有色金屬行業(yè)在國民經(jīng)濟中占有重要地位,有色金屬礦山也帶來(lái)了嚴重的環(huán)境問(wèn)題,其產(chǎn)生的有機藥劑會(huì )對水體產(chǎn)生嚴重的污染,必須經(jīng)過(guò)處理使其達排標準,苯胺黑藥(硫代磷酸二苯胺,(C6 H5 NH)2 P(S)SH))作為一種選礦藥劑在鉛鋅硫化礦的浮選工藝中應用比較廣泛,其具有一定的生物毒性,難降解,傳統的處理選礦廢水的方法主要有吸附法、分解法、混凝沉淀法、光催化降解和紫外線(xiàn)照射法、氧化法等。這些方法都有費用高、操作復雜、出水不穩定等特點(diǎn),共代謝的概念正式提出后為選礦廢水中選礦藥劑的有效降解提供了一個(gè)新的途徑,共代謝作用是指基礎基質(zhì)為微生物群體提供生長(cháng)所需的碳源、氮源等營(yíng)養物質(zhì),然后利用菌體內的非專(zhuān)一性代謝酶氧化一些結構類(lèi)似的非生長(cháng)基質(zhì)。如以醋酸為共代謝基質(zhì)對四氯乙烯進(jìn)行了生物降解發(fā)現醋酸可以使四氯乙烯很快的被降解,大大地縮短了四氯乙烯在天然地下水中的半衰期 ,白腐菌降解吲哚的過(guò)程中加入氨氮、苯酚和喹啉等共基質(zhì)可促進(jìn)吲哚的降解和白腐菌漆酶的分泌 ,VERCE 等 研究了1,2-二氯乙烯在以氯乙烯為初級基質(zhì)的好氧共代謝降解情況,發(fā)現共代謝對二氯乙烯的降解有顯著(zhù)的促進(jìn)作用。
當前的研究表明共代謝能夠有效的降解污染物,這也為解決含苯胺黑藥的廢水處理問(wèn)題提供了一種新思路,關(guān)于苯胺黑藥的厭氧共代謝研究尚未見(jiàn)報道,選擇合適的共代謝基質(zhì)降解對應的難降解物質(zhì),并確定其最佳運行方式使之能夠達到預期的處理效果,厭氧共代謝也為選礦廢水的處理指出了一條行之有效的新途徑。
本文以選礦廢水中有機藥劑苯胺黑藥為研究對象,自制厭氧生物反應器,尋找合適的共代謝基質(zhì)對苯胺黑藥進(jìn)行處理,為選礦廢水的實(shí)際有效處理提供理論基礎。
1 材料與方法
1. 1 水樣
實(shí)驗用的浮選廢水根據實(shí)際選礦廢水通過(guò)混凝沉淀+ 活性炭吸附預處理后的水質(zhì)情況進(jìn)行模擬。為防止水樣在保存過(guò)程中的水質(zhì)發(fā)生變化,實(shí)驗用的浮選廢水均為新鮮配制,其中苯胺黑藥質(zhì)量濃度為150 mg·L - 1 ,營(yíng)養液配方:NH4 Cl 180. 0 mg·L - 1 、KH2 PO4 96. 0 mg·L - 1 、CaCl2 10. 0 mg·L - 1 、MgSO4 ·7H2 O 10. 0 mg·L - 1 、NaHCO3 500. 0 mg·L - 1 、KCl 23. 5 mg·L - 1 、H3 BO3 37. 5 mg·L - 1 、CuSO4 ·5H2 O7. 5 mg·L - 1 、KI 45. 0 mg·L - 1 、MnCl2 ·H2 O 30. 0 mg·L - 1 、ZnSO4 ·7H2 O 30. 0 mg·L - 1 。同時(shí)加入一定量的NaHCO3 調節水體酸堿平衡。
1. 2 實(shí)驗裝置與方法
1. 2. 1 實(shí)驗裝置
用有機玻璃材料定制相同規格的圓桶厭氧反應器,直徑25 cm,深度40 cm,有效容積15 L,水力停留時(shí)間恒定。實(shí)驗裝置見(jiàn)圖1。
