（1北京工業(yè)大學(xué)環(huán)境與能源學(xué)院，北京，100022；2青島市節(jié)水用水辦公室，山東，青島，266001；3哈爾濱天業(yè)環(huán)保有限公司，黑龍江，哈爾濱，150001）

摘要：淡水資源短缺是全球性問題。對于沿海城市，海水直接利用是解決淡水供求矛盾的最有效途徑，海水沖廁就是其中一項具有重大節(jié)水意義的工程。試驗采用城市生活污水，從微生物和小試試驗兩方面研究海水沖廁污水生物處理的可行性。結(jié)果表明，無機(jī)鹽濃度不大于20g/L的生活污水生物處理是可行的。
關(guān)鍵詞：海水沖廁；生物處理；含鹽污水

　　水資源問題是21世紀(jì)我國社會可持續(xù)性發(fā)展最突出的問題之一。面臨越來越嚴(yán)峻的形勢，如何從長期困擾我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的狀況中，找出一條合理、可行又可產(chǎn)生積極效果的解決水資源問題的出路，已成為當(dāng)前亟待解決的問題。中科院地學(xué)部于1998年6月著文"中國水問題出路"，提出解決我國水問題的根本出路在于"以節(jié)水為本，強(qiáng)化統(tǒng)一管理"。對于沿海城市而言，積極利用海水將是解決淡水供求矛盾的有效途徑。引海水沖廁所可以節(jié)省7%的城市供水，具有重大的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。但是，所產(chǎn)生的含鹽生活污水的處理成為亟待研究的課題。生活在淡水和淡水處理構(gòu)筑物中的微生物可以通過自身的調(diào)節(jié)機(jī)制平衡滲透壓保護(hù)細(xì)胞原生質(zhì)，因此正常活性污泥處理工藝可以通過微生物的適應(yīng)性處理海水沖廁污水。此外，原生動物中有很多是嗜鹽和耐鹽微生物，這些微生物為含鹽污水的生物處理提供保證。但是，有必要研究活性污泥微生物最大的耐鹽范圍。而且在對含鹽污水的研究中，多數(shù)采用復(fù)合廢水或者針對含特殊工業(yè)物質(zhì)的廢水進(jìn)行[1~4]。這些研究結(jié)果不能全部用于海水沖廁污水的處理。因此，研究海水沖廁污水的生物處理可行性，探尋能夠生物處理的最大鹽度范圍成為試驗研究的主要目的。
1 試驗材料與方法
　　試驗用化糞池出水作為處理對象，其水質(zhì)指標(biāo)如表1。由于海水中的鹽度主要是NacL，因此，用NacL模擬海水的鹽度。反應(yīng)器接種污水廠二沉池的活性污泥，采用間歇活性污泥法（SBR）處理污水。用此生活水對活性污泥進(jìn)行大約一個月的馴化。在馴化期，反應(yīng)器充滿生活污水，曝氣8小時后沉淀1小時，排水后閑置。每天一個周期，直到COD去除率穩(wěn)定，再運行1~3個周期，馴化才完成。然后，將生活污水配成三個NacL鹽度：10g/L，20g/L和25g/L分三個階段進(jìn)行。必須在一個階段的處理效率穩(wěn)定后才能進(jìn)行第二個階段。每天1個周期，在每個周期SBR運行5h曝氣，1h沉淀，0.5h排水，其余時間為閑置期。試驗采用曝氣量0.3m3/h，充分供氣。溫度控制在20±2℃。定時從取樣孔取樣檢測COD、MLSS、BOD5。沉淀1h后測出水COD和出水懸浮固體濃度（ESS）。
　　由于高濃度的氯離子對CODcr的檢測有很大影響，所以CODcr的檢測采用硝酸銀掩蔽的方法[5]。為了防止高濃度的NacL在濾紙上結(jié)晶影響MLSS的測定結(jié)果，在污泥過濾結(jié)束后至少要用100mL的蒸餾水沖洗濾紙，然后烘干至恒重。ESS的測量采用分光光度計在500nm的波長下用蒸餾水作為空白測量透光度，然后根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線求出ESS。
　　從反應(yīng)器中取無鹽穩(wěn)定運行的活性污泥混合液2mL放入盛有50mL無菌水的燒杯中，加入磁力攪拌子在磁力攪拌機(jī)上攪拌，打碎活性污泥絮凝體，將此處理過的污泥作為種子液，在無菌室內(nèi)經(jīng)稀釋后待用。用分析純氯化鈉配制鹽度為0g/L，5 g/L，10 g/L，15 g/L，20 g/L，25 g/L，30 g/L和35 g/L的瓊脂培養(yǎng)基并滅菌。將經(jīng)稀釋的活性污泥種子液作為接種液，作不同鹽度的平板計數(shù)試驗。作好的平板放在恒溫培養(yǎng)箱內(nèi)，溫度37±1℃下培養(yǎng)24h。

