丙烯酸廢水厭氧生物毒性實(shí)驗(yàn)

張瑩璐

（大同師范高等?？茖W(xué)校，山西大同 037009）

作為合成有機(jī)物的原料之一，丙烯酸廢水中的有機(jī)廢物種類復(fù)雜，處理流程復(fù)雜程度較高，常用的預(yù)處理方法便是在丙烯酸中添加厭氧微生物，借助生化處理方式來提升廢水的生化性。從實(shí)際應(yīng)用情況來看，厭氧微生物在處理過程中，其COD 處理效率會呈現(xiàn)出不斷下降的情況，分析其原因主要是因?yàn)閺U水中某些污染物具備一定的生物毒性，會抑制厭氧生物活性，如何采取有效措施降低廢水生物毒性，穩(wěn)定厭氧微生物活性，成為非常重要的研究內(nèi)容之一。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

使用的廢水來源于某化工廠廢水排放口，廢水的COD 濃度為12 800mg/L，同時(shí)其pH 為3.6；用于稀釋廢水的蒸餾水，其COD 濃度為0，同時(shí)其pH 為7，呈中性；厭氧污泥主要來源為化工廠厭氧處理池底部，初始狀態(tài)為混合溶液，其密度為5.5g/L；用于中和廢水酸性的堿性溶液，主要為NaHCO3溶液，濃度為3.0mol/L；供給厭氧生物正常新陳代謝的營養(yǎng)物質(zhì)，主要以經(jīng)濟(jì)性較強(qiáng)的尿素為主。

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

本次實(shí)驗(yàn)所采用的裝置主要以全自動甲烷潛力測試系統(tǒng)AMPTS Ⅱ?yàn)橹?。該?shí)驗(yàn)裝置由厭氧消化單元、酸性氣體吸收單元、氣體計(jì)量單元和數(shù)據(jù)處理單元四部分組成[1]。其中，厭氧消化單元由恒溫水浴及15個600mL 帶有機(jī)械攪拌的玻璃發(fā)酵瓶組成；酸性氣體吸收單元與15個玻璃發(fā)酵瓶逐一對應(yīng)，采用80×m L× 3.0mol/L 的NaOH 溶液作為沼氣中CO2及酸性氣體吸收劑，并以百里香酚酞溶液作為pH 指示劑；氣體計(jì)量單元采用氣液置換法測定甲烷氣體量（自動校正到標(biāo)況下的體積，0℃，101.325kPa，干氣），15個微量氣體流量計(jì)與15個玻璃發(fā)酵瓶逐一對應(yīng)，每當(dāng)微量氣體流量計(jì)內(nèi)甲烷氣體蓄積10mL 時(shí)，計(jì)量桿抬起1次，計(jì)量1次，產(chǎn)生信號并傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理單元，由AMPTS Ⅱ完成數(shù)據(jù)處理工作，得出可靠的實(shí)驗(yàn)結(jié)果[2]。

1.3 實(shí)驗(yàn)流程

在本次研究過程中，所采用的方法是將初始溶液進(jìn)行稀釋，并且在不同培養(yǎng)溫度、pH、污泥濃度狀態(tài)下，查看具體的毒性影響情況和COD 去除情況，從而為處理方式的優(yōu)化奠定基礎(chǔ)。在具體的實(shí)驗(yàn)中，其實(shí)驗(yàn)步驟如下：第一，進(jìn)行不同COD 濃度丙烯酸溶液配制，具體做法是取5L 丙烯酸廢水，向其中添加NaHCO3溶液，將溶液的酸性進(jìn)行中和，溶液的pH 控制在7.3左右，隨后向其中添加尿素進(jìn)行攪拌，這也是后續(xù)厭氧微生物的營養(yǎng)物來源。同時(shí)還需要補(bǔ)充其他微量元素，如Zn2+、B3+、Mn2+等。第二，將混合后溶液分為13組，每組加入不同量蒸餾水進(jìn)行稀釋，以500mg/L 為一個梯度，配置500mg/L 到6 500mg/L 的稀釋溶液，另外準(zhǔn)備兩組空白實(shí)驗(yàn)對照組，提高實(shí)驗(yàn)結(jié)果可靠性。第三，對污泥混合液進(jìn)行洗滌，離心等處理，隨后將其添加到試劑瓶當(dāng)中，添加量控制在50g左右，放置在35℃恒溫箱中進(jìn)行保存，待發(fā)酵瓶中甲烷產(chǎn)生量小于總量的1%后，停止繼續(xù)實(shí)驗(yàn)[3]。第四，參照上述方法設(shè)置不同溫度、pH、污泥濃度等實(shí)驗(yàn)，匯總處理結(jié)果進(jìn)行下一步處理。

