培養方式對活性污泥處理法煙草廢水的影響

吳 攀， 夏 敏， 皮科武， 楊美晨， 陳抒雨， 楊 雄

(湖北工業大學資源與環境工程學院， 湖北 武漢 430068)

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培養方式對活性污泥處理法煙草廢水的影響

吳 攀， 夏 敏， 皮科武， 楊美晨， 陳抒雨， 楊 雄

(湖北工業大學資源與環境工程學院， 湖北 武漢 430068)

通過密閉和敞開方式，探索城市污水處理廠活性污泥處理不同煙堿濃度煙草加工廢水的影響。實驗結果表明：當煙草廢水COD在2 000～10 000 mg/L，即煙堿濃度在85～420 mg/L時，在敞開培養5 d后，COD去除率均可達70%以上，煙堿去除率達到100%。而密閉培養過程中，COD去除率在28%～78%，且煙堿不能完全降解。實驗同時發現，敞開條件下，當煙堿濃度超過165 mg/L時，對活性污泥處理有一定的抑制作用。

活性污泥； 煙草廢水； COD去除率； 煙堿

中國是世界上最大的煙草生產和消費國，共種植煙草112.3萬 hm，年產煙葉約256萬t，卷煙總產量占世界總產量的30%，同時煙草消費總量也占世界的1/3，均居世界首位。煙草生產產生的大量煙草廢水中COD含量高，污染物成分復雜[1]，并含有能抑制生物生長活性的物質如煙堿、焦油及酚等，造成該類廢水處理難度大[2]。目前處理該類廢水的方法主要有經厭氧工藝后，選擇曝氣生物濾池、生物接觸氧化或膜-生物反應器[3]等繼續處理。上述方法均取得了較好效果，但由于煙堿等物質對微生物的生存存在毒害作用[4]，降低了生物法處理高濃度煙草廢水的負荷，直接增加了廢水處理成本。

本實驗分別在敞開和密閉的條件考察下活性污泥處理不同煙堿濃度的煙草廢水，通過研究培養液溶液pH值、活性污泥體積指數(SVI)等參數的變化，探索活性污泥對煙草加工廢水中煙堿及化學需氧量 (COD) 去除的作用過程。

1 材料與儀器

Ag2SO4，HgSO4、K2Cr2O7、鄰苯二甲酸氫鉀及99%煙堿標品，均為分析純。活性污泥取自武漢市某城市污水處理廠。煙草廢水原液由武漢市某卷煙廠車間收集，按1 mg廢渣加入自來水20 L配比，在常溫下用超聲波振動2 h。提取液經濾紙過濾去除雜質后，主要指標為：COD 20 000 mg/L，煙堿濃度為840 mg/L。

SHZ-82A氣浴恒溫振蕩器，PHS-3C pH計，DIS-1A型數控多功能消解儀，Starter 300D溶解氧測定儀，Agilent LC1200高效液相色譜，Kromasil C18色譜柱(250 mm×4.6 mm，5 μm)。

2 實驗方法與分析

2.1 實驗過程與方法設計

取100 mL錐形瓶5個，將原廢水稀釋后與活性污泥按體積比1∶1進行 配置，得到100 mL煙堿濃度分別為20、85、165、250、420 mg/L的混合液，并在30 ℃，200 r/min 下，分別采用敞開錐形瓶口振蕩和用膠布封住錐形瓶口然后振蕩培養反應，每24 h測定廢水總煙堿含量、廢水COD值、活性污泥指數 (SVI)、溶液溶解氧 (DO)及溶液pH值。

2.2 測試方法與計算

采用高效液相色譜測定廢水中煙堿含量，方法見文獻[5]，其流速為0.8 mL/min，進樣量20 μL。溶液pH值用pH儀器測定，溶解氧(DO)用溶解氧儀進行測定。煙堿去除率

