大连不同种源活性污泥降解CN-的试验研究

周 璇, 薛 文 平, 董 晓 丽, 马 春, 张 新 欣, 薛 芒, 李 琳 慧

( 大连工业大学 轻工与化学工程学院, 辽宁 大连 116034 )

0 引 言

氰类物质毒性较强,已被各国列入优先控制的污染物名单。工业处理含氰废水早期主要采用碱氯法、因科法,20世纪90年代开始出现生物氧化法、湿式氧化法、超临界水氧化等[1]。目前,最常用的含氰废水处理方法是碱氯法[2],但此技术回收再利用困难,不仅含氯量高的残渣对水生生物有害[3-4],大量余氯的消耗也使得费用增高。尽管化学法有效可行,但运行费用高,而且会带来许多新的环境问题。与化学法相比,生物法成本低、耗能少,减少了二次污染的可能性,引起了人们的极大的兴趣。作者通过不同条件的对比试验探究污泥来源及培养方式对活性污泥中微生物降解水中氰化物的效果,目的是为活性污泥法应用到处理含氰工业废水提供理论依据。

1 试 验

1.1 材 料

活性污泥,来源于大连凌水污水处理厂曝气池。

试剂:氢氧化钠固体,氯化钠固体,铬酸钾,硝酸银标准液,试银灵(对二甲氨基亚苄基罗丹宁)溶液,氰化钾固体,1∶1的硝酸溶液。培养液:葡萄糖固体,牛肉膏,蒸馏水。

1.2 培养及分析方法

1.2.1 活性污泥的驯化培养

将从大连凌水污水处理厂曝气池取得的污泥1 L倒入容积为2 L的烧杯里,前期先加入培养液,装好曝气器进行曝气,每隔12 h曝气一次,每次时长6 h,每次曝气结束后沉淀2 h,然后排出生化反应池上清液并补充等量去离子水,培养2～3 d,使污泥适应并更具有活性。培养后期,在驯化微生物过程中,氰化物质量浓度按照30、60、90、120 mg/L不断增加,直至150 mg/L,驯化过程为7～9 d,污泥外观呈黄褐色,表明污泥培养驯化已成熟。另取等量污泥进行厌氧培养,无须曝气,放置在密闭容器中,采用同样方式进行驯化培养。

1.2.2 分析方法

因试验水体中无重金属及络合物,故采用国标硝酸银滴定法。

1.2.2.1 方法原理

用硝酸银标准溶液滴定氰化钾浓度,水样中的氰离子与硝酸银作用形成可溶性的银氰络合离子[Ag(CN)2]-,过量银离子与试银灵指示剂发生反应,溶液由黄色变为橙红色[5]。

用0.01 mol/L硝酸银标准溶液进行滴定。

1.2.2.2 CN-质量浓度的测定

取一定体积的试样于锥形瓶中,用2% NaOH溶液调至pH=10,加入0.2 mL试银灵指示剂,用硝酸银标准溶液滴定至溶液由黄色变为橙红色为止。氰化物质量浓度ρ2(mg/L)以氰离子(CN-)计:

ρ2=c0(Va-V0)×52.04×1 000/V

(1)

式中,c0为硝酸银标准溶液浓度,mol/L；Va为测定试样时硝酸银标准溶液用量,mL；V0为空白试样硝酸银标准溶液用量,mL；V为样品体积,mL；52.04为氰离子的摩尔质量,g/mol。

通过计算CN-质量浓度在降解反应前后的变化,即可得出CN-的降解率:

η=(ρ0-ρt)/ρ0

(2)

式中,η为CN-的降解率,%；ρ0为CN-的初始质量浓度,mg/L；ρt为t时刻CN-的质量浓度, mg/L。

2 结果分析与讨论

使用质量浓度为100 mg/L的氰化钾溶液作模拟含氰废水,改变条件进行试验。

2.1 氰化物的自然降解与微生物降解的对比

同时做CN-浓度相同的两组试验,一组为自然降解条件,另一组为加入驯化后活性污泥降解条件。结果详见图1,氰化物在进行微生物处理时的降解速率与自然降解情况下相比明显增加,在试验进行6 h后,投加污泥的水样中氰化物的降解率已达86.15%,而自然降解率仅为61.7%,说明驯化后活性污泥中的微生物对于氰化物的降解有着较显著的促进作用。

