| 崔有为1 张国辉2 计立平3 王淑莹1 彭永臻1 （1北京工业大学环境与能源学院，北京，100022；2青岛市节水用水办公室，山东，青岛，266001；3哈尔滨天业环保有限公司，黑龙江，哈尔滨，150001） 摘要：淡水资源短缺是全球性问题。对于沿海城市，海水直接利用是解决淡水供求矛盾的最有效途径，海水冲厕就是其中一项具有重大节水意义的工程。试验采用城市生活污水，从微生物和小试试验两方面研究海水冲厕污水生物处理的可行性。结果表明，无机盐浓度不大于20g/L的生活污水生物处理是可行的。
关键词：海水冲厕；生物处理；含盐污水 水资源问题是21世纪我国社会可持续性发展最突出的问题之一。面临越来越严峻的形势，如何从长期困扰我国经济发展的状况中，找出一条合理、可行又可产生积极效果的解决水资源问题的出路，已成为当前亟待解决的问题。中科院地学部于1998年6月著文"中国水问题出路"，提出解决我国水问题的根本出路在于"以节水为本，强化统一管理"。对于沿海城市而言，积极利用海水将是解决淡水供求矛盾的有效途径。引海水冲厕所可以节省7%的城市供水，具有重大的社会效益和经济效益。但是，所产生的含盐生活污水的处理成为亟待研究的课题。生活在淡水和淡水处理构筑物中的微生物可以通过自身的调节机制平衡渗透压保护细胞原生质，因此正常活性污泥处理工艺可以通过微生物的适应性处理海水冲厕污水。此外，原生动物中有很多是嗜盐和耐盐微生物，这些微生物为含盐污水的生物处理提供保证。但是，有必要研究活性污泥微生物最大的耐盐范围。而且在对含盐污水的研究中，多数采用复合废水或者针对含特殊工业物质的废水进行[1~4]。这些研究结果不能全部用于海水冲厕污水的处理。因此，研究海水冲厕污水的生物处理可行性，探寻能够生物处理的最大盐度范围成为试验研究的主要目的。
1 试验材料与方法
试验用化粪池出水作为处理对象，其水质指标如表1。由于海水中的盐度主要是NacL，因此，用NacL模拟海水的盐度。反应器接种污水厂二沉池的活性污泥，采用间歇活性污泥法（SBR）处理污水。用此生活水对活性污泥进行大约一个月的驯化。在驯化期，反应器充满生活污水，曝气8小时后沉淀1小时，排水后闲置。每天一个周期，直到COD去除率稳定，再运行1~3个周期，驯化才完成。然后，将生活污水配成三个NacL盐度：10g/L，20g/L和25g/L分三个阶段进行。必须在一个阶段的处理效率稳定后才能进行第二个阶段。每天1个周期，在每个周期SBR运行5h曝气，1h沉淀，0.5h排水，其余时间为闲置期。试验采用曝气量0.3m3/h，充分供气。温度控制在20±2℃。定时从取样孔取样检测COD、MLSS、BOD5。沉淀1h后测出水COD和出水悬浮固体浓度（ESS）。
由于高浓度的氯离子对CODcr的检测有很大影响，所以CODcr的检测采用硝酸银掩蔽的方法[5]。为了防止高浓度的NacL在滤纸上结晶影响MLSS的测定结果，在污泥过滤结束后至少要用100mL的蒸馏水冲洗滤纸，然后烘干至恒重。ESS的测量采用分光光度计在500nm的波长下用蒸馏水作为空白测量透光度，然后根据标准曲线求出ESS。
从反应器中取无盐稳定运行的活性污泥混合液2mL放入盛有50mL无菌水的烧杯中，加入磁力搅拌子在磁力搅拌机上搅拌，打碎活性污泥絮凝体，将此处理过的污泥作为种子液，在无菌室内经稀释后待用。用分析纯氯化钠配制盐度为0g/L，5 g/L，10 g/L，15 g/L，20 g/L，25 g/L，30 g/L和35 g/L的琼脂培养基并灭菌。将经稀释的活性污泥种子液作为接种液，作不同盐度的平板计数试验。作好的平板放在恒温培养箱内，温度37±1℃下培养24h。 表1 原水水质一览 CODcr/（mg/L） | 100~430 | 平均CODcr/（mg/L） | 300 | SS（mg/L） | 60~128 | 平均SS/（mg/L） | 82 | BOD5/（mg/L） | 62.8~132.5 | 平均BOD5/（mg/L） | 128 | PH | 7.3~8.9 | 总氮（mg/L） | 41.6 | 总磷（mg/L） | 2.75 | | |
