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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
时间:2020-10-01 点击次数:238


  纺织印染行业是重要的民出产业,但同时又是典范的重沾染行业,其重要沾染物为印染废水,其中包含大量难降解的有机物、染料、助剂、名义活性剂、碱、有机卤化物等,可生化性差,并且近年来随着纺织印染行业的技巧翻新,新型合成染料跟助剂被大量利用,从而使得印染废水水质更加庞杂,处理难度也进一步加大,传统单一的生化法很难适应当前须要。物化法可能疾速高效降解多种生化法难以降解的沾染物,但其昂扬的处理本钱降落了其单独利用的可行性,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巧研究跟利用的热点之一。
  双氧水是一种常用的高等氧化剂,个别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,被普遍利用于包含芬顿、光助芬顿、电芬顿以及UV/H2O2等工艺在内的高等氧化法处理印染废水的研究中,均获得了良好的后果。
  本实验采取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后果,前期工作已证明在严格把持双氧水投加浓度跟投加速度等参数的前提下,该工艺可能有效强化模仿印染废水中重要沾染物的处理后果,且从微观层面研究了协同体系的微生物群落结构特点。微生物是生化反应的主体,其中的上风菌群在生化体系运行的不同阶段均起到重要的作用,因此对生化体系中微生物菌群特点的评估也显得尤为必要。此前研究表明,微生物菌群结构跟多样性取决于生化处理体系中多种因素的驱动作用,相应地,微生物群落结构跟多样性的变更也会影响生化反应器的机能,但目前针对物化法跟生化法组合工艺的研究中,深刻剖析物化药剂的投加对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本上,考察双氧水协同生化法对实际印染废水的处理后果,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别,以期为双氧水协同生化法的实际利用供给参考。
  1 资料与方法
  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,培养初期先采取模仿印染废水,之后再逐步调换成实际废水。其中模仿废水重要成分为聚乙烯醇、葡萄糖、淀粉、碳酸铵、磷酸二氢钾、染料活性黑5,重要水质参数为: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。该废水成分庞杂,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。
  所用双氧水为市售品质浓度为30%的双氧水溶液,利用前先稀释至适合浓度。本实验室中投加的双氧水浓度参考前期研究工作判断为3 mL·L−1。
  接种污泥取自广州市某市政废水处理厂二沉池残余污泥,先静置2 h稀释,取下层稀释污泥空曝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套结构雷同的装置中对如实现,单套体系的结构如图1所示。主体包蕴藉水槽、水解酸化反应器、接触氧化反应器、曝气体系、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雷同数量的组合填料作为污泥载体。

  图1 实验装置示用意
  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 串雷同的组合填料,分辨固定在2#体系的水解酸化反应器,2#体系的接触氧化反应器以及3#体系的水解酸化反应器跟3#体系的接触氧化反应器中,而后将1.1中准备好的稀释污泥搅拌均匀,顺次倒入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#体系跟3#体系,连续进入模仿印染废水,每个反应器的停留时光均设定为12 h,体系温度均把持在30 °C,处理量均为6 L·d−1,2-O跟3-O体系的DO均把持在5.5~6.0 mg·L−1之间。经为期4个月运行后,2套体系出水都达到基本牢固的状况。
  3)保障进水流量不变,采取阶梯式增加实际废水体积并减少模仿废水体积的方法,在3个月内将2套体系的进水由模仿废水逐步调剂为实际废水,旁边调剂期具体水质比例变更如下:10%实际废水与90%模仿废水混淆→30%实际废水与70%模仿废水混淆→50%实际废水与50%模仿废水混淆→80%实际废水与20%实际废水混淆。每种水质前提运行时光为15 d左右,以上所有调剂在2套体系中始终坚持同步进行。
  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剖析内容。农村污水处理设备主要目的是将生活污水和与之相类似的工业有机废水处理后达到回用水质要求,使废水处理后资源化利用。在总结国内外先进经验的基础上,不断改进污水处理工艺,促进了污水处理设备的大发展。
  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:将2套体系进水调剂为实际印染废水后,为牢固进水前提,第11 天开端用浓硫酸将2套体系进水pH均调节至6.0~6.5之间,运行50 d之后2套体系出水水质基本牢固。实验室污水处理设备除了对污水处理工艺进行改进、强化脱氮除磷功能外,污水处理厂的设备改造、过程控制、水力条件优化也不容忽视。业内人士提出,可以采用高效、无堵塞的水泵和变频设备,提高设备的效率,降低能耗和运行费用,减少设备检修率。
  阶段Ⅱ:从第51天开端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后果,将2#体系定为空白对比组,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跟投加频率判断如下: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。投加进程中连续监测3-A 的溶解氧浓度,另外每天取样检测2套体系各工艺段进出水水质[14]。
  以上运行进程中2套体系的进水水质均完全雷同。
  1.4 取样及剖析方法
  每天取2套体系中各体系的进出水剖析,具体水质指标跟剖析方法如表1所示。实验室污水处理设备除了对污水处理工艺进行改进、强化脱氮除磷功能外,污水处理厂的设备改造、过程控制、水力条件优化也不容忽视。业内人士提出,可以采用高效、无堵塞的水泵和变频设备,提高设备的效率,降低能耗和运行费用,减少设备检修率。

