工业废水污染生物高效降解处理技术研究

王天亮

关键词：工业废水；环状有机化合物；生物反应器；生物降解处理

中图分类号：X79 文献标志码：B

前言

工业废水污染具备毒性大、难降解、结构复杂以及致突变、致癌、致畸等特性。在水污染控制中，工业废水之所以成为一个难点，是由于其中有着大量的环状有机化合物。这种化合物具有难处理、结构稳定、毒性大的特点，对其处理技术实施针对性研究有着重大的意义。传统的化学法与物理法尽管有着较高的处理效率，然而化学法例如臭氧氧化、芬顿氧化等一般需要加入大量强氧化剂，存在二次污染的风险。而物理法如萃取、吸附等则无法完全消除污染物。通过生物处理技术能够实现无害化的污染物处理，在去除难以降解的污染物时有着重要的地位，具备二次污染小、工艺成本低等突出优点。

对于工业废水污染生物降解处理技术的研究，目前主要分为两个方向：一个是好氧处理技术，另一个是厌氧处理技术。这两种技术均存在一定问题，例如厌氧技术目前存在缺乏电子受体、电子有效利用难、电子传递效率低等问题，而传统的好氧技术则存在生物质严重流失、缺乏活性降解生物源、污染物易挥发等问题，为解决以上问题，通过高效菌筛选与复合菌剂复配对现有工艺进行改进，针对工业废水污染实施生物高效降解处理。

1材料与方法

1.1仪器及药品选择

在试验中，需要的仪器包括TOC测量仪、高效液相色谱仪、电化学工作站等，试验具体所需仪器为：米科传感技术有限公司生产的KSH-100DS型号pH/ORP测量仪，美谷分子仪器制造公司生产的KSP-1型号酶标仪，至方泵业有限公司生产的RP-106型号蠕动泵，百趣生物医学科技有限公司生产的PS-60型号基因测序仪器、赛默飞世尔科技有限公司生产的RH-2000PCR型号反应仪器，来影医疗科技有限公司生产的GC - MS型号气相色谱仪，埃仑通用科技有限公司生产的YV3000型号离子色谱仪，聚创世纪环保科技有限公司生产的GER23型号真空干燥箱，捷呈实验仪器有限公司生产的ESG53型号压力蒸气灭菌锅，博大精科技实业有限公司生产的WR2型号恒温磁力搅拌器，博大精科技实业有限公司生产的WER6型号离心机，博大精科技实业有限公司生产的EAT21型号超声波数控清洗器，和泰仪器有限公司生产的GV34型号精密电子天平。

在试验中，所需的药品包括氢氧化钠、硫酸亚铁等，具体见表1。

综合考虑工业废水的实际水质指标以及微生物代写生长对于生长因子、各种微量元素、各种矿物元素的需求，参考高效菌分离试验时的无机盐培养基浓度及元素组成以及其他工业废水污染生物降解试验，对本试验中要使用的无机盐培养液进行配置和微量元素营养溶液的配置。具体配置配方见表2。

表2中的配置配方含量为每1L蒸馏水中各溶液组成成分的含量。

1.2接种污泥与驯化方式

在某化工公司好氧污泥回流废水处理系统中选取一些未驯化的活性污泥，该污泥具备较好的沉降性能，其混合液悬浮固体浓度约为9000mg/L，混合液挥发性悬浮固体浓度与混合液悬浮固体浓度的比值为0.67。

预处理选取的活性污泥，具体处理步骤如下：

（1）好氧空曝活性污泥，持续时间为24h；

（2）在离心机上以3000转／分钟的速度离心10分钟；

（3）弃去上清液，并加入蒸馏水进行洗涤；

（4）搅拌均匀后再次离心，共重复3次该操作，以消除污泥中残留及吸附的物质；

（5）使用7.0 pH值的磷酸盐缓冲溶液稀释清洗后的污泥，配制成混合液懸浮固体浓度为20 000 mg/L的浓缩污泥液。

在厌氧、好氧条件下将萘、喹啉、吡啶这三种环状有机化合物作为碳源实施驯化培养，在驯化过程中以梯度形式增加底物浓度。

其中好氧条件下的驯化培养过程如下：

（1）在三个烧杯内分别加入无机盐营养液与完成预处理的污泥浓缩液，将烧杯内的混合液悬浮固体浓度调节至1000 mg/L；

（2）在烧杯底部使用微孔曝气头实施曝气供氧，将DO浓度控制在3～5mg/L；

（3）由低浓度开始逐级增加底物驯化浓度，由10 mg/L开始，每级增加10 mg/L，直到50 mg/L；

（4）静置30 min，将1.5L上清液倒掉；

（5）补充新的营养液与底物，在冰箱中存放驯化污泥。

厌氧条件下的驯化培养过程如下：

（1）在容积为3.0L的带塞玻璃瓶中完成驯化过程，在玻璃瓶中分别加入无机盐营养液与完成预处理的污泥浓缩液，将玻璃瓶中的混合液悬浮固体浓度调节至1000 mg/L；

