于　哲，韋朝海

(1 廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局,國土資源部海底礦產(chǎn)資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 廣東　廣州　510700；2 華南理工大學(xué)環(huán)境與能源學(xué)院，廣東　廣州　510006)

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焦化廢水生物處理中的乙酸鈉硝化抑制行為探究

于哲1，韋朝海2

(1 廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局,國土資源部海底礦產(chǎn)資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 廣東廣州510700；2 華南理工大學(xué)環(huán)境與能源學(xué)院，廣東廣州510006)

根據(jù)焦化廢水O1/H/O2工藝的設(shè)計(jì)功能，期望在O1中實(shí)現(xiàn)脫碳與半硝化反應(yīng)的同步進(jìn)行，對非毒性有機(jī)物對硝化抑制情況和抑制機(jī)理進(jìn)行研究，以硝化菌和異養(yǎng)菌共存的混合污泥為實(shí)驗(yàn)菌源，以乙酸鈉作為非毒性有機(jī)物的代表，研究焦化廢水生物處理中非毒性有機(jī)物在不同條件下對硝化過程的抑制作用，發(fā)現(xiàn)乙酸鈉對硝化細(xì)菌沒有毒害作用，其硝化抑制機(jī)制在于導(dǎo)致異養(yǎng)微生物與硝化細(xì)菌之間對于營養(yǎng)物質(zhì)和生存條件的競爭

O1/H/O2；焦化廢水；乙酸鈉；硝化抑制

1　實(shí)　驗(yàn)

1.1實(shí)驗(yàn)用水

表1　基本實(shí)驗(yàn)用水組成配置方法Table 1　Methodof basic water preparation

表2　微量元素ⅠTable 2　Trace elementsⅠ

表3　微量元素ⅡTable 3　Trace elements Ⅱ

1.2實(shí)驗(yàn)菌源

本試驗(yàn)用活性污泥取自廣東韶鋼松山股份有限公司焦化廢水二期處理工程A/O1/H/O2組合工藝二級好氧池(O2)，O2段的主要功能是生物硝化作用。

1.3實(shí)驗(yàn)裝置與實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1乙酸鈉對混合污泥間歇式反應(yīng)硝化的抑制(簡稱乙酸鈉間歇實(shí)驗(yàn))

(1) 實(shí)驗(yàn)裝置

圖1　間歇式反應(yīng)裝置Fig.1　Reactor for batch reaction

(2) 實(shí)驗(yàn)方法

表4　乙酸鈉間歇實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及TOC當(dāng)量Table 4　Batch experiment design of nitrification inhibition byCH3COONa

1.3.2微氧條件下乙酸鈉對混合污泥間歇式反應(yīng)硝化的抑制(簡稱微氧實(shí)驗(yàn))

(1) 實(shí)驗(yàn)裝置

微氧實(shí)驗(yàn)在如圖2的反應(yīng)裝置內(nèi)進(jìn)行，為了保證間歇反應(yīng)器內(nèi)溶解氧濃度保持在較低水平，同時(shí)使微生物與廢水均勻混合，泥水充分接觸，使用電力攪拌機(jī)對反應(yīng)器進(jìn)行機(jī)械攪拌供氧。電力攪拌機(jī)可進(jìn)行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。

圖2　微氧實(shí)驗(yàn)反應(yīng)裝置Fig.2　Micro-aerobic water treatment reactor

(2) 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.3乙酸鈉對混合污泥連續(xù)式反應(yīng)硝化的抑制 (簡稱乙酸鈉連續(xù)實(shí)驗(yàn))