  表1 水质指标及剖析方法
  1.5 基于 Illumina平台的16S rDNA 宏基因组测序
  阶段Ⅱ运行的进程中,在体系2-
  A、2-
  O、3-
  A、3-O内填料上各取1个污泥样品,经稀释跟前处理后,采取16S rDNA高通量测序法[14],剖析各污泥样品中微生物菌群的品种散布情况。
  2 结果与探讨
  2.1 反应体系pH变更情况剖析
  pH是废水生化处理的重要工艺参数,通例水解酸化工艺适合的pH范畴较宽,个别在6.5~7.5之间[19]。而对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克制[20]。综合考虑以上影响,并且为了牢固进水水质,本实验经过摸索实验后,从第11天开端将进水pH调节为6.0~6.5之间,各体系运行进程中进出水pH变更如图2所示,在阶段Ⅰ跟阶段Ⅱ运行期间,2-A体系跟3-A体系出水pH均散布在7.5~8.6之间,体系内部呈中性偏弱碱性环境,2-O跟3-O体系出水比较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变更
  2.2 反应体系中COD去除情况对比剖析
  如图3所示,阶段Ⅰ内2套体系出水的COD变更趋势基本雷同,当阶段Ⅱ开端向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体系的状况转变为高于后者,且高出幅度在10~40 mg·L−1之间,而3-O体系出水COD跟2-O体系出水COD仍然基本雷同;与之对应的图3中,阶段Ⅱ开端后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。以上变更是因为3-A体系pH呈弱碱性,而双氧水在碱性环境中不太牢固[10,21],会产生分解反应,分解产物包含羟基自由基、过氧羟基自由基、氧气跟水[22] 。其中羟基自由基可能非抉择性地与废水中的大多数有机化合物通过氢键取代跟碳碳单键的加成敏捷产生反应[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滋生跟代谢,增进水解进程[24-25],进一步进步废水的可生化性,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;另外上述水解作用重要体当初增进沾染物的状况转化,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去除率的起因。此外,对比阶段Ⅱ2套体系的COD总体去除率基本持平,均在60%~70%之间稳定,因此,后续还须要对体系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体系整体对COD的去除后果。

  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剖析
  从图4可能看出,在全部实验进行进程中,实际印染废水进水氨氮浓度稳定较大,范畴在3.7~18.6 mg·L−1之间,图4中2套体系的水解酸化体系出水氨氮浓度跟去除率也始终随进水稳定,并且2-A体系与3-A体系氨氮去除率大局部情况下为负值。其中阶段Ⅰ内,2-A体系出水氨氮去除率在−60%~+36%之间,均匀为−11.3%,3-A体系氨氮去除率在−35%~+38%之间,均匀为−5.8%;重要是因为本实验所用的实际印染进水中含有大量有机氮,这些有机氮须要先通过氨化作用转化为自养微生物可能利用的氨氮[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进程的前提跟保障[27];阶段Ⅱ向3-A体系投加双氧水后,其氨氮去除率高于对比组2-A体系,其中前者在-93%~+8.5%之间,均匀为−18.4%,后者在−103%~+9.2%之间,均匀为−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]对于适量的双氧水可能增加污水中含氧量,从而进步氨氮去除后果的研究论断。另外2套体系的2-O跟3-O体系在2个阶段内去除后果均较为牢固,且去除率都濒临,说明本实验组合工艺存在良好的抗氨氮冲击才干。

