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考察双氧水协同生化法对实际印染废水处理效果

发布时间:2018-8-6 9:50:59  中国污水处理工程网

  纺织印染行业是重要的民生产业,但同时又是典型的重污染行业,其主要污染物为印染废水,其中包含大量难降解的有机物、染料、助剂、表面活性剂、碱、有机卤化物(AOX)等,可生化性差,并且近年来随着纺织印染行业的技术创新,新型合成染料和助剂被大量应用,从而使得印染废水水质更加复杂,处理难度也进一步加大,传统单一的生化法很难适应当前需要。物化法可以快速高效降解多种生化法难以降解的污染物,但其相对高昂的处理成本降低了其单独应用的可行性,而将物化法与生化法进行恰当的工艺组合是目前印染废水处理技术研究和应用的热点之一。

  双氧水是一种常用的高级氧化剂,一般情况下对微生物活性有破坏作用,通常是将其与铁盐等催化剂组合,作为单独的物化处理单元,被广泛应用于包括芬顿、光助芬顿、电芬顿以及UV/H2O2等工艺在内的高级氧化法处理印染废水的研究中,均取得了良好的效果。

  本实验采用了不同于以往的尝试,研究双氧水协同生化法的工艺对印染废水的处理效果,前期工作已证明在严格控制双氧水投加浓度和投加速度等参数的条件下,该工艺可以有效强化模拟印染废水中主要污染物(COD,氨氮,色度)的处理效果,且从微观层面研究了协同体系的微生物群落结构特征。微生物是生化反应的主体,其中的优势菌群在生化系统运行的不同阶段均起到重要的作用,因此对生化系统中微生物菌群特征的评估也显得尤为必要。此前研究表明,微生物菌群结构和多样性取决于生化处理系统中多种因素的驱动作用,相应地,微生物群落结构和多样性的变化也会影响生化反应器的性能,但目前针对物化法和生化法组合工艺的研究中,深入分析物化药剂的投加对于微生物菌群结构直接影响的报道还较少。

  本实验在前期工作的基础上,考察双氧水协同生化法对实际印染废水的处理效果,并比较了双氧水协同生化处理体系与完全生化处理体系的微生物菌群结构差异,以期为双氧水协同生化法的实际应用提供参考。

  1 材料与方法

  1.1 实验废水水质及接种污泥

  本实验前期污泥培养及驯化所用的废水有2种,培养初期先采用模拟印染废水,之后再逐步替换成实际废水。其中模拟废水主要成分为聚乙烯醇、葡萄糖、淀粉、碳酸铵、磷酸二氢钾、染料活性黑5,主要水质参数为:COD 800 mg·L−1,氨氮10 mg·L−1, 色度约400 倍,pH 8.5。

  所用的实际印染废水取自广州市某针织印染企业调节池。该废水成分复杂,其中含有多种纤维杂质、碱、染料及助剂等,综合水质如下:COD 400~700 mg·L−1,氨氮 5~20 mg·L−1,色度 300 倍左右,pH 8.0~9.0,水温约45 °C,本实验进水前先冷却至常温。

  所用双氧水为市售质量浓度为30%的双氧水溶液,使用前先稀释至合适浓度。本实验室中投加的双氧水浓度参考前期研究工作确定为3 mL·L−1。

  接种污泥取自广州市某市政废水处理厂二沉池剩余污泥,先静置2 h浓缩,取下层浓缩污泥空曝3 d,消耗掉污泥中残余有机物,之后将污泥浓度调节至约10 000 mg·L−1,备用。

  1.2 实验装置

  本研究在2套结构相同的装置(分别命名为2#系统和3#系统)中对照完成,单套系统的结构如图1所示。主体包括蓄水槽、水解酸化反应器(A段)、接触氧化反应器(O段)、曝气系统、进出水蠕动泵。其中2个圆柱形反应器为有机玻璃材质,内径均为10 cm,高度380 cm,有效容积为3 L,外层包裹2.5 cm厚水浴保温层,每个反应器中均悬挂相同数量的组合填料作为污泥载体。

  图1 实验装置示意图

  1.3 实验方法与流程

  1.3.1 污泥培养与驯化步骤

  1)制备4 串相同的组合填料,分别固定在2#系统的水解酸化反应器(2-A体系),2#系统的接触氧化反应器(2-O体系)以及3#系统的水解酸化反应器(3-A体系)和3#系统的接触氧化反应器(3-O体系)中,然后将1.1中准备好的浓缩污泥搅拌均匀,依次倒入4个反应器中,每个反应器内初始污泥量均为3 L。

