K+對肝素鈉廢水厭氧生物處理中污泥性能的影響

何 娟，楊紅薇，張建強(qiáng)，陳 佼

（西南交通大學(xué) 地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，四川 成都 610031）

高鹽有機(jī)廢水中既含有大量的鹽分，又含有高濃度的有機(jī)污染物［l-5］，是較難處理的廢水之一。生物法由于具有經(jīng)濟(jì)、高效、無害的特點，成為首選的廢水處理方法。而生物法處理高鹽有機(jī)廢水時，廢水中的高濃度NaCl會對微生物的生長產(chǎn)生抑制作用［6-8］。有學(xué)者發(fā)現(xiàn)，K+可以減輕高鹽對微生物生長的抑制作用。趙傳芳等［9］研究發(fā)現(xiàn)，厭氧處理系統(tǒng)中的Na+質(zhì)量濃度達(dá)7～8 g/L時會嚴(yán)重抑制厭氧微生物的生長，而加入適量K+后微生物生長情況明顯改善。周培瑾［10］發(fā)現(xiàn)嗜鹽菌細(xì)胞內(nèi)的K+濃度是細(xì)胞外的100倍左右，而胞外Na+濃度是胞內(nèi)的4倍。陶衛(wèi)平［11］研究了嗜鹽菌的嗜鹽機(jī)制后指出，嗜鹽菌細(xì)胞結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定和細(xì)胞內(nèi)K+等離子濃度的維持均需要高鹽濃度。何?。?2］研究發(fā)現(xiàn)K+能激活游離氨基酸和季銨化合物的合成，保持反應(yīng)器中較高的K+質(zhì)量濃度（50 mg/L以上）可以減輕Na+對微生物的抑制作用，即K+對Na+具有拮抗效應(yīng)。洪青等［13］與信欣［14］分別研究了BYS-1菌和V430菌，發(fā)現(xiàn)它們均通過積累K+來調(diào)節(jié)胞內(nèi)外的滲透壓平衡。

目前在高鹽廢水生物處理中關(guān)于K+對微生物影響的研究均是在某種嗜鹽菌或耐鹽菌的純培養(yǎng)物的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，而在實際生物處理中K+對整個污泥系統(tǒng)的影響尚未見報道。肝素鈉生產(chǎn)廢水具有高鹽、高有機(jī)物、高氨氮的特點，極難處理。

本工作研究了K+在肝素鈉生產(chǎn)廢水厭氧生物處理中對污泥的解抑作用。

1 實驗部分

1.1 原料、試劑和儀器

實驗用廢水取自成都某肝素鈉生產(chǎn)廠，水質(zhì)如下：COD 11 800～20 500 mg/L，ρ（NaCl）

28 000～32 000 mg/L，TN 1 450～2 500 mg/L，TP 350～500 mg/L，ρ（NH3-N）1 320～2 350 mg/L，pH 6.5～7.5。將廢水稀釋至COD約為4 000 mg/L備用。實驗用污泥采用城市污水處理廠的消化污泥，培養(yǎng)馴化后使用。分別取僅活化未馴化的污泥即零鹽濃度污泥和馴化后穩(wěn)定于不同鹽濃度的耐鹽污泥進(jìn)行實驗，其中耐鹽污泥的鹽濃度（以NaCl質(zhì)量濃度計）分別為8 000，16 000，24 000 mg/L。

NaCl和KCl均為分析純。

ICS-900型離子色譜儀：戴安中國有限公司；Agilent 7890A型氣相色譜儀：安捷倫科技有限公司。

1.2 實驗方法

取1 500 mL污泥，加廢水750 mL，混勻后取上清液測定COD和ρ0（NH3-N），記為進(jìn)水濃度，然后分裝至7個厭氧反應(yīng)器中，各約300 mL，編號1#～7#。1#作為空白對照組，其余6個按表1的配比加入KCl，連接好排水法產(chǎn)氣測量裝置，放入振蕩器中，室溫下，以相同的速率振蕩，5 d后記錄總產(chǎn)氣量，并測定氣體中的甲烷體積分?jǐn)?shù)，測定出水COD及ρ1（NH3-N）。各反應(yīng)器中m（KCl）∶m（NaCl）見表1。分別取不同鹽濃度的污泥進(jìn)行上述實驗，零鹽濃度的污泥不再調(diào)節(jié)廢水鹽濃度，其他均需通過添加NaCl將廢水鹽濃度調(diào)節(jié)為當(dāng)前耐鹽污泥的鹽濃度。

