廢水的抑制效應研究

　　酚類(lèi)化合物是重要的化工原料和中間體，也是常見(jiàn)的水溶性有機污染物，其廣泛存在于石油化工、 煤氣、 木材纖維、 焦化、 冶金、 農藥、 機械制造、 塑料、 化學(xué)有機合成工業(yè)、 醫藥、 油漆等工業(yè)排出的廢水中[1, 2, 3, 4, 5]. 典型的魯奇煤化工廢水可生化性?xún)H為0.28左右，酚濃度高達1 000～5 500 mg·L-1，氨氮濃度為350～900 mg·L-1[6, 7, 8, 9]. 所以，對于煤化工廢水生物處理而言，除酚和脫氮都是關(guān)鍵任務(wù).

　　鑒于硝化菌對毒性有機物的抑制較為敏感，目前人們對酚類(lèi)抑制硝化效率的研究較為廣泛[10, 11, 12]. 但在傳統缺氧-好氧脫氮過(guò)程中，煤化工廢水中的高負荷酚直接沖擊缺氧脫氮單元，進(jìn)而影響原水中有機物和總氮的去除，缺氧反硝化單元對酚類(lèi)負荷的去除效率，也是緩解好氧硝化單元受酚類(lèi)污染物抑制的關(guān)鍵所在. 因此，關(guān)注高負荷酚對反硝化過(guò)程的影響及提出解決方案至關(guān)重要[13]. Zhuang等[14]在苯酚與甲醛共存的系統中，考察了苯酚負荷對反硝化效率的影響. 結果表明，當苯酚濃度增加到1 010 mg·L-1時(shí)，對反硝化效率產(chǎn)生了嚴重的抑制作用. 韋余芳[15]研究了含氮酚類(lèi)廢水缺氧反硝化生物降解特性，結果表明,不同進(jìn)水濃度的苯酚在開(kāi)始的一段時(shí)間內的缺氧降解速率不同，苯酚濃度越高，缺氧降解速率越慢，表明酚類(lèi)負荷與其對反硝化過(guò)程的抑制效應呈正相關(guān)關(guān)系.

　　魯奇氣化爐廢水COD為2 000~25 000 mg·L-1，其中酚類(lèi)物質(zhì)濃度為1 000~5 500 mg·L-1，為COD的主要構成部分，大約占COD濃度的30%~60%[16]. 雖然，原水中也含有雜環(huán)和多環(huán)類(lèi)有機物，但比例較酚類(lèi)物質(zhì)顯著(zhù)較低. 因此，本研究以“酚類(lèi)負荷對煤化工廢水反硝化效率的影響”作為考察重點(diǎn).

　　1 材料與方法 1.1 試驗裝置

　　本試驗采用缺氧反硝化裝置，試驗裝置如圖 1所示. 缺氧反硝化池選用有效容積為10 L的容器，頂部加裝攪拌器進(jìn)行攪拌，保證系統內活性污泥處于充分混勻狀態(tài). 為避免COD不足對反硝化脫氮效率的限制，按照COD與NO3--N質(zhì)量比為5∶1的標準，在缺氧反硝化池進(jìn)水中補加硝酸鈉(NaNO3).

　　圖 1 缺氧反硝化池

　　1.2 分析方法

　　試驗中測定水質(zhì)所用的分析方法均按照文獻[17].

　　2 結果與討論 2.1 酚類(lèi)化合物對反硝化脫氮效率的影響 2.1.1 不同初始濃度總酚對反硝化脫氮效率的影響

　　選擇缺氧單元活性污泥裝置，進(jìn)水以實(shí)際煤化工廢水按照COD和總酚濃度從低到高共4種水質(zhì)組合，分別為：①COD 300~350 mg·L-1、 總酚50 mg·L-1，②COD 500 mg·L-1、 總酚80~100 mg·L-1，③COD 1 100mg·L-1、 總酚190~200mg·L-1，④COD 2 500mg·L-1、 總酚300mg·L-1. 另外，為避免氮不足對反硝化脫氮效率的限制，按照COD與NO3--N質(zhì)量比為5∶1的標準，在各缺氧反應器進(jìn)水中補加硝酸鈉(NaNO3). 控制缺氧反應器HRT和SRT分別為15 h和50 d，MLSS為3 000 mg·L-1左右，采用機械攪拌混合. 為考察總酚的不同初始濃度對反硝化脫氮效率的影響，測定上述4種進(jìn)水情況下的COD、 總酚、 硝酸鹽氮去除情況，每個(gè)階段運行100 d，結果如圖 2所示.

