別擴(kuò)培后以1%(體積)接種量接種于含0%、1%、3%、5%、10%、15%、20%Na2SO4的合成培養(yǎng)基中，30℃振蕩培養(yǎng)72 h，以菌懸液的吸光度OD600繪制菌株生長曲線，不接種微生物的培養(yǎng)基作為空白對照。按照一般定義，輕度嗜鹽菌最佳生長環(huán)境為1%～3%鹽度，中度嗜鹽菌最佳生長環(huán)境為3%～15%鹽度，極端嗜鹽菌最佳生長環(huán)境為15%～30%鹽度[21,40]。

在鹽度小于15%時(shí)，所有菌株均可良好生長(圖5)，當(dāng)鹽度為5%時(shí)(目標(biāo)煤化工反滲透濃水鹽度為5%)，菌株L-141、L-144 及L-146 生長最快，結(jié)合圖3 可知，這三株菌在該鹽度下有良好TOC 去除效率(均在50%以上)，可以預(yù)計(jì)這三株菌在該鹽度下發(fā)揮有機(jī)物降解的主導(dǎo)作用。對于工業(yè)廢水而言，鹽濃度等水質(zhì)波動(dòng)是不可避免的[41-42]，可以預(yù)計(jì)，在高鹽度沖擊下(10%)，L-141、L-142 及L-146 生長較快，其迅速生長會(huì)發(fā)揮主導(dǎo)作用；而在低鹽度沖擊下(3%)，菌株L-141、L-142、L-143、L-146 又可以充分發(fā)揮其有機(jī)物降解作用。

圖5 不同鹽度條件下耐鹽菌的耐鹽特性Fig.5 The growth curves of halotolerant bacteria under different salinity conditions

先前的研究同樣證明，相比于單一菌種，混合菌劑在工業(yè)廢水處理過程的應(yīng)用更加廣泛，這是由于豐富的生物多樣性可以提高生化處理系統(tǒng)的穩(wěn)定性[43]。因此，本研究將篩選獲得的9 株耐鹽菌株等比例復(fù)配成復(fù)合耐鹽菌劑，編號為L-HBP，以保障該菌劑具有更強(qiáng)的抗鹽度波動(dòng)效果。如圖3 所示，復(fù)合耐鹽菌劑對于煤化工反滲透濃水的TOC 去除率高達(dá)55%。

2.3 復(fù)合耐鹽菌劑處理煤化工反滲透濃水

選用復(fù)合耐鹽菌劑(L-HBP)進(jìn)行煤化工反滲透濃水生化降解系統(tǒng)連續(xù)式運(yùn)行研究，反應(yīng)器采用裝有填料的有機(jī)玻璃容器(圖2)。啟動(dòng)時(shí)投加0.01 g/L(基于菌體干重)的復(fù)合耐鹽菌劑，悶曝72 h 進(jìn)行掛膜；然后，每12 h 為一個(gè)周期進(jìn)行換水，運(yùn)行7 d 后投加0.25 g/L(基于菌體干重)的復(fù)合耐鹽菌劑進(jìn)行強(qiáng)化。反應(yīng)器運(yùn)行進(jìn)出水的TOC及去除率如圖6所示，進(jìn)水TOC 在220～245 mg/L，出水TOC 前期波動(dòng)較大，穩(wěn)定后維持在150～170 mg/L，TOC 去除率為28.6%～30.0%。相比復(fù)合耐鹽菌劑降解有機(jī)物搖瓶實(shí)驗(yàn)(圖3)中TOC 去除率(55%)，反應(yīng)器連續(xù)運(yùn)行的TOC 去除率較低，推測搖瓶實(shí)驗(yàn)中微生物對有機(jī)物的吸附起了重要作用，導(dǎo)致TOC的顯著下降[44]。

圖6 復(fù)合耐鹽菌劑處理煤化工反滲透濃水Fig.6 Changes of TOC in influent and effluent of wastewater with halotolerant bacteria preparation