图1 氰化物的自然降解与进行微生物处理的降解率曲线

Fig.1 The cyanide degradation rate curve of natural and microbial degradation

2.2 微生物在驯化前后降解氰化物效果的对比

从大连凌水污水处理厂所取的污泥进行驯化。将未驯化的污泥与驯化过的污泥分别加入两组CN-浓度相同的反应器中进行降解试验。试验结果详见图2。投加驯化污泥的水样中氰化物降解效果优于未驯化污泥的一组,试验进行6 h后,未投加驯化污泥的水样中氰化物降解率仅达60.45%,而投加驯化污泥的水样中降解率可达88.23%,表明驯化后污泥的处理优势主要表现为

图2 微生物在驯化前后处理氰化物的降解率曲线

Fig.2 The cyanide degradation rate curve of microorganisms before and after treatment

降解速率快。氰化物毒性较强,对于各种微生物有着不同程度的危害,因此在进行微生物降解氰化物的处理之前将污泥进行一定程度的驯化,使微生物能够适应含氰水样的环境并提高活性,对于降解废水中的氰化物也有着重要的作用。

2.3 好氧微生物与厌氧微生物降解氰化物效果的对比

将准备试验的污泥分为两部分,一部分在驯化及处理含氰废水时进行阶段性曝气,另一部分污泥进行厌氧培养,即在驯化培养的过程中不需要曝气,而是在密闭的容器中培养。如图3所示,好氧微生物降解氰化物的效果远远优于厌氧微生物,试验证实:利用氰化物及硫氰酸盐生长的微生物是好气性的。在试验进行6 h后,投加好氧微生物的水样中氰化物的降解率即可达98.23%,而厌氧微生物所达到的降解率仅为40%,表明在活性污泥中降解氰化物的主要有效菌种为好氧微生物,经过曝气后好氧微生物的生长得到促进,因此降解效果较试验一、二更加明显。因此在利用活性污泥法降解含氰废水时在驯化及处理阶段进行适量的曝气可大幅度提高氰化物的降解率。

图3 厌氧微生物与好氧微生物处理氰化物的降解率曲线

Fig.3 The cyanide degradation rate curve of treatments by anaerobic microbe and aerobic microbe

2.4 污水处理厂活性污泥与天然污泥降解氰化物效果的对比

天然污泥取自大连市夏家河的河道中,培养驯化方式与取自城市污水处理厂污泥相同,两组试验对比结果详见图4。从图4可见,天然微生物处理氰化物的效果略微差于人工驯化微生物,天然污泥的优势在于微生物种类繁多,而污水处理厂的污泥中微生物种类虽然相对单一,但降解CN-的菌种数量多且活性大,因此两种污泥处理氰化物时效果差异并不大。

图4 天然污泥与污水处理厂污泥处理氰化物的降解率曲线

Fig.4 The cyanide degradation rate curve of natural sludge and wastewater treatment plant sludge

3 结 论

(1)活性污泥对于降解氰化物有着明显的促进作用,在微生物作用下CN-最终转化为无害的N2和H2O。

(2)由于氰化物的毒性大,为避免微生物受毒性影响大量死亡同时提高降解效率,进行处理之前的活性污泥都需要经过驯化。

(3)在活性污泥中起着主要降解功效的是好氧微生物,利用氰化物及硫氰酸盐生长的微生物是好气性的。

(4)与人工驯化的微生物相比,天然条件下的微生物同样有降解氰化物的作用。

[1] 薛文平,薛福德,姜莉莉,等. 含氰废水处理方法的进展与评述[J]. 黄金, 2008, 29(4):45-50.

[2] YOUNG C A, JORDAN T S. Cyanide remediation:Current and past technologies[C]. Proceedings of the 10th Annual Conference on Hazardous Waste Research, 1995:104-129.

[3] KAO C M, CHEN K F, LIU J K, et al. Enzymatic degradation of nitriles byKlebsiellaoxytoca[J]. Applied Microbiology and Biotechnology, 2006, 71(2):228-233.

[4] KAO C M, LIU J K, LOU H R, et al. Biotransformation of cyanide to methane and ammonia byKlebsiellaoxytoca[J]. Chemosphere, 2003, 50(8):1055-1061.

[5] 郑翠玲. 硝酸银容量法快速测定水质中氰化物[J]. 福建分析测试, 2006, 15(2):35-36.