反應器接種的污泥為廣州市瀝滘污水處理廠(chǎng)厭氧反應池,厭氧反應器運行期間污泥質(zhì)量濃度為21. 60 g·L - 1 、污泥負荷為7. 83 kg·(kg·d) - 1 (以MLSS 計)、容積負荷為0. 278 kg·(m3 ·d) - 1 。
1. 2. 2 實(shí)驗方法
1)反應器運行條件:反應器位于陰暗處,控制溫度30 ~ 37 ℃ ,反應器采用間歇式進(jìn)水,進(jìn)水流量3. 2 L·min - 1 , 進(jìn)水6 L, 停留時(shí)間47. 5 h, 靜置30 min,出水時(shí)間30 min,進(jìn)水COD 為550 mg·L - 1左右,不排泥。
2)污泥馴化:厭氧污泥在經(jīng)24 h 的密閉靜置后去除上清液,取3 L 底泥加入厭氧反應器內,然后在反應器中加入葡萄糖、無(wú)機營(yíng)養鹽分和苯胺黑藥,進(jìn)水6 L,葡萄糖初始濃度為550 mg·L - 1 ,然后按比例逐漸降低其濃度至添加量為0,苯胺黑藥的濃度由0 按比例逐漸增加至150 mg·L - 1 ,每組苯胺黑藥濃度兩次出水濃度穩定后再提高投加量,在馴化過(guò)程中,每天檢測進(jìn)水和出水水質(zhì),檢測微生物活性和系統運行狀況。
3)厭氧共代謝實(shí)驗:實(shí)驗中設置6 套規格一樣的厭氧反應器,編號為1、2、3、4、5、6,每個(gè)反應器都在相同條件下運行,用相同的馴化方法馴化至反應器系統穩定運行。用無(wú)菌注射器吸取10 mL 的馴化污泥,1 號只加含苯胺黑藥和營(yíng)養液成分的廢水作為對照組,2、3、4、5 和6 號分別加入葡萄糖、蔗糖、淀粉、乙酸鈉和維生素C 作為外加基質(zhì)。通氮氣密封,置于150 r·min - 1 ,35 ℃ 恒溫振蕩器中培養,實(shí)驗過(guò)程中改變單一基質(zhì)與苯胺黑藥的比例,研究不同條件下的厭氧共代謝情況,以確定最佳共代謝基質(zhì)及其與苯胺黑藥的投加比例。每次改變進(jìn)水條件之前,均要空載靜置24 h 后進(jìn)行下一階段實(shí)驗,減小污泥對實(shí)驗的干擾。
1. 2. 3 分析方法
水樣經(jīng)過(guò)自然沉淀后取上清液,用定性濾紙過(guò)濾水中的懸浮顆粒后再進(jìn)行下一階段分析。
COD 采用重鉻酸鉀法測定。
苯胺黑藥濃度:苯胺黑藥在紫外區的最大吸收波長(cháng)是230 nm,測定反應系統出水的吸光度,從而確定苯胺黑藥濃度。苯胺黑藥的標準曲線(xiàn)方程為Y = 14. 18X,R2 = 0. 999,工作曲線(xiàn)的有效濃度范圍是0 ~40 mg·L - 1 ,有效濃度范圍以外的水樣經(jīng)過(guò)稀釋適當的倍數至0 ~ 40 mg·L - 1 范圍內再測其吸光度。
2 結果與討論
2. 1 反應器的啟動(dòng)與馴化
厭氧污泥經(jīng)過(guò)72 d 的馴化,進(jìn)水碳源為苯胺黑藥150 mg·L - 1 ,COD 去除率達到80. 70% ,苯胺黑藥的降解率為75. 00% ,系統穩定運行,出水水質(zhì)基本不變,系統馴化成功。馴化過(guò)程中顯微鏡觀(guān)察發(fā)現,系統運行初期,生物群落豐富多樣,隨著(zhù)苯胺黑藥濃度的增加,系統微生物種類(lèi)逐漸變得單一,數量有所減少,主要有桿菌,螺旋菌和一些藻類(lèi)。馴化期間,進(jìn)水和出水COD 及苯胺黑藥濃度分別見(jiàn)圖2 和圖3。