用分析纯氯化钠配制盐度为0g/L，5 g/L，10 g/L，20 g/L，30 g/L和35 g/L的营养肉汤培养基（1g蛋白胨，0.5g牛肉膏，1000mL水），进行无菌处理。取稳定运行的曝气池混合液10mL放置在盛有无盐的营养肉汤的三角瓶中。将此三角瓶放置在恒温震荡反应器内，温度37±1℃下培养12h后作为种子液。抽取10mL种子液分别放置于盛有0g/L，5 g/L，10 g/L，20 g/L，30 g/L和35 g/L的营养肉汤100mL的三角瓶中，将这些三角瓶放在恒温震荡反应器内，温度37±1℃下培养，每1h用无盐未接种的营养肉汤作为空白，用580nm波长，1cm的比色皿测吸光度。用比浊法反映细菌数。
2 试验结果与分析
研究生物处理海水冲厕污水的可行性，必须探寻活性污泥微生物在各盐度的污水中的存活和生长情况，从而确定淡水处理设施中的微生物的最大耐盐范围。并进一步通过小试试验处理含盐污水，验证实际的处理效果。
2.1 微生物试验
2.1.1 微生物活菌记数试验
将无盐培养基上的存活率定为100%，其他盐度下的活菌数与其比较。从图1可以看出5g/L的盐度对微生物起刺激作用。这是因为微生物的新陈代谢和酶的合成都需要无机盐的参与。而且，微生物在三磷酸腺苷（ATP）的合成或HADA的氧化等代谢过程中均需要一定的Na+，所以低浓度的钠盐是必要的。相对于无盐环境，在盐度小于20g/L时微生物随着盐度的升高，活菌数下降不大，存活率在61%以上，但超过此盐度微生物的存活率随着盐度的升高迅速下降，在盐度35g/L时，存活率小于7%。这一规律与Doudoroff[6]所得出的规律不同。微生物的耐盐存在临界浓度的现象可能与微生物对盐度的选择过程有关。活性污泥系统是一个含有多种微生物的复杂的开放系统，其中含有非嗜盐菌和海洋菌，这些不同的菌属对盐度有不同的耐受度，适应盐度也有不同的调节方式。随着盐度的升高，无法适应恶劣环境的微生物被选择掉。适应下来的微生物继续生长繁殖。20g/L这个临界盐度可能是海洋菌和非嗜盐菌耐盐的综合结果，在此浓度下，海洋菌生长良好，而非嗜盐菌必须通过自身调节才能部分的得以生存。如分泌大量的胞外多聚物，增强对渗透压的抵抗能力，或通过变异改变酶系统，甚至交换遗传物质适应高盐环境。Kincannon和Gaudy[7]的研究就发现高盐环境下的活性污泥比一般的活性污泥糖类，蛋白质含量低而脂类，RNA含量高。在35g/L盐度平板上可以发现存活的微生物的菌落形态几乎相同，进而证明这一选择过程的存在。
 
图1 无盐微生物在各盐度下的活菌数和存活率 图2 无盐系统活性污泥在各盐度下生长曲线
2.1.2 活性污泥生长曲线
采用分批培养测得的活性污泥生长曲线如图2。活性污泥生长曲线反映活性污泥系统中所有微生物的综合生长情况，从图中看出，各盐度下活性污泥曲线可大体分为四个阶段：适应期，对数生长期，减速生长期和内源呼吸期。可以看出活性污泥最优生长发生在盐度为5g/L的环境下，此盐度下微生物在对数增长期具有最大的增长速度。盐度为0g/L，5 g/L，10 g/L，20g/L下活性污泥生长曲线相似，适应期、对数生长期和减速生长期所经历的时间大体相同，只是在对数增长期的生长速率有所不同，除了5g/L的盐度外，随着盐度的增加，对数期生长速率变慢，但变化程度很小。在盐度为30g/L和35g/L的环境下，活性污泥的生长曲线相对于前四个盐度有了很大的变化：首先是，适应期变长。在接种到新鲜培养基上后，细菌并不能立即生长繁殖，要经过一定时间的调整和适应，以合成多种酶，并完善体内的酶系统和细胞的其它成分。而在高盐环境下酶的合成受到限制，合成速度下降或微生物产生新的酶系统，这些都要耗费时间，所以造成在盐度为30g/L和35g/L的环境下活性污泥生长曲线的适应期长达5~8h。其次是，在对数增长期，微生物的生长速率变慢且对数增长期的历时变长。在此期间，微生物处在过剩的营养状态下，有最大的能量水平，以最大的速度生长。但由于高盐环境下微生物一方面要抵御外在的不良环境，需要耗费能量调整自身的代谢途径或分泌胞外多聚物抵御外界不良的环境因子的作用，另一方面，需要能量合成自身生长所需的物质。这样造成能量的分配，使用于生长繁殖的能量相对减少，造成自身生长速率的变小，世代时间变长。而此间历时变长可能和在高盐条件下微生物存活率有关，由于在高盐条件下微生物的存活率不足7%，所以可供利用的营养物质相对较多，持续时间较长。
