超声波强化SBR处理黄连素制药废水

陈 琳

宿州职业技术学院农艺系，安徽宿州，234101



超声波强化SBR处理黄连素制药废水

陈 琳

宿州职业技术学院农艺系，安徽宿州，234101

为了提高对黄连素制药废水这类高浓度有机废水的处理效率，采集某制药厂黄连素生产工艺混合废水，通过室内模拟实验研究超声波对序批式活性污泥法(SBR)处理制药废水的促进作用。结果表明，超声波预处理的最佳实验条件：超声波频率设为600 W，超声波处理时间设为4 min。与单独使用SBR处理工艺相比，在最佳超声波处理条件下，超声波强化SBR处理黄连素制药废水出水中COD平均去除率从50.8%上升到92.3%，黄连素平均去除率从22.9%上升到91.9%。说明利用超声波对废水预处理，能够提高SBR工艺对废水的处理效率，有效处理黄连素制药废水。

制药废水；黄连素；超声波；SBR

黄连素是抗生素的一种，又称盐酸小檗碱，是具有多种药理学和生物学作用的一种异喹啉天然生物碱，分子式为C20H18NO4，化学结构式如图1所示[1]。目前，黄连素的生产主要有植物提取法和化学合成法。其中，化学合成法因为生产量大、生产效率高而被广泛应用。但在黄连素的化学合成中，会产生大量高浓度有机废水。由于废水中含有大量的黄连素，具有较强的生物毒性，所以直接用生物处理方法往往难以运行[2]；而单纯用物理、化学方法处理运行成本又高。因此，通过增加物化预处理过程，提高生物处理的效果是处理此类废水的重要方向。

图1 黄连素结构式

目前，国内外常用的物化预处理技术有气浮法[3]、电絮凝法[4]和高级氧化处理[5-6]等。其中，高级氧化法因其效率高、可提高废水可生化性等特点而被研究和应用[7]。与紫外线、热、电、Fenton处理等方法相比，超声波因其设备简单、处理效果好等优势而越来越受到关注。超声波处理废水中有机物的过程是一个物理化学过程，基于超声空化作用而形成的一系列变化，通过高温热解、自由基氧化、超临界水氧化以及声波机械效应等过程，实现废水中有机物的降解。已有研究表明，超声波处理能够有效降解染料废水、焦化废水、制药废水中的难降解有机污染物，提高废水可生化性[8-10]。因此，研究采用超声波处理技术对黄连素制药废水进行预处理，联合序批式活性污泥法(SBR)处理，探讨超声波联合SBR处理技术处理黄连素制药废水的可行性，可为工程实践提供参考。

1 材料与方法

1.1 实验材料

黄连素制药废水采自某制药厂黄连素生产工艺混合废水，主要污染物为黄连素，同时含有多种黄连素合成副产物，水质成分复杂，水样呈棕红色，浊度较高。废水理化性质分析结果如表1所示，呈强酸性，B/C为0.12，难于生物培养。

表1 黄连素制药废水理化性质

1.2 实验装置

如图2所示，实验装置由超声波发生控制器、超声波反应器和SBR反应器三部分构成。超声波反应器为南京先欧仪器制造有限公司生产的超声波细胞破碎仪，型号为XO-2500D，工作频率为20 kHz，可选变幅杆有Φ15 mm和Φ20 mm，可调超声波输出功率范围为100～1000 W。超声波反应器和SBR反应器分别是有效容积为5 L和20 L的圆柱形有机玻璃容器。

图2 实验装置示意图

1.3 实验方法

1.3.1 超声波处理实验

研究表明，pH为6.0～8.0时，SBR处理效果较好[11-13]，因此，设定进水pH值为7.0，在超声波实验前，用1 mol/L H2SO4溶液或1 mol/L NaOH溶液调节原水至所需pH值。通过控制条件，研究超声波声功率和作用时间对黄连素制药废水处理效果的影响。

取5 L废水加入超声波反应器中，将变幅杆没入水下3 cm，通过超声波发生控制器设定超声波功率为200 W，分别在实验开始的1、2、3、4、6和8 min取样，测定水中黄连素、CODcr及BOD5的含量。之后向超声波反应器中换入原水，在超声波功率为400、600、800和1000 W条件下重复实验过程，综合确定超声波处理的最佳声功率和作用时间。

1.3.2 超声波强化SBR处理实验

(1)污泥驯化。向SBR反应器中加入少量制药废水，再加入生活污水20 L，污水COD含量465±23 mg/L，氨氮含量35.5±1.1 mg/L，SS含量74.8±2.6 mg/L，污水pH为7.5±0.4，呈中性。污泥采自徐州某制药厂好氧生物处理设备活性污泥，放入反应器中，曝气处理，控制溶解氧在2～4 mg/L。待出水CODcr浓度稳定后，逐步增加反应器中制药废水的量。定期监测工艺进出水CODcr、污泥沉降比(SV30)和污泥体积指数(SVI)。最后，制药废水处理出水水质稳定，SV30稳定在18%左右，SVI稳定在65 mL/g左右，表示污泥驯化成功。

