强化厌氧处理含酚废水研究

1、编号：时间：2021年X月X日书山有路勤为径，学海无涯苦作舟 页码：第2页共6页强化厌氧处理含酚废水研究摘要：为提高含酚废水的厌氧降解性能，降低水力停留时间，以导电性 强、能加速铁还原过程的纳米Fe3O4为投加物,在上流式厌氧污泥床反应器(UASB) 中处理含酚废水。结果表明，纳米Fe3O4的加入使COD、苯酚去除率分别提高 约11、26百分点，废水可生化性提高、生物毒性降低。在纳米Fe3O4的作用下 污泥结构紧密、粒径增大。高通量测序分析表明，投加纳米Fe3O4可以使微生 物群落结构得以改变：古菌Methanothrix丰度提高11.9%,细菌在属的分类水平 上富集Pelotomaculum

2、> Syntrophus> Seditntibacter等功能微生物，提高反应器 的降解效率。关键词：纳米Fe3O4；含酚废水；厌氧生物处理厌氧生物法存在低运行能耗、高有机负荷和厌氧微生物时代时间长等 优点，是处理含酚废水最为现实有效的方法之一。传统厌氧法虽然能够实现酚类 污染物的部分去除，但也存在去除效果较差和水力停留时间过长等不足1-2。近 年来，一些学者提出向厌氧体系投加铁氧化物，此方法有助于污染物的厌氧降解。 其中，纳米Fe3O4作为一种粒径小、导电性强的典型铁氧化物，广泛应用于污 染物降解、污水处理等环境领域3-5。本研究希望通过考察纳米Fe3O4对含酚废 水的厌氧降解性

3、能，探究其对于含酚废水中特征污染物的去除、可生化性及生物 毒性的影响，并对反应后污泥体系微生物形态变化及种群丰度进行分析，进而为 含酚废水的实际处理提供实践及理论依据。1实验部分1.1装置与材料。连续流实验设置2个上流式厌氧污泥床反应器(UASB), 有效工作体积均为1L,分别为对照组R1,加入纳米Fe3O4的R2。HRT为12h, 运行温度为(38±1) <>纳米Fe3O4外购，粒径为50100nm。称取3.3g纳米 Fe3O4加入适量超纯水中，用玻璃棒搅拌均匀。添加0.5g的十二烷基苯磺酸钠至 纳米颗粒水溶液中搅拌均匀，在R2加入纳米Fe3O4溶液前，将溶液超声lh,

4、以 促进体系的分散。L2接种污泥与废水。接种污泥取自大连市夏家河污泥处理厂 的厌氧污泥。在2个UASB中内驯化该污泥，每个反应器接种350mL污泥。添加 葡萄糖作为碳源(COD为2g/L ) , NH4CI和KH2PO4作为氮源和磷源(COD：p(N):p(P)=200:5:l)o利用NaHC03调节反应器pH为7.07.2。实验用水 包括含酚废水和葡萄糖废水2部分。含酚废水的组分为苯酚、噬咻、叱咤，以理 论COD计的比为76:18:4 o添加NH4CI和KH2PO4作为氮源和磷源(COD:p(N):p(P)=200:5:l)。除碳源、氮源和磷源之外，每升含酚废水中还加入1mL 微量元素。葡萄

5、糖废水的组分为葡萄糖、NH4CI、KH2Po4, COD:p(N):p(P)=200:5:l, 每升葡萄糖废水中加入1mL微量元素。1.3实验流程。实验分为2个阶段：微生 物驯化阶段以及反应器稳定阶段。在微生物驯化阶段，以驯化和富集功能微生物 为主要目的。反应器进水由含酚废水和葡萄糖废水混合而成，该模拟废水提供的 COD为2g/L。利用NaHC03调节反应器pH为7.07.2。驯化过程中，通过逐步 提高含酚废水占模拟废水的COD比例来实现功能微生物的富集。在驯化初期， 含酚废水的COD的比例为20%,该阶段稳定运行10d后，向R2内加入含有3.3g 纳米Fe3O4的水溶液，与污泥充分搅拌后静置

