合成萜烯类化合物废水处理技术

Posted 2023-01-15 化合物

篇首语：药农进山见草药，猎人进山见禽兽。本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了合成萜烯类化合物废水处理技术相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

萜烯类化合物作为重要的化工中间体，广泛应用于木材加工、香料制造、制药、饲料等行业。合成香料是轻工业和食品的原辅材料，且萜烯类香料的合成主要以石油化学制品、煤加工副产品、植物精油等为原料，采用高温高压的工艺合成。在合成香料生产过程中所产生的废水含有大量的有机物质，COD通常高达几万mg/L以上，且色度高、毒性大、难生化降解，属于典型的高浓度难降解有机废水。萜烯类化合物结构多样，有些萜烯类化合物在酸、碱、热条件下与其他有机化合物发生反应，产生有毒有害的物质。大多萜烯类化合物具有挥发性，在大气中形成气溶胶粒子，易造成呼吸道疾病，危害人们的身体健康。有些萜烯类化合物具有较强的还原性，会与大气中的臭氧、羟基等自由基发生反应，形成光化学烟雾，破坏臭氧层。所以合成萜烯类化合物的废水如果处理不当就排放，将导致严重的环境污染，必须对该类废水加大处理力度。目前的处理方法有物化、生化等方法，但是由于该类化合物属于难降解物质，一般方法处理后，废水很难达到排放标准。

浙江某企业生产维生素A、维生素E、类胡萝卜素和香精香料的中间体异植物醇、芳樟醇、香叶酯、β-紫罗兰酮等类萜烯类化合物和萜烯类化合物，其产品年产约140 t，废水量大难以处理，COD多年来一直在900～1 000 mg/L，都是通过自来水稀释排放达标的，每年用于稀释的自来水费用就有80多万。现企业要求出水COD<500 mg/L，氨氮<15 mg/L。本项目组从菌种库已有的200多株菌中筛选了3株高效降解菌，将发酵菌液用于企业污水的现场处理。投加该高效微生物菌剂处理该企业废水后，出水COD和氨氮达到企业对水质的要求。

1 材料与方法

1.1 微生物菌剂
微生物菌剂由3种菌组成，分别是桔橙小单孢菌（Micromonospora aurantiaca，简称ZHY1-5），赤红球菌（Rhodococcus ruber，简称ZHY1-6），类棒菌状红球菌（Rhodococcus corynebacterioides，简称ZHY1-4），这3株菌是由本实验室经过多年的积累而构建的难降解污染物菌剂库中筛选到的。

1.2 培养基
液体种子培养基：蛋白胨10 g/L，酵母浸出粉5 g/L，NaCl 10 g/L，葡萄糖 2 g/L，pH 7.0～7.2，固体种子培养基加2%的琼脂粉。

种子罐和发酵罐培养基：蛋白胨10 g/L，酵母浸出粉5 g/L，NaCl 10 g/L，葡萄糖 5 g/L，pH 7.0～7.2。

1.3 微生物菌剂的培养
将菌株ZHY1-4、ZHY1-5、ZHY1-6分别接种在固体种子培养基上，37 ℃下倒置恒温培养活化。将活化好的单菌落分别接种于100 mL的液体种子培养基中，于37 ℃，180 r/min条件下培养。恒温振荡培养至对数生长期，准备接种子罐。在50 L种子罐里按照罐体容积60%的比例投加培养基，121 ℃高压湿热灭菌，冷却至35 ℃后，将摇瓶种子按种子罐培养基体积10%的接种量接入种子罐，搅拌速度为160 r/min，无菌空气通入比以每分钟通入相当于种子罐培养基体积的空气量计为1∶0.8，培养至对数生长期。发酵罐为500 L，发酵液装量为罐体容积的60%，在0.11 MPa 的压强下，121 ℃高压湿热灭菌，灭菌后冷却至35 ℃以下，通入无菌空气保持无菌状态备用。将到达对数期的种子液接入发酵罐，接种后的发酵罐温度控制在35 ℃左右，发酵液的培养过程中无菌空气的通气比为1∶（0.8～1.2），搅拌速度为180～200 r/min，整个工艺流程培养时间为36 h，发酵结束后菌体数量级>108 mL-1。

