大連不同種源活性污泥降解CN-的試驗研究

周 璇, 薛 文 平, 董 曉 麗, 馬 春, 張 新 欣, 薛 芒, 李 琳 慧

( 大連工業(yè)大學(xué) 輕工與化學(xué)工程學(xué)院, 遼寧 大連 116034 )

0 引 言

氰類物質(zhì)毒性較強,已被各國列入優(yōu)先控制的污染物名單。工業(yè)處理含氰廢水早期主要采用堿氯法、因科法,20世紀90年代開始出現(xiàn)生物氧化法、濕式氧化法、超臨界水氧化等[1]。目前,最常用的含氰廢水處理方法是堿氯法[2],但此技術(shù)回收再利用困難,不僅含氯量高的殘渣對水生生物有害[3-4],大量余氯的消耗也使得費用增高。盡管化學(xué)法有效可行,但運行費用高,而且會帶來許多新的環(huán)境問題。與化學(xué)法相比,生物法成本低、耗能少,減少了二次污染的可能性,引起了人們的極大的興趣。作者通過不同條件的對比試驗探究污泥來源及培養(yǎng)方式對活性污泥中微生物降解水中氰化物的效果,目的是為活性污泥法應(yīng)用到處理含氰工業(yè)廢水提供理論依據(jù)。

1 試 驗

1.1 材 料

活性污泥,來源于大連凌水污水處理廠曝氣池。

試劑:氫氧化鈉固體,氯化鈉固體,鉻酸鉀,硝酸銀標準液,試銀靈(對二甲氨基亞芐基羅丹寧)溶液,氰化鉀固體,1∶1的硝酸溶液。培養(yǎng)液:葡萄糖固體,牛肉膏,蒸餾水。

1.2 培養(yǎng)及分析方法

1.2.1 活性污泥的馴化培養(yǎng)

將從大連凌水污水處理廠曝氣池取得的污泥1 L倒入容積為2 L的燒杯里,前期先加入培養(yǎng)液,裝好曝氣器進行曝氣,每隔12 h曝氣一次,每次時長6 h,每次曝氣結(jié)束后沉淀2 h,然后排出生化反應(yīng)池上清液并補充等量去離子水,培養(yǎng)2～3 d,使污泥適應(yīng)并更具有活性。培養(yǎng)后期,在馴化微生物過程中,氰化物質(zhì)量濃度按照30、60、90、120 mg/L不斷增加,直至150 mg/L,馴化過程為7～9 d,污泥外觀呈黃褐色,表明污泥培養(yǎng)馴化已成熟。另取等量污泥進行厭氧培養(yǎng),無須曝氣,放置在密閉容器中,采用同樣方式進行馴化培養(yǎng)。

1.2.2 分析方法

因試驗水體中無重金屬及絡(luò)合物,故采用國標硝酸銀滴定法。

1.2.2.1 方法原理

用硝酸銀標準溶液滴定氰化鉀濃度,水樣中的氰離子與硝酸銀作用形成可溶性的銀氰絡(luò)合離子[Ag(CN)2]-,過量銀離子與試銀靈指示劑發(fā)生反應(yīng),溶液由黃色變?yōu)槌燃t色[5]。

用0.01 mol/L硝酸銀標準溶液進行滴定。

1.2.2.2 CN-質(zhì)量濃度的測定

取一定體積的試樣于錐形瓶中,用2% NaOH溶液調(diào)至pH=10,加入0.2 mL試銀靈指示劑,用硝酸銀標準溶液滴定至溶液由黃色變?yōu)槌燃t色為止。氰化物質(zhì)量濃度ρ2(mg/L)以氰離子(CN-)計:

ρ2=c0(Va-V0)×52.04×1 000/V

(1)

式中,c0為硝酸銀標準溶液濃度,mol/L；Va為測定試樣時硝酸銀標準溶液用量,mL；V0為空白試樣硝酸銀標準溶液用量,mL；V為樣品體積,mL；52.04為氰離子的摩爾質(zhì)量,g/mol。

通過計算CN-質(zhì)量濃度在降解反應(yīng)前后的變化,即可得出CN-的降解率:

η=(ρ0-ρt)/ρ0

(2)

式中,η為CN-的降解率,%；ρ0為CN-的初始質(zhì)量濃度,mg/L；ρt為t時刻CN-的質(zhì)量濃度, mg/L。

2 結(jié)果分析與討論

使用質(zhì)量濃度為100 mg/L的氰化鉀溶液作模擬含氰廢水,改變條件進行試驗。

2.1 氰化物的自然降解與微生物降解的對比

同時做CN-濃度相同的兩組試驗,一組為自然降解條件,另一組為加入馴化后活性污泥降解條件。結(jié)果詳見圖1,氰化物在進行微生物處理時的降解速率與自然降解情況下相比明顯增加,在試驗進行6 h后,投加污泥的水樣中氰化物的降解率已達86.15%,而自然降解率僅為61.7%,說明馴化后活性污泥中的微生物對于氰化物的降解有著較顯著的促進作用。

