二硝基苯酚废水厌氧生物处理实验研究

黄贞岚,吴 莉,桂双林,付嘉琦,龚媛媛

(江西省科学院能源研究所,330096,南昌 )

0 引言

工业园区所接纳的废水具有污染物浓度高、种类多、毒性高、难生物降解等特点。常规物理+生化处理难以使其出水达标排放[1],废水中难降解的有机成分很多,其中有二硝基苯酚等物质。二硝基苯酚(DNP)可用作防腐剂和非选择性生物累积农药,它是硫化染料、木材防腐剂和苦味酸的生产中的化学中间体。二硝基苯酚排入水体和耕地中造成污染,对人体及生态系统有毒害作用。近年来,研究人员开发了多种硝基苯废水治理技术,如吸附分离、生物降解、高级氧化、电分解等,产生了吸附去除效率低、易脱附、生物降解效果差等一系列问题[2]。为了解决这些问题,本研究提出一种新的处理方法,用纳米材料预处理+厌氧生物处理方法来处理该废水,能够提高生物降解的效率。由于纳米材料的预处理可将二硝基苯酚进行降解为易生物处理的有机物质[3],然后进一步生物降解,本实验采用纳米铁负载碳预处理+厌氧生物降解二硝基苯酚,实验运行90 d,实验结果为:经纳米铁负载碳预处理后再厌氧反应器处理2,4-二硝基苯酚废水,废水去除率为84.4%～94.6%,废水二硝基苯酚浓度由44.2 mg/L降解为2.37 mg/L,同时与未预处理进行对比实验。实验结果表明预处理效果更好,主要是废水在纳米铁负载活性炭微电解作用下二硝基苯酚结构发生改变,产生易于微生物降解的物质[3]。

1 实验部分

1.1 实验材料及分析方法

1.1.1 实验废水 实验废水采用配置的废水,其废水性质见表1。

表1 废水水质指标

1.1.2 接种污泥 接种污泥采用某制药厂处理站厌氧反应器底部的污泥。

1.1.3 分析方法 检测仪器有紫外可见分光光度计、pH计。

1.2 实验装置

预处理装置采用带塞子的三角烧杯,厌氧实验装置采用成套的厌氧生物处理装置,见图1。该装置包括厌氧生物反应瓶、集气瓶,厌氧反应瓶的容积均为2.5 L,反应瓶放入水浴恒温锅内,温度控制在36±1 ℃。

图1 厌氧生物处理实验装置

1.3 实验方法

本次实验包括纳米材料预处理实验和厌氧生物处理实验。

1.3.1 纳米材料预处理实验 纳米材料采用自制的纳米铁负载活性炭[4-5]。在500 mL三角烧杯中加入 2,4-二硝基苯酚废水和纳米铁负载活性炭后,调pH值,不同的pH和不同的纳米材料量下进行纳米材料预处理实验,用震荡器震荡2 h。

1.3.2 厌氧生物处理实验 本实验采用2组厌氧生物反应器装置,分别1号反应器和2号反应器。采用2种废水,一种是未预处理的 2,4-二硝基苯酚废水,另一种是经纳米铁负载活性炭预处理的 2,4-二硝基苯酚废水,实验装置如图1。 实验时间8月2日—10月30日,实验天数为90 d,实验分2个阶段。

8.2—8.18 前期为微生物驯化期 ,实验废水与厌氧生物污泥按一定比例混合驯化培养,在反应器分别加入800 mL(某制药厂厌氧反应器底部污泥)+800 mL(某制药厂处理站最终出水),水浴温度控制36 ℃,搅拌速度为20%。废水量从80～200 mL,反应驯化期产生少量沼气。

8.19～10.30 微生物增长期,加二硝基苯酚废水量从220至300 mL。加料前测定反应器pH为7.0,1号反应器加未处理二硝基苯酚220～300 mL,2号反应器加纳米铁-活性炭预处理二硝基苯酚220～300 mL。待厌氧生物反应运行稳定后,对进、出废水的pH和波长370 nm处[4]吸光度进行检测,观察反应器内厌氧处理情况。

2 结果与讨论

2.1 厌氧处理二硝基苯酚废水的效果分析

厌氧处理实验采用2种废水,一种是未预处理的二硝基苯酚废水,另一种是经纳米铁负载活性炭预处理的二硝基苯酚废水。2种废水pH值为6.0～7.0之间,废水浓度均见表2,分别加入厌氧生物处理反应器,运行稳定后检测2个厌氧反应器的出水,1号为未预处理废水的厌氧生物处理出水,2号为纳米铁负载活性炭预处理+厌氧生物处理的出水,0号为未处理进水。废水pH值为6.0～7.0之间,在波长370 nm处有特征吸收峰[6],用紫外分光计检测波长370 nm处[4]进水和出水的吸光度。根据二硝基苯酚作的标准曲线,得到废水浓度,实验结果见表2。