发酵完成后培养液出罐直接用塑料包装桶分装成液体剂型，按照体积比例直接投加到工程现场。

1.4 废水处理工艺
该企业目前采用图 1所示工艺流程处理其产生的废水，其中一级曝气活性污泥池、二级曝气活性污泥池、CASS池的尺寸均为6 m×20 m×4 m，池容480 m3，有效容积约380 m3。原水COD 12 000～14 000 mg/L，氨氮 250～350 mg/L；用车间洗涤废水和生活污水在调节池内把原水稀释到COD 4 000～4 200 mg/L，氨氮 80～110 mg/L，pH 6.0～8.0；出水COD 900～1 000 mg/L，去除率在75%左右，氨氮 50 mg/L左右，去除率在40%～50%。现企业要求出水COD<500 mg/L，氨氮<15 mg/L，为此决定在一级曝气活性污泥池、二级曝气活性污泥池、CASS池中投加试验用菌剂。

图 1 废水处理工艺流程

1.5 分析方法
COD：重铬酸钾法（GB 11914—1989）；氨氮：纳氏试剂比色法。

1.6 菌剂强化处理的现场中试试验
采用微生物菌剂直接投加到企业污水处理厂的一级、二级曝气活性污泥池、CASS池的方式。根据实验室小试3株菌对合成萜烯类化合物废水降解的效果及菌株投加后对水质可能影响的因素来投加菌剂。这3株菌先按照V（ZHY1-5）∶V（ZHY1-6）∶V（ZHY1-4）=2∶4∶4的比例投加，在一级、二级曝气活性污泥池内分别流加500 L，在CASS池内流加200 L，流加速度300 mL/min，运行20 d，每天监测出水COD和氨氮，同时观察活性污泥的生长情况。再按照V（ZHY1-5）∶V（ZHY1-6）∶V（ZHY1-4）=4∶3∶3的比例在一级、二级曝气活性污泥池内分别流加500 L，在CASS池内流加200 L，流加速度300 mL/min，运行40 d，每天监测出水COD和氨氮，同时观察活性污泥的生长情况。污水处理工艺的HRT=5 d。

2 结果与讨论

2.1 按2∶4∶4投加菌剂处理的结果
3种菌按照2∶4∶4的比例组成的菌剂在一级、二级曝气活性污泥池内分别流加500 L，CASS池流加200 L，运行20 d，企业最终出水COD、氨氮的情况分别见图 2、图 3。