1.4 分析方法

在該實(shí)驗(yàn)中，主要應(yīng)用到了以下方法：①COD 的測定采用重鉻酸鉀法；②pH 的測定使用雷磁pHSJ-3F 玻璃電極法；③污泥濃度（MLSS）和污泥中活性成分（MLVSS）的測定使用重量法；④甲烷量的測定采用實(shí)驗(yàn)裝置自帶的排水法。對于數(shù)據(jù)分析結(jié)果，可以使用統(tǒng)計(jì)軟件對其進(jìn)行處理，分析P值是否滿足P ＜0.05的條件，以此來判斷數(shù)據(jù)自身的統(tǒng)計(jì)學(xué)意義[4]。

2 結(jié)果與討論

2.1 培養(yǎng)溫度帶來的影響

在污泥濃度為6.3g/L，pH 為7.3的情況下，對于培養(yǎng)溫度的影響進(jìn)行討論，溫度為25℃、30℃、35℃、40℃和45℃，除溫度條件屬于變量條件外，其他條件保持一致，培養(yǎng)的時(shí)間為48h，根據(jù)產(chǎn)生的不飽和脂肪酸濃度和甲烷量來判斷最恰當(dāng)?shù)呐囵B(yǎng)溫度。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得知，在培養(yǎng)溫度為35℃時(shí)，丙烯酸廢水中的不飽和脂肪酸濃度達(dá)到了1 000mg/L，同時(shí)還產(chǎn)生了100mL 的甲烷氣體。其他溫度狀態(tài)下的丙烯酸溶液，在30℃狀態(tài)下，其不飽和脂肪酸產(chǎn)生量為820mg/L，同時(shí)產(chǎn)生了56mL 的甲烷氣體，僅次于35℃產(chǎn)生量。而25℃情況下，混合溶液在初期經(jīng)過了較強(qiáng)的停滯期后才開始進(jìn)行新陳代謝，雖然代謝速度緩慢，但是還是處于持續(xù)反應(yīng)的狀態(tài)。而溫度達(dá)到40℃及以上時(shí)，厭氧生物的停滯期限非常長，在25h 以后才開始了緩慢的反應(yīng)。整體來看，厭氧生物對于廢水毒性具備一定的耐受性，但是溫度較低的情況下，耐受性也會受到一些影響，過高的溫度也會導(dǎo)致微生物體內(nèi)酶失活，這也是需要注意的問題之一[5]。

