微氧水解酸化处理石化废水技术

Posted 2023-01-12 反应器

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1引言
石化废水中含有石油类、苯和苯的衍生物等多种难降解有机物，且污染物种类多、具有较强的生物毒性.因此，单一的污水处理工艺很难达到要求，一般采用几种处理工艺的组合，而厌氧水解酸化-好氧生化法二级处理是常采用的方法之一.水解酸化是将厌氧处理控制在水解酸化阶段，它能够将复杂难降解的大分子有机物，如芳香烃、杂环类物质转化为简单易降解的有机酸、醇等小分子物质.目前，石化废水大多采用水解酸化预处理来提高废水可生化性，减轻后续工艺的处理负担，同时能有效降低成本，提高处理效率和出水水质.
石化废水硫酸盐含量普遍比较高，而硫酸盐本身对生物处理系统并无任何不良影响，少量硫酸盐的存在有利于厌氧消化反应的进行，但高浓度的硫酸盐在水解酸化过程中会被硫酸盐还原菌还原为硫化氢.硫化氢是一种有毒的恶臭气体，会腐蚀水解酸化的金属设备，且硫化物易引起好氧生物处理系统中丝状硫细菌的大量繁殖，导致污泥膨胀，较难恢复，还容易被曝气吹脱，影响周围环境.因此，本研究采用微氧水解酸化技术抑制硫酸盐的还原，减少硫化氢的产生，提高石化废水的可生化性.同时，通过与厌氧水解酸化的对比，研究微氧水解酸化处理高硫酸盐石化废水的生物降解特性，并对微生物种群结构进行解析.
2材料和方法
2.1试验装置
实验装置如图1所示.微氧和厌氧两个反应器平行运行，一个底部设曝气管进行微氧曝气(反应器A)，一个配置搅拌器(JJ-1型)进行厌氧搅拌(反应器B).每个反应器分为4段，最后一段为污泥回流，有效容积均为33L(长、宽、高分别为0.45m、0.32m和0.23m).反应器由有机玻璃制成，使用同一个进水箱，通过蠕动泵(BT100N型)进行配水.