表2 2,4-二硝基苯酚废水预处理+厌氧处理效果

从表2检测结果看到,1号反应器处理2,4二硝基苯酚废水的去除率为64.1 %～76.2 %,2号反应器处理2,4二硝基苯酚废水的去除率为84.4 %～94.6 %,废水浓度由44.2 mg/L降解为2.37 mg/L,2号反应器的处理效果比1号反应器的处理效果更好,主要是纳米铁负载活性炭微电解作用使二硝基苯酚结构发生改变,通过铁碳微电解的氧化作用断开大分子链,能改善B/C值,有利后续生化处理,缩短生化时间极易于达标[3]。二硝基苯酚废水产生易于厌氧微生物降解的分子,所以去除效果相对较好。

2.2 不同废水浓度和停留时间对厌氧处理效果影响

在不同的废水浓度和停留时间进行厌氧处理实验,1号反应器是加入220 mL未预处理的硝基苯酚废水,2号反应器是加入220 mL纳米铁负载活性炭预处理的硝基苯酚废水。运行稳定后,对厌氧进水和出水进行全光谱紫外扫描,0号曲线为未处理废水全光谱分析曲线;1号曲线为1号反应器出水全光谱分析曲线;2号曲线为2号反应器出水全光谱分析曲线。

2.2.1 废水停留时间为3天厌氧处理实验 废水在厌氧反应器停留时间为3天,进料废水二硝基苯酚的浓度为50 mg/L左右,对厌氧反应器的进水和出水进行全光谱紫外扫描图,光谱图见图2。

0号曲线——未处理废水全光谱分析曲线; 1号曲线——1号反应器出水全光谱分析曲线;2号曲线——2号反应器出水全光谱分析曲线图2 停留时间为3天3种废水全光谱紫外扫描图

图2为9月6日的废水全光谱紫外扫描图。从图2可知,去除效果最好的是2号,说明2号二硝基苯酚废水经过纳米铁负载活性炭的预处理后效果较好。废水在反应器停留3天,停留时间加长,废水去除率提高。0号、1号、2号废水在波长370 nm处[4]测得吸光度分别为3.845、0.917、0.358,3种废水的pH值为7.0,1号和2号废水去除率分别为76.2%、90.7%,从全光谱紫外扫描图看到有些波长的吸光度有所降低,而212 nm处的吸光度较高,主要由硝基产生的[6]。

2.2.2 停留时间为1天厌氧处理实验 废水在厌氧反应器停留时间1天,进料废水二硝基苯酚的浓度为50 mg/L左右,对厌氧反应器进水和出水进行全光谱紫外扫描图,光谱图见图3。

0号曲线——未处理废水全光谱分析曲线; 1号曲线——1号反应器出水全光谱分析曲线;2号曲线——2号反应器出水全光谱分析曲线图3 停留时间为1天3种废水全光谱紫外扫描图

图3为9月13日的废水全光谱紫外扫描图。从图3可知,去除效果最好的是2号,2号二硝基苯酚废水经过纳米铁负载活性炭的预处理后效果较好。废水在反应器停留1天,与图2对比,停留时间缩短,废水去除率下降。0号、1号、2号废水在波长处[4]测得吸光度分别为3.845、2.666、1.393,3种废水的pH值为7.0,1号和2号废水去除率分别为30.7%、63.8%。从全光谱紫外扫描图看到有些波长的吸光度有所降低,而212 nm处的吸光度较高,主要由硝基产生的[6]。

2.2.3 二硝基苯酚废水浓度为15 mg/L左右的厌氧处理实验 废水在厌氧反应器停留时间1天,进料废水二硝基苯酚的浓度降低为15 mg/L。对厌氧进水和出水进行紫外可见光谱分析,全光谱紫外扫描见图4。

00号曲线--未处理废水全光谱分析曲线; 1号曲线--1号反应器出水全光谱分析曲线;2号曲线--2号反应器出水全光谱分析曲线图4 废水浓度为15 mg/L 3种废水全光谱紫外扫描图

图4为10月12日的全光谱紫外扫描图。从图4可知,去除效果较好的是2号,说明2号二硝基苯酚废水经过纳米铁负载活性炭的预处理后效果较好。0号、1号、2号废水在波长370 nm处[2]测得吸光度分别为2.677、 2.353、0.992,3种废水的pH值为7.0,1号、2号废水去除率分别为12.1%、63.0%。进料废水浓度降低,去除率变化不大。从全光谱紫外扫描图看到有些波长的吸光度有所降低,而212 nm处的吸光度较高,主要由硝基产生的[6]。

3 结论

二硝基苯酚废水经纳米铁负载活性炭预处理后再厌氧微生物处理,废水浓度由44.2 mg/L降解为2.37 mg/L,废水的去除率为84.4%～94.6%,效果比未预处理的好。由于纳米铁负载活性炭微电解作用使二硝基苯酚结构发生改变,生成易厌氧微生物降解的分子。当进料废水浓度为50 mg/L,停留时间为3天时,废水去除率为90.7%,停留时间为1天时,废水去除率为63.8%。废水在厌氧反应器中停留时间加长,可提高二硝基苯酚废水去除率。废水进料浓度的变化对去除率变化不大,当进料废水浓度降低为15 mg/L,停留时间为1天,废水去除率为63.0%。从全光谱紫外扫描图看到有些波长的吸光度有所降低,而212 nm处的吸光度较高,主要由硝基产生的。