（2）添加NaN03溶液，将反应液的COD/NO₃^--N调节为8.0；

（3）玻璃瓶封口后放在恒温磁力搅拌器上，通过低速转动混合反应系统，污泥的单周期培养时间、驯化周期与驯化浓度与好氧条件下的驯化相同；

（4）结束培养后，静置30 min，将1.5 L上清液倒掉；

（5）补充新的营养液、底物、NaNO₃液，在冰箱中存放驯化污泥。

1.3试验装置

使用生物强化连续流动态膜生物反应器作为试验主要装置，该反应器由动态膜生物反应器与连续流气升式反应器两个反应池体构成，二者的有效容积为1.6L、1.8L。采用折流挡板分隔两个反应池体，经过折流挡板后，由于沉降速度不同絮凝污泥与颗粒污泥被分离，其中颗粒污泥将被保留，会返回连续流气升式反应器中，而絮凝污泥与废水则会被排放至动态膜生物反应器中。在动态膜生物反应器中，通过动态膜代替微滤膜与超滤膜，实现固液分离。在动态膜下方设置三个曝气装置。在连续流气升式反应器中，于中部设置曝气单元。通过蠕动泵将废水导入连续流气升式反应器，利用空气流量计控制曝气量。在恒温水浴中运行生物反应器，控制温度维持在30±2℃。

1.4高效菌筛选与复合菌剂复配

在活性污泥中分离提纯多株特异性降解菌，通过降解实验实施对比筛选，最终优选出3株高效细菌，分别为Pseudomonas sp. BC046（萘降解菌）、Pseudomona sp.BW004（喹啉降解菌）、Paracoccus sp.BWO01（吡啶降解菌）。在无机盐培养液中复配3株高效细菌，比例为1：1：0.5，获得复合菌剂N12。在活性污泥中加入复合菌剂。

2测试结果分析

2.1HRT对萘、喹啉、吡啶降解作用的影响

分别使用好氧条件下的驯化污泥与厌氧条件下的驯化污泥，利用生物反应器对某化工厂的工业废水实施生物高效降解处理。为研究HRT对于萘、喹啉、吡啶降解作用的影响，DO保持不变，将生物反应器的HRT由24 h逐渐降低至12 h，使用检测仪器测试出水后的萘、喹啉、吡啶浓度，在好氧和厌氧条件下的测试结果如表3所示。其中萘的浓度主要使用离子色谱仪、高效液相色谱仪、气相色谱仪来测定；喹啉的浓度使用电子能谱X射线光分析仪、X射线衍射仪、场发射扫描电镜、拉曼光谱仪来测定；吡啶的浓度使用pH/ORP测量仪、酶标仪、TOC测量仪来测定。

在好氧条件下可以看出，随着HRT由24 h逐渐降低至12 h，萘、喹啉、吡啶浓度均大幅增加，说明在HRT为24 h时，萘、喹啉、吡啶降解作用最强，而随着HRT逐渐下降，降解作用越来越弱。在厌氧条件下可以看出，随着HRT由24 h逐渐降低至12 h，萘、喹啉、吡啶浓度同样大幅增加，其中萘的浓度在最初高于好氧条件下的浓度，随着HRT的下降，其浓度逐渐低于好氧条件下的浓度；喹啉的浓度始终高于好氧条件下的浓度，吡啶的浓度则始终低于好氧条件下的浓度。

2.2 DO对萘、喹啉、吡啶降解作用的影响

为研究DO对于萘、喹啉、吡啶降解作用的影响，HRT保持不变，将生物反应器的DO由0.1mg·L^-1逐渐增加至5 mg·L^-1，同样使用检测仪器测试出水后的萘、喹啉、吡啶浓度，好氧条件下的测试结果如图1所示，厌氧条件下的测试结果见图2。

图1中的圆圈表示浮动值。据图可知，在好氧条件下，随着DO由0.1mg·L^-1逐渐增加至5 mg·L^-1，萘、喹啉、吡啶浓度均大幅下降，说明DO值越高，萘、喹啉、吡啶的降解作用最强，而随着DO值逐渐升高，降解作用越来越弱。

图2测试结果表明，在厌氧条件下随着DO由0.1mg·L^-1逐渐增加至5 mg·L^-1，萘、喹啉、吡啶浓度同样大幅下降，其中萘的浓度在最初高于好氧条件下的浓度，随着DO的增加，其浓度逐渐与好氧条件下的浓度持平；喹啉与吡啶的浓度则始终低于好氧条件下的浓度。

3结束语

针对工业废水污染的问题，设计了一种新的工业废水污染生物降解处理技术，该处理技术明确了仪器及药品选择，给出接种污泥与驯化方式和试验装置，并且通过高效菌筛选与复合菌剂复配实现高效地降解。测试分析了好氧条件和厌氧条件下的萘、喹啉、吡啶三种环状有机化合物的降解情况，得出在好氧条件下，随着DO的增加，萘、喹啉、吡啶浓度均大幅下降，说明DO值越高，萘、喹啉、吡啶的降解作用越强，而在厌氧条件下随着DO的增加，萘、喹啉、吡啶浓度大幅下降，其中萘的浓度逐渐与好氧条件下的浓度持平，而喹啉与吡啶的浓度则始终低于好氧条件下的浓度。结果表明该研究同时实现了三种环状有机化合物的有效降解，可以应用于工业废水污染处理。