常温下间甲酚的厌氧降解研究张赛英

收稿日期：2010-12-19作者简介：张赛英(1984-)，女，助理工程师，硕士研究方向：废水处理及市政工程质量监督管理间甲酚是重要的化工原料，广泛应用于医药、燃料和试剂等化工行业[1]，是农药制造、有色金属冶炼加工、焦化等工业行业排放的主要有机污染物。水中含有10mg/L的酚类物质就会使水生生物不能生存。含酚废水的毒性还可抑制水体中其他物质的自然生长速度，破坏生态平衡。间甲酚是甲酚三种异构体中最难生物降解的[2]，具有强烈的腐蚀性及毒性，被美国EPA列入环境优先控制污染物的黑名单，同时也是我国重点控制污染物之一[3]。处理间甲酚废水主要包括生物降解、萃取、活性炭吸附和高级氧化处理等方法[4]。本文采用厌氧生物降解间甲酚，试验结果表明此方法效果好，并具有明显的优点。1材料和方法1.1实验装置本实验采用模拟UASB反应器(图1)，反应器用有机玻璃制成，反应区内径9cm，外径13cm(内外径之间中空部分为保温的循环热水)，反应区高度50cm。反应器上部为沉淀区，内设三相分离器，其内径13cm，高度25cm。反应器总高度75cm，总容积4.77L，有效容积3.18L。1.2接种污泥接种污泥取自长沙市金霞污水处理厂。1.3试验水样UASB反应器启动试验所用水样为人工配制的葡萄糖废水，pH值为6.7～7.2。反应器降解间甲酚试验所用水样为人工配制废水。在厌氧条件下，易降解物质的存在将促进难降解有机物的厌氧酸化[5]，如葡萄糖可加速苯文章编号：1671-8496-(2011)01-0057-04常温下间甲酚的厌氧降解研究张赛英1，姚灵林2（1.深圳市坪山新区城市建设局，广东深圳518118；2.广州市公路工程公司，广东广州510075）摘要：采用常温(26～30℃)上流式厌氧污泥床(UASB)反应器处理间甲酚废水，研究常温下颗粒污泥厌氧降解间甲酚的能力，UASB反应器降解间甲酚的极限浓度以及产气量的变化，探讨了采用UASB厌氧处理间甲酚废水的主要影响因素。试验结果证明，当HRT为18h时，UASB反应器可以降解的间甲酚浓度高达900mg/L(2250mgCOD/L），相应的容积负荷为3.38gCOD/(L·d)，间甲酚去除率达到96.2%。关键词：间甲酚；厌氧；UASB；抑制中图分类号：X703文献标识码：AAnaerobicDegradationofM-cresolatAmbientTemperatureZHANGSai-ying1，YAOLing-lin2(1.CityBuildingBureau,PingshanDistrict,Shenzhen518118,China;2.HighwayEngineeringComanyofGuangzhouCity,Guangzhou510075,China)Abstract:Upflowanaerobicsludgebed(UASB)reactorwasusedfordegradationofm-cresolwastewater,inordertostudythecapabilityofgranularsludgetodegradem-cresolatmesophilictemperature,andinvestigateathresholdtoxicityofm-cresolconcentrationandthechangeofthebiogas.Theresultshowesthat,whentheHRTis18h,UASBreactorcandegradem-cresolattheconcentrationof900mg/L(namely2250mgCOD/L),thecorrespondingvolumeloadingis3.38gCOD/(L·d)withremovalrate96.2%.Inthispaper，thetemperature,pH,HRTandconcetrationofwastewaterhaveeffectontheCODandthem-cresolremovalsareinvestigated.Keywords:m-cresol;anaerobic;UASB;inhibition第10卷第1期广东交通职业技术学院学报Vol.10No.12011年3月JOURNALOFGUANGDONGCOMMUNICATIONSPOLYTECHNICMarch2011酚的降解[6,7]。