医疗废水的可生化性

2017-03-15 08:05:58 4

  一、废水可生化性

  废水生物处理是以废水中所含污染物作为营养源,利用微生物的代谢作用使污染物被降解、废水得以净化。显然,如果废水中的污染物不能被微生物降解,生物处理是无效的。如果废水中的污染物可被微生物降解,则在设计状态下废水可获得良好的处理效果。但是当废水中突然进入有毒物质,超过微生物的忍受限度时,将会对微生物产生抑制或毒害作用,使系统的运行遭到严重破坏。因此对废水成分的分析以及判断废水能否采用生物处理是设计废水生物处理工程的前提。

  所谓废水 可生化性的实质是指废水中所含的污染物通过微生物的生命活动来改变污染物的化学结构,从而改变污染物的化学和物理性能所能达到的程度。研究污染物可生化性的目的在于了解污染物质的分子结构能否在生物作用下分解到环境所允许的结构形态,以及是否有足够快的分解速度。所以对废水进行可生化性研究只研究可否采用生物处理,并不研究分解成什么产物,即使有机污染物被生物污泥吸附而去除也是可以的。因为在停留时间较短的处理设备中,某些物质来不及被分解。允许其随污泥进入消化池逐步分解。事实上,生物处理并不要求将有机物全部分解成CO2、H2O和硝酸盐等,而只要求将水中污染物去除到环境所允许的程度。

  多年来,国内外在各类有机物生物分解性能的研究方面积累了大量的资料,以化工废水中常见的有机物为例,各种物质的可降解性可归纳于表--【各类有机物的可降解性及特例】。

  在分析污染物的可生化性时,还应注意以下几点。

  ①一些有机物在低浓度时毒性较小,可以被微生物所降解。但在浓度较高时,则表现出对微生物的强烈毒性,常见的酚、氰、苯等物质即是如此。如酚浓度在1%时是一种良好的杀菌剂,但在300mg/L以下,则可被经过驯化的微生物所降解。

  ②废水中常含有多种污染物,这些污染物在废水中混合后可能出现复合、聚合等现象,从而增大其抗降解性。有毒物质之间的混合往往会增大毒性作用,因此,对水质成分复杂的废水不能简单地以某种化合物的存在来判断废水生化处理的难易程度。

  ③所接种的微生物的种属是极为重要的影响因素。不同的微生物具有不同的酶诱导特性,在底物的诱导下,—些微生物可能产生相应的诱导酶,而有些微生物则不能,从而对底物的降解能力也就不同。目前废水处理技术已发展到采用特效菌种和变异菌处理有毒废水的阶段,对有毒物质的降解效率有了很大提高。现已发现镰刀霉(Fusarium)、诺卡氏菌(Nocardia)等具有分解氰与腈的能力;假单孢菌(如食酚极毛杆菌Pseudomonas phenolphagum、解酚极毛杆菌Pseudomonas phenolicum)、小球菌(Micrococcus)等具有很强的降解酚的能力.在厌气发酵过程中,假单孢菌的一些种以及黄杆菌(Flavobacterium)都具有很强的产酸能力,甲烷叠球菌(Methanococcus)等具有很高的产气能力。

  目前,国内外的生物处理系统大多采用混合菌种,通过废水的驯化进行自然的诱导和筛选,驯化程度的好坏,对底物降解效率有很大影响,如处理含酚废水,在驯化良好时,酚的接受浓度可由几十毫克/升提高到500—600mg/L。

  ④pH值、水温、溶解氧、重金属离子等环境因素对微生物的生长繁殖及污染物的存在形式有影响,因此,这些环境因素也间接地影响废水中有机污染物的可降解程度。

  由于废水中污染物的种类繁多,相互间的影响错综复杂,所以一般应通过实验来评价废水的可生化性,判断采用生化处理的可能性和合理性。

  表 各类有机物的可降解性及特例

类别

可生物降解性特征

特殊例外

碳水化合物

易于分解,大部分化合物的BOD5/COD50

纤维系、木质素、甲基纤维素、α-纤维素生物降解性较差

烃类化合物

对生物氧化有阻抗,环烃比脂烃更甚.实际上,大部分烃类化合物不易被分解,小部分如苯、甲苯、乙基苯以及丁苯异戊二烯,经驯化后,可被分解,大部分化合物的 BOD5/COD≤20%25%

