利用物理诱变活性污泥深度处理焦化废水的研究

吴雪菲，史乾涛，戴菲，郭栋生

（山西大学 环境与资源学院，山西 太原 030006）

0 引言

焦化废水是煤制焦炭、煤气净化及焦化产品回收过程中产生的、以含酚为主的高浓度有机废水［1］.目前各焦化企业大多采用生化法处理焦化废水，在处理过程中焦化废水中难降解稠环芳烃和杂环化合物，如吲哚、萘、喹啉等有机污染物在生物处理系统中去除率低，是影响出水COD达标的主要原因.

对活性污泥中的微生物进行诱变可能改善水处理效果.其中，物理诱变技术以其技术设备简单，操作方便，价格经济，突变率高，诱变产物对环境威胁相对较小等优点而受到重视.洪志方等应用离子束为诱变因素，对活性污泥进行辐照处理，活性污泥处理焦化废水的能力明显提高［2］.Samir等研究了超声波在不同条件下对活性污泥诱变的效果以及对COD的处理的影响［3］.郑小飞等用紫外线做诱变剂处理活性污泥中筛选出来可以高效降解COD的菌株，COD的降解率显著提高［4］.但是这些研究多集中在诱变因子对活性污泥性状的改变上，而针对物理诱变前后活性污泥对焦化废水深度处理效果的影响进行比较研究，还鲜见报道.

本研究分别采用紫外线、变温、超声波三种常用的物理诱变因子，对焦化废水处理中的活性污泥进行诱变处理.将诱变后的活性污泥对焦化废水进行深度处理，通过比较不同因子诱变处理前后的活性污泥SV30（曝气池混合液在量筒静止沉降30min后污泥所占的体积百分比）与SVI（曝气池混合液经30min静沉后，相应的1g干污泥所占的容积）值，探讨了物理诱变对活性污泥性状的影响；通过测定诱变处理后的活性污泥在焦化废水深度处理中对废水中剩余CODCr（化学需氧量）、NH3－N（氨氮）和TOC（总有机碳）的去除效果和有机物的GC－MS分析，研究了诱变处理前后活性污泥对焦化废水中难降解有机物降解能力的变化.

2 材料与方法

2.1 焦化废水来源及水质

试验用水取自太原市某焦化厂废水处理站焦化废水原水（水样1），水样1的水质主要指标如下：pH 6.0～6.5，CODCr1455.3mg／L，NH3－N 313.992mg／L，TOC 308.6mg／L.将采用SBR系统对水样1处理24 h后的出水作为突变后污泥深度处理系统的进水（水样2）.

2.2 仪器与试剂

TOC－VCPH检测仪（日本岛津）；DSQ单四极杆气相色谱质谱（Thermo公司），DB－5MS 30m×0.25mm×0.25μm石英毛细管色谱柱（Agilent公司）.

二氯甲烷使用色谱纯（Fisher Scientific，农药级），其余药品与试剂均采用国产分析纯.

2.3 SBR系统及装置

水样1和水样2的处理均采用SBR工艺，由反应器、曝气系统、搅拌系统、进水排水系统及恒温系统组成.反应器为有效容积为5L，恒温水浴保证系统在30℃环境下运行.

试验运行周期为24h，泥水比为2∶3（活性污泥600mL、进水900mL）［5］，运行流程如图1所示.

图1 实验SBR工艺流程示意图Fig.1 SBR process flow diagram in the experiment

2.4 检测分析方法

CODCr采用重铬酸钾法测定；NH3－N采用纳氏试剂光度法测定；TOC采用燃烧氧化－非分散红外吸收法测定.

有机物的测定采用气质联用法，分析前水样的预处理方法以及色、质谱条件参照文献［6］.

2.5 活性污泥中微生物的物理诱变过程

将处理水样1过程中产生的活性污泥用布氏漏斗抽干，进行称重后平均分成4份，均按照泥水比2∶3的比例采用SBR工艺流程运行24h，观察其运行状况良好.将其中3份活性污泥分别进行紫外线、变温和超声波诱变，对应标记为1＃污泥，2＃污泥和3＃污泥.剩下1份作为未诱变处理对照，标记为0＃污泥.

2.5.1 紫外线诱变

将1＃污泥均匀涂布于培养皿中，使用短波紫外灯对活性污泥菌液进行照射，光程为15cm，照射时间120s，使其均匀地接受辐射［7］.

2.5.2 变温诱变

将2＃污泥转移至锥形瓶中，10℃静置10min后，迅速移至恒温水浴箱50℃静置5min，静置过程中不断用玻璃棒搅拌锥形瓶中的活性污泥，保持温度均匀［8］.

2.5.3 超声波诱变

将3＃污泥转移至烧杯中浸入超声波清洗槽内，30℃下进行15min的超声波处理［9］.

2.6 物理诱变后活性污泥恢复培养

诱变处理后需对活性污泥在水样2的SBR系统中进行恢复培养，在此期间按照一定的浓度梯度对水样2进行稀释，即在恢复培养过程中逐渐提高污泥的负荷比，所采用的焦化废水浓度见表1.

表1 诱变后活性污泥恢复培养及驯化Table 1 Recovery training and domesticating to the mutagenic treated active sludge

在恢复培养5～12d时间内，连续测定处理出水的SV30、SVI值和各自出水中CODCr、NH3－N和TOC含量，至连续3d测定值相同，表明系统达到稳定，说明诱变后的微生物达到一定的遗传稳定性.