表1 原水水質(zhì)一覽

　　用分析純氯化鈉配制鹽度為0g/L，5 g/L，10 g/L，20 g/L，30 g/L和35 g/L的營養(yǎng)肉湯培養(yǎng)基（1g蛋白胨，0.5g牛肉膏，1000mL水），進(jìn)行無菌處理。取穩(wěn)定運行的曝氣池混合液10mL放置在盛有無鹽的營養(yǎng)肉湯的三角瓶中。將此三角瓶放置在恒溫震蕩反應(yīng)器內(nèi)，溫度37±1℃下培養(yǎng)12h后作為種子液。抽取10mL種子液分別放置于盛有0g/L，5 g/L，10 g/L，20 g/L，30 g/L和35 g/L的營養(yǎng)肉湯100mL的三角瓶中，將這些三角瓶放在恒溫震蕩反應(yīng)器內(nèi)，溫度37±1℃下培養(yǎng)，每1h用無鹽未接種的營養(yǎng)肉湯作為空白，用580nm波長，1cm的比色皿測吸光度。用比濁法反映細(xì)菌數(shù)。
2 試驗結(jié)果與分析
　　研究生物處理海水沖廁污水的可行性，必須探尋活性污泥微生物在各鹽度的污水中的存活和生長情況，從而確定淡水處理設(shè)施中的微生物的最大耐鹽范圍。并進(jìn)一步通過小試試驗處理含鹽污水，驗證實際的處理效果。
2.1 微生物試驗
2.1.1 微生物活菌記數(shù)試驗
　　將無鹽培養(yǎng)基上的存活率定為100%，其他鹽度下的活菌數(shù)與其比較。從圖1可以看出5g/L的鹽度對微生物起刺激作用。這是因為微生物的新陳代謝和酶的合成都需要無機(jī)鹽的參與。而且，微生物在三磷酸腺苷（ATP）的合成或HADA的氧化等代謝過程中均需要一定的Na+，所以低濃度的鈉鹽是必要的。相對于無鹽環(huán)境，在鹽度小于20g/L時微生物隨著鹽度的升高，活菌數(shù)下降不大，存活率在61%以上，但超過此鹽度微生物的存活率隨著鹽度的升高迅速下降，在鹽度35g/L時，存活率小于7%。這一規(guī)律與Doudoroff[6]所得出的規(guī)律不同。微生物的耐鹽存在臨界濃度的現(xiàn)象可能與微生物對鹽度的選擇過程有關(guān)。活性污泥系統(tǒng)是一個含有多種微生物的復(fù)雜的開放系統(tǒng)，其中含有非嗜鹽菌和海洋菌，這些不同的菌屬對鹽度有不同的耐受度，適應(yīng)鹽度也有不同的調(diào)節(jié)方式。隨著鹽度的升高，無法適應(yīng)惡劣環(huán)境的微生物被選擇掉。適應(yīng)下來的微生物繼續(xù)生長繁殖。20g/L這個臨界鹽度可能是海洋菌和非嗜鹽菌耐鹽的綜合結(jié)果，在此濃度下，海洋菌生長良好，而非嗜鹽菌必須通過自身調(diào)節(jié)才能部分的得以生存。如分泌大量的胞外多聚物，增強(qiáng)對滲透壓的抵抗能力，或通過變異改變酶系統(tǒng)，甚至交換遺傳物質(zhì)適應(yīng)高鹽環(huán)境。Kincannon和Gaudy[7]的研究就發(fā)現(xiàn)高鹽環(huán)境下的活性污泥比一般的活性污泥糖類，蛋白質(zhì)含量低而脂類，RNA含量高。在35g/L鹽度平板上可以發(fā)現(xiàn)存活的微生物的菌落形態(tài)幾乎相同，進(jìn)而證明這一選擇過程的存在。