為了進(jìn)一步提高煤化工反滲透濃水中有機(jī)物的降解效果，采用高級氧化法和生化法聯(lián)合工藝探究廢水中有機(jī)物的去除效果。高級氧化法處理速度快，應(yīng)用范圍廣且能將廢水中難降解的大分子有機(jī)物轉(zhuǎn)化成小分子有機(jī)物，改善廢水的可生化性[45]。采用臭氧氧化法[46]進(jìn)行煤化工反滲透濃水的預(yù)處理，然后再用復(fù)合耐鹽菌劑進(jìn)行降解實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，臭氧和復(fù)合耐鹽菌劑法聯(lián)合處理TOC 去除率可達(dá)40%，隨后將0.25 g/L 復(fù)合耐鹽菌劑(基于菌體干重)投加至臭氧預(yù)處理產(chǎn)水中連續(xù)式運(yùn)行研究，悶曝72 h 后進(jìn)行掛膜，反應(yīng)器進(jìn)出水TOC 及去除率如圖7所示。聯(lián)合工藝處理時(shí)反應(yīng)器出水TOC波動(dòng)較小，反應(yīng)器在15 d 后進(jìn)入運(yùn)行穩(wěn)定期，縮短了啟動(dòng)時(shí)間，穩(wěn)定后出水TOC 可降至130～150 mg/L，TOC去除率可達(dá)40%左右。

圖7 臭氧氧化和復(fù)合耐鹽菌劑降解廢水聯(lián)合工藝Fig.7 Combined treatment of ozone oxidation method and halotolerant bacteria preparation

煤化工反滲透濃水是一種極難處理的廢水，該廢水濃縮了前期高級氧化及生化氧化殘余的極難降解有機(jī)物(表3)且濃縮了大量無機(jī)鹽，因此TOC 去除率很難提高。前人在研究煤化工反滲透濃水時(shí)，TOC 去除率也普遍較低，例如Fang 等[47]在處理煤氣化廢水處理廠兩級RO 膜鹵水中，運(yùn)用臭氧氧化與活性炭吸附相結(jié)合的方法，TOC的去除效率為58%；Pradhan等[12]采用UV/H2O2結(jié)合生物濾池處理反滲透濃水，有機(jī)碳去除率為45%～49%。上述研究均表明了煤化工反滲透濃水有機(jī)物去除的難度，本文利用臭氧氧化預(yù)處理和復(fù)合耐鹽菌劑聯(lián)合處理工藝，TOC 去除率可以達(dá)到40%左右，且裝置穩(wěn)定運(yùn)行，充分說明該工藝方法可以實(shí)現(xiàn)反滲透濃縮液中有機(jī)物的有效降解。

2.4 處理前后廢水中有機(jī)物的GC-MS分析

選取復(fù)合耐鹽菌劑處理產(chǎn)水、臭氧氧化預(yù)處理產(chǎn)水、臭氧氧化和復(fù)合耐鹽菌劑聯(lián)合工藝處理后進(jìn)入穩(wěn)定期的出水進(jìn)行氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用分析，對比處理前后有機(jī)物的變化。

由表3可知煤化工反滲透濃水中的有機(jī)物多以環(huán)狀為主，以及部分短鏈烴及醚類等，大部分物質(zhì)對微生物生長代謝具有極大的毒害作用[48]。相比于原水，復(fù)合耐鹽菌劑處理產(chǎn)水中2,3-雙環(huán)呋喃，2,2-二甲基-3-乙烯，2,4-二叔丁基苯酚、乙二醇單丁醚、對二氮雜環(huán)、硫代氨基甲酸等物質(zhì)有所減少，說明投加的復(fù)合耐鹽菌劑能破壞短鏈及部分環(huán)類化合物，降解廢水中部分有機(jī)物；前人在研究煤化工行業(yè)廢水生化處理過程時(shí)同樣發(fā)現(xiàn)，假單胞菌屬、嗜鹽單胞菌屬、芽孢桿菌屬微生物可以通過斷鏈、開環(huán)等途徑實(shí)現(xiàn)高鹽廢水中苯環(huán)類物質(zhì)的有效降解[31-32,35-36]。原水中占比23.1%的5,5-二甲基-3-環(huán)己烯-1-醇，又稱作吡咯烷甲醇，屬于含氮雜環(huán)類有機(jī)物，是煤化工行業(yè)骨焦油中常見的吡咯同系物[2]，該物質(zhì)在生化處理后被轉(zhuǎn)化為6-exo-vinyl-5-endo-norbornenol，說明廢水中某些物質(zhì)僅可以被轉(zhuǎn)化，不能被徹底降解。而諸如四氧雜環(huán)己烷以及1-亞硝基-2-哌啶甲酸等物質(zhì)，由于結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，未被本文提及的復(fù)合耐鹽菌劑降解。