2.2 pH的影響

在污泥濃度為6.3g/L，溫度為35℃的情況下，對于pH 的影響進(jìn)行討論，pH 為4、6、7、8和10，除pH 條件屬于變量條件外，其他條件保持一致，培養(yǎng)的時(shí)間為48h，根據(jù)產(chǎn)生的不飽和脂肪酸濃度和甲烷量來判斷最恰當(dāng)?shù)膒H 范圍。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得知，在培養(yǎng)溫度為35℃狀態(tài)下，pH 值為4、6、7、8 和10 狀態(tài)下產(chǎn)生的不飽和脂肪酸濃度分別為600mg/L、1 300mg/L、1 500mg/L、1 400mg/L 和700mg/L，并且在pH 為6、7、8時(shí)，還分別產(chǎn)生了70mL、100mL、75mL 的甲烷氣體，由此可以看出，在pH 值接近中性時(shí)，厭氧生物的活性最高，COD的去除效率最高[6]。對于不同pH 值狀態(tài)下的污染物毒性情況進(jìn)行分析，在pH 為4時(shí)，厭氧微生物對于毒性的敏感性最強(qiáng)，同時(shí)微生物的活性也處于較低的狀態(tài)；在pH 為10時(shí)，厭氧微生物對于毒性的敏感性最低，同時(shí)微生物的活性也處于最低的狀態(tài)；而pH 為6或8時(shí)，微生物的敏感性處于較為穩(wěn)定的狀態(tài)，其中pH 為8時(shí)的活性更高一些；而pH 為7時(shí)，微生物的活性處于最高的狀態(tài)，敏感性也最強(qiáng)。

2.3 污泥濃度帶來的影響

在溫度為35℃、pH 為4的狀態(tài)下，對于污泥濃度影響性進(jìn)行討論，污泥濃度為1g/L、4g/L、6g/L、8g/L 和10g/L，除污泥濃度條件屬于變量條件外，其他條件保持一致，培養(yǎng)的時(shí)間為48h，根據(jù)產(chǎn)生的不飽和脂肪酸濃度和甲烷量來判斷最恰當(dāng)?shù)奈勰酀舛确秶?。根?jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得知，污泥濃度為1g/L、4g/L、6g/L、8g/L 和10g/L 狀態(tài)下產(chǎn)生的不飽和脂肪酸濃度分別為600mg/L、800mg/L、1 300mg/L、1 500mg/L 和2 200mg/L，并且在污泥濃度超過4g/L 后，所產(chǎn)生的甲烷量也呈現(xiàn)出快速增加的趨勢，這也意味著污泥濃度的增加也將快速提高COD去除效率[7]。在毒性分析過程中，污泥濃度越高，其活性和耐受性越強(qiáng)。不過從綜合經(jīng)濟(jì)效益情況來看，利用現(xiàn)有條件進(jìn)行污泥濃度為10g/L 的制備，需要消耗的成本相對較高，因此在實(shí)際應(yīng)用中，需要優(yōu)選6g/L 到8g/L 污泥濃度，提高反應(yīng)過程的有序性。

2.4 稀釋情況帶來的影響

溫度、污泥濃度、酸堿度都會對實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成一定影響，而稀釋情況也會帶來相應(yīng)的影響。從圖1可以看出，COD濃度在3 000mg/L 以內(nèi)時(shí)，其甲烷產(chǎn)生量一直處于較為穩(wěn)定的狀態(tài)，基本上維持在80mL 以上，但是在COD 濃度超過3 000mg/L 以后，甲烷產(chǎn)生量開始下降，尤其是濃度超過6 000mg/L 以后，甲烷生產(chǎn)率為零。由此可見，丙烯酸廢水中COD 濃度越高，其對于厭氧微生物帶來的毒性影響越高，微生物在此狀態(tài)的活性也越低，因此在實(shí)際處理中，需要將廢水COD 濃度控制在3 000mg/L 以內(nèi)，搭配合適的溫度、pH、污泥濃度，從而實(shí)現(xiàn)污染物高效處理的目的。

圖1 不同COD濃度下甲烷生成量

3 結(jié)論

丙烯酸廢水中存在一些污染物，對于厭氧微生物活性有著抑制作用，COD 濃度越高，其對于厭氧微生物帶來的毒性影響越高，微生物在此狀態(tài)的活性也越低。但是在35℃、pH=7、污泥濃度8g/L、COD 濃度在3 000mg/L 以內(nèi)時(shí)，廢水處理效果最高，毒性影響性越低。