  2)同步启动2#系统和3#系统,连续进入模拟印染废水,每个反应器的停留时间均设定为12 h,体系温度均控制在30 °C,处理量均为6 L·d−1,2-O和3-O体系的DO均控制在5.5~6.0 mg·L−1之间。经为期4个月运行后,2套系统出水都达到基本稳定的状态。

  3)保证进水流量不变,采用阶梯式增加实际废水体积并减少模拟废水体积的方式,在3个月内将2套系统的进水由100%模拟废水逐步调整为100%实际废水,中间调整期具体水质比例变化如下:10%实际废水与90%模拟废水混合→30%实际废水与70%模拟废水混合→50%实际废水与50%模拟废水混合→80%实际废水与20%实际废水混合。每种水质条件运行时间为15 d左右,以上所有调整在2套系统中始终保持同步进行。

  以上步骤仅为污泥培养与驯化环节,水质数据不作为本实验分析内容。

  1.3.2 双氧水协同生化处理实际印染废水的实验研究

  阶段Ⅰ(第1~50天):将2套系统进水调整为100%实际印染废水后,为稳定进水条件,第11 天开始用浓硫酸将2套系统进水pH均调节至6.0~6.5之间,运行50 d之后2套系统出水水质基本稳定。

  阶段Ⅱ(第51~84天):从第51天开始进行双氧水协同生化处理实际印染废水的实验。为更直观地比较双氧水协同的效果,将2#系统定为空白对照组(即不加双氧水,维持阶段Ⅰ的各项运行条件不变),仅向3-A体系定时定量投加双氧水。

  本实验中的双氧水投加量和投加频率确定如下:浓度为3 mL·L−1的双氧水溶液100.0 mL,投加速度为1.67 mL·min−1,投加频率1 次·d−1。投加过程中连续监测3-A 的溶解氧(DO)浓度,另外每天取样检测2套系统各工艺段进出水水质[14]。

  以上运行过程中2套系统的进水水质均完全相同。

  1.4 取样及分析方法

  每天取2套系统中各体系的进出水分析(因2套系统进水水质完全相同,所以进水只取一个样品),具体水质指标和分析方法如表1所示。

  表1 水质指标及分析方法

  1.5 基于 Illumina平台的16S rDNA 宏基因组测序

  阶段Ⅱ运行的过程中(第70天),在体系2-A、2-O、3-A、3-O内填料上各取1个污泥样品,经浓缩和前处理后,采用16S rDNA高通量测序法[14],分析各污泥样品中微生物菌群的种类分布情况。

  2 结果与讨论

  2.1 反应体系pH变化情况分析

  pH是废水生化处理的重要工艺参数,常规水解酸化工艺适合的pH范围较宽,一般在6.5~7.5之间[19]。而对于印染废水生化处理体系,当pH高于微生物等电点时,碱性染料会对微生物的活性造成较强抑制[20]。综合考虑以上影响,并且为了稳定进水水质,本实验经过探索实验后,从第11天开始将进水pH调节为6.0~6.5之间,各体系运行过程中进出水pH变化如图2所示,在阶段Ⅰ和阶段Ⅱ运行期间,2-A体系和3-A体系出水pH均分布在7.5~8.6之间,体系内部呈中性偏弱碱性环境,2-O和3-O体系出水相比水解酸化体系均略有升高,为7.6~8.7之间。

