好氧-厌氧污泥耦合白腐真菌处理焦化废水

2017-03-15 05:52:01 1

  1 引言

  作为一种典型的有毒难降解有机废水,焦化废水的成分极其复杂,具有水质水量变化大、有机物特别是难降解有机物含量高等特点,并因其含有大量的酚、氰、苯等有毒有害物质,超标排放的焦化废水对环境会造成严重的污染,严重威胁人类的身体健康;另外,其有毒有害物质对微生物生长有抑制作用,生物降解极慢,导致这类废水难以用常规生化方法处理,并且其处理工艺复杂、成本高,是目前水污染防治研究的热点与难点,研究新方法和新技术以解决此废水带来的日益突出的环境问题十分必要.

  目前在对焦化废水处理研究中,出现了许多新工艺、新技术,如高级氧化技术以及其它化学方法等.但是,尽管这些新技术、新方法也能达到较高的处理效果,但都存在一个共同的缺点,即工程投资或/和运行成本极高,实际工程一般难以承受.因此,尽管生物处理也存在一定的问题,但是由于它的低成本,使其仍是研究难降解有机废水处理的主要方法.

  白腐真菌(P. chrysosporium)能够产生木质素降解酶系统,主要包括过木质素过氧化物酶(LiP)和锰过氧化物酶(MnP)等,可降解环境中的许多难降解有机污染物,在含难降解有机物废水处理中具有巨大的潜在应用价值.然而,无论国内还是国外,几乎都是直接采用白腐真菌处理难降解废水,尽管有研究者将好氧污泥和白腐真菌混合对难降解有机废水开展过研究,但很少有研究者关注将其它的生物处理单元耦合白腐真菌处理单元对难降解有机废水开展研究.

  根据焦化废水成分极其复杂、有机物特别是难降解有机物含量高的特点,我们拟开展焦化废水的白腐真菌直接处理和好氧-厌氧污泥耦合白腐真菌处理研究,探讨采用常规生物法耦合白腐真菌处理单元处理焦化废水的可行性,为白腐真菌废水处理技术的应用奠定基础.

  2 材料与方法

  2.1 焦化废水

  焦化废水取自云南解化清洁能源开发有限公司解化化工分公司,该公司主要是以褐煤为原料的煤化工企业.此废水的COD约为6097 mg · L-1,NH3-N约为351 mg · L-1,色度达12022,PH约为 8.9.

  2.2 菌种

  采用的白腐真菌菌种是由本实验室保存的黄孢原毛平革菌(P. chrysosporium BKM2F21767);好氧污泥驯化的菌种取自昆明第三污水处理厂,厌氧污泥驯化的菌种取自昆明理工大学校园中水处理站.

  2.3 接种用白腐真菌的培养

  培养反应器接种物所用培养基的主要成分为:10 g · L-1的葡萄糖;0.8 g · L-1的酒石酸铵;2 g · L-1的磷酸二氢钾;0.5 g · L-1的硫酸镁;0.1 g · L-1的氯化钙;0.175 g · L-1的硫酸锰;0.0001 g · L-1的维生素B1;70 mL · L-1的微量元素(Tien and Kirk 1988);乙酸与乙酸钠为缓冲溶液将pH值调节为4.5.

  反应器接种的固定化P. chrysosporium的培养(周成,文湘华,2009).载体采用打结绵线载体(Zhou and Wen, 2009),培养是在250 mL的三角瓶中完成.其培养体系包括:100 mL的培养基;40个打结棉线载体(250 g · L-1的载体投加量);孢子的接种量为1×105 个 · mL-1.培养温度采用37 ℃,在转速为120 r · min-1的摇床上培养2~3 d.

