吳雪菲,史乾濤,戴菲,郭棟生
(山西大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院,山西 太原 030006)
焦化廢水是煤制焦炭、煤氣凈化及焦化產(chǎn)品回收過(guò)程中產(chǎn)生的、以含酚為主的高濃度有機(jī)廢水[1].目前各焦化企業(yè)大多采用生化法處理焦化廢水,在處理過(guò)程中焦化廢水中難降解稠環(huán)芳烴和雜環(huán)化合物,如吲哚、萘、喹啉等有機(jī)污染物在生物處理系統(tǒng)中去除率低,是影響出水COD達(dá)標(biāo)的主要原因.
對(duì)活性污泥中的微生物進(jìn)行誘變可能改善水處理效果.其中,物理誘變技術(shù)以其技術(shù)設(shè)備簡(jiǎn)單,操作方便,價(jià)格經(jīng)濟(jì),突變率高,誘變產(chǎn)物對(duì)環(huán)境威脅相對(duì)較小等優(yōu)點(diǎn)而受到重視.洪志方等應(yīng)用離子束為誘變因素,對(duì)活性污泥進(jìn)行輻照處理,活性污泥處理焦化廢水的能力明顯提高[2].Samir等研究了超聲波在不同條件下對(duì)活性污泥誘變的效果以及對(duì)COD的處理的影響[3].鄭小飛等用紫外線做誘變劑處理活性污泥中篩選出來(lái)可以高效降解COD的菌株,COD的降解率顯著提高[4].但是這些研究多集中在誘變因子對(duì)活性污泥性狀的改變上,而針對(duì)物理誘變前后活性污泥對(duì)焦化廢水深度處理效果的影響進(jìn)行比較研究,還鮮見(jiàn)報(bào)道.
本研究分別采用紫外線、變溫、超聲波三種常用的物理誘變因子,對(duì)焦化廢水處理中的活性污泥進(jìn)行誘變處理.將誘變后的活性污泥對(duì)焦化廢水進(jìn)行深度處理,通過(guò)比較不同因子誘變處理前后的活性污泥SV30(曝氣池混合液在量筒靜止沉降30min后污泥所占的體積百分比)與SVI(曝氣池混合液經(jīng)30min靜沉后,相應(yīng)的1g干污泥所占的容積)值,探討了物理誘變對(duì)活性污泥性狀的影響;通過(guò)測(cè)定誘變處理后的活性污泥在焦化廢水深度處理中對(duì)廢水中剩余CODCr(化學(xué)需氧量)、NH3-N(氨氮)和TOC(總有機(jī)碳)的去除效果和有機(jī)物的GC-MS分析,研究了誘變處理前后活性污泥對(duì)焦化廢水中難降解有機(jī)物降解能力的變化.
試驗(yàn)用水取自太原市某焦化廠廢水處理站焦化廢水原水(水樣1),水樣1的水質(zhì)主要指標(biāo)如下:pH 6.0~6.5,CODCr1455.3mg/L,NH3-N 313.992mg/L,TOC 308.6mg/L.將采用SBR系統(tǒng)對(duì)水樣1處理24 h后的出水作為突變后污泥深度處理系統(tǒng)的進(jìn)水(水樣2).
TOC-VCPH檢測(cè)儀(日本島津);DSQ單四極桿氣相色譜質(zhì)譜(Thermo公司),DB-5MS 30m×0.25mm×0.25μm石英毛細(xì)管色譜柱(Agilent公司).
二氯甲烷使用色譜純(Fisher Scientific,農(nóng)藥級(jí)),其余藥品與試劑均采用國(guó)產(chǎn)分析純.
水樣1和水樣2的處理均采用SBR工藝,由反應(yīng)器、曝氣系統(tǒng)、攪拌系統(tǒng)、進(jìn)水排水系統(tǒng)及恒溫系統(tǒng)組成.反應(yīng)器為有效容積為5L,恒溫水浴保證系統(tǒng)在30℃環(huán)境下運(yùn)行.