松节油、苯乙烯较易被分解

醇类化合物

能够被分解,主要取决于驯化程度、大部分化合物的BOD5/COD40%

特丁醇、戊醇、季戊四醇表现高度的阻抗性

酚类化台物

能够被分解。需短时间的驯化,一元酚、二元性,酚、甲酚及许多酚都能够被分解,大部分酚类化合物的BOD5/COD40%

245三氯苯酚、硝基酚具有较高的阻抗较难分解

醛类化合物

能够被分解,大多数化合物的  BOD5/COD40

丙烯醛、三聚丙烯醛需长期驯化,苯醛、3-羟基丁醛在高浓度时表现高度阻抗

醚类化合物

对生物降解的阻抗性较大,比酚、醛、醇类物质难于降解。有一些化合物经长期驯化后可以分解

乙醚、乙二醚不能被分解

酮类化合物

可生化性较醇、醛、酚差,但较醚为好,有一部分酮类化合物经长期驯化后,能够被分解

 

氨基酸

生物降解性能良好BOD5/COD可大于50

胱氨酸、酪氨酸需较长时间驯化才能被分解

含氮化合物

苯胺类化合物经长期驯化可被分解,硝基化合物中的一部分经驯化后可降解。胺类大部分能够被降解

二乙替苯胺、异丙胺、二甲苯胺实际上不能降解

氰或睛

经驯化后容易被降解

 

乙烯类

生物降解性能良好

巴豆醛在高浓度时可被降解。在低浓度时产生,阻抗作用的有机物

表面活性剂类

直链烷基芳基硫化物经长期驯化后能够被降解,特型化合物则难于降解.高分子量的聚乙氧酯和酰胺类更为稳定,难于生物降解

 

含氯化合物

氧乙基类(醚链)对降解作用有阻抗,其高分子化合物阻抗性更大

 

卤素有机物

大部分化合物不能被降解

氯丁二烯、二氯乙酸、二氯苯醋酸钠、二氯环、己烷、氯乙醇等可被降解

  二、可生化性的评价方法

  1.BOD5/COD值法

  BOD5和COD是废水生物处理过程中常用的两个水质指标,用BOD5/COD值评价废水的可生化性是广泛采用的一种最为简易的方法。在一般情况下,BOD5/COD值愈大,说明废水可生物处理性愈好。综合国内外的研究结果,可参照表--【废水可生化性评价参考数据】所列数据评价废水的可生化性。

  表 废水可生化性评价参考数据

BOD5/COD

0.45

0.3—0.45

0.2—0.3

0.2

可生化

较好

较难

不宜

  在使用此法时,应注意以下几个问题。

  ①某些废水中含有的悬浮性有机固体容易在COD的测定中被重铬酸钾氧化,并以COD的形式表现出来。但在BOD反应瓶中受物理形态限制,BOD数值较低,致使BOD5/COD值减小,而实际上悬浮有机固体可通过生物絮凝作用去除,继之可经胞外酶水解后进入细胞内被氧化,其BOD5/COD值虽小,可生物处理性却不差。

  ②COD测定值中包含了废水中某些无机还原性物质(如硫化物、亚硫酸盐、亚硝酸盐、亚铁离子等)所消耗的氧量,BOD5测定值中也包括硫化物、亚硫酸盐、亚铁离子所消耗的氧量。但由于COD与BOD5测定方法不同,这些无机还原性物质在测定时的终态浓度及状态都不尽相同,亦即在两种测定方法中所消耗的氧量不同,从而直接影响BOD5和COD的测定值及其比值。

  ③重铬酸钾在酸性条件下的氧化能力很强,在大多数情况下,COD值可近似代表废水中全部有机物的含量。但有些化合物如吡啶不被重铬酸钾氧化,不能以COD的形式表现出需氧量,但却可能在微生物作用下被氧化,以BOD5的形式表现出需氧量,因此对BOD5/COD值产生很大影响。

  综上所述,废水的BOD5/COD值不可能直接等于可生物降解的有机物占全部有机物的百分数,所以,用BOD5/COD值来评价废水的生物处理可行件尽管方便,但比较粗糙,欲做出准确的结论,还应辅以生物处理的模型实验。

  2.BOD5/TOD值法

  对于同一废水或同种化合物,COD值一般总是小于或等于TOD值,不同化合物的COD/TOD值变化很大,如吡啶为2%,甲苯为45%,甲醇为100%,因此,以TOD代表废水中的总有机物含量要比COD准确,即用BOD5/TOD值来评价废水的可生化性能得到更好的相关性。

  通常,废水的TOD由两部分组成,其一是可生物降解的了TOD(以了TODB表示),其二是不可生物降解的TOD(以TODNB表示),即:

  

  图 TOD的代谢模式

  在微生物的代谢作用下,TODB中的一部分氧化分解为CO2和H2O,一部分合成为新的细胞物质。合成的细胞物质将在内源呼吸过程中被分解,并有一些细胞残骸最终要剩下来。上述有机物的生物降解过程可用图--【TOD的代谢模式】表示.