  2.4 好氧污泥和厌氧污泥的驯化

  好氧污泥的驯化过程:取2 L污水处理厂的好氧污泥作菌种加入塑料桶(4 L)内,加入稀释1倍的1000 mL焦化废水后,闷曝.每天闷曝23 h,溶解氧控制在1~2 mg · L-1左右,静置1 h;开始时,每两天排放100 mL废水,再加入100 mL焦化废水.30 d后,调高进水为200 mL.但每两天排放200 mL废水,再加入200 mL焦化废水.50 d后,污泥呈浅黑色,沉淀时泥水界面由开始边缘清晰,中期逐渐模糊,后期逐渐变得边缘清晰,COD和NH3-N去除率均在30%以上且污泥沉降比(SV)约12%时完成驯化.

  厌氧污泥的驯化过程:取2 L污水处理厂的厌氧污泥作菌种加入密闭塑料桶(4 L)内,加入稀释1倍的1000 mL焦化废水后,混匀.每隔8 h混匀1次,然后静置约8 h;开始时,每3 d排放100 mL废水,再加入100 mL焦化废水.30 d后,仍然每隔8 h混匀1次,静置约8 h时;但每3 d加入200 mL焦化废水,排放200 mL废水.60 d后,污泥呈浅黑色细小颗粒状,沉淀时泥水界面变得边缘清晰,COD和NH3-N去除率均在30%以上且污泥沉降比(SV)约20%时完成驯化.

  2.5 反应器结构及其运行步骤

  各处理单元的反应器见图 1.

 

  图1 焦化废水各处理单元的序批式反应器

  1)固定化P. chrysosporium的处理单元

  处理在柱状反应器(半径:12 cm;高:25 cm;工作体积约:2.7 L,图 1a)中完成,反应器内的底部安置环形微孔曝气管,采取序批式的运行方式运行,相关参数为:固定化菌丝的投加量约1.76 g · L-1;进水采用1 L · min-1的流速,进水时间2.5 min,污水进水量2.5 L;曝气阶段的运行时间20 d,溶解氧控制在0.5~1 mg · L-1左右;沉淀阶段的时间为60 min;排水采用1 L · min-1的流速,排水时间2.5 min;待机为0 h.

  2)好氧污泥组合厌氧污泥处理单元

  好氧污泥处理单元是在柱状反应器(半径:12 cm;高:25 cm;工作体积:3 L,图 1b)中完成,反应器内的底部安置曝气头,采取序批式的运行方式运行,相关参数为:进水采用1 L · min-1的流速,进水时间1 min,污水进水量1 L;曝气阶段的运行时间3 d,溶解氧控制在1~2 mg · L-1左右;沉淀阶段的时间为60 min;排水采用1 L · min-1的流速,排水时间1 min,排除1 L处理废水,留约2 L混合液,目的是对投加的原水进行稀释,减少对污泥的影响;待机为24 h.

  厌氧污泥处理单元是在柱状反应器(半径:9 cm;高:28 cm;工作体积:3 L,图 1c)中完成,反应器安置搅拌器(60 r · min-1),采取序批式的运行方式运行,除处理阶段采用厌氧条件外,其余运行参数同好氧污泥处理单元的相关参数一致.

  3)白腐真菌对好氧污泥组合厌氧污泥工艺出水的处理单元

  处理在1000 mL(工作体积约:500 mL,图 1d)的三角瓶中完成,采取序批式的运行方式运行,相关参数为:固定化菌丝的投加量约1.76 g · L-1;进水采用1 L · min-1的流速,污水进水量400 mL;处理阶段是在转速为120 r · min-1的摇床上进行,运行时间3 d;沉淀阶段的时间为30 min;排水采用1 L · min-1的流速,排水时间1 min;待机为0 h.

  由于污泥生长极其困难,因此在运行期间都没考虑排泥.此外,各试验均采用COD和氨氮为考察指标,其COD采用快速消解分光光度法(HJ/T399-2007)测定;氨氮的浓度采用纳氏试剂分光光度法测定.

  3 结果与讨论

  3.1 P. chrysosporium对焦化废水的直接处理

  固定化P. chrysosporium直接对焦化废水的处理结果如图 2所示.