COD采用快速加熱回流消解法進行測定[6]，COD去除率

式中：C0為處理前煙堿濃度，mg/L；Ce為處理后煙堿濃度，mg/L；CODo為處理前廢水中COD含量，mg/L；CODe為處理后廢水中COD含量，mg/L。

SVI是反應活性污泥沉降濃縮性的重要指標。SVI過低，活性污泥顆粒細小緊密，缺乏活性；SVI過高，表明活性污泥難于沉淀分離。

式中：V為100 mL水樣靜置30 min后的污泥體積，mL；M為100 mL水樣的污泥干重，g。

3 實驗結果與分析

3.1 活性污泥生長環境及SVI變化

由圖1可知在敞開和密閉條件下，SVI值均在50～120 mL/g內，表明用活性污泥處理不同煙堿濃度的煙草廢水時，活性污泥均能保持較高活性，且易于沉降分離，對污泥的活性無顯著的影響，且無論是敞開還是密閉時均在第3天達到SVII的最大值。

圖1 活性污泥體積指數(SVI)隨處理時間的變化

3.2 COD去除率的變化

由圖2可知，當煙堿濃度大于165 mg/L時，隨著時間的延長，敞開時活性污泥對COD的去除率大于密閉時，表明厭氧情況不利于高濃度煙草廢水的處理，煙草廢水中有機物的降解是一個好氧過程。敞開時COD的去除率呈現一直上升趨勢，前3天COD去除率增加較快，但第3天后趨于平緩，可能是由于活性污泥自身代謝產物對降解有機物產生了抑制效果，主要表現為pH值的變化。由圖3可知，當處理時間超過3 d之后，pH值均穩定在8.2左右。相比而言，密閉時廢水COD去除率的變化則更復雜，主要表現為呈先增加后降低再增加的趨勢。前2天COD的去除率顯著增加，到達第3天的時候，COD去除率達到最大值，而第4天則突然下降。這主要是由于密閉條件下溶解氧一直處于消耗的過程。如由圖3可知，在第1天和第3天時，溶解氧處于較高水平(大于0.1 mg/L)，在第4天時突然降到0.05 mg/L，溶解氧的降低使得大多數好氧氣微生物死亡，有機物含量增加，從而使COD去除率降低，而第5天COD去除率顯著回升，表明由無氧呼吸為主的有機物降解作為主導過程進行。當煙草廢水稀釋至煙堿濃度為165 mg/L時，敞開時在第5天COD的去除率達到了90%。

圖2 COD去除率隨處理時間的變化

圖3 溶液pH值隨處理時間變化

圖4 密閉條件下溶解氧濃度隨處理時間的變化

3.3 煙堿去除率的變化

由于煙堿對微生物存在一定的生物毒性，因此活性污泥降解煙堿有一定的難度。由圖5可知，無論敞開和密閉條件，煙堿均能得到一定程度的降解，但是在敞開時，煙堿的去除率明顯高于密閉時，在煙堿濃度為85 mg/L時，活性污泥處理1 d時煙堿的去除率就達到了100%。相對于COD去除率的變化，煙堿的去除率在密閉和敞開時也具有相同的規律，主要表現為：敞開時煙堿的去除率隨著時間的延長持續增加，直到完全降解；密閉時前兩天表現為煙堿的去除率先變大后變小，由活性污泥Andrews模型[8]可知這主要是由于活性污泥的對煙堿的吸附作用，使煙堿在較短時間內得到高效率的去除，而隨著時間的延長，密閉時煙堿的去除效果不是很明顯，廢水中煙堿濃度為85 mg/L時5 d內只能去除50%的煙堿，當廢水中煙堿濃度的增大，煙堿的去除效率逐漸下降。兩種不同培養方式產生如此差異可能與該活性污泥中生物種類有關，該活性污泥中可能主要含有好氧性的活性污泥降解菌，當在密閉條件下培養時，好氧微生物死亡，厭氧微生物對煙堿的降解則成為主導過程，且該厭氧菌降解煙堿的效率較低。而在敞開條件下培養時，好氧微生物大量增殖，增加了煙堿的去除效率。廢水中煙堿的濃度在165 mg/L之內時，煙堿的降解效率最大，培養第1天時去除率就大于84%。由圖2和圖5可知，在密閉時煙堿去除率和COD去除率無明顯的相關性，而在敞開時則表現為正相關，說明敞開時煙堿的去除與COD的去除是一個同步進行的過程。