　　圖 2 不同初始酚負荷時(shí)進(jìn)出水中COD、 NO3--N和總酚變化

　　由圖 2可知，根據進(jìn)出水濃度變化，①和②兩種水質(zhì)組合對COD、 總酚、 NO3--N的去除效果沒(méi)有明顯影響，去除率分別達到98%、 99%和90%; 提高進(jìn)水COD和總酚至1 100 mg·L-1和200mg·L-1左右時(shí)，COD、 總酚和NO3--N的去除率分別降低至85%、 90%和60%左右; 當進(jìn)水COD和總酚濃度提高至2 500 mg·L-1和300mg·L-1左右時(shí)，COD、 總酚、 NO3--N的去除率分別為75%、 75%、 38%.

　　總體看來(lái)，當總酚100mg·L-1左右時(shí)，對反硝化脫氮效率的影響較小. 因為，隨著(zhù)總酚濃度增高，進(jìn)水COD也在增加，即污泥的有機負荷增加，當然污泥的硝酸鹽氮負荷也增加了，此時(shí)污泥有機負荷增加的情況下，盡管控制COD/NOx--N為5∶1使得脫氮率即硝酸鹽氮去除率不會(huì )有大的改變，但反硝化速率肯定是增加的，所以在一定濃度范圍內，有機負荷增加強化了反硝化菌的活性. 但是，在總酚初始濃度達到200mg·L-1以上時(shí)，總酚的抑制相對于有機負荷增加對反硝化速率或活性的增強而言，總酚抑制占優(yōu)勢，其對異養菌抑制效應逐步加強，且隨總酚濃度以相同幅度增加時(shí)，其對異養菌的抑制程度呈現加速增強. 對照每組COD、 NO3--N和總酚濃度變化可知，隨著(zhù)總酚濃度達到200mg·L-1即對異養菌造成顯著(zhù)抑制時(shí)，雖然3項指標的去除率皆有下降，但NO3--N去除率的下降幅度更大，

　　即在缺氧異養菌群為主的活性污泥中，反硝化菌受到總酚抑制效應較其他除碳異養菌更強. 故在缺氧池前段通過(guò)優(yōu)化除酚以削弱高負荷酚對反硝化進(jìn)程的抑制，是保障缺氧反硝化效率良好的關(guān)鍵.

　　2.1.2 不同總酚負荷對反硝化脫氮效率的影響

　　控制試驗系統進(jìn)水以甲醇調節COD濃度在350 mg·L-1左右，以硝酸鈉(NaNO3)配置NO3--N濃度70mg·L-1左右，以亞硝酸鈉(NaNO2)配制NO2--N濃度10mg·L-1左右. 通過(guò)考察不同總酚負荷下缺氧單元出水中NO3--N、 NO2--N濃度，從而反映酚類(lèi)污染物對反硝化生物脫氮效率的影響，情況如圖 3所示.

　　圖 3 不同總酚負荷下缺氧單元出水NO3--N、 NO2--N變化趨勢

　　由圖 3可知，當總酚50 mg·L-1時(shí)，與空白組對照酚類(lèi)化合物對反硝化影響較弱，NO3--N和NO2--N的去除率可分別達到83%和80.6%; 當總酚100 mg·L-1時(shí)，酚類(lèi)化合物對反硝化影響開(kāi)始顯著(zhù)，在75 d后NO3--N的濃度仍在20 mg·L-1左右，此時(shí)NO3--N去除率為75%，NO2--N最終穩定在3.6 mg·L-1左右，此時(shí)NO3--N去除率為57%; 當總酚濃度在200 mg·L-1時(shí)，含酚類(lèi)化合物的廢水在75 d后NO3--N的濃度在30 mg·L-1左右，NO3--N去除率為55%，NO2--N穩定在6mg·L-1左右，NO2--N去除率為25%. 總結來(lái)看，隨著(zhù)酚濃度的增加，NO3--N和NO2--N的去除率不斷下降，最終缺氧單元出水中NO3--N和NO2--N濃度不斷上升，其反硝化過(guò)程所受到的抑制也在增強. 除此之外，在運行前期，NO2--N的濃度隨著(zhù)NO3--N的降低不斷增加，當NO3--N濃度達到穩定時(shí)，NO2--N的濃度接近于最大. 造成這種情況的原因可能有兩方面：一是反硝化過(guò)程為一多步反應，NO3-先經(jīng)硝酸鹽還原酶還原至NO2-，NO2-再經(jīng)亞硝酸鹽還原酶、 NO還原酶、 N2O還原酶，最終被還原為N2，在NO3--N存在時(shí)，反硝化菌優(yōu)先還原NO3--N，最終造成NO2--N的積累; 二是不同進(jìn)水濃度的苯酚降解過(guò)程中，進(jìn)水中苯酚和NO3--N濃度越高，硝酸還原酶活性越好，隨著(zhù)苯酚的不斷降解和NO3--N濃度的降低，硝酸還原酶活性開(kāi)始降低，此時(shí)NO2-還原速率大于NO3--N還原速率[15]. 所以，缺氧單元出水中NO2--N的濃度基本呈現先上升后下降的趨勢.