  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剖析
  从阶段Ⅰ第11天开端,用稀释倍数法按期测定各体系进出水色度,结果如图5所示。阶段Ⅱ向3-A投加双氧水之后,3-A体系出水色度比较2-A体系稳定较大,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色度的情况,但3-O跟2-O体系出水色度仍然坚持基本雷同,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淆产生,且染料品种随生产工艺不同随时变更,重要为偶氮类染料,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跟有氧的前提下都可能被生物降解脱色,其中偶氮染料的生物脱色重要在厌氧前提下进行,其分解须要2步[29]:第1步是在厌氧前提下发色基团偶氮键获得电子,被裂解成无色的旁边代谢产物,第2步是在有氧前提下旁边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能增进偶氮染料的化学降解,但另一产物——氧气也可能会跟发色基团争夺电子,从而妨碍微生物对偶氮键的裂解进程[29-30]。所当前续还须要对体系的pH以及双氧水的投加量等参数进前进一步的优化,以期将双氧水分解的各种产物把持在适合的范畴,进一步进步协同体系对色度的去除后果。
  2.5 反应体系内微生物菌群的宏基因组16S rDNA 测序对比剖析
  为了更深刻地剖析双氧水投加对完全生化处理体系的影响,本实验在阶段Ⅱ运行期间,分辨取双氧水协同生化体系以及完全生化处理对比体系的污泥样品,采取宏基因组16S rDNA测序法, 对这些样品进行微生物聚类与多样性剖析,并对各样品中的微生物具体品种进行了鉴定跟解析。
  2.5.1 各体系内微生物聚类与Alpha多样性对比剖析
  稀释曲线通常与笼罩度指数结合利用来评估测序量是否足以笼罩所有类群,其中稀释曲线还可能间接反应样品中物种的丰富水平,当曲线趋于平缓或者达到平台期时就可能认为测序深度已经基本笼罩到样品中所有的物种。而笼罩度指数的数值越大,则表明样本中序列不被测出的概率越低,本次测序代表样本实在性的水平越高。结合图6中的稀释曲线跟表2中的各样品笼罩度指数可知,本次测序对本实验各污泥样品中微生物品种的笼罩度均较高,可能反应各样品中物种散布的实在情况。具体接洽污水宝或参见http://www.dowater.com更多相干技巧文档。

  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量为微生物聚类剖析指标,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指数跟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值跟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数量及α多样性指数,可能看出投加双氧水的3-A体系跟未投加双氧水的2-A体系中微生物的物种总数基本雷同,但后续2套接触氧化体系中微生物品种多样性差别明显,其中3-O体系物种多样性远小于2-O体系,说明3-O体系内的微生物品种趋于集中。
  2.5.2 反应体系内微生物菌群结构对比剖析
  本实验中所有污泥样品的微生物在门水平的品种散布情况如图7所示。对比可能发明,双氧水的投加对生化处理体系的微生物种群类型跟丰度都有明显影响。其中投加双氧水的3-A体系污泥样品共检出46个菌门,其中的上风菌门为Proteobacteria跟Bacteroidetes,这也与LI等 [31]之前对印染废水处理体系中微生物上风菌群的剖析结果类似。并且3-A体系中2个上风菌门的丰度分辨为36%跟18.6%,均高于对比组未投加双氧水的2-A体系中雷同上风菌门的丰度值。而3-O体系污泥样品则共检出33个菌门,比较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%。从具体品种来看,数量最多的仍然是Proteobacteria,但其丰度比较对比组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,其丰度是对比组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
  以上结果表明,双氧水的投加可能直接影响水解酸化体系中微生物的菌群数量,洗脱局部厌氧菌,增进上风菌门Proteobacteria跟Bacteroidetes的富集,有研究[32]报道拟杆菌跟厚壁菌普遍存在于染料废水的处理体系中,对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品种跟数量均有影响,不仅有助于洗脱接触氧化体系中的局部非上风菌,且可能刺激Nitrospirae的成长,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 为硝化细菌,可将亚硝酸盐氧化成硝酸盐,从而增进脱氮。

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