6、，使污泥与纳米Fe3O4完全混合。 随后每10d提高一级含酚废水的COD的比例(40%、80%、100%),直到含酚废 水COD比例达到100%。该阶段运行时间为50d。在稳定阶段，模拟废水的COD 全部由含酚废水提供。向R2内再次加入含3.3g纳米Fe3O4的水溶液并连续运行 10d,待R2的COD去除率达到稳定后,将含酚废水的COD从2g/L分别提升至3、 4g/L,考察反应器抗冲击能力。该阶段运行时间为30do 1.4分析方法。采用重 铝酸钾法测定水中COD7：采用高效液相色谱法检测出水中苯酚的含量8；依 据GB7488 87测定并计算废水BOD5的变化。利用扫描电镜（SEM ）观察UA

7、SB 污泥表面的微生物形态10 o 依据 OECD 发布的 /Fish,AcuteToxicityTest.OECDGuideline203/,毒性标准方法评估反应前后废水急性 毒性的变化11:以斑马鱼作为受试物分析2个反应器出水急性毒性的差异。斑 马鱼购于当地花鸟虫市场，使用曝气手段去除自来水中的氯并驯化1周，期间自 然死亡率不超过5%,实验前Id停止喂食12。随机选取7条成年斑马鱼，使其 在96h内静态暴露于3L的玻璃鱼缸内。将饲育水作为稀释水，每个水样至少选 取5个暴露含量，每组均再设置平行实验。采用96h的半数致死含量（LC50）和 相应毒性单位（TU）评价含酚废水对斑马鱼急性毒性。利

8、用软件SPSS13.0,通过 概率元分析方法（P 2结果与讨论2.1纳米Fe3O4对COD及苯酚去除的影响。为评价纳米Fe3O4对含酚 废水厌氧处理性能，R1和R2连续运行80do图1和图2分别是COD及苯酚的去 除率。由图1可知，当纳米Fe3O4力II入至R2后（第10 20天），逐渐提高含酚 废水在模拟废水中的COD的比例，R2的COD去除率始终高于R1。当COD提高 至4g/L时，最终R2的COD去除率较R1高约11百分点。苯酚属于难降解污染 物，具有生物毒性。作为含酚废水中的特征污染物，苯酚的去除情况是评价纳米 Fe3O4对含酚废水降解性能的重要指标。由图2可知，当含酚废水COD比例为

9、 20%时，进水中苯酚的质量浓度为150.7mg/L, RI、R2的苯酚去除率均为28%。 当纳米Fe3O4补充至R2后,R2的苯酚去除率大幅度提高。随着含酚废水COD 比例的增加，R2的苯酚去除率均高于R1。反应进行至稳定阶段后，苯酚的质量 浓度从753.6mg/L逐步提高至1507mg/L,此时R2的苯酚去除率稳定在84%, R1 的去除率仅为58%。表明纳米Fe3O4可以提升COD降解速率，增强反应器对苯 酚的去除效果。2.2纳米Fe3O4对可生化性和急性毒性的影响。实验运行结束后， 为探究纳米Fe3O4对废水可生化性的影响，分别测定、计算2个反应器进出水 BOD5/COD (B/C)o

10、结果表明，进水的B/C为0.18,可生化性较差；经厌氧处理 后,R1的B/C为0.57,而R2的B/C达到了 0.69,表明纳米Fe3O4的投加可以提 高废水可生化性。含酚废水具有生物毒性，在自然水体中排放不仅可以使鱼类中 毒死亡，还会威胁到人类的健康16。我国工业废水排放标准中仅包含常规的理 化指标，缺少对生物毒性指标的规定。尽管我国已经严格执行相关标准，仍然无 法有效评估废水的毒性特征17。因此评价含酚废水在处理过程中的生物毒性削 减性能是十分必要的。利用斑马鱼作为受试物，对R1和R2的出水进行急性毒性 分析。结果表明，R1的LC50为17.32%,对应的TU为5.77； R2的LC50为