由圖2 和圖3 可知,馴化初期苯胺黑藥幾乎沒(méi)有被降解,7 d 后開(kāi)始表現出降解效果,降解效率較高,整體趨勢是不斷上升直至第60 天到達平穩狀態(tài)。分析原因苯胺黑藥在馴化后期,降解效率趨于穩定,微生物此時(shí)已經(jīng)有了一定的活性抗擊苯胺黑藥的毒性COD 去除率趨勢基本與苯胺黑藥降解率趨勢吻合。
2. 2 苯胺黑藥與不同外加基質(zhì)的共代謝
微生物共代謝是利用微生物降解難降解有機物的一種重要方式,外加基質(zhì)種類(lèi)及濃度均是共代謝降解效果的影響因素。王淑紅等考察了外加葡萄糖、可溶性淀粉和乙酸鈉對微生物降解2,4,6-三硝基苯酚的影響,結果表明,外加碳源對2,4,6-三硝基苯酚的去除有一定幫助。實(shí)驗考察不同比例不同外加基質(zhì)降解24 h 后出水效果,結果見(jiàn)表1。
由表1 可見(jiàn),4 種共代謝基質(zhì)在不同比例下均顯示出能夠促進(jìn)苯胺黑藥厭氧降解微生物活性,維C 在大多數比例下均不能強化厭氧降解效率。在共代謝基質(zhì)與苯胺黑藥濃度比為1 ∶ 1、1 ∶ 2、1 ∶ 3、2 ∶ 1、3 ∶ 1 下,最佳共代謝基質(zhì)分別為淀粉,蔗糖,葡萄糖,乙酸鈉,蔗糖。當乙酸鈉與苯胺黑藥的比例為2 ∶ 1 時(shí),降解效果為所有組合中最佳,出水苯胺黑藥濃度23. 21 mg·L - 1 ,降解率82. 00% ,出水COD 為35. 6 mg·L - 1 ,去除率92. 90% 。
進(jìn)水中共代謝基質(zhì)與苯胺黑藥的質(zhì)量比是影響苯胺黑藥降解效率的主要因素。當共代謝基質(zhì)與苯胺黑藥的質(zhì)量比較高時(shí),基質(zhì)過(guò)多,苯胺黑藥對關(guān)鍵酶的競爭處于劣勢;當共代謝基質(zhì)比例較低時(shí),基質(zhì)過(guò)少,不能滿(mǎn)足大量微生物生長(cháng)的需要,不能誘導出大量有活性的關(guān)鍵酶;當基質(zhì)與苯胺黑藥的質(zhì)量比接近2 ∶ 1 時(shí),生長(cháng)基質(zhì)和目標污染物對關(guān)鍵酶的分享達到最為合理,既滿(mǎn)足了微生物生長(cháng)的需要,又能最大限度地降解目標污染物。最佳單一共代謝基質(zhì)為2 ∶ 1 時(shí)乙酸鈉,其共代謝降解隨時(shí)間變化見(jiàn)圖4。
表1 不同單一基質(zhì)在不同比例條件下與苯胺黑藥共代謝
由圖4 可知,12 h 內COD 均下降較快,乙酸鈉為微生物生長(cháng)提供碳源,誘導降解苯胺黑藥關(guān)鍵酶的生成,活性較強的微生物在關(guān)鍵酶的作用下降解苯胺黑藥,反應后期隨著(zhù)乙酸鈉濃度降低,關(guān)鍵酶減少,苯胺黑藥的毒性顯現,微生物活性下降,降解效率趨于穩定。
2. 3 共代謝降解動(dòng)力學(xué)
