工業廢水污染生物高效降解處理技術研究

王天亮

關鍵詞：工業廢水；環狀有機化合物；生物反應器；生物降解處理

中圖分類號：X79 文獻標志碼：B

前言

工業廢水污染具備毒性大、難降解、結構復雜以及致突變、致癌、致畸等特性。在水污染控制中，工業廢水之所以成為一個難點，是由于其中有著大量的環狀有機化合物。這種化合物具有難處理、結構穩定、毒性大的特點，對其處理技術實施針對性研究有著重大的意義。傳統的化學法與物理法盡管有著較高的處理效率，然而化學法例如臭氧氧化、芬頓氧化等一般需要加入大量強氧化劑，存在二次污染的風險。而物理法如萃取、吸附等則無法完全消除污染物。通過生物處理技術能夠實現無害化的污染物處理，在去除難以降解的污染物時有著重要的地位，具備二次污染小、工藝成本低等突出優點。

對于工業廢水污染生物降解處理技術的研究，目前主要分為兩個方向：一個是好氧處理技術，另一個是厭氧處理技術。這兩種技術均存在一定問題，例如厭氧技術目前存在缺乏電子受體、電子有效利用難、電子傳遞效率低等問題，而傳統的好氧技術則存在生物質嚴重流失、缺乏活性降解生物源、污染物易揮發等問題，為解決以上問題，通過高效菌篩選與復合菌劑復配對現有工藝進行改進，針對工業廢水污染實施生物高效降解處理。

1材料與方法

1.1儀器及藥品選擇

在試驗中，需要的儀器包括TOC測量儀、高效液相色譜儀、電化學工作站等，試驗具體所需儀器為：米科傳感技術有限公司生產的KSH-100DS型號pH/ORP測量儀，美谷分子儀器制造公司生產的KSP-1型號酶標儀，至方泵業有限公司生產的RP-106型號蠕動泵，百趣生物醫學科技有限公司生產的PS-60型號基因測序儀器、賽默飛世爾科技有限公司生產的RH-2000PCR型號反應儀器，來影醫療科技有限公司生產的GC - MS型號氣相色譜儀，埃侖通用科技有限公司生產的YV3000型號離子色譜儀，聚創世紀環保科技有限公司生產的GER23型號真空干燥箱，捷呈實驗儀器有限公司生產的ESG53型號壓力蒸氣滅菌鍋，博大精科技實業有限公司生產的WR2型號恒溫磁力攪拌器，博大精科技實業有限公司生產的WER6型號離心機，博大精科技實業有限公司生產的EAT21型號超聲波數控清洗器，和泰儀器有限公司生產的GV34型號精密電子天平。

在試驗中，所需的藥品包括氫氧化鈉、硫酸亞鐵等，具體見表1。

綜合考慮工業廢水的實際水質指標以及微生物代寫生長對于生長因子、各種微量元素、各種礦物元素的需求，參考高效菌分離試驗時的無機鹽培養基濃度及元素組成以及其他工業廢水污染生物降解試驗，對本試驗中要使用的無機鹽培養液進行配置和微量元素營養溶液的配置。具體配置配方見表2。

表2中的配置配方含量為每1L蒸餾水中各溶液組成成分的含量。

1.2接種污泥與馴化方式

在某化工公司好氧污泥回流廢水處理系統中選取一些未馴化的活性污泥，該污泥具備較好的沉降性能，其混合液懸浮固體濃度約為9000mg/L，混合液揮發性懸浮固體濃度與混合液懸浮固體濃度的比值為0.67。

預處理選取的活性污泥，具體處理步驟如下：

（1）好氧空曝活性污泥，持續時間為24h；

（2）在離心機上以3000轉／分鐘的速度離心10分鐘；

（3）棄去上清液，并加入蒸餾水進行洗滌；

（4）攪拌均勻后再次離心，共重復3次該操作，以消除污泥中殘留及吸附的物質；

（5）使用7.0 pH值的磷酸鹽緩沖溶液稀釋清洗后的污泥，配制成混合液懸浮固體濃度為20 000 mg/L的濃縮污泥液。

在厭氧、好氧條件下將萘、喹啉、吡啶這三種環狀有機化合物作為碳源實施馴化培養，在馴化過程中以梯度形式增加底物濃度。

其中好氧條件下的馴化培養過程如下：

（1）在三個燒杯內分別加入無機鹽營養液與完成預處理的污泥濃縮液，將燒杯內的混合液懸浮固體濃度調節至1000 mg/L；

（2）在燒杯底部使用微孔曝氣頭實施曝氣供氧，將DO濃度控制在3～5mg/L；

（3）由低濃度開始逐級增加底物馴化濃度，由10 mg/L開始，每級增加10 mg/L，直到50 mg/L；

（4）靜置30 min，將1.5L上清液倒掉；

（5）補充新的營養液與底物，在冰箱中存放馴化污泥。

厭氧條件下的馴化培養過程如下：

（1）在容積為3.0L的帶塞玻璃瓶中完成馴化過程，在玻璃瓶中分別加入無機鹽營養液與完成預處理的污泥濃縮液，將玻璃瓶中的混合液懸浮固體濃度調節至1000 mg/L；