試驗(yàn)運(yùn)行周期為24h,泥水比為2∶3(活性污泥600mL、進(jìn)水900mL)[5],運(yùn)行流程如圖1所示.
圖1 實(shí)驗(yàn)SBR工藝流程示意圖Fig.1 SBR process flow diagram in the experiment
CODCr采用重鉻酸鉀法測(cè)定;NH3-N采用納氏試劑光度法測(cè)定;TOC采用燃燒氧化-非分散紅外吸收法測(cè)定.
有機(jī)物的測(cè)定采用氣質(zhì)聯(lián)用法,分析前水樣的預(yù)處理方法以及色、質(zhì)譜條件參照文獻(xiàn)[6].
將處理水樣1過(guò)程中產(chǎn)生的活性污泥用布氏漏斗抽干,進(jìn)行稱重后平均分成4份,均按照泥水比2∶3的比例采用SBR工藝流程運(yùn)行24h,觀察其運(yùn)行狀況良好.將其中3份活性污泥分別進(jìn)行紫外線、變溫和超聲波誘變,對(duì)應(yīng)標(biāo)記為1#污泥,2#污泥和3#污泥.剩下1份作為未誘變處理對(duì)照,標(biāo)記為0#污泥.
2.5.1 紫外線誘變
將1#污泥均勻涂布于培養(yǎng)皿中,使用短波紫外燈對(duì)活性污泥菌液進(jìn)行照射,光程為15cm,照射時(shí)間120s,使其均勻地接受輻射[7].
2.5.2 變溫誘變
將2#污泥轉(zhuǎn)移至錐形瓶中,10℃靜置10min后,迅速移至恒溫水浴箱50℃靜置5min,靜置過(guò)程中不斷用玻璃棒攪拌錐形瓶中的活性污泥,保持溫度均勻[8].
2.5.3 超聲波誘變
將3#污泥轉(zhuǎn)移至燒杯中浸入超聲波清洗槽內(nèi),30℃下進(jìn)行15min的超聲波處理[9].
誘變處理后需對(duì)活性污泥在水樣2的SBR系統(tǒng)中進(jìn)行恢復(fù)培養(yǎng),在此期間按照一定的濃度梯度對(duì)水樣2進(jìn)行稀釋,即在恢復(fù)培養(yǎng)過(guò)程中逐漸提高污泥的負(fù)荷比,所采用的焦化廢水濃度見(jiàn)表1.
表1 誘變后活性污泥恢復(fù)培養(yǎng)及馴化Table 1 Recovery training and domesticating to the mutagenic treated active sludge
在恢復(fù)培養(yǎng)5~12d時(shí)間內(nèi),連續(xù)測(cè)定處理出水的SV30、SVI值和各自出水中CODCr、NH3-N和TOC含量,至連續(xù)3d測(cè)定值相同,表明系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定,說(shuō)明誘變后的微生物達(dá)到一定的遺傳穩(wěn)定性.
誘變處理后,對(duì)活性污泥進(jìn)行了SV30與SVI值測(cè)定,結(jié)果見(jiàn)表2.
表2 誘變前后污泥體積指數(shù)的變化Table 2 Change of the volume index of sewage before and after mutagenesis
由表2可以看出:經(jīng)過(guò)誘變后的活性污泥SV30與SVI值都有所下降,但是2#和3#污泥的SVI值均在50~120mL/g之間,說(shuō)明污泥并沒(méi)有發(fā)生膨脹;而1#污泥即紫外線誘變后的污泥SV30值與其它相比,下降顯著,SVI值也下降到50mL/g以下,說(shuō)明紫外線照射對(duì)污泥的活性產(chǎn)生了負(fù)面影響,分析原因可能是紫外線的照射對(duì)微生物造成了一定的損傷,從而改變了污泥的物理性狀.