图 2 按2∶4∶4投加菌剂对COD的去除效果

图 3 按2∶4∶4投加菌剂菌剂对氨氮的去除效果

从图 2可以看出，菌剂按照2∶4∶4的比例投加后，经过前几天的运行，出水COD除了偶尔的波动外，基本稳定在500～650 mg/L，去除率大多在85%以上。与企业原来只有75%的COD去除率相比出水有了很大的改善，说明该菌剂的投加对该类废水确实具有强化处理的效果。从图 3可以看出，出水稳定后氨氮基本保持在15 mg/L左右，即使进水氨氮升高，出水氨氮也保持在15 mg/L左右，去除率在80%～85%，与之前企业的出水在50 mg/L左右比较，去除率提高了30%～40%，可以看出菌剂投加后，对出水的氨氮去除效果要较之COD好。分析原因，是因为ZHY1-4和ZHY1-6属于红球菌属，红球菌属的菌具有代谢多样性，在污水处理中具有广谱的降解作用，可以对含碳有机化合物如各种长链烷烃、芳烃、萜烯类化合物等有降解作用〔1, 2, 3, 4〕。况且ZHY1-6这株菌当初实验室就是从长庆油田石油污染过、且含盐量在3%的土壤中分离到的。由于萜烯类化合物合成过程中的原辅料是一些芳烃类和链烃类的物质，这些化合物在废水中完全降解需要很长的时间，通过投加高效的微生物来快速降解，才能使得废水的COD在整个污水处理的过程中有所降低，所以这也是这组菌剂投加后对该类废水COD有一定的处理效果的原因之一。这组菌剂投加后不仅废水中的COD降低了，而且对氨氮的处理效果也非常明显。有研究报道红球菌属的菌不仅可以对含氮有机化合物有降解作用〔5〕，而且具有好氧反硝化的作用，这一点自2004年张光亚等发现红球菌属存在好氧反硝化现象以来，红球菌就被列入具有反硝化功能的菌属〔6〕，这也是这组菌剂对该废水的COD和氨氮有明显降解效果的原因。现在有越来越多的研究发现红球菌属的菌具有好氧反硝化作用〔7, 8〕。由于这组菌剂中的红球菌不仅具有较广的碳源和氮源谱，而且能在含盐量高的生态环境下生活，对环境具有极强的适应能力，因此在废水的处理中发挥重要的作用。

2.2 按4∶3∶3投加菌剂处理的结果
3种菌按照4∶3∶3的比例组成的菌剂在一级、二级曝气活性污泥池内分别流加500 L，CASS池流加200 L，运行40 d，企业最终出水COD、氨氮的情况分别见图 4、图 5。

图 4 按4∶3∶3投加菌剂对COD的去除效果

图 5 按4∶3∶3投加菌剂对氨氮的去除效果

从图 4可以看出，菌剂按照4∶3∶3的比例投加后，出水COD在运行几天稳定后基本保持在400～500 mg/L，去除率在87%～91%，比按2∶4∶4投加的菌剂处理效果要好，出水满足了企业的要求，说明提高菌剂中ZHY1-5的比例对COD的去除效果更好。从图 5可以看出，出水氨氮均在15 mg/L以下，与按2∶4∶4投加的菌剂相比，去除效果提高不是很明显，说明菌剂ZHY1-4和ZHY1-6对氨氮的去除效果较好。

A. Linos 等〔9〕研究发现，ZHY1-5对聚异戊二烯合成橡胶具有很好的降解作用，聚异戊二烯橡胶是由异戊二烯单体经溶液聚合而得，而萜烯类化合物的结构单体是也异戊二烯，合成该化合物的工艺中也会有类似的结构化合物存在，所以当ZHY1-5投加到萜烯类化合物合成废水中强化处理后，对该类水质有很好的降解作用。ZHY1-5属于放线菌类，而放线菌类的微生物对橡胶废水降解具有很好的优势〔10〕。虽然文献中没有有关ZHY1-5降解萜烯类化合物的报道，但从这两个文献和试验的结果也证明了该菌对萜烯类化合物确实有一定的降解作用。尽管ZHY1-5对萜烯类化合物合成废水有好的处理效果，但是考虑到ZHY1-5是放线菌属的菌株，而丝状菌有可能引起污泥膨胀，因此为了保证污水处理的效果又不破坏活性污泥的菌胶团系统，在系统中应适当控制ZHY1-5的投加比例，并经常观察系统中污泥的生长情况，以便保证在系统污泥不发生膨胀的情况下，达到理想的污水处理效果。。

3 结论
从实验室构建的难降解污染物菌剂库中筛选到3株对合成萜烯类化合物废水有降解作用的菌株——桔橙小单孢菌、赤红球菌、类棒菌状红球菌，用其组成的菌剂对合成萜烯类化合物的废水进行了处理。实验表明用该菌剂强化处理合成萜烯类化合物的废水，出水的COD和氨氮基本满足了企业对出水水质的要求。