试验初始进水为葡萄糖与间甲酚的混合废水，以葡萄糖为共生基质，目的在于减小间甲酚的毒性对厌氧微生物的抑制作用。将葡萄糖和间甲酚的浓度提高到一定程度后，逐渐减少废水中葡萄糖浓度的同时增加间甲酚的浓度，从而对厌氧污泥进行驯化，使其适于降解间甲酚，最终将进水变成纯间甲酚废水。试验中进水pH值为6.5～8.0。1.4测试项目及分析方法本次试验测试项目包括COD、间甲酚、产气量、甲烷含量、pH值、温度。COD：重铬酸钾滴定法；间甲酚：4-氨基安替比林直接分光光度法[8]；产气量：液体置换法；甲烷含量：液体置换系统；pH值：奥立龙818型pH仪。2结果和分析2.1UASB反应器的启动UASB反应器采用中温启动，温度保持在35±2℃，pH值为6.7～7.2，启动初期葡萄糖废水的浓度为2000mgCOD/L，HRT为48h，容积负荷为1.0gCOD/(L·d)。由于启动过程中Al3+能够促进污泥颗粒化进程[9]，所以在进水中添加三价铝盐以促进颗粒污泥的形成。废水浓度由2000mgCOD/L逐步提高到4000mgCOD/L，同时改变停留时间。主要试验参数的变化见表1。最开始停留时间的改变对COD的去除率有一定影响，但在3~5d后恢复正常，此后随着容积负荷的提高，COD的去除率没有受到明显的影响，且一直呈增长趋势，从80.0%上升至97.8%。同样随着COD容积负荷的提高，沼气产率持续上升。启动过程中COD去除率及沼气产率的变化详见图2和图3。2.2驯化阶段葡萄糖和间甲酚的降解本研究驯化阶段，在常温26～30℃下进行。初始阶段，为了减小间甲酚的毒性对厌氧微生物的抑制作用，以葡萄糖作为共生基质。HRT采用24h，在启动装置后逐渐降低葡萄糖浓度，逐步加大进水中间甲酚浓度。葡萄糖初始浓度为3450mgCOD/L，间甲酚初始浓度为20mg/L(50mg-COD/L)。进水中葡萄糖和间甲酚的浓度同时递变，直到葡萄糖浓度渐变至1000mgCOD/L，间甲酚浓运行时间/d1~1112~2021~2526~3132~3637~4344~4950~5556~75HRT/h483624181212121212COD浓度/mg·L-1200020002000200020002500300035004000COD容积负荷/gCOD·(L·d)-11.01.52.03.04.05.06.07.08.0表1启动过程中的容积负荷变化1.进水容器2.蠕动泵3.恒温水浴箱4.循环泵5.恒温水浴夹套6.UASB反应器7.三相分离器8.污泥取样孔9.气体采样孔10.气体测量装置图1模拟UASB反应器图2中温启动过程COD负荷与去除率变化运行时间/d020406080020406080100987654321COD负荷/gCOD·(L·d)-1COD去除率/%图3中温启动过程COD负荷与沼气产率变化运行时间/d020406080020406080100987654321COD负荷/gCOD·(L·d)-1沼气产率/L·d-1广东交通职业技术学院学报第10卷58度为400mg/L(1000mgCOD/L)，进水总COD浓度为2000mgCOD/L。随后将间甲酚浓度保持在400mg/L(1000mgCOD/L)，逐步减少配水中葡萄糖浓度，直到葡萄糖减至零，配水中全部为间甲酚。本试验中进水pH值在6.5～8.0之间。由于葡萄糖的去除率比较高，一般处于80%～98%之间，负荷的提高主要取决于间甲酚的去除率，即每当间甲酚的去除率趋于稳定时提高负荷。