11、25.7%, 对应的TU为3.89。与R1相比，R2在反应后出水具有较低的急性毒性。在厌氧 条件下，经纳米Fe3O4的强化，含酚废水中有机物容易转化成可被生物利用的 物质，降解速率加快，使含酚废水可生化性提高，生物毒性得到削减，生物致死 率降低。这与COD、苯酚的去除结果一致。2.3污泥体系内微生物形态。连续流 实验结束后RI、R2内污泥表面的微生物形态如图3所示。由图3可知，R1内污 泥内部结构松散，存在较大空隙，可见丝状菌和杆状菌；而R2内污泥内部结构 第5页共6贞编号：时间：2021年X月X日书山有路勤为径，学海无涯苦作舟 页码：第6页共6页较为紧密，污泥粒径较大，多见杆状菌。推测这一结

12、果可能是纳米Fe3O4的存 在使功能微生物得到富集，微生物间的联系更加紧密。但该推测的验证还需要结 合微生物群落结构分析。2.4微生物群落结构分析连续流实验结束后，采用高通 量测序技术对RI、R2内污泥样品的古菌、细菌群落进行分析，结果见表1。III 表 1 可知，2 个反应器污泥中，Methanothrix、Methanoregula Methanolinea、 Methanobacterium4种古菌含量较高，其中Methanothrix （耗乙酸产中烷菌）为 主导古菌。钱风越在利用Fe3O4纳米颗粒厌氧消化产甲烷的实验中也证明了纳 米Fe3O4的加入能提高Methanothrix的丰度。

13、这与本研究中获得的结论相似。Methanothrix丰度的显著提高，可能是纳米Fe3O4的加入使大分子有机物加速分 解，同时产生较多乙酸，而乙酸进一步刺激污泥体系内产甲烷菌群落，使 Methanothrix得以富集。对细菌群落多样性进行评估发现，R2中微生物的香浓 指数（4.52）与 Chaol 指数（31282）均高于 R1 （分别为 4.49、27755）。TRABLY 等发现，在其它有毒芳香化合物的选择压力下，微生物演替和功能微生物种群丰 度逐渐增加17。这与本研究结果相似。提高生物多样性和种群丰度能够促进微 生物间的共代谢作用，从而加快污染物的代谢。R1与R2中的细菌在属分类水平 上基

14、本类似，但各细菌所占的比例较为不同，见表2o由表2可知，Pelotomaculum 在2个反应器中均为优势菌属。Pelotomaculum的成员P.Thermopropionicum是一 种典型的发酵型铁还原菌，能够通过异化铁还原作用实现有机物的去除18。反 应器内还检测到Bacillus、Geobacter等铁还原菌，R2中铁还原菌的比例总体高于 Rio此外，在投加纳米Fe3O4后，R2出水中Fe2+的含量较高（表3）。这些结果 表明纳米Fe3O4作为电子受体触发了异化铁还原过程，为铁还原菌的生长提供 支持，进而富集铁还原菌，使其能够利用多种复杂有机物，加速有机物的降解。另外，其他功能微生物的富集也可能是投加纳米Fe3O4后反应器性能提高的原 因之一。Syntrophus菌被报道可以有效降解苯酚19。其在RI、R2中的相对丰度 分别为4.09%、8.21%o有文献报道，Seditntibacter在厌氧处理焦化废水的微生 物群落中占主导地位，它与煎化废水中苯酚等有机物的降解有明显的相关性20。 其在RI、R2中的相对丰度分别为2.17%和3.46%o据此推断，纳米Fe3O4还可 能通过高效富集Syntrophuss Seditntibacter等功能微生物以促进苯酚等特征污染 物的降解。3结论