  根据图--【TOD的代谢模式】,可建立如下关系式:

  

  在碳化阶段,BOD反应接近一级反应动力学,其BOD5与BODu的关系为BOD5=BODu.(1-10-5K),将此式代入式(3)中,整理得:

  

     式(4)揭示了废水中的BOD5与TOD的内在联系。整理可得:

 

     式(5)可作为评价废水可生化性的基本公式。式中包含两个因素,其—是反映有机物的可生物降解程度(TODB/TOD);其二是反映有机物的生物降解速度( ),二者之积则表示有机物的可生化性。采用BOD5/TOD值评价废水可生化性时,有些研究者推荐采用表--【废水可生化性评价参考数据】所列标准。

  表 废水可生化性评价参考数据

BOD5/TOD

0.4

0.20.4

0.2

废水可生化性

易生化

可生化

难生化

  有的研究者对几种化学物质用未经驯化的微生物接种,测定逐日BODt和TOD,再以BODt/TOD值与测定时间t作图,得图--【几种物质的BOD/TOD值】所示的四种形式的关系曲线。Ⅰ型(乙醇)所示为生化性良好,宜用生化法处理。Ⅰ型表示乙睛虽然对微生物无毒害作用,但其生物降解性能较差,这样的污染物需经过一段时间的微生物驯化,才能确定是否可用生化法处理。Ⅱ型所示乙醚的生物降解性能更差,而且还有一定抑制作用,这样的污染物需经过更长时间的微生物驯化,才能做出判断。Ⅳ型所示吡啶对微生物只有强抑制作用,在不驯化条件下难于生物分解。

图 几种物质的BOD/TOD值

  在测定BOD5时是否采用驯化菌种对BOD5/TOD值及评价结论影响很大。例如,吡啶以不同的微生物接种,表现出不同的BOD5/TOD 值(见图--【不同接种对吡啶 值的影响】),从而会得到不同的结论。因此,为使研究工作勺以后的生产条件相近,在测定废水或有机化合物的BOD5时,必须接入驯化菌种。

  

  

图 不同接种对吡啶 值的影响

  3耗氧速率法

  在有氧条件下,微生物在代谢底物时需消耗氧。表示耗氧速度(或耗氧量)随时间而变化的曲线,称为耗氧曲线。投加底物的耗氧曲线称为底物耗氧曲线;处于内源呼吸期的污泥耗氧曲线称为内源呼吸曲线。在微生物的生化活性、温度、pH值等条件确定的情况下,耗氧速度将随可生物降解有机物浓度的提高而提高,因此,可用耗氧速率来评价废水的可生化性。

  耗氧曲线的特征与废水中有机污染物的性质有关,图--【微生物呼吸耗氧曲线】所示为几种典型的耗氧曲线。

  a为内源呼吸线,当微生物处于内源呼吸期时,其耗氧量仅与微生物量有关,在较长一段时间内耗氧速度是恒定的,所以内源呼吸线为一条直线。若废水中有机污染物的耗氧曲线与内源呼吸线重合时,说明有机污染物不能被微生物所分解,但对微生物也无抑制作用。

  b为可降解有机污染物的耗氧曲线,此曲线应始终在内源呼吸线的上方。起始时,因反应器内可溶解的有机物浓度高,微生物代谢速度快,耗氧速度也大,随着有机物浓度的减小,耗氧速度下降,最后微生物群体进入内源代谢期,耗氧曲线与内源呼吸线平行。

  c为对微生物有抑制作用的有机污染物的耗氧曲线。该曲线接近横坐标愈近,离内源呼吸线愈远,说明废水中对微生物有抑制作用的物质的毒性愈强。

  在图--【微生物呼吸耗氧曲线】中,与b类耗氧曲线相应的废水是可生物处理的,在某一时间内,b与a之间的间距愈大,说明废水中的有机污染物愈易于生物降解。曲线b上微生物进入内源呼吸时的时间tA,可以认为是微生物氧化分解废水中可生物降解有机物所需的时间。在tA时间内,有机物的耗氧量与内源呼吸耗氧量之差,就是氧化分解废水中有机污染物所需的氧量。根据图示结果及COD测定值、混合液悬浮固体MLSS(或混合液挥发性恳浮固体MLVSS)测定值,可以计算出废水中有机物的氧化百分率,计算式如下:

  

  。

  另一种做法是用相对耗氧速度R(%)来评价废水的可生化性,计算公式如下:

   

      式中 Va——投加有机物的耗氧速度,mgO2/gMLSS·h;

  Vb——内源呼吸耗氧速度,mgO2/gMLSS·h。

  Va与Vb一般应采用同一测定时间的平均值。图--【不同有机物的相对耗氧曲线】所示是不同有机污染物可能出现的四种相对耗氧速度曲线。

 

  a类曲线 相应的有机污染物不能被微生物分解,对微生物的活性亦无抑制作用。

  b类曲线 相应的有机污染物是可生物降解的物质。

  c类曲线 相应的有机污染物在一定浓度范围内可以生物降解,超过这一浓度范围时。则对微生

  由于影响有机污染物耗氧速度的因素很多, 物产生抑制作用。

  d类曲线 相应的有机污染物不可生物降解,且对微生物具有毒害抑制作用。一些重金属离子也有与此相同的作用。

  所以用耗氧曲线定量评价有机物的可生化性时,需对活性污泥的来源、驯化程度、浓度、有机物浓度、反应温度等条件作出严格的规定。测定耗氧量及耗氧速度的方法较多,如华氏呼吸仪测定法、曝气式呼吸仪测定法、双瓶呼吸计测定法、溶解氧测定仪测定法等。

  4.摇床试验与模型试验

  (1)摇床试验 又称振荡培养法,是一种间歇投配连续运行的生物处理装置。摇床试验是在培养瓶中加入驯化活性污泥、待测物质及无机营养盐溶液,在摇床上振摇,培养瓶中的混合液在摇床振荡过程中不断更新液面,使大气中的氧不断溶解于混合液中,以供微生物代谢有机物之用,经过一定时间间隔后,对混合液进行过滤或离心分离,然后测定清液的COD或BOD,以考察待测物质的去除效果。

  摇床上可同时放置多个培养瓶,因此摇床试验可一次进行多种条件试验,对于选择最佳操作条件非常有利。

  日本在1968年曾规定合成洗涤剂的可生物降解性试验必须采用摇床法。试验使用的污泥应为驯化污泥。合成洗涤剂浓度应为30mg/L,要求经过7日培养后应达85%以 图 间歇流反应器上的去除率。

间歇流反应器

  (2)模型试验 是指采用生化处理的模型装置考察废水的可生化性。模型装置通常可分为间歇流和连续流反应器两种。

  间歇流反应器模型试验是在间歇投配驯化活性污泥和待测物质及无机营养盐溶液的条件下连续曝气充氧来完成的。在选定的时间间隔内取样分析COD或BOD等水质指标,从而确定待测物质或废水的去除率及去除速率。常用的间歇流反应器如图--【间歇流反应器】所示。

  连续流反应器是指连续进水、出水,连续回流污泥和排除剩余污泥的反应器。用这种反应器研究废水的可生化性时,要求在一定时间内进水水质稳定,通过测定进、出水的COD等指标来确定废水中有机物的去除速率及去除率。连续流反应器的形式多种多样,这种试验是对连续流污水或废水处理厂的模拟,试验时可阶段性地逐渐增加待测物质的浓度,这对于确定待测物质的生物处理极限浓度很有意义。如果对某种废水缺乏应有的处理经验时,这种试验完全可以为设计研究人员合理选择处理工艺参数提供有效的帮助。

  采用模型试验确定废水或有机物的可生化性的优点是成熟和可靠,同时可进行生化处理条件的探索,求出废水的合理稀释度、废水处理时间及其他设计与运行参数。缺点是耗费的人力物力较大,需时较长。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。

  除上述各种方法外,还有动力学常数法、彼特(P.Pitter)标准测定法、脱氢酶活性法等方法用于研究废水的可生化性。

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