氨化率=［ρ1(NH3-N)-ρ0(NH3-N)］/ρ0(NH3-N)×100%。

表1 各反應(yīng)器中m（KCl）∶m（NaCl）

1.3 分析方法

采用重鉻酸鉀法測定COD［15］；采用國家標(biāo)準(zhǔn)方法測定ρ（NH3-N）和VSS［16］；采用離子色譜儀測定Cl-的質(zhì)量濃度，再換算成NaCl的質(zhì)量濃度；采用氣相色譜儀測定甲烷體積分?jǐn)?shù)；采用排水法測產(chǎn)氣量。

2 結(jié)果與討論

2.1 K+加入量對零鹽濃度污泥性能的影響

零鹽濃度污泥VSS為9 g/L，進(jìn)水ρ（NaCl）為5 000 mg/L，進(jìn)水COD為1 000 mg/L，ρ0（NH3-N）為250.3 mg/L，按表1的配比加入KCl后1#～7#反應(yīng)器中K+質(zhì)量濃度分別為0，2，3，7，12，17，33 mg/L。K+加入量對零鹽濃度污泥COD去除率和氨化率的影響見圖1。K+加入量對零鹽濃度污泥產(chǎn)氣量和甲烷體積分?jǐn)?shù)的影響見圖2。

由圖1可見：COD去除率在47%～60%間上下波動；氨化率在28%～40%間上下波動。由圖2可見：不同K+加入量條件下產(chǎn)氣量均在70～80 mL間上下波動，與空白對照組沒有明顯的差異；甲烷體積分?jǐn)?shù)在6.0%～8.0%間上下波動，也沒有顯著變化?？梢?，低鹽濃度下K+加入量對污泥性能沒有明顯影響，原因可能是在低鹽濃度下，NaCl的抑制效應(yīng)并不顯著，因而K+的解抑效應(yīng)未能體現(xiàn)。

圖1 K+加入量對零鹽濃度污泥COD去除率和氨化率的影響

圖2 K+加入量對零鹽濃度污泥產(chǎn)氣量和甲烷體積分?jǐn)?shù)的影響

2.2 K+加入量對ρ（NaCl）為8 000 mg/L活性污泥性能的影響

ρ（NaCl）為8 000 mg/L的活性污泥VSS為8 g/L，進(jìn)水ρ（NaCl）為8 000 mg/L，進(jìn)水COD為2 897.5 mg/L，ρ0（NH3-N）為261.0 mg/L，按表1的配比加入KCl后1#～7#反應(yīng)器中K+質(zhì)量濃度分別為0，5，10，20，35，50，100 mg/L。此實驗條件下K+加入量對ρ（NaCl）為8 000 mg/L的活性污泥COD去除率和氨化率的影響見圖3。K+加入量對ρ（NaCl）為8 000 mg/L的活性污泥產(chǎn)氣量和甲烷體積分?jǐn)?shù)的影響見圖4。

圖3 K+加入量對ρ（NaCl）為8 000 mg/L的活性污泥COD去除率及氨化率的影響

圖4 K+加入量對ρ（NaCl）為8 000 mg/L的活性污泥產(chǎn)氣量及甲烷體積分?jǐn)?shù)的影響

由圖3可見：隨著K+加入量的增加，COD去除率略有提高；K+加入量為50 mg/L時，COD去除率最高，為62.8%；繼續(xù)增加K+加入量，COD去除率不再提高；K+加入量為5 mg/L時，氨化率最高，為58.2%；K+加入量大于5 mg/L后，氨化率均低于空白對照組，且沒有明顯的變化規(guī)律。由圖4可見，隨著K+加入量的增加，產(chǎn)氣量在60～72 mL間上下波動，甲烷體積分?jǐn)?shù)在7.5%～10.0%間上下波動，產(chǎn)氣量和甲烷體積分?jǐn)?shù)均沒有明顯的變化規(guī)律?？梢?，在此鹽濃度下K+對活性污泥性能的影響不明顯，原因可能是鹽濃度仍然不高，K+的解抑效應(yīng)還未能體現(xiàn)。