　　2.2 總酚負荷對反硝化污泥活性的抑制研究 2.2.1 不同濃度總酚對反硝化污泥應激活性的影響

　　對于過(guò)氧化氫酶而言，過(guò)氧化氫酶具有保護細菌免受有毒物質(zhì)毒害的作用[18]，本試驗以過(guò)氧化氫酶活性表征反硝化污泥對有機物的應激活性，通過(guò)對照不同總酚濃度下反硝化污泥的過(guò)氧化氫酶活性，考察總酚對反硝化污泥應激活性的影響，結果如圖 4所示.

　　由圖 4可知，在不同總酚濃度下，過(guò)氧化氫酶活性的變化趨勢基本一致，馴化前期不斷積累未能降解的污染物和有毒產(chǎn)物，過(guò)氧化氫酶活性不斷增大，在馴化中期積累量達到最大，此時(shí)過(guò)氧化氫酶活性最大，隨著(zhù)微生物迅速降解有毒有害物質(zhì)，過(guò)氧化氫酶活性降低并最終達到穩定. 但是，進(jìn)水中不同濃度的總酚對反硝化污泥中微生物活性影響有較大差異，隨著(zhù)總酚濃度升高，過(guò)氧化氫酶活性不斷升高. 由分析可知，隨著(zhù)總酚濃度的不斷升高，污泥中的微生物由于受到了總酚的抑制作用增強，微生物體內會(huì )不斷地產(chǎn)生大量的過(guò)氧化氫酶來(lái)保護細菌免受有毒有害物質(zhì)的作用，所以過(guò)氧化氫酶活性會(huì )隨之升高.

　　總結看來(lái)，在不同總酚濃度下，過(guò)氧化氫酶活性的變化趨勢基本一致. 但是，隨著(zhù)總酚濃度的增加，過(guò)氧化氫酶活性會(huì )不斷升高.

　　圖 4 不同總酚濃度下過(guò)氧化氫酶活性變化

　　2.2.2 不同濃度總酚對反硝化污泥降解總酚活性的抑制

　　生物體的脫氫酶活性在很大程度上反映了生物體的活性，而且能直接表示生物細胞對基質(zhì)降解能力的強弱[19, 20]. 本試驗以脫氫酶活性表征反硝化污泥對有機物的降解活性. 通過(guò)對照不同總酚濃度下反硝化污泥的脫氫酶活性，考察總酚對反硝化污泥降解活性的影響，結果如圖 5所示.

　　圖 5 不同總酚濃度下脫氫酶活性變化

　　由圖 5可知，在不同總酚濃度下，脫氫酶活性的變化趨勢基本一致，污泥中脫氫酶的活性不斷上升并最終達到穩定，且在馴化中期的時(shí)候升高速率會(huì )增加. 這是由于馴化中期大部分微生物能夠快速適應外部環(huán)境，并且能夠快速降解污染物，所以脫氫酶活性不斷升高，最終在馴化穩定期的時(shí)候達到穩定[21]. 但是，進(jìn)水中不同濃度的總酚對反硝化污泥中微生物活性影響有較大差異，隨著(zhù)總酚濃度升高，脫氫酶活性不斷降低. 由分析可知，酚類(lèi)化合物的存在對微生物有一定的抑制作用，隨著(zhù)總酚濃度的不斷升高或酚類(lèi)化合物未及時(shí)降解，污泥中的微生物由于受到了總酚的抑制作用增強，導致微生物降解有毒有害污染物的能力降低，脫氫酶活性不斷降低[22].