2.2 小试试验
2.2.1 有机物的去除
系统进水COD在118~421mg/L间波动。如图3所示，系统在第29周期驯化完成，去除率高于90%，出水COD在50mg/L左右。稳定三个周期以后，系统进水的盐度增至10g/L，但系统未受到任何冲击，COD去除率和出水COD稳定。在第39周期，盐度增至20g/L，出水迅速恶化，在进水COD只有248mg/L的情况下，出水COD竟已达到111mg/L，在稳定8个周期后处理效果恢复到初始值。第50周期盐度增至25g/L，出水水质恶化的程度更大，盐度对处理系统的影响更加严重，出水COD一度高达235mg/L。在第56周期有所恢复，但之后又迅速恶化，直到第59周期系统稳定，但出水COD的值却高于100mg/L，COD的去除率也只有70%左右。
图3 SBR系统有机物去除情况
可见，用SBR处理海水冲厕污水在盐度小于20g/L的情况下，可以获得很好的处理效果。但是，当盐度高于25g/L时，处理效果恶化，出水水质无法满足二级排放标准。联合活性污泥生长曲线图2和活菌记数图1，可以清楚的看出盐度对系统处理效果的影响，在20g/L的盐度以下，盐度对系统的影响很小，微生物可以适应环境，而不至于影响处理效果。但是超过这个盐度，微生物的代谢将受到抑制，代谢途径减少，酶的合成受到抑制，所以处理效果恶化。这进一步证明系统处理盐度小于20g/L的生活污水是可行的。
2.2.2 有机物在各盐度下的降解情况
控制曝气量为0.3m3/h。在进水盐度分别是0g/L，10g/L和20g/L的稳定运行期定时取样测定COD，反应进行1h后，进水盐度为0g/L和10g/L的有机物降至50mg/L左右，去除率达到90%左右，而进水盐度为20g/L的有机物去除率却只有50%左右，直到4h后有机物去除率才达到70%以上。可见，盐度影响着微生物对有机物代谢速度。使微生物的代谢速度减慢。
这可能是由于微生物在适应盐度时要调节自身的代谢系统，如产生适应高盐环境的酶系统。这些调节机制一方面需要能量，从而使降解有机物的能量减少，使有机物的降解速度减慢；另一方面，酶的适应或合成需要时间，这也使有机物的降解速率减慢。但经过一定的时间，当系统的微生物适应了高盐环境，会利用底物合成自身物质。
2.2.3 出水悬浮固体浓度（ESS）
通过实验可知，随着盐度的增加出水悬浮固体浓度增加，出水透光度降低。在盐度为20g/L的情况下ESS能达到排放标准。而在25g/L盐度下，ESS已经超过100mg/L。进一步证明生物处理盐度不大于20g/L的污水是可行的。造成出水悬浮固体浓度升高的原因可能是：
（1）高盐污水的理化性质。由于高盐污水是一个密度较高的分散溶液体系，含多种有机物和无机物的复杂溶液体系，因此不容易沉降。
（2）盐度促进细胞的分解。在高盐条件下，细胞很容易水解，其组分的释放也将使出水悬浮固体浓度增高。
（3）与活性污泥微生态有关。在研究中发现，由于盐度的升高，微生物的生态组成发生改变。造成原生动物的消失。由于原生动物捕食游离细菌，因此对出水水质影响较大。
3 结论
（1）生物处理盐度不大于20g/L的生活污水是可行的。
（2）5g/L盐度对微生物的生长有利。除此盐度外，随着盐度的增高，活性污泥微生物的存率
下降。小于20g/L盐度，存活率下降较慢，但是超过此盐度微生物的存活率迅速下降。
（3）在小于20g/L的各盐度下，活性污泥生长曲线相似。但是大于此盐度下的生长曲线发生变化。表现在适应期变长，对数生长期的生长速率下降且历时变长。
（4）无机盐影响有机物的代谢速率，使有机物的降解速率下降。随着盐度的增加，出水悬浮固体浓度也在增加。 参考文献