 

  图2 固定化P. chrysosporium对焦化废水的处理

  由图可见,固定化P. chrysosporium能够有效去除废水中的有机污染物.经过每批连续20 d的运行,第一批次的COD由6097 mg · L-1降低至2462 mg · L-1,去除率达60%.氨氮由351 mg · L-1降低至68 mg · L-1,去除率达81%;在第二批次中,COD降低至2611mg · L-1,去除率达57%,且氨氮由降低至70 mg · L-1,去除率达80%.另外,就COD的去除而言,达到13%的去除需要约4 d的处理时间,达到29%的去除需要约8 d的处理时间(图 2),这表明若需要固定化P. chrysosporium直接对焦化废水的处理达到较好的处理效果,其需要的处理时间长.而白腐真菌对废水处理的水力停留时间一般在3 d左右,如Zhou et al.(2013)对染料的降解仅需3 d的水力停留时间.因此,尽管固定化P. chrysosporium能够有效去除废水中的有机污染物,但固定化P. chrysosporium直接对焦化废水的处理周期过长,即使经过20 d的连续处理,出水却还是难以达排放标准,在实际工程中采用固定化P. chrysosporium直接对焦化废水的处理无疑会加大处理成本.因此,将白腐真菌处理单元放在焦化废水处理工艺的前端值得商榷.若需在焦化废水的处理中考虑采用白腐真菌技术,需要考虑将白腐真菌处理单元放置在焦化废水处理工艺的恰当位置,如考虑将其放在其它生物处理单元之后,形成诸如好氧-厌氧污泥耦合P.chrysosporium处理工艺.然而,前期的研究者往往只考虑直接采用白腐真菌对难降解有机废水直接进行处理(周成等,2014;Zhang et al., 2012; Patel et al., 2013; Cruz-Moratò et al., 2014; Gros et al., 2014; Ottoni et al., 2014);尽管有研究者将好氧污泥和白腐真菌混合对难降解有机废水开展过研究(Novotny et al., 2011; Wang et al., 2012; Hai et al., 2012;Nguyenet al., 2014 ),但很少有研究者关注常规生物法耦合白腐真菌单元对难降解有机废水进行处理.然而,我们的试验结果却表明:尽管白腐真菌能够有效处理焦化废水,但其过长的处理周期使得将其放在焦化废水处理工艺的前端值得商榷.因此,采用常规生物法耦合白腐真菌单元对难降解有机废水进行处理是值得尝试的思路.

  3.2 好氧污泥组合厌氧污泥对焦化废水的处理

  尽管固定化P. chrysosporium可以直接对焦化废水进行有效处理,但处理周期过长,因此考虑采用常规的好氧污泥和厌氧污泥对焦化废水进行预处理,再考虑采用固定化P. chrysosporium对预处理的出水进行进一步降解,其预处理结果如图 3和图 4所示.

 

  图3 好氧污泥对焦化废水的处理

 

  图4 厌氧污泥对好氧污泥出水的处理

  由于焦化废水有机物特别是难降解有机物含量高等特点,并因其含有大量的酚、氰和苯等有毒有害物质,这对微生物的生长不利.因此,试验采用SBR的运行方式,且对处理后的废水仅部分排放,剩余的处理废水对新进的原水进行稀释,减少有毒有害物质对微生物的不利影响,保证污泥的活性.此法直接使原水的COD由6097 mg · L-1降低至4034~4114 mg · L-1的范围内,且氨氮由351 mg · L-1降低至279~289 mg · L-1的范围内(图 3).在8个批次的连续运行中,因好氧污泥作用,COD最终降低至2995~3113 mg · L-1,去除率达23%~27%;氨氮最终降低至238~253 mg · L-1,去除率达12%~17%(图 3).考虑稀释和好氧污泥的作用,COD和氨氮的最终去除率分别为49%~51%和28%~32%(图 3).

  进一步采用厌氧污泥对好氧污泥处理出水进行处理,其运行方式相同于好氧污泥法,结果见图 4.由图可见,由于稀释的作用,好氧污泥的处理出水COD直接由2995~3113 mg · L-1降低至2051~2085 mg · L-1,且氨氮由248~253 mg · L-1降低至164~173 mg · L-1的范围内(图 3和图 4).在8个批次的连续运行中,因厌氧污泥作用,COD最终降低至1634~1684 mg · L-1,去除率为19%~21%.氨氮最终降低至102-117 mg · L-1,去除率为31%~37%(图 4).考虑稀释和厌氧污泥的作用,COD和氨氮的最终去除率分别为45%~47%和51%~57%(图 3).