图1试验装置图　　2.2试验用水
实验装置建在某化工园区石化综合污水处理厂内，实验用水为污水厂进水.该污水厂进水由石化工业废水和生活污水两部分构成，比例约为3∶1，处理工艺采用厌氧水解酸化-A/O工艺.其中，工业废水来源于该公司下属的化肥厂、电石厂、炼油厂等工厂处理后的出水.生活污水主要来自该区域内生活、商业及学校排水.试验用水pH在7.28～8.95之间，其它水质指标如表1所示.可以看出，废水中含有挥发酚、苯系物等有毒物质，COD波动较大，硫酸盐的浓度较高.
表1试验废水水质
2.3反应器的启动和运行
接种污泥取自该污水厂的厌氧水解酸化池，接种污泥浓度为9.0g·L-1(以TSS计)，VSS/TSS为65%.反应器从2013年6月下旬持续运行到2014年1月上旬，初始水力停留时间(HRT)为30h，微氧反应器的溶解氧(DO)浓度保持在0.1mg·L-1.以COD去除率作为增加负荷的指标，待COD去除率稳定在30%左右时降低进水负荷，相应HRT逐渐降低为20h(35d)、16h(15d)，最后稳定在12h(130d).反应器的容积负荷和污泥负荷分别为0.4～1.0g·L-1·d-1(以COD计)和0.07～0.19g·g-1·d-1(以每gVSS产生的COD计).进水COD波动较大(202～514mg·L-1)，导致反应器的容积和污泥负荷波动较大.污泥停留时间(SRT)为25d.在HRT为12h时逐渐将微氧水解酸化反应器的DO浓度提高到0.5mg·L-1，以研究DO浓度的影响.反应器温度通过加热棒控制在25～30℃.定期检测反应器进出水COD、BOD5、挥发性脂肪酸(VFA)、UV254、SO42-和S2-等指标的变化.VFA可以反映水解酸化的效果，VFA/COD可综合反映不同进水水质和不同实验条件下有机物的产酸效果.比紫外吸收值SUVA(UV254/DOC)反映了废水中有机物的芳香构造化程度.所有的水样均采用0.45μm滤膜过滤后再进行分析.反应器运行稳定后，取污泥样品进行微生物种群结构解析；对反应器进、出水进行分子量分级测试，分析其水质特性的变化.
2.4批式实验
实际的石化废水在水解酸化单元后一般采用好氧生物处理，因此，反应器稳定运行5个月后，分别取厌氧和微氧水解酸化反应器的出水进行好氧批式实验.将380mL的进水和120mL的好氧污泥加入到500mL锥形瓶，底部放置曝气头进行曝气.定时取上清液，过滤后检测氨氮和COD，计算氨氮和COD的降解速率(mg·h-1，以VSS计)以表征反应器出水的好氧生物降解特性.
2.5分析方法
COD采用重铬酸钾法测定，BOD5采用稀释培养法测定，SO42-浓度采用铬酸钡光度法测定，S2-采用亚甲基蓝法测定，氨氮采用分光光度法测定(国家环境保护总局《水和废水监测分析方法》编委会，2002)，挥发性脂肪酸(VAF)采用联合滴定法测定，总有机碳(TOC)采用总有机碳分析仪(TOC-VCPH，SHIMADZU)测定，DO、ORP和pH采用便携式溶解氧快速测定仪(WTW340i)测定.
采用超滤法对进、出水分子量分布进行测定.水样先经清洗过的0.45μm微孔膜过滤，然后用超滤杯(Models8400，Millipore)及截留分子量分别为100、30、10、5、3和1kDa的纤维膜进行超滤，以不同分子量COD所占比例表征分子量的分布.加压气采用高纯氮气，压力为0.1MPa.
污泥浓度(TSS和VSS)采用重量法测量，采用454高通量测序的方法解析微生物种群结构.454高通量测序是基于焦磷酸测序(Pyrosequencing)法结合单分子乳滴PCR、微流体技术的新型超高通量测序技术，它无需进行电泳和荧光标记，具有测试准确、分析速度快、灵敏度高和高度自动化的特点.与传统测序方法相比，焦磷酸测序可以更深入地了解微生物的多样性.具体操作程序为：①污泥样品DNA提取：使用OMEGA公司E.Z.N.ASoilDNA试剂盒抽提基因组DNA，利用1%琼脂糖凝胶电泳检测；②PCR扩增：按指定测序区域，合成带有“5′454A、B接头-特异引物3′”的融合引物，PCR采用TransGenAP221-02：TransStartFastpfuDNAPolymerase20μL反应体系，用2%琼脂糖凝胶电泳检测PCR产物，使用AxyPrepDNA凝胶回收试剂盒切胶回收PCR产物，Tris-HCl洗脱；③将PCR产物用QuantiFluorTM-ST蓝色荧光定量系统进行检测定量，然后按照每个样品的测序量要求，进行相应比例的混合，进行焦磷酸测序.在0.03水平进行OUT聚类和物种分类分析，以MOTHUR软件及序列聚类软件Usearch4.0.38进行序列比较及分析，所比对的数据库为Silva106版.
3结果与讨论
3.1有机物去除效果
随着反应器的运行，COD去除率和出水产酸量逐渐增加，12d后启动成功，逐渐降低HRT至12h.稳定状态下，微氧和厌氧水解酸化反应器的污泥浓度分别为(7.76±0.23)和(7.28±0.28)g·L-1(以TSS计)，VSS/TSS比值分别为0.73和0.71.从上述数值可以看出，两个反应器的污泥浓度和活性没有显著差别.图2为两个反应器ORP的变化.微氧反应器A的ORP随着溶解氧浓度的升高而升高，平均ORP为-290mV；厌氧反应器B的ORP保持在-398mV左右.A、B反应器出水pH值分别为7.49±0.14和7.63±0.16.

图2ORP随时间的变化　　图3为反应器进出水COD和去除率随运行时间的变化.反应器运行稳定后，在HRT为12h时，A、B反应器出水的COD分别为(227±48)和(245±53)mg·L-1.DO从0.1mg·L-1增加至0.5mg·L-1，有机物的去除效率保持稳定，微氧反应器的COD平均去除率(31.2%)高于厌氧反应器(26.4%).一般文献报道的厌氧水解酸化的COD去除率为10%～30%，这是因为微氧环境能够强化兼性菌的生理代谢功能，促进有机物的降解(Krzemińskaetal.,2013).反应器进水TOC为(113±38)mg·L-1，微氧和厌氧出水的TOC浓度分别为(77±29)和(80±25)mg·L-1.TOC的去除率与COD差别不大，分别为31.8%和29.2%.进水的BOD5/COD为0.28±0.16，A、B反应器出水的BOD5/COD增加到0.33±0.18和0.31±0.14，表明微氧和厌氧水解酸化均能提高进水的可生化性.