  图2 各反应体系pH变化

  2.2 反应体系中COD去除情况对比分析

  如图3(a)所示,阶段Ⅰ内2套系统出水的COD变化趋势基本相同,当阶段Ⅱ开始(第51天)向3-A体系定时投加双氧水后, 3-A体系出水COD从阶段Ⅰ期间略低于2-A体系的状态转变为高于后者,且高出幅度在10~40 mg·L−1之间,而3-O体系出水COD和2-O体系出水COD仍然基本相同;与之对应的图3(b)中,阶段Ⅱ开始后3-A体系的COD去除率从阶段Ⅰ期间略高于2-A体系的趋势转变为低于后者,而3-O体系COD去除率则>2-O体系COD去除率。以上变化是由于3-A体系pH呈弱碱性,而双氧水在碱性环境中不太稳定[10,21],会发生分解反应,分解产物包括羟基自由基、过氧羟基自由基(HO2·)、氧气和水[22] 。其中羟基自由基可以非选择性地与废水中的大多数有机化合物通过氢键取代和碳碳单键的加成迅速发生反应[23],破坏其分子结构,而产生的微量氧气则有助于水解酸化体系中兼性菌的繁殖和代谢,促进水解过程[24-25],进一步提高废水的可生化性,从而有利于后续好氧生化处理,所以阶段Ⅱ内3-O体系的COD去除率>2-O体系的COD去除率;另外上述水解作用主要体现在促进污染物的形态转化,而不是完全去除,这可能是阶段Ⅱ投加双氧水后3-A体系的COD去除率低于2-A体系的COD去除率的原因。此外,对比阶段Ⅱ2套系统的最终COD总体去除率基本持平,均在60%~70%之间波动,因此,后续还需要对体系pH及双氧水投加量等工艺参数进行优化,进一步强化双氧水协同生化处理系统整体对COD的去除效果。

  图3 各反应体系中COD去除情况对比

  2.3 反应体系中氨氮去除情况对比分析

  从图4(a)可以看出,在整个实验进行过程中,实际印染废水进水氨氮浓度波动较大,范围在3.7~18.6 mg·L−1之间,图4(b)中2套系统的水解酸化(A)体系出水氨氮浓度和去除率也一直随进水波动,并且2-A体系与3-A体系氨氮去除率大部分情况下为负值。其中阶段Ⅰ内,2-A体系出水氨氮去除率在−60%~+36%之间,平均为−11.3%,3-A体系氨氮去除率在−35%~+38%之间,平均为−5.8%;主要是因为本实验所用的实际印染进水中含有大量有机氮(比如偶氮染料,含氮有机助剂尿素等),这些有机氮需要先通过氨化作用转化为自养微生物可以利用的氨氮[26],从而使得水解酸化段出水中氨氮浓度升高,去除率为负值,良好的氨化反应是后续脱氮过程的前提和保证[27];阶段Ⅱ向3-A体系投加双氧水后,其氨氮去除率高于对照组2-A体系,其中前者在-93%~+8.5%之间,平均为−18.4%,后者在−103%~+9.2%之间,平均为−34%,减轻了后续接触氧化段的氨氮处理压力,这也印证了此前研究人员[28]关于适量的双氧水可以增加污水中含氧量,从而提高氨氮去除效果的研究结论。另外2套系统的2-O和3-O体系在2个阶段内去除效果均较为稳定,且去除率都接近100%,说明本实验组合工艺具有良好的抗氨氮冲击能力。

  图4 各反应体系氨氮去除情况

  2.4 反应体系中色度去除情况对比分析

  从阶段Ⅰ第11天开始,用稀释倍数法定期测定(平均间隔2 d测定1次)各体系进出水色度,结果如图5所示。阶段Ⅱ向3-A投加双氧水之后,3-A体系出水色度相比2-A体系波动较大,基本在125~150 倍之间,既有高出2-A色度的情况,也有低于2-A色度的情形,但3-O和2-O体系出水色度仍然保持基本相同,在100~125 倍之间。

  图5 各反应体系色度去除情况对比

  本实验中实际印染废水的色度由多种染料混合产生,且染料种类随生产工艺不同随时变化,主要为偶氮类染料,均属于芳香族化合物。在生化处理体系中,芳香族化合物在厌氧和有氧的条件下都可以被生物降解脱色,其中偶氮染料的生物脱色主要在厌氧条件下进行,其分解需要2步[29]:第1步是在厌氧条件下发色基团偶氮键获得电子,被裂解成无色的中间代谢产物(如苯胺等),第2步是在有氧条件下中间代谢产物被进一步降解;因此,当进水中偶氮染料占比较大时,将双氧水加入水解酸化体系后,其分解产物之一——羟基自由基的强氧化作用可以促进偶氮染料的化学降解,但另一产物——氧气也可能会和发色基团争夺电子,从而阻碍微生物对偶氮键的裂解过程[29-30]。所以后续还需要对体系的pH以及双氧水的投加量等参数进行进一步的优化,以期将双氧水分解的各种产物控制在合适的范围,进一步提高协同体系对色度的去除效果。