圖5 煙堿去除率隨處理時間的變化

4 結論

通過對活性污泥去除煙草廢水中COD和煙堿的研究，表明敞開條件下更有利于煙草加工廢水中COD和煙堿的去除。當廢水中煙堿的濃度低于165 mg/L時，城市活性污泥在2天內便能快速降解煙堿，降解率可達100%，而廢水中COD在第5天時能達到90%的去除率。對密閉和敞開兩種條件下活性污泥生長環境及其SVI值測定表明：上述兩種條件下均適合于活性污泥保持較高的生長活性。因此可利用城市活性污泥作為處理煙草加工廢水的生物來源，通過對其培養與馴化，可達到對煙草加工廢水中煙堿和COD較高的去除效果。

[1] 莫立煥,周志明,王玉峰. 造紙法煙草薄片廢水深度處理研究[J]. 中國造紙,2012,31(10):37-40.

[2] Bejankiwar, Rajesh S. Electrochemical treatment of cigarette industry wastewater: feasibility study[J]. Water Research,2002, 36(17): 4 386-4 390.

[3] 吳 暉, 向 菲, 官鈺希. 煙草廢水處理工藝技術研究[J]. 山西建筑,2012, 38(07):129-130.

[4] Civilini M, Domenis C, Sebastianutto N,etc. Nicotine decontamination of tobacco agro-industrial waste and its degradation by micro-organisms[J]. Waste management & research, 1997,15(04): 349-358.

[5] 儲志兵, 周新光, 水恒福, 等. 超聲提取-高效液相色譜法測定煙草中煙堿含量[J]. 化工技術與開發, 2007,36(02):46-48.

[6] 馬子川, 張素坤.COD測定儀用消解液的配制與應用[J]. 中國給水排水,2002,18(10):81-83.

[7] 王家玲. 環境微生物學[M]. 北京:高等教育出版社,2004:216-217.

[8] 盧培利, 張代鈞, 劉 穎, 等. 活性污泥法動力學模型研究進展和展望[J]. 重慶大學學報(自然科學版) ,2002,25(03):109-114.

[責任編校： 張 眾]

Effects of the different Activated Sludge Treatments of Tobacco Waste Water

WU Pan, XIA Min, PI Kewu, YANG Meichen, CHEN Shuyu ,YANG Xiong

(SchoolofResourceandEnvironmentalEngin.,HubeiUniv.ofTech.,Wuhan430068,China)

In this paper, activated sludge was used to treat tobacco waste water of different nicotine concentrations in closed and open ways. The results indicated that when the COD of tobacco wastewater ranged from 2000-10000 mg/L namely nicotine concentrations in the range of 85-420 mg/L, after five days the removal of COD reached 70% as well as nicotine which was removed completely in the open way. On the contrary, in the closed way, the COD removal was in the range of 28-78% and most nicotine also existed in the solution. The results also proved that when nicotine concentration was greater than 165 mg/L, it could make less effective for treatment of tobacco waste water because of inhibition of activated sludge.

activated sludge; tobacco wastewater; COD removal; nicotine

2014-09-11

吳 攀(1993-)， 男， 湖北廣水人，湖北工業大學本科生，研究方向為資源與環境工程

[作者簡介] 皮科武(1975-)，男，湖南益陽人，湖北工業大學副教授，研究方向水處理新技術與清潔生產

1003-4684(2015)01-0090-03

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