图3反应器进、出水的COD和去除率随时间的变化　　如图4所示，微氧与厌氧水解酸化出水VFA浓度分别为(1.89±0.48)和(2.34±0.60)mmol·L-1.经水解酸化后废水的VFA/COD均有明显的提高，进水为(0.276±0.034)mg·mg-1，A、B反应器出水分别为(0.369±0.025)和(0.418±0.031)mg·mg-1.厌氧反应器的VFA/COD值(平均为0.418mg·mg-1)高于微氧反应器(0.369mg·mg-1)，说明厌氧条件下废水的酸化效果较好.微氧条件下部分异养型兼性菌的活性要高于厌氧条件，VFA作为小分子易降解物质容易被这些细菌消耗，从而使VFA/COD降低.随着微氧反应器中DO浓度的提高(0.1～0.5mg·L-1)，VFA产量和VFA/COD的比值先逐渐升高再降低，在DO浓度为0.2～0.3mg·L-1时达到最大平均值，分别为52.3%和0.402mg·mg-1.表明随着水中溶解氧浓度的升高，水解酸化菌中兼性菌的生理代谢功能得到强化，能够提高水解酸化效率，但溶解氧达到一定浓度后，对厌氧菌的抑制作用增强，导致水解酸化作用降低；同时，兼性菌对有机物尤其对小分子VFA的消耗增多，导致VFA产量和VFA/COD降低.进水和A、B反应器出水的比紫外吸收值SUVA分别为0.019、0.017和0.025.可以看出，经微氧水解酸化处理过后的SUVA值明显低于进水，说明微氧出水中芳香性有机碳或含共轭不饱和双键的有机物较少，微氧水解酸化对大分子芳香性难降解有机化合物的去除效果较好.

图4反应器进、出水的VFA浓度随时间的变化　　3.2硫酸盐和硫离子的浓度变化
微氧和厌氧水解酸化反应器进、出水SO42-和S2-浓度变化如图5所示.由图可知，进水SO42-浓度在350～650mg·L-1之间波动，微氧和厌氧出水SO42-浓度分别为(470.6±58.3)和(406.7±52.5)mg·L-1.进水S2-浓度为(0.131±0.036)mg·L-1，微氧和厌氧水解酸化出水S2-浓度分别为(0.112±0.037)和(1.267±1.224)mg·L-1.可以看出，SO42-和S2-浓度的变化趋势一致，微氧出水SO42-浓度较高，S2-浓度显著降低，表明微氧条件能够明显地抑制硫酸盐还原菌的活性，减少硫酸盐的还原和H2S的产生.

图5反应器进、出水的SO42-(a)和S2-(b)浓度随时间的变化　　3.3有机物分子量分布
通过分子量分布测定结果(图6)可以看出，石化废水水质较为复杂，进水溶解性有机物分子量分布广泛，主要分布在分子量小于1kDa(73.9%)和大于100kDa(12.4%)的范围，其余分子量有机物COD所占的比例为13.7%.比较进出水的分子量分布可以看出，出水分子量小于10kDa的小分子有机物所占比例明显增大，水解酸化强化了难降解大分子有机物的降解和去除作用.

图6反应器进出水不同分子量COD所占比例　　比较微氧和厌氧反应器出水的分子量分布，微氧与厌氧水解酸化出水分子量在1～3kDa和大于100kDa的COD所占比值分别为29.9%、4.2%和0.7%、30%，厌氧水解酸化出水大分子有机物所占比例明显高于微氧，同时较小分子有机物所占比例又远低于微氧.
3.4反应器出水的好氧生物降解特性
微氧和厌氧水解酸化反应器出水的好氧批式实验结果如图7所示.开始COD和氨氮的降解速率较快，反应12h后，COD降低趋于平缓；反应8h后，氨氮浓度降至检测限以下.微氧出水和厌氧出水的COD降解速率分别为11.8和10.9mg·h-1(以VSS计)，氨氮降解速率为2.52和2.13mg·h-1(以VSS计).二者差别不大，都具有较好的好氧生物降解特性.