圖1 無鹽微生物在各鹽度下的活菌數(shù)和存活率 　　　　　圖2 無鹽系統(tǒng)活性污泥在各鹽度下生長曲線
2.1.2 活性污泥生長曲線
　　采用分批培養(yǎng)測得的活性污泥生長曲線如圖2。活性污泥生長曲線反映活性污泥系統(tǒng)中所有微生物的綜合生長情況，從圖中看出，各鹽度下活性污泥曲線可大體分為四個階段：適應(yīng)期，對數(shù)生長期，減速生長期和內(nèi)源呼吸期。可以看出活性污泥最優(yōu)生長發(fā)生在鹽度為5g/L的環(huán)境下，此鹽度下微生物在對數(shù)增長期具有最大的增長速度。鹽度為0g/L，5 g/L，10 g/L，20g/L下活性污泥生長曲線相似，適應(yīng)期、對數(shù)生長期和減速生長期所經(jīng)歷的時間大體相同，只是在對數(shù)增長期的生長速率有所不同，除了5g/L的鹽度外，隨著鹽度的增加，對數(shù)期生長速率變慢，但變化程度很小。在鹽度為30g/L和35g/L的環(huán)境下，活性污泥的生長曲線相對于前四個鹽度有了很大的變化：首先是，適應(yīng)期變長。在接種到新鮮培養(yǎng)基上后，細(xì)菌并不能立即生長繁殖，要經(jīng)過一定時間的調(diào)整和適應(yīng)，以合成多種酶，并完善體內(nèi)的酶系統(tǒng)和細(xì)胞的其它成分。而在高鹽環(huán)境下酶的合成受到限制，合成速度下降或微生物產(chǎn)生新的酶系統(tǒng)，這些都要耗費時間，所以造成在鹽度為30g/L和35g/L的環(huán)境下活性污泥生長曲線的適應(yīng)期長達(dá)5~8h。其次是，在對數(shù)增長期，微生物的生長速率變慢且對數(shù)增長期的歷時變長。在此期間，微生物處在過剩的營養(yǎng)狀態(tài)下，有最大的能量水平，以最大的速度生長。但由于高鹽環(huán)境下微生物一方面要抵御外在的不良環(huán)境，需要耗費能量調(diào)整自身的代謝途徑或分泌胞外多聚物抵御外界不良的環(huán)境因子的作用，另一方面，需要能量合成自身生長所需的物質(zhì)。這樣造成能量的分配，使用于生長繁殖的能量相對減少，造成自身生長速率的變小，世代時間變長。而此間歷時變長可能和在高鹽條件下微生物存活率有關(guān)，由于在高鹽條件下微生物的存活率不足7%，所以可供利用的營養(yǎng)物質(zhì)相對較多，持續(xù)時間較長。
2.2 小試試驗
2.2.1 有機(jī)物的去除
　　系統(tǒng)進(jìn)水COD在118~421mg/L間波動。如圖3所示，系統(tǒng)在第29周期馴化完成，去除率高于90%，出水COD在50mg/L左右。穩(wěn)定三個周期以后，系統(tǒng)進(jìn)水的鹽度增至10g/L，但系統(tǒng)未受到任何沖擊，COD去除率和出水COD穩(wěn)定。在第39周期，鹽度增至20g/L，出水迅速惡化，在進(jìn)水COD只有248mg/L的情況下，出水COD竟已達(dá)到111mg/L，在穩(wěn)定8個周期后處理效果恢復(fù)到初始值。第50周期鹽度增至25g/L，出水水質(zhì)惡化的程度更大，鹽度對處理系統(tǒng)的影響更加嚴(yán)重，出水COD一度高達(dá)235mg/L。在第56周期有所恢復(fù)，但之后又迅速惡化，直到第59周期系統(tǒng)穩(wěn)定，但出水COD的值卻高于100mg/L，COD的去除率也只有70%左右。