3 结果与讨论

3.1 诱变处理对污泥活性性状的影响

诱变处理后，对活性污泥进行了SV30与SVI值测定，结果见表2.

表2 诱变前后污泥体积指数的变化Table 2 Change of the volume index of sewage before and after mutagenesis

由表2可以看出：经过诱变后的活性污泥SV30与SVI值都有所下降，但是2＃和3＃污泥的SVI值均在50～120mL／g之间，说明污泥并没有发生膨胀；而1＃污泥即紫外线诱变后的污泥SV30值与其它相比，下降显著，SVI值也下降到50mL／g以下，说明紫外线照射对污泥的活性产生了负面影响，分析原因可能是紫外线的照射对微生物造成了一定的损伤，从而改变了污泥的物理性状.

3.2 诱变处理对废水CODCr、NH3－N和TOC值去除率的影响

测定数据见表3.

表3 诱变对CODCr，NH3－N和TOC去除率的影响Table 3 Influence of mutagenesis on the removal rate of CODCr，NH3－N and TOC from wastewater

表3给出了经过诱变后的活性污泥在SBR系统中对焦化废水进行深度处理的效果，综合评价可以看出，经过超声波诱变的活性污泥对水样2中CODCr、NH3－N和TOC去除率的提高作用最好，而紫外线诱变处理效果相对较差.结合诱变前后活性污泥SVI值的变化，推测紫外线诱变处理效果较差的原因可能为紫外线照射对活性污泥中的微生物造成了较为严重的损伤，使其对焦化废水的深度处理效果相对较差.

3.3 诱变处理对废水中有机物类型去除的影响

采用GC－MS分析方法测定各水样中有机物类别及峰面积，选取具有代表性的有机物列（见表4）.

表4 诱变处理前后焦化废水有机物组分的变化Table 4 Change of organic compounds in coking wastewater before and after mutagenesis

从表4结果可以看出：

（1）焦化废水原水中含有66种有机物，其中杂环化合物数量最多，达到了29种，苯酚类物质虽仅检测出7种，但峰面积最大，占有机物总峰面积的55.92%，其中苯酚和甲基苯酚的含量最高；其次是喹啉、吲哚、咔唑等含氮的杂环化合物以及苯和多环芳烃及其衍生物，所占比例分别为24.82%、7.01%、3.04%.

（2）经过SBR 0＃污泥处理出水中有机物种类明显降低，仅剩下40种；苯酚及其衍生类物质未检测出；苯及其衍生物的峰面积明显减小；杂环类化合物只剩18种，且峰面积普遍减小，占积分总面积的41.63%，其中嘧啶、吲哚和喹啉类物质得到有效去除；烃的含氧衍生物与卤代烃物质种类数增加.

（3）1＃污泥处理出水中，共检测出40种有机物，其中主要物质为卤代烃，其峰面积占比为31.41%；其次为杂环化合物，共检测出19种杂环化合物，峰面积占比为26.49%，较0＃出水含量降低；多环芳烃完全被去除；而卤代烃与烃的含氧衍生物含量升高.

（4）2＃污泥处理出水中，共检测出33种有机物，其主要物质是卤代烃，峰面积占比为41.16%；其次为烃的含氧类物质和脂肪烃，占比分别为25.04%和18.99%；而杂环化合物只检测出10种，且峰面积占比仅为8.30%；多环芳烃完全被去除；经过变温诱变后，活性污泥对腈类和杂环类化合物等难降解物质的去除效率有所提升.

（5）3＃污泥处理出水中，共检测出37种有机物，主要物质为杂环化合物，峰面积占比为28.24%；其次为卤代烃，占比为28.16%，虽然苯类物质的去除率也比较高，但相对于0＃污泥处理出水，处理效果有所下降.可见超声波对活性污泥进行诱变后，对难降解物质的处理效果有所提升，但与变温、紫外线相比较，活性污泥对杂环类化合物的降解性相对较弱.

［1］牛世芳，段存褔，刘盛伟，等.焦化废水深度处理工艺的研究［J］.冶金环境保护，2008，5：43－46.

［2］洪志方，牛漫兰.离子束诱变活性污泥辅助处理焦化废水的研究［J］.合肥工业大学学报，2007，30（6）：672－675.

［3］Samir K K，David G，Sung S，et al.Ultrasound Applications in Wastewater Sludge Pretreatment：A Review ［J］.Critical Reviews in Environmental Science and Technology，2007，37：277－313.

［4］郑小飞，毛缜，曹晓兵.紫外线照射优势菌对矿区污水COD的去除研究［J］.煤矿现代化，2011，4：55－56.

［5］于晓彩，徐微，扬艳杰.SBR法处理含阴离子表面活性剂废水的研究［J］.环境保护科学，2006，32（6）：20－25.

［6］国家环境保护总局《水和废水监测分析方法》编委会.水和废水监测分析方法［M］.4版.北京：中国环境科学出版社，2002.

［7］吴焕利，冯贵颖，赵淑艳，等.紫外诱变选育高效微生物絮凝剂产生菌及其应用［J］.西北农林科技大学学报：自然科学版，2008，36（8）：113－118.

［8］高兴强，黄运红，戴菲，等.热效应在微生物诱变育种中的应用［J］.微生物学报，2009，36（10）：1592－1595.

［9］张宁宁，吴胜举，程欣.论述超声处理污泥的影响因素［J］.能源环境保护，2007，21（1）：6－9.