　　總結看來(lái)，在不同總酚濃度下，脫氫酶活性的變化趨勢基本一致，污泥中脫氫酶的活性不斷上升并最終達到穩定. 但是，隨著(zhù)總酚濃度的增加，污泥中的微生物由于受到了總酚的抑制作用增強，導致微生物降解有毒有害污染物的能力降低，脫氫酶活性不斷降低.

　　2.3 總酚負荷對反硝化污泥毒性的抑制研究

　　為考察活性污泥在降解不同濃度總酚過(guò)程中污泥有機毒性的變化情況，用明亮發(fā)光桿菌T3菌測定污泥的毒性并進(jìn)行分析，所得結果如圖 6所示.

　　圖 6 不同總酚濃度下污泥毒性變化

　　由圖 6可知，在不同總酚濃度下，污泥毒性的變化趨勢基本一致，污泥毒性基本呈先上升后下降最后趨于穩定的趨勢. 主要是因為微生物剛剛開(kāi)始不適應環(huán)境且部分酚類(lèi)化合物降解過(guò)程中微生物會(huì )產(chǎn)生一些可抑制發(fā)光菌生長(cháng)的有毒分泌物[23, 24, 25]，這些有毒分泌物在污泥內的積累使得污泥毒性逐漸升高，并最終達到一個(gè)最大值. 隨著(zhù)大部分微生物適應環(huán)境，污泥毒性下降并達到穩定狀態(tài). 另外，馴化中期時(shí)不同總酚濃度之間的毒性抑制率差距大于馴化前期大于馴化穩定期，這是因為一方面在前期污泥中吸附的酚類(lèi)化合物會(huì )對污泥產(chǎn)生一定的毒性; 另一方面微生物產(chǎn)生的有毒分泌物，使得不同濃度間毒性抑制率的差距會(huì )達到最大值. 隨著(zhù)馴化的不斷進(jìn)行，酚類(lèi)化合物和有毒分泌物被細菌降解，毒性抑制率之間的差距會(huì )慢慢減小.

　　除此之外，由圖 6也可知，當總酚濃度為50mg·L-1時(shí)，污泥毒性抑制率在21 d左右達到最大值37.56%，且持續了6 d左右; 當總酚濃度為100mg·L-1時(shí)，污泥毒性抑制率在27 d左右達到最大值46.25%，且持續了9 d左右; 當總酚濃度為200mg·L-1時(shí)，污泥毒性抑制率在30 d左右達到最大值52.34%，且持續了15 d左右. 因此，總酚的濃度越高，污泥達到毒性抑制率峰值的時(shí)間越置后且持續時(shí)間越長(cháng). 這是因為，總酚濃度越高，酚類(lèi)化合物的毒性越大且降解過(guò)程中產(chǎn)生的有毒分泌物質(zhì)越多，但是由圖 5可知，總酚濃度越高脫氫酶活性越低，微生物降解有毒有害物質(zhì)的速率越慢，所以毒性抑制率峰值出現的時(shí)間越晚且持續時(shí)間越長(cháng). 綜上所述，總酚濃度越高，污泥的毒性越高，所以從污泥毒性本身來(lái)說(shuō)，總酚濃度也不能太高，需從強化除酚的角度出發(fā)，去除酚類(lèi)有機物.

　　3 結論

　　(1) 對于反硝化過(guò)程而言，總酚進(jìn)水濃度為100mg·L-1左右不會(huì )對其造成顯著(zhù)抑制. 在總酚初始濃度達到200mg·L-1以上時(shí)，其對反硝化細菌抑制效應逐步加強，且隨總酚濃度以相同幅度增加時(shí)，其對反硝化細菌的抑制程度呈現加速增強.

　　(2) 隨著(zhù)酚濃度的增加，NO3--N和NO2--N的去除率不斷下降. 而且，NO2--N的濃度隨著(zhù)NO3--N濃度的降低呈現先上升后下降的趨勢.

　　(3) 在不同酚負荷的污泥馴化過(guò)程中，反硝化污泥的過(guò)氧化氫酶活性、 脫氫酶活性以及污泥毒性變化趨勢基本不變，但隨著(zhù)總酚濃度的升高，過(guò)氧化氫酶活性和污泥毒性會(huì )上升，脫氫酶活性會(huì )下降.

　　(4) 建議在缺氧反硝化池前通過(guò)強化除酚適當降低總酚濃度，以緩解高濃度總酚對后續反硝化脫氮過(guò)程的抑制.（來(lái)源及作者：華東理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院 張玉瑩 陳秀榮 王璐 李佳慧 徐燕 莊有軍 于澤亞）