（2）添加NaN03溶液，將反應液的COD/NO₃^--N調節為8.0；

（3）玻璃瓶封口后放在恒溫磁力攪拌器上，通過低速轉動混合反應系統，污泥的單周期培養時間、馴化周期與馴化濃度與好氧條件下的馴化相同；

（4）結束培養后，靜置30 min，將1.5 L上清液倒掉；

（5）補充新的營養液、底物、NaNO₃液，在冰箱中存放馴化污泥。

1.3試驗裝置

使用生物強化連續流動態膜生物反應器作為試驗主要裝置，該反應器由動態膜生物反應器與連續流氣升式反應器兩個反應池體構成，二者的有效容積為1.6L、1.8L。采用折流擋板分隔兩個反應池體，經過折流擋板后，由于沉降速度不同絮凝污泥與顆粒污泥被分離，其中顆粒污泥將被保留，會返回連續流氣升式反應器中，而絮凝污泥與廢水則會被排放至動態膜生物反應器中。在動態膜生物反應器中，通過動態膜代替微濾膜與超濾膜，實現固液分離。在動態膜下方設置三個曝氣裝置。在連續流氣升式反應器中，于中部設置曝氣單元。通過蠕動泵將廢水導入連續流氣升式反應器，利用空氣流量計控制曝氣量。在恒溫水浴中運行生物反應器，控制溫度維持在30±2℃。

1.4高效菌篩選與復合菌劑復配

在活性污泥中分離提純多株特異性降解菌，通過降解實驗實施對比篩選，最終優選出3株高效細菌，分別為Pseudomonas sp. BC046（萘降解菌）、Pseudomona sp.BW004（喹啉降解菌）、Paracoccus sp.BWO01（吡啶降解菌）。在無機鹽培養液中復配3株高效細菌，比例為1：1：0.5，獲得復合菌劑N12。在活性污泥中加入復合菌劑。

2測試結果分析

2.1HRT對萘、喹啉、吡啶降解作用的影響

分別使用好氧條件下的馴化污泥與厭氧條件下的馴化污泥，利用生物反應器對某化工廠的工業廢水實施生物高效降解處理。為研究HRT對于萘、喹啉、吡啶降解作用的影響，DO保持不變，將生物反應器的HRT由24 h逐漸降低至12 h，使用檢測儀器測試出水后的萘、喹啉、吡啶濃度，在好氧和厭氧條件下的測試結果如表3所示。其中萘的濃度主要使用離子色譜儀、高效液相色譜儀、氣相色譜儀來測定；喹啉的濃度使用電子能譜X射線光分析儀、X射線衍射儀、場發射掃描電鏡、拉曼光譜儀來測定；吡啶的濃度使用pH/ORP測量儀、酶標儀、TOC測量儀來測定。

在好氧條件下可以看出，隨著HRT由24 h逐漸降低至12 h，萘、喹啉、吡啶濃度均大幅增加，說明在HRT為24 h時，萘、喹啉、吡啶降解作用最強，而隨著HRT逐漸下降，降解作用越來越弱。在厭氧條件下可以看出，隨著HRT由24 h逐漸降低至12 h，萘、喹啉、吡啶濃度同樣大幅增加，其中萘的濃度在最初高于好氧條件下的濃度，隨著HRT的下降，其濃度逐漸低于好氧條件下的濃度；喹啉的濃度始終高于好氧條件下的濃度，吡啶的濃度則始終低于好氧條件下的濃度。

2.2 DO對萘、喹啉、吡啶降解作用的影響

為研究DO對于萘、喹啉、吡啶降解作用的影響，HRT保持不變，將生物反應器的DO由0.1mg·L^-1逐漸增加至5 mg·L^-1，同樣使用檢測儀器測試出水后的萘、喹啉、吡啶濃度，好氧條件下的測試結果如圖1所示，厭氧條件下的測試結果見圖2。

圖1中的圓圈表示浮動值。據圖可知，在好氧條件下，隨著DO由0.1mg·L^-1逐漸增加至5 mg·L^-1，萘、喹啉、吡啶濃度均大幅下降，說明DO值越高，萘、喹啉、吡啶的降解作用最強，而隨著DO值逐漸升高，降解作用越來越弱。

圖2測試結果表明，在厭氧條件下隨著DO由0.1mg·L^-1逐漸增加至5 mg·L^-1，萘、喹啉、吡啶濃度同樣大幅下降，其中萘的濃度在最初高于好氧條件下的濃度，隨著DO的增加，其濃度逐漸與好氧條件下的濃度持平；喹啉與吡啶的濃度則始終低于好氧條件下的濃度。

3結束語

針對工業廢水污染的問題，設計了一種新的工業廢水污染生物降解處理技術，該處理技術明確了儀器及藥品選擇，給出接種污泥與馴化方式和試驗裝置，并且通過高效菌篩選與復合菌劑復配實現高效地降解。測試分析了好氧條件和厭氧條件下的萘、喹啉、吡啶三種環狀有機化合物的降解情況，得出在好氧條件下，隨著DO的增加，萘、喹啉、吡啶濃度均大幅下降，說明DO值越高，萘、喹啉、吡啶的降解作用越強，而在厭氧條件下隨著DO的增加，萘、喹啉、吡啶濃度大幅下降，其中萘的濃度逐漸與好氧條件下的濃度持平，而喹啉與吡啶的濃度則始終低于好氧條件下的濃度。結果表明該研究同時實現了三種環狀有機化合物的有效降解，可以應用于工業廢水污染處理。