(2)超声波强化SBR处理黄连素制药废水。将制药废水置于超声波反应器中，在最佳处理条件下进行超声波处理。将处理后的黄连素废水排入SBR反应器，设定SBR运行周期为10 h，其中进水0.5 h，曝气反应时间为6 h，污泥沉降时间为1.5 h，出水时间为0.5 h，闲置时间为1.5 h。SBR反应系统温度稳定在20℃左右，MLSS为4.33～4.75 g/L。经SBR反应处理后，测定出水中黄连素、CODcr含量。同时，将未经超声波处理的废水进行SBR处理实验，根据实验结果对比评价超声波强化SBR处理黄连素废水的效果。

图3 超声波处理黄连素制药废水COD和黄连素去除率变化

1.4 样品测试

黄连素采用紫外分光光度法在340 nm处测定[14]。CODCr测定采用重铬酸钾法(GB/T 11914-1989)，BOD5测定采用稀释与接种法(HJ505-2009)，pH测定采用玻璃电极法(GB/T 6920-1986)。

2 结果与讨论

2.1 超声波处理黄连素制药废水

不同超声波功率和辐射时间下，黄连素废水处理出水CODcr和黄连素含量变化如图3所示。结果表明，单独使用超声波反应器处理黄连素废水有一定的效果，在实验设定条件下，当超声波功率为600 W时，废水CODcr和黄连素的去除率达到最高，分别为37.5%和83.4%。从图3中可以看出，实验前期，随着超声波处理时间的延长，出水中COD和黄连素去除率不断增加，之后趋于稳定，COD去除率甚至出现一定程度的降低。这是由于在超声波的作用下，水中有机污染物发生自由基氧化和高温热解反应，被分解形成二氧化碳和水，导致水中COD浓度下降；同时，随着处理时间的延长，水中自由基含量不断增大，在空化气泡产生和崩灭过程中形成的巨大剪切力和自由基的双重作用下，一些大分子有机物的碳碳键发生断裂，形成能被重铬酸钾氧化的小分子有机物，导致废水COD升高，COD去除率降低。

随着超声波频率的逐渐增加，出水COD和黄连素去除率呈先增大后减小的趋势变化，在400～600 W的范围内，超声波处理黄连素废水的效果较好。在超声波频率为200 W时，水中形成的自由基浓度较低，制药废水中难降解有机污染物很难得到去除；之后，随着超声波频率的增加，水中羟基自由基的浓度也逐渐增加[15]，促进水中有机污染物的降解，水中COD和黄连素去除率增大。当超声波频率继续增大超过600 W时，水中有机污染物的去除率反而逐渐降低，这主要是由于过高的超声波频率导致大量的空化气泡产生，进而导致超声波的传播被屏蔽，系统可利用的声能量降低[16]，降解速率下降。

从图3中可以看出，当超声波频率为400～600 W时，处理时间延长能够有效去除水中有机污染物，但是由于长时间的超声波处理会导致废水水温过高，不利于后续生物反应器中反应进行，同时结合表2所示的BOD分析结果，在超声频率为600 W，处理时间为4 min时，出水B/C已达到0.33，可用于生化处理，因此，选择超声波处理最佳条件为：初始pH为7，超声波频率为600 W，超声处理时间为4 min。

表2 出水BOD检测结果

2.2 超声波强化SBR处理黄连素制药废水

由表3可知，在黄连素制药废水处理中，单独的SBR处理工艺对黄连素制药废水COD的去除效果并不理想，特别是黄连素的平均去除率仅达到22.9%，不能满足废水排放要求，主要由于一方面水中黄连素的存在抑制了SBR处理系统中微生物的活性，导致微生物对有机污染物的降解缓慢[17]；另一方面制药废水中含有大量难以生物降解的大分子有机污染物，在短时间内很难被大量降解[18]。超声波强化SBR处理工艺优于单独的SBR处理工艺，COD和黄连素去除率平均为92.3%和91.9%。由于超声波的作用，废水中大分子有机物被分解成易于生物降解的小分子有机物，经生物处理后被彻底降解。综合分析可以看出，超声波强化SBR处理工艺能够去除废水中黄连素等有机污染物，为黄连素制药废水处理提供依据。

表3 不同处理方式对出水污染物去除率的影响

3 结 论

采集某制药厂黄连素生产工艺混合废水，利用超声波强化SBR处理工艺对制药废水进行处理，结果表明，在设定废水初始pH值为7的条件下，超声波预处理的最佳实验条件为：超声波频率为600 W，超声波处理时间为4 min，COD和黄连素去除率分别为32.7%和71.5%，废水B/C由0.12上升到0.33。在最佳超声波处理条件下，超声波强化SBR处理黄连素制药废水出水中COD和黄连素去除率平均为92.3%和91.9%，表明对于实际废水而言，超声波强化SBR处理工艺是一种有效的处理技术。

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(责任编辑：汪材印)

10.3969/j.issn.1673-2006.2016.06.030

2016-02-22

安徽省高等学校省级自然科学研究一般项目“皖北地区发展生态工业园区模式的研究”(KJ2013B294)。

陈琳(1974-)，女，安徽灵璧人，硕士，讲师，主要研究方向：环境生态学。

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