測(cè)定數(shù)據(jù)見(jiàn)表3.
表3 誘變對(duì)CODCr,NH3-N和TOC去除率的影響Table 3 Influence of mutagenesis on the removal rate of CODCr,NH3-N and TOC from wastewater
表3給出了經(jīng)過(guò)誘變后的活性污泥在SBR系統(tǒng)中對(duì)焦化廢水進(jìn)行深度處理的效果,綜合評(píng)價(jià)可以看出,經(jīng)過(guò)超聲波誘變的活性污泥對(duì)水樣2中CODCr、NH3-N和TOC去除率的提高作用最好,而紫外線誘變處理效果相對(duì)較差.結(jié)合誘變前后活性污泥SVI值的變化,推測(cè)紫外線誘變處理效果較差的原因可能為紫外線照射對(duì)活性污泥中的微生物造成了較為嚴(yán)重的損傷,使其對(duì)焦化廢水的深度處理效果相對(duì)較差.
采用GC-MS分析方法測(cè)定各水樣中有機(jī)物類別及峰面積,選取具有代表性的有機(jī)物列(見(jiàn)表4).
表4 誘變處理前后焦化廢水有機(jī)物組分的變化Table 4 Change of organic compounds in coking wastewater before and after mutagenesis
從表4結(jié)果可以看出:
(1)焦化廢水原水中含有66種有機(jī)物,其中雜環(huán)化合物數(shù)量最多,達(dá)到了29種,苯酚類物質(zhì)雖僅檢測(cè)出7種,但峰面積最大,占有機(jī)物總峰面積的55.92%,其中苯酚和甲基苯酚的含量最高;其次是喹啉、吲哚、咔唑等含氮的雜環(huán)化合物以及苯和多環(huán)芳烴及其衍生物,所占比例分別為24.82%、7.01%、3.04%.
(2)經(jīng)過(guò)SBR 0#污泥處理出水中有機(jī)物種類明顯降低,僅剩下40種;苯酚及其衍生類物質(zhì)未檢測(cè)出;苯及其衍生物的峰面積明顯減?。浑s環(huán)類化合物只剩18種,且峰面積普遍減小,占積分總面積的41.63%,其中嘧啶、吲哚和喹啉類物質(zhì)得到有效去除;烴的含氧衍生物與鹵代烴物質(zhì)種類數(shù)增加.
(3)1#污泥處理出水中,共檢測(cè)出40種有機(jī)物,其中主要物質(zhì)為鹵代烴,其峰面積占比為31.41%;其次為雜環(huán)化合物,共檢測(cè)出19種雜環(huán)化合物,峰面積占比為26.49%,較0#出水含量降低;多環(huán)芳烴完全被去除;而鹵代烴與烴的含氧衍生物含量升高.
(4)2#污泥處理出水中,共檢測(cè)出33種有機(jī)物,其主要物質(zhì)是鹵代烴,峰面積占比為41.16%;其次為烴的含氧類物質(zhì)和脂肪烴,占比分別為25.04%和18.99%;而雜環(huán)化合物只檢測(cè)出10種,且峰面積占比僅為8.30%;多環(huán)芳烴完全被去除;經(jīng)過(guò)變溫誘變后,活性污泥對(duì)腈類和雜環(huán)類化合物等難降解物質(zhì)的去除效率有所提升.
(5)3#污泥處理出水中,共檢測(cè)出37種有機(jī)物,主要物質(zhì)為雜環(huán)化合物,峰面積占比為28.24%;其次為鹵代烴,占比為28.16%,雖然苯類物質(zhì)的去除率也比較高,但相對(duì)于0#污泥處理出水,處理效果有所下降.可見(jiàn)超聲波對(duì)活性污泥進(jìn)行誘變后,對(duì)難降解物質(zhì)的處理效果有所提升,但與變溫、紫外線相比較,活性污泥對(duì)雜環(huán)類化合物的降解性相對(duì)較弱.
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