表3 廢水中有機(jī)物GC-MS分析Table 3 Changes of organic compounds before and after biochemical treatment indicated by GC-MS

原水經(jīng)過臭氧氧化預(yù)處理后，2,3-雙環(huán)呋喃未發(fā)生明顯變化，四氧雜環(huán)乙烷占比明顯減少，其他物質(zhì)轉(zhuǎn)化成易被降解的烴類和醇類(二十烷烴、二十六烷烴、3-乙基-2-戊烯、3-己烯-2,5-二醇等)，說明臭氧氧化法可以破壞原水中環(huán)類物質(zhì)的結(jié)構(gòu)，使其開環(huán)形成烴類等，從而降低廢水毒害作用，提高可生化性。任明等[46]采用非均相催化臭氧氧化法處理長城能化煤化工反滲透濃水，經(jīng)過GC-MS和傅里葉紅外光譜分析，臭氧氧化可以將難降解的大分子斷裂成小分子化合物，從而達(dá)到有機(jī)物的降解作用。臭氧預(yù)處理產(chǎn)水經(jīng)復(fù)合耐鹽菌劑處理后，占比最高的二氯異乙醚(40.9%)消失，水中有機(jī)物大量減少，整體工藝TOC 去除率可達(dá)40%，說明臭氧預(yù)處理可以提高復(fù)合耐鹽菌劑的處理效果。

3 結(jié)論

(1)從不同處理高鹽廢水的污泥和土壤中分離出9株耐鹽菌，分別屬于假單胞菌屬、芽孢桿菌屬以及嗜鹽單胞菌屬。其中菌株P(guān)seudomonassp.L-141、Bacillus altitudinisL-276能水解淀粉，其余菌株均不能水解淀粉。所有菌株均為好氧菌，均能水解酪素、分解尿素，所有菌株均不能合成氧化酶，也不能產(chǎn)生觸酶，均不能分解蛋白質(zhì)中色氨酸生成吲哚，不能產(chǎn)生H2S 氣體，也不能水解明膠。9 株耐鹽菌均可在0～15%鹽度范圍內(nèi)良好生長。

(2) 上述經(jīng)過篩選得到的9 株耐鹽菌均可有效降解煤化工反滲透濃水中的有機(jī)物，去除率可達(dá)40.0%～62.0%；為了應(yīng)對鹽度等因素沖擊，將9 株耐鹽菌復(fù)配制備出的復(fù)合耐鹽菌劑，對于煤化工反滲透濃水的有機(jī)物去除率可達(dá)55%左右。

(3)在構(gòu)建的實(shí)際廢水處理系統(tǒng)中，臭氧氧化和復(fù)合耐鹽菌劑法聯(lián)合處理可以快速啟動(dòng)處理系統(tǒng)，運(yùn)行一個(gè)月后，TOC 去除率可達(dá)40%左右。GC-MS分析表明，復(fù)合耐鹽菌劑處理后，廢水中部分雜環(huán)、短鏈烴及醚類等物質(zhì)含量有所降低，但仍存在大量有機(jī)物；臭氧預(yù)處理可以破壞環(huán)狀結(jié)構(gòu)，聯(lián)合工藝處理后廢水中有機(jī)物顯著減少，充分說明臭氧氧化法和復(fù)合耐鹽菌劑聯(lián)合工藝可以提高有機(jī)物的處理效果，并對煤化工反滲透濃水這一極難生物降解的廢水(BOD5/COD僅為0.05)進(jìn)行有效降解。