图7上清液COD和氨氮浓度随时间的变化　　3.5反应器微生物种群结构分析
表2为两个反应器中污泥样品的454测序结果，表中丰度指数Ace和Chao1在生态学中常用来估计物种总数；Shannon指数是用来估算样品中微生物多样性的指数之一，Shannon值越大，说明群落多样性越高(于凤庆等，2012，Sanapareddyetal.,2009).由表2可以看出，微氧水解酸化反应器中微生物种群丰度高于厌氧水解酸化反应器，而厌氧水解酸化反应器中微生物种群多样性高于微氧水解酸化反应器.从细菌种群结构来看，微氧和厌氧有着相似的种群结构，造成这两个群落多样性差异的主要原因是种的不均匀性.微氧环境可以提高水解酸化菌的代谢活性，同时引起部分严格厌氧的菌种不能适应而死亡，使水解酸化微生物种类减少及物种分布趋于不均衡，集中在少数优势物种上.
表2细菌种群多样性指数特征(97%OTUs相似水平)
在门的水平，两个反应器污泥细菌种群分布如图8所示.可以看出，水解酸化反应器中的主要优势菌群有变形菌门(Proteobacteria)、绿弯菌门(Chloroflexi)、厚壁菌门(Firmicutes)、拟杆菌门(Bacteroidetes)、浮霉菌门(Planctomycetes)、酸杆菌门(Acidobacteria)、脱铁杆菌门(Deferribacteres)和放线菌门(Actinobacterium)，其中，变形菌门菌群所占比重最大，其次是绿弯菌门.微氧水解酸化菌群中变形菌门、绿弯菌门和放线菌门所占比例分别为39.7%、20.3%、1.9%，高于厌氧水解酸化菌群中的比例(分别为36.9%、17.5%、1.3%)，而厌氧水解酸化菌群中的拟杆菌门和酸杆菌门所占比例较大.变形菌门中包含很多兼性菌，在低溶解氧浓度条件下能有效利用溶解氧进行有机物的降解.绿弯菌门细菌多为丝状细菌，该菌群普遍存在于颗粒污泥中，对污泥颗粒结构的形成起到促进作用，同时具有降解大分子有机物的能力.放线菌对有机物也有较好的降解能力，因此，微氧水解酸化菌群对有机物尤其难降解大分子有机物的去除效果更好.拟杆菌门和酸杆菌门细菌的生物功能以水解发酵为主，能将碳水化合物水解为单糖后，再酵解为乳酸、乙酸、甲酸或丙酮酸；或将蛋白质水解为氨基酸和有机酸等；或将脂类水解为低级脂肪酸和醇，这与厌氧水解酸化反应器出水较高的VFA浓度一致.

图8在门的水平上反应器污泥细菌菌群的相对丰度(仅列出大于1%的数据)　　硫酸盐还原菌(SRB)是一类能够还原硫酸盐产生硫化氢的细菌的总称.早期研究认为，SRB是严格的专性厌氧菌，但近期的研究结果表明，SRB能在有分子氧存在的情况下存活甚至占优势.在属的水平上，厌氧水解酸化污泥检测出17种硫酸盐还原菌，总丰度为2.5%；而微氧水解酸化污泥检测出12种硫酸盐还原菌，总丰度为1.2%.表3列出了主要的硫酸盐还原菌及其丰度，可以看出，微氧水解酸化污泥的硫酸盐还原菌的种群多样性和丰度均低于厌氧污泥，其活性被有效抑制.
表3在属的水平鉴定出的主要硫酸盐还原菌及其丰度
4结论
1)微氧水解酸化是一种很有前途的石化废水预处理技术.微氧和厌氧水解酸化反应器COD的平均去除率分别为31.2%和26.4%.厌氧出水的比紫外吸收值为0.025，明显高于微氧出水(0.017)，表明微氧环境可以提高兼性水解酸化菌的生理代谢功能，强化难降解有机物的去除作用.反应器进水溶解性有机物分子量主要分布在小于1kDa(73.9%)和大于100kDa(12.4%)范围.出水分子量小于10kDa的小分子有机物所占比例明显增大，表明水解酸化有助于大分子有机物的降解和去除.微氧和厌氧出水均具有较好的好氧生物降解特性.
2)与厌氧水解酸化相比，微氧条件能够明显地抑制硫酸盐还原菌的活性和种群多样性，减少H2S的产生.
3)微氧水解酸化菌群中变形菌门、绿弯菌门和放线菌门的丰度明显较厌氧水解酸化菌群大，对难降解大分子有机物的去除效果好，而厌氧水解酸化菌群中以水解发酵为主的拟杆菌门和酸杆菌门所占比例更大，酸化效果相对更好.