　　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
圖3 SBR系統(tǒng)有機(jī)物去除情況

　　可見，用SBR處理海水沖廁污水在鹽度小于20g/L的情況下，可以獲得很好的處理效果。但是，當(dāng)鹽度高于25g/L時，處理效果惡化，出水水質(zhì)無法滿足二級排放標(biāo)準(zhǔn)。聯(lián)合活性污泥生長曲線圖2和活菌記數(shù)圖1，可以清楚的看出鹽度對系統(tǒng)處理效果的影響，在20g/L的鹽度以下，鹽度對系統(tǒng)的影響很小，微生物可以適應(yīng)環(huán)境，而不至于影響處理效果。但是超過這個鹽度，微生物的代謝將受到抑制，代謝途徑減少，酶的合成受到抑制，所以處理效果惡化。這進(jìn)一步證明系統(tǒng)處理鹽度小于20g/L的生活污水是可行的。
2.2.2 有機(jī)物在各鹽度下的降解情況
　　控制曝氣量為0.3m3/h。在進(jìn)水鹽度分別是0g/L，10g/L和20g/L的穩(wěn)定運行期定時取樣測定COD，反應(yīng)進(jìn)行1h后，進(jìn)水鹽度為0g/L和10g/L的有機(jī)物降至50mg/L左右，去除率達(dá)到90%左右，而進(jìn)水鹽度為20g/L的有機(jī)物去除率卻只有50%左右，直到4h后有機(jī)物去除率才達(dá)到70%以上。可見，鹽度影響著微生物對有機(jī)物代謝速度。使微生物的代謝速度減慢。
　　這可能是由于微生物在適應(yīng)鹽度時要調(diào)節(jié)自身的代謝系統(tǒng)，如產(chǎn)生適應(yīng)高鹽環(huán)境的酶系統(tǒng)。這些調(diào)節(jié)機(jī)制一方面需要能量，從而使降解有機(jī)物的能量減少，使有機(jī)物的降解速度減慢；另一方面，酶的適應(yīng)或合成需要時間，這也使有機(jī)物的降解速率減慢。但經(jīng)過一定的時間，當(dāng)系統(tǒng)的微生物適應(yīng)了高鹽環(huán)境，會利用底物合成自身物質(zhì)。
2.2.3 出水懸浮固體濃度（ESS）
　　通過實驗可知，隨著鹽度的增加出水懸浮固體濃度增加，出水透光度降低。在鹽度為20g/L的情況下ESS能達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。而在25g/L鹽度下，ESS已經(jīng)超過100mg/L。進(jìn)一步證明生物處理鹽度不大于20g/L的污水是可行的。造成出水懸浮固體濃度升高的原因可能是：
　　（1）高鹽污水的理化性質(zhì)。由于高鹽污水是一個密度較高的分散溶液體系，含多種有機(jī)物和無機(jī)物的復(fù)雜溶液體系，因此不容易沉降。
　　（2）鹽度促進(jìn)細(xì)胞的分解。在高鹽條件下，細(xì)胞很容易水解，其組分的釋放也將使出水懸浮固體濃度增高。
　　（3）與活性污泥微生態(tài)有關(guān)。在研究中發(fā)現(xiàn)，由于鹽度的升高，微生物的生態(tài)組成發(fā)生改變。造成原生動物的消失。由于原生動物捕食游離細(xì)菌，因此對出水水質(zhì)影響較大。
3 結(jié)論
（1）生物處理鹽度不大于20g/L的生活污水是可行的。
（2）5g/L鹽度對微生物的生長有利。除此鹽度外，隨著鹽度的增高，活性污泥微生物的存率
下降。小于20g/L鹽度，存活率下降較慢，但是超過此鹽度微生物的存活率迅速下降。
（3）在小于20g/L的各鹽度下，活性污泥生長曲線相似。但是大于此鹽度下的生長曲線發(fā)生變化。表現(xiàn)在適應(yīng)期變長，對數(shù)生長期的生長速率下降且歷時變長。
（4）無機(jī)鹽影響有機(jī)物的代謝速率，使有機(jī)物的降解速率下降。隨著鹽度的增加，出水懸浮固體濃度也在增加。

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7 Kincannon D.F. and Gaudy A.F..Some Effects of High Salt Concentration on Activated Sludge. WPCF. 1966,38(7): 1148~1159

第一作者簡介：崔有為（1977～），男，2002年6月獲得哈爾濱工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位，現(xiàn)在北京工業(yè)大學(xué)攻讀博士學(xué)位，主要從事污水生物處理及其自動控制的研究。
電話：01067392627
email: envirotto@emails.bjpu.edu.cn
作者通訊處：100022 北京工業(yè)大學(xué)環(huán)境與能源學(xué)院 崔有為 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