(1) 實(shí)驗(yàn)裝置

生物流化床因具備優(yōu)越的傳質(zhì)、傳氧性能、較高的容積負(fù)荷率和污泥負(fù)荷率而被認(rèn)為是最有發(fā)展?jié)摿Φ纳锾幚砑夹g(shù)[13]。本實(shí)驗(yàn)以自行設(shè)計(jì)加工的簡易有機(jī)玻璃流化床作為連續(xù)式實(shí)驗(yàn)裝置，具體結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：內(nèi)筒直徑：d1=85 mm；外筒直徑：d2=135 mm；反應(yīng)區(qū)高度：H=300 mm，有效體積為：V=4 L。

(2) 實(shí)驗(yàn)方法

乙酸鈉連續(xù)實(shí)驗(yàn)在圖3所示的好氧生物流化床內(nèi)進(jìn)行?；旌衔勰嗫刂品磻?yīng)器進(jìn)水流量為0.5 L/h，HRT為8 h，DO控制在(4.9 ±0.2) mg/L。原水乙酸鈉投加情況和TOC當(dāng)量見表5。

表5　乙酸鈉連續(xù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及乙酸鈉固體投加量Table 5　Continuous experiment design of nitrification inhibition by CH3COONa

1.4實(shí)驗(yàn)儀器與分析方法

表6中所列出的各檢測項(xiàng)目分析方法均參考國家環(huán)?？偩志帉懙摹端蛷U水檢測分析方法》(第四版)。TOC的測定使用日本島津TOC分析儀。

表6　測試指標(biāo)及其測定方法Table 6　Analytical items and methods for wastewater quality

2　結(jié)果與討論

2.1乙酸鈉間歇實(shí)驗(yàn)硝化抑制情況

圖4　乙酸鈉的降解動力學(xué)曲線Fig.4　Kinetics of CH3COONa

圖5　不同乙酸鈉濃度(以TOC計(jì))下的氨氮降解曲線Fig.5　Effect of different concentrations of CH3COONa (TOC) on ammonia degradation

圖6　不同乙酸鈉濃度(以TOC計(jì))下的亞硝氮變化情況Fig.6　Effect of different concentrations of CH3COONa (TOC) on Nitrite production

圖7　55.5 mg/L TOC濃度下硝化與除碳的協(xié)同變化關(guān)系Fig.7　Synergy of nitrification and removal of carbon on the TOC concentration of 55.5 mg/L

圖8　113.6 mg/L TOC濃度下硝化與除碳的協(xié)同變化關(guān)系Fig.8　Synergy of nitrification and removal of carbon on the TOC concentration of 113.6 mg/L

圖9　258 mg/L TOC濃度下硝化與除碳的協(xié)同變化關(guān)系Fig.9　Synergy of nitrification and removal of carbon on the TOC concentration of 258 mg/L

不同乙酸鈉初始濃度下(以TOC計(jì))混合污泥硝化與除碳的協(xié)同變化關(guān)系如圖7～圖9所示。

2.2乙酸鈉微氧實(shí)驗(yàn)硝化抑制情況

圖10　微氧條件下硝化與除碳的協(xié)同變化關(guān)系Fig.10　Synergy of nitrification and removal of carbon under the conditions of 0.3 to 0.5 mg/L

由圖9可知，初始濃度(以TOC計(jì))為258 mg/L的乙酸鈉在DO=(5.9±0.1) mg/L的條件下4 h可以完全降解。由圖10可知，DO約為0.3～0.5 mg/L，其他操作條件相同的條件下，初始濃度(以TOC計(jì))為297 mg/L的乙酸鈉完全降解需要30 h，且乙酸鈉的降解曲線明顯分為三個(gè)階段：首先0～6 h內(nèi)，乙酸鈉經(jīng)歷了一個(gè)快速降解期，去除速率為12.88 mg/L/h，6～16 h，經(jīng)歷了一個(gè)約10 h的降解停滯期，16 h后，乙酸鈉的降解速度明顯加快，去除速率為15.51 mg/L/h，出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因可能是0～6 h內(nèi)，雖然外源供氧不足，但是活性污泥中本身還殘余一定的DO，為微生物的生長代謝提供了氧源，使乙酸鈉的生物降解在反應(yīng)初期經(jīng)歷了一個(gè)快速降解期；當(dāng)活性污泥中殘留的DO消耗殆盡后，由于機(jī)械攪拌供氧本身效率較低，且乙酸鈉的降解過程中消耗O2，使得反應(yīng)器內(nèi)形成了一個(gè)持續(xù)的微氧環(huán)境，由于環(huán)境的改變，異養(yǎng)菌生長進(jìn)入一個(gè)停滯期，停滯期末期，此時(shí)，異養(yǎng)菌的代謝活性明顯增強(qiáng)，乙酸鈉的降解速率明顯加快。