2.3 K+加入量對ρ（NaCl）為16 000 mg/L活性污泥性能的影響

ρ（NaCl）為16 000 mg/L的活性污泥VSS為5.4 g/L，進(jìn)水ρ（NaCl）為16 000 mg/L，進(jìn)水COD為2 000 mg/L，ρ0（NH3-N）為253.0 mg/L。按表1的配比加入KCl后，1#～7#反應(yīng)器K+質(zhì)量濃度分別為0，10，20，40，70，100，200 mg/L。此實驗條件下K+加入量對ρ（NaCl）為16 000 mg/L的活性污泥COD去除率和氨化率的影響見圖5。K+加入量對ρ（NaCl）為16 000 mg/L的活性污泥產(chǎn)氣量和甲烷體積分?jǐn)?shù)的影響見圖6。

圖5 K+加入量對ρ（NaCl）為16 000 mg/L的活性污泥COD去除率及氨化率的影響

圖6 K+加入量對ρ（NaCl）為16 000 mg/L的活性污泥產(chǎn)氣量及甲烷體積分?jǐn)?shù)的影響

由圖5和圖6可見：隨著K+加入量的增加，COD去除率、產(chǎn)氣量和甲烷體積分?jǐn)?shù)均先升高后降低；K+加入量為20 mg/L時，COD去除率、產(chǎn)氣量和甲烷體積分?jǐn)?shù)均達(dá)到最大值，分別為62.1%、122 mL和10.0%，相比空白對照組分別提高了39.5%，10.9%，14.9%；而氨化率變化不大，均在35%左右?？梢?，在此鹽濃度條件下，K+的添加對活性污泥性能有所改善，污泥中一定質(zhì)量濃度的K+提高了COD的去除率、產(chǎn)氣量及甲烷體積分?jǐn)?shù)，對氨化率沒有明顯影響。

2.4 K+加入量對ρ（NaCl）為24 000 mg/L活性污泥性能的影響

ρ（NaCl）為24 000 mg/L的活性污泥VSS為5.5 g/L，進(jìn)水ρ（NaCl）為24 000 mg/L，進(jìn)水COD為1 800 mg/L，ρ0（NH3-N）為306.2 mg/L，按表1的配比加入KCl后，1#～7#反應(yīng)器K+質(zhì)量濃度依次為0，15，30，60，105，150，300 mg/L。此實驗條件下K+加入量對ρ（NaCl）為24 000 mg/L的活性污泥COD去除率和氨化率的影響見圖7。K+加入量對ρ（NaCl）為24 000 mg/L的活性污泥產(chǎn)氣量和甲烷體積分?jǐn)?shù)的影響見圖8。

圖7 K+加入量對ρ（NaCl）為24 000 mg/L的活性污泥COD去除率及氨化率的影響

圖8 K+加入量對ρ（NaCl）為24 000 mg/L的活性污泥產(chǎn)氣量及甲烷體積分?jǐn)?shù)的影響

由圖7可見：隨著K+加入量的增加，COD去除率、產(chǎn)氣量和甲烷體積分?jǐn)?shù)均先升高后降低；K+的加入量為60 mg/L時，COD去除率、產(chǎn)氣量和甲烷體積分?jǐn)?shù)均達(dá)到最大值，分別為72.5%、139 mL和17.5%，相比空白對照組分別提高了17.1%、43.3%和71.8%，氨化率變化不大，均在32%左右?？梢?，在此鹽濃度條件下，K+改善了活性污泥的性能，K+的解抑作用得以體現(xiàn)。