不同共代謝基質(zhì)下動(dòng)力學(xué)模型的建立可通過(guò)對濃度和時(shí)間的關(guān)系曲線(xiàn)進(jìn)行擬合,根據苯胺黑藥在投加比為2 ∶ 1 條件下所有降解效率均較高,本實(shí)驗選取苯胺黑藥濃度150 mg·L - 1 ,共代謝基質(zhì)濃度為300 mg·L - 1 ,測得0、4、8、12、24 h 苯胺黑藥出水濃度,以出水濃度C 與初始苯胺黑藥濃度C0 比值的自然對數ln(C / C0 )作為縱坐標,降解時(shí)間為橫坐標,建立不同共代謝基質(zhì)的動(dòng)力學(xué)反應模型。見(jiàn)圖5。
圖5 中各共代謝基質(zhì)擬合參數由數據處理軟件擬合得到,擬合曲線(xiàn)如表2 所示,擬合方程可以表示為Y = A + BX,擬合相關(guān)系數高則滿(mǎn)足一級動(dòng)力學(xué)方程lnC = lnC0 - Kt,此時(shí)- B 代表速率常數K,A 為截距,半衰期T1 / 2 = ln2 / K。
表2 不同共代謝基質(zhì)動(dòng)力學(xué)參數比較
從表2 可見(jiàn),除維C 組以外其他4 組及空白組共代謝基質(zhì)降解過(guò)程滿(mǎn)足一級動(dòng)力學(xué)方程,反應速率常數乙酸鈉> 淀粉> 葡萄糖> 蔗糖> 空白組,這是因為乙酸鈉是一種簡(jiǎn)單碳源,微生物易于利用,有研究證明環(huán)境中能利用乙酸類(lèi)營(yíng)養源的微生物較多,對共代謝過(guò)程有促進(jìn)作用。維C 組的一級動(dòng)力學(xué)方程相關(guān)系數僅達到了0. 822 45,維C 對苯胺黑藥降解產(chǎn)生抑制作用,其動(dòng)力學(xué)擬合曲線(xiàn)相關(guān)系數不高間接顯示了其對苯胺黑藥濃度減少過(guò)程未產(chǎn)生作用,不符合降解動(dòng)力學(xué)一級方程。無(wú)外加基質(zhì)組的反應動(dòng)力學(xué)方程為,葡萄糖;蔗糖;淀粉;乙酸鈉;維生素C 組擬合相關(guān)系數不高,不滿(mǎn)足一級動(dòng)力學(xué)方程。反應速率常數乙酸鈉> 淀粉> 葡萄糖> 蔗糖> 空白。具體參見(jiàn)污水寶商城資料或http://www.sharpedgetext.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。
3 結論
1)厭氧反應器中污泥通過(guò)對苯胺黑藥等比例濃度梯度的厭氧馴化,出水效果良好且穩定,經(jīng)過(guò)78 d的馴化,出水COD 達到65. 26 mg·L - 1 ,去除率為80. 70% ,苯胺黑藥出水濃度為37. 49 mg·L - 1 ,降解率高于75. 00% 。
2)外加基質(zhì)與苯胺黑藥進(jìn)行共代謝研究結果表明,蔗糖、乙酸鈉、葡萄糖、淀粉對苯胺黑藥的厭氧降解有促進(jìn)作用。當乙酸鈉與苯胺黑藥以質(zhì)量比2 ∶ 1 共代謝降解時(shí),出水苯胺黑藥濃度23. 21 mg·L - 1 ,降解率82. 00% ,出水COD 為35. 6 mg·L - 1 ,去除率92. 90% 。
3)在投加比為2 ∶ 1 時(shí)厭氧共代謝中各組共代謝基質(zhì)降解過(guò)程均滿(mǎn)足動(dòng)力學(xué)一級方程,無(wú)共代謝基質(zhì)組的反應動(dòng)力學(xué)方程為,葡萄糖;蔗糖;淀粉;乙酸鈉;維生素C 組相關(guān)系數不高不滿(mǎn)足一級動(dòng)力學(xué)方程。反應速率常數乙酸鈉> 淀粉> 葡萄糖> 蔗糖> 空白。