  综合考察好氧-厌氧污泥对焦化废水的处理结果表明,焦化废水的COD由6097 mg · L-1降低至1634~1684 mg · L-1范围,去除率达到72%~73%,氨氮由351 mg · L-1降低至102~117 mg · L-1的范围,去除率达67%~71%.

  3.3 白腐真菌对好氧污泥组合厌氧污泥工艺出水的处理

  在好氧污泥组合厌氧污泥处理的基础上,继续采用固定化的P. chrysosporium对好氧污泥组合厌氧污泥工艺出水进行处理,结果如图 5所示.

 

  图5 固定化P.chrysosporium对好氧-厌氧污泥工艺出水的处理

  由图可见,好氧-厌氧污泥处理后的出水能够被白腐真菌进一步降解.在8个批次的连续运行中,COD由1634~1684 mg · L-1范围降低至1322~1372 mg · L-1,去除率为18%~25%;氨氮由102~117 mg · L-1的范围降低至16~62 mg · L-1,去除率达46%~85%.

  就好氧-厌氧污泥耦合白腐真菌处理单元对焦化废水的降解而言,其每一操作单元的处理时间为3 d,且COD由6097 mg · L-1范围降低至1226~1372 mg · L-1,去除率达77%~80%;氨氮由351 mg · L-1的范围降低至16~62 mg · L-1,去除率达82%~95%.尽管最终的出水的COD和氨氮未能达到排放标准,但此结果却能够表明:好氧-厌氧污泥耦合P.chrysosporium处理焦化废水可在更短的处理周期内完成比直接采用白腐真菌的处理更好的处理效果.其原因可能在于白腐真菌产生木质素降解酶系统对难降解污染物的降解是在限碳和限氮的条件下进行,直接采用白腐真菌处理6097 mg · L-1 COD和351 mg · L-1氨氮的焦化废水可能难以达到合成木质素降解酶系统的限碳和限氮条件,但采用好氧和厌氧污泥对焦化废水中的有机碳和氮进行消耗,利于达到木质素降解酶系统的合成条件,对促进白腐真菌对废水的处理,缩短处理时间有利.可见,白腐真菌的处理不但需考虑其生长,还需考虑如何促进其合成木质素降解酶系统的合成,这可能是发挥白腐真菌处理单元作用所必须考虑的问题.具体参见 污水处理技术资料或污水技术资料更多相关技术文档。

  因此,就处理效果和运行周期而言,采用常规生物法如好氧污泥组合厌氧污泥工艺对焦化废水进行预处理继而采用白腐真菌进行处理的思路合理可行.

  4 结论

  1)尽管固定化P. chrysosporium能有效去除废水中的有机污染物,COD和氨氮去除率达57%和80%以上,但20 d的处理时间使得直接采用白腐真菌处理焦化废水的思路值得商榷.

  2)在好氧-厌氧污泥耦合白腐真菌处理焦化废水中,每个操作单元均采用3 d的处理时间,最终COD和氨氮的去除率分别达77%~78%和82%~95%,这表明:好氧-厌氧污泥耦合P. chrysosporium处理焦化废水可在更短的处理周期内完成比直接采用白腐真菌处理更好的处理效果.

  3)采用白腐真菌技术处理难降解有机废水并不意味直接采用白腐真菌对难降解有机废水进行处理,针对废水的特点采用其它的方法耦合白腐真菌处理单元的处理是可以缩短处理周期,且效果可能优于直接采用白腐真菌对难降解有机废水进行处理的效果.因此,就处理效果和运行周期而言,采用常规生物法如好氧污泥组合厌氧污泥工艺对焦化废水进行预处理继而采用白腐真菌进行处理的思路合理可行.

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