该过程中葡萄糖和间甲酚的进水浓度变化如图4所示。刚加入间甲酚时，由于停留时间在24h，进水中的间甲酚浓度较低，在一星期后去除率才趋于稳定，仅在20%左右，随着间甲酚浓度的提高，间甲酚去除率没有明显的变化，一直保持在20%左右。当进水中间甲酚的浓度提高到160mg/L(400mgCOD/L)时，酚的去除率有所提高，维持在35%~45%。继续提高间甲酚浓度，在浓度提高到240mg/L(600mgCOD/L)时，受温度和浓度的双重变化，去除率骤降，位于15%~20%。在第83d，间甲酚的去除率恢复到36%，当间甲酚浓度提高到400mg/L(1000mgCOD/L)时，酚去除率再次下降，在20%左右持续了10d，后随着葡萄糖浓度的逐渐降低，间甲酚的去除率持续提高，从27.4%提高到98.4%。当进水中的葡萄糖浓度变为零时，间甲酚的去除率实现了质的变化，说明厌氧污泥已基本具备降解间甲酚的能力。间甲酚及COD去除率的变化详见图５和图6。试验初期由于负荷高且间甲酚含量低，沼气产率较高，在4.5～5.0L/d之间。随着负荷的降低和间甲酚浓度的提高，沼气产率也逐渐降低。在64～70d，沼气产率稳定在2.9～3.1L/d之间。随后，保持反应器负荷2.0gCOD/(L·d)不变，受间甲酚浓度提高的影响，沼气产率在80d和103d有明显的下降。在90～100d，沼气产率稳定在1.8～2.1L/d。在120～132d，沼气产率稳定在1.37～1.62L/d。当反应器负荷降到1.0gCOD/(L·d)时，沼气产率降到1.2L/d。整个试验过程中，沼气中的甲烷含量比较稳定，一直在58%～72%之间。此阶段的运行如图7。2.3反应器对间甲酚废水的降解反应器常温运行的第140d，进水中葡萄糖浓度减至零，此时间甲酚浓度为400mg/L(1000mgCOD/L)，反应器进入处理间甲酚废水阶段。此阶段中，每次递增100mg/L间甲酚的速度逐步加大间甲酚浓度，以提高反应器负荷，直至达到厌氧降解间甲酚的极限浓度。试验中HRT仍采用20406080100去除率/%运行时间/d012060309015005温度/℃101520253035图6常温驯化过程温度与间甲酚去除率关系2000COD浓度/mg·L-10151206075304590105135150500100015002500300040003500运行时间/d图4常温驯化过程COD负荷变化20406080100去除率/%运行时间/d0120603090150图5常温驯化过程COD与间甲酚去除率关系2000COD浓度/mg·L-10151206075304590105135150500100015002500300040003500沼气产率/L·d-10654321运行时间/d图7常温驯化过程COD负荷与沼气产率变化第1期张赛英，等：常温下间甲酚的厌氧降解研究59(下接第64页)18~24h。试验的运行情况如图8和图9所示。在间甲酚浓度由600mg/L(1500mgCOD/L)增加900mg/L(2250mgCOD/L)的过程中，几乎每次负荷提高，间甲酚的去除率均有所下降，但随即上升，并均能达到90%以上的去除率，出水pH值保持在7.1~7.5。当间甲酚浓度提高到900mg/L时，酚的去除率达到96.2%。这说明厌氧细菌对间甲酚的毒性有个适应的过程，经过逐步的驯化，厌氧细菌是可以降解高浓度的间甲酚废水的。沼气产率的变化类似于间甲酚去除。当间甲酚浓度提高至1000mg/L(25000mgCOD/L)时，酚的去除率急剧下降至42.8%，且进水pH值降至6.9，出现酸化的倾向。常温条件下，间甲酚作为唯一碳源时，毒理极限浓度达到1000mg/L(2500mgCOD/L)。2.4讨论Fang等[10]研究中温条件下硫酸盐废水中苯甲酸和甲酚的厌氧降解，当HRT为12h，间甲酚的去除率只有11%。Zhou等[11]采用中温条件下UASB处理苯酚和间甲酚混合废水，在回流比1􀏑1条件下，存在蔗糖作为共基质时