1 Hamoda MF and Al-Atlar. （1995） Effect on High Sodium Chloride Concentrations on Activated Sludge Treatment. Wat.Sci.Tech., 31(9):61~72。
2 G.W.Lawton and E.V.Eggert,(1966)Some Effect of High Sodium Chloride Concentrations on Trickling Filter Slimes .Sewage Ind.Wastes,29.121-128.
3 张雨山等.利用海水冲厕对城市污水处理的影响研究.中国给水排水.1999，15（9）：4~6.
4 An Li and Gu Guowei . (1993).The Treatment of Saline Wastewater Using a Two-Stage Contact Oxidation Method. Water Sci.Tech., 28(7):31-37.
5 于令第，李绍英。含海水的废水COD的测定方法实验。环境保护，1990，13（4）：20－22。
6 Doudoroff M.. Experiments on the Adaptation of E. coli to Nacl. Gen. Physiol. 1940，23：585~611
7 Kincannon D.F. and Gaudy A.F..Some Effects of High Salt Concentration on Activated Sludge. WPCF. 1966,38(7): 1148~1159 第一作者简介：崔有为（1977～），男，2002年6月获得哈尔滨工业大学硕士学位，现在北京工业大学攻读博士学位，主要从事污水生物处理及其自动控制的研究。
电话：01067392627
email: envirotto@emails.bjpu.edu.cn
作者通讯处：100022 北京工业大学环境与能源学院 崔有为 收 Feasibility Research on biological treatment of sewage resulting from using seawater for flushing toilets
CUI Youwei1 ZHANG Guyohui2 JI Liping3 WANG Shuying1 PENG Yongzhen1 （1College of Environmental and Energy Engineering ，Beijing Polytechnic University，Beijing,100022）
Abstract: Water shortage is a global question. Direct use of seawater is a effective solution to save fresh water to cities near the sea. Using seawater for flushing toilets is a great water-saved project as one kind of direct use of sea. Sewage resulting from using seawater for flushing toilets was treated to explore the feasibility of treating saline sewage by biological process. The results indicated that the saline sewage with blew 20g/L salinity can be treated by biological process.
Keywords: Using seawater for flushing toilets; biological process; saline sewage
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