3 結(jié)論

a）在肝素鈉生產(chǎn)廢水的厭氧生物處理中，在ρ（NaCl）小于8 000 mg/L的低鹽濃度條件下，K+對污泥的解抑作用不明顯；在ρ（NaCl）大于16 000 mg/L的高鹽濃度條件下，K+對污泥表現(xiàn)出解抑作用。

b）在高鹽濃度下，加入K+可提高廢水的COD去除率、反應(yīng)器的產(chǎn)氣量和產(chǎn)氣中甲烷體積分?jǐn)?shù)，氨化率沒有明顯變化。ρ（NaCl）為16 000 mg/L、K+加入量為20 mg/L時，COD去除率、產(chǎn)氣量和甲烷體積分?jǐn)?shù)均達(dá)到最大值，相比對照組分別提高了39.5%，10.9%，14.9%；氨化率變化不大，均在35%左右。ρ（NaCl）為24 000 mg/L、K+加入量為60 mg/L時，COD去除率、產(chǎn)氣量和甲烷體積分?jǐn)?shù)相比對照組分別提高了17.1%、43.3%和71.8%，氨化率變化不大，均在32%左右。

［1］張勇，祁恩成，張守誠，等.黃姜-皂素廢水綜合處理技術(shù)的探討［J］.環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2004，27（8）：124-125.

［2］劉大銀，畢亞凡，李慶新，等.皂素生產(chǎn)廢水綜合治理技術(shù)研究I.實用治理技術(shù)框架［J］.武漢化工學(xué)院學(xué)報，2003，25（4）：33-36.

［3］劉鋒，吳建華，馬向華，等.上流式厭氧生物濾池處理高含鹽廢水的實驗研究［J］.蘇州科技學(xué)院學(xué)報：工程技術(shù)版，2003，16（2）：34-35.

［4］王曉霞，吳生，烏錫康.鐵炭-生化法處理高含鹽染料廢水的研究［J］.環(huán)境化學(xué)，2002，21（6）：594-598.

［5］馬國斌，儲金宇，張波.活性污泥法+接觸氧化法工藝處理高鹽度環(huán)氧丙烷生產(chǎn)廢水的實驗研究［J］.四川環(huán)境，2004，23（6）：1-3.

［6］安立超.嗜鹽菌的特性與高鹽廢水生物處理的進(jìn)展［J］.環(huán)境污染與防治，2002，24（5）：293-296.

［7］Belkin S，Brenner A.Biology treatment of a high salinity chemical wastewater［J］.Water Sci Technol，1993，31（9）：61-72.

［8］Wen C G.Effect of salinity on removal coeffi cient of receiving waters［J］.Water Sci Technol，1984，16（1）：139-154.

［9］趙傳芳，黃志龍，卿素華.有機(jī)污水的生物化學(xué)處理［M］.成都：四川科學(xué)技術(shù)出版社，1986：45-48.

［10］周培瑾.嗜鹽細(xì)菌［J］.微生物學(xué)通報，1989，16（l）：31-34.

［11］陶衛(wèi)平.嗜鹽菌的嗜鹽機(jī)制［J］.生物學(xué)通報，1996，31（l）：23-24.

［12］何健.高鹽難降解工業(yè)廢水微生物處理的污泥馴化研究與應(yīng)用［D］.南京：南京農(nóng)業(yè)大學(xué)，2000.

［13］洪青，張國順，張忠輝，等.中度嗜鹽菌Halomonassp.BYS-1的滲透調(diào)節(jié)［J］.微生物學(xué)通報，2004，31（5）：71-75.

［14］信欣.耐鹽菌株特性及其在高鹽有機(jī)廢水生物處理中的應(yīng)用［D］.武漢：中國地質(zhì)大學(xué)，2007.

［15］張翠粉.COD測定中硫酸汞去除氯離子干擾的探討［J］.內(nèi)蒙古環(huán)境保護(hù)，2005，17（1）：26-27.

［16］魏復(fù)盛.水和廢水監(jiān)測分析方法.4版［M］.北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社，2002：105-107，276-279.