圖1 氰化物的自然降解與進行微生物處理的降解率曲線

Fig.1 The cyanide degradation rate curve of natural and microbial degradation

2.2 微生物在馴化前后降解氰化物效果的對比

從大連凌水污水處理廠所取的污泥進行馴化。將未馴化的污泥與馴化過的污泥分別加入兩組CN-濃度相同的反應(yīng)器中進行降解試驗。試驗結(jié)果詳見圖2。投加馴化污泥的水樣中氰化物降解效果優(yōu)于未馴化污泥的一組,試驗進行6 h后,未投加馴化污泥的水樣中氰化物降解率僅達60.45%,而投加馴化污泥的水樣中降解率可達88.23%,表明馴化后污泥的處理優(yōu)勢主要表現(xiàn)為

圖2 微生物在馴化前后處理氰化物的降解率曲線

Fig.2 The cyanide degradation rate curve of microorganisms before and after treatment

降解速率快。氰化物毒性較強,對于各種微生物有著不同程度的危害,因此在進行微生物降解氰化物的處理之前將污泥進行一定程度的馴化,使微生物能夠適應(yīng)含氰水樣的環(huán)境并提高活性,對于降解廢水中的氰化物也有著重要的作用。

2.3 好氧微生物與厭氧微生物降解氰化物效果的對比

將準備試驗的污泥分為兩部分,一部分在馴化及處理含氰廢水時進行階段性曝氣,另一部分污泥進行厭氧培養(yǎng),即在馴化培養(yǎng)的過程中不需要曝氣,而是在密閉的容器中培養(yǎng)。如圖3所示,好氧微生物降解氰化物的效果遠遠優(yōu)于厭氧微生物,試驗證實:利用氰化物及硫氰酸鹽生長的微生物是好氣性的。在試驗進行6 h后,投加好氧微生物的水樣中氰化物的降解率即可達98.23%,而厭氧微生物所達到的降解率僅為40%,表明在活性污泥中降解氰化物的主要有效菌種為好氧微生物,經(jīng)過曝氣后好氧微生物的生長得到促進,因此降解效果較試驗一、二更加明顯。因此在利用活性污泥法降解含氰廢水時在馴化及處理階段進行適量的曝氣可大幅度提高氰化物的降解率。

圖3 厭氧微生物與好氧微生物處理氰化物的降解率曲線

Fig.3 The cyanide degradation rate curve of treatments by anaerobic microbe and aerobic microbe

2.4 污水處理廠活性污泥與天然污泥降解氰化物效果的對比

天然污泥取自大連市夏家河的河道中,培養(yǎng)馴化方式與取自城市污水處理廠污泥相同,兩組試驗對比結(jié)果詳見圖4。從圖4可見,天然微生物處理氰化物的效果略微差于人工馴化微生物,天然污泥的優(yōu)勢在于微生物種類繁多,而污水處理廠的污泥中微生物種類雖然相對單一,但降解CN-的菌種數(shù)量多且活性大,因此兩種污泥處理氰化物時效果差異并不大。

圖4 天然污泥與污水處理廠污泥處理氰化物的降解率曲線

Fig.4 The cyanide degradation rate curve of natural sludge and wastewater treatment plant sludge

3 結(jié) 論

(1)活性污泥對于降解氰化物有著明顯的促進作用,在微生物作用下CN-最終轉(zhuǎn)化為無害的N2和H2O。

(2)由于氰化物的毒性大,為避免微生物受毒性影響大量死亡同時提高降解效率,進行處理之前的活性污泥都需要經(jīng)過馴化。

(3)在活性污泥中起著主要降解功效的是好氧微生物,利用氰化物及硫氰酸鹽生長的微生物是好氣性的。

(4)與人工馴化的微生物相比,天然條件下的微生物同樣有降解氰化物的作用。

[1] 薛文平,薛福德,姜莉莉,等. 含氰廢水處理方法的進展與評述[J]. 黃金, 2008, 29(4):45-50.

[2] YOUNG C A, JORDAN T S. Cyanide remediation:Current and past technologies[C]. Proceedings of the 10th Annual Conference on Hazardous Waste Research, 1995:104-129.

[3] KAO C M, CHEN K F, LIU J K, et al. Enzymatic degradation of nitriles byKlebsiellaoxytoca[J]. Applied Microbiology and Biotechnology, 2006, 71(2):228-233.

[4] KAO C M, LIU J K, LOU H R, et al. Biotransformation of cyanide to methane and ammonia byKlebsiellaoxytoca[J]. Chemosphere, 2003, 50(8):1055-1061.

[5] 鄭翠玲. 硝酸銀容量法快速測定水質(zhì)中氰化物[J]. 福建分析測試, 2006, 15(2):35-36.