  2.5 反应体系内微生物菌群的宏基因组16S rDNA 测序对比分析

  为了更深入地分析双氧水投加对完全生化处理系统的影响,本实验在阶段Ⅱ运行期间(第70天),分别取双氧水协同生化体系(3-A,3-O)以及完全生化处理对照体系(2-A,2-O)的污泥样品,采用宏基因组16S rDNA测序法, 对这些样品进行微生物聚类与多样性分析,并对各样品中的微生物具体种类进行了鉴定和解析。

  2.5.1 各体系内微生物聚类与Alpha多样性对比分析

  稀释曲线通常与覆盖度指数结合使用来评价测序量是否足以覆盖所有类群,其中稀释曲线还可以间接反映样品中物种的丰富程度,当曲线趋于平缓或者达到平台期时就可以认为测序深度已经基本覆盖到样品中所有的物种。而覆盖度指数的数值越大,则表明样本中序列没有被测出的概率越低,本次测序代表样本真实性的程度越高。结合图6中的稀释曲线和表2中的各样品覆盖度指数可知,本次测序对本实验各污泥样品中微生物种类的覆盖度均较高,可以反映各样品中物种分布的真实情况。具体联系污水宝或参见http://www.dowater.com更多相关技术文档。

  图6 各污泥样本测序稀释曲线

  表2 各反应体系中微生物种群多样性指数

  而表2中的可操作分类单元数目(OTU )为微生物聚类分析指标,每一个OTU通常被视为一个微生物物种,体系中OTU 数值越大,表明微生物物种越丰富;而Chao1指数、Shannon指数和Simpson指数均为微生物α多样性的常用度量指标,Chao1值越大,代表样品中物种总数越多;Shannon值和Simpson值越大,表明样品的物种多样性越高。比较本实验中各样品的OTU数目及α多样性指数,可以看出投加双氧水的3-A体系和未投加双氧水的2-A体系中微生物的物种总数基本相同,但后续2套接触氧化体系中微生物种类多样性差异显著,其中3-O体系物种多样性远小于2-O体系,说明3-O体系内的微生物种类趋于集中。

  2.5.2 反应体系内微生物菌群结构对比分析

  本实验中所有污泥样品的微生物在门水平(丰度>1%)的种类分布情况如图7所示。对比可以发现,双氧水的投加对于生化处理体系的微生物种群类型和丰度都有显著影响。其中投加双氧水的3-A体系污泥样品共检出46个菌门,其中的绝对优势菌门为Proteobacteria(变形菌)和Bacteroidetes(拟杆菌),这也与LI等 [31]之前对印染废水处理体系中微生物优势菌群的分析结果类似。并且3-A体系中2个优势菌门的丰度分别为36%和18.6%,均高于对照组未投加双氧水的2-A体系中相同优势菌门的丰度值。而3-O体系污泥样品则共检出33个菌门,相比3-A体系菌群类别大幅减少,其中丰度大于1%的菌门所占总比例高达94.8%。从具体种类来看,数量最多的依然是Proteobacteria(变形菌),但其丰度相比对照组2-O体系中Proteobacteria的丰度低近10%;此外3-O体系中位居第2的则是比例高达15%的Nitrospirae(硝化螺旋菌),其相对丰度是对照组2-O体系中Nitrospirae丰度的3倍。

  图7 反应体系内微生物菌群组成对比(门水平)

  以上结果表明,双氧水的投加可以直接影响水解酸化体系中微生物的菌群数量,洗脱部分厌氧菌,促进优势菌门Proteobacteria(变形菌)和Bacteroidetes(拟杆菌)的富集,有研究[32]报道拟杆菌和厚壁菌广泛存在于染料废水的处理体系中,对于染料脱色有一定强化作用。此外双氧水加入对后续的接触氧化体系中微生物菌群种类和数量均有影响,不仅有助于洗脱接触氧化体系中的部分非优势菌,且可以刺激Nitrospirae(硝化螺旋菌)的生长,Nitrospirae是一类革兰氏阴性细菌,为重要的亚硝酸盐氧化菌,其中的 Nitrospira(硝化螺旋菌属) 为硝化细菌,可将亚硝酸盐氧化成硝酸盐,从而促进脱氮。(来源:环境工程学报 作者:唐嘉丽)

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