由上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，在微氧條件下DO約為0.3～0.5 mg/L，乙酸鈉的存在對硝化作用起到了間接抑制作用，當(dāng)有機(jī)碳源被消耗殆盡，異養(yǎng)菌由于受到基質(zhì)不足的抑制，活性下降，此時(shí)，硝化作用開始發(fā)生。

2.3乙酸鈉連續(xù)實(shí)驗(yàn)硝化抑制情況

圖11　乙酸鈉對混合污泥連續(xù)式反應(yīng)硝化抑制情況Fig.11　Effect of CH3COONa on nitrification inhibition in continuous experiment

3　結(jié)　論

(1) 在溫度為(30±1) ℃，DO為(5.9±0.1) mg/L，MLSS約為4500～5000 mg/L的條件下，以乙酸鈉作為有機(jī)碳源，初始TOC濃度為55.5 mg/L、113.6 mg/L和258.0 mg/L的乙酸鈉分別能在1 h、1.5 h和4 h內(nèi)降解完全。

(3) DO約為0.3～0.5 mg/L的條件下，乙酸鈉還沒有被完全降解時(shí)，硝化作用完全被抑制，表明在DO含量不足以同時(shí)滿足異養(yǎng)微生物和硝化細(xì)菌的生長需要時(shí)，異養(yǎng)微生物與硝化細(xì)菌會對DO產(chǎn)生爭奪，而硝化細(xì)菌對DO的親和力較低，在競爭過程中處于劣勢，硝化作用始終處于被抑制狀態(tài)。非毒性有機(jī)物對硝化作用的抑制屬于間接抑制，抑制機(jī)制在于異養(yǎng)微生物與硝化細(xì)菌之間對于營養(yǎng)物質(zhì)和生存條件的競爭，當(dāng)環(huán)境條件可以同時(shí)滿足二者的生長代謝需要時(shí)，短期內(nèi)抑制作用不會出現(xiàn)。

(4)即使在DO充足的情況下，經(jīng)過長時(shí)間的較高有機(jī)負(fù)荷馴化，會使反應(yīng)器內(nèi)的微生物種群結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，導(dǎo)致異養(yǎng)菌在數(shù)量上占據(jù)了絕對優(yōu)勢地位，導(dǎo)致硝化抑制的發(fā)生。

[1]韋朝海, 朱家亮, 吳超飛, 等. 焦化行業(yè)廢水水質(zhì)變化影響因素及污染控制[J]. 化工進(jìn)展, 2011(01): 225-232.

[2]任源, 韋朝海, 吳超飛, 等. 焦化廢水水質(zhì)組成及其環(huán)境學(xué)與生物學(xué)特性分析[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào), 2007, 27(7): 1094-1100.

[3]張萬輝, 韋朝海, 吳超飛, 等. 焦化廢水中有機(jī)物的識別、污染特性及其在廢水處理過程中的降解[J]. 環(huán)境化學(xué), 2012, 31(10): 1480-1486.

[4]李娟英, 趙慶祥, 江敏. 苯酚及其衍生物對氨氮生物硝化的抑制研究[J]. 環(huán)境工程學(xué)報(bào), 2008, 2(1): 27-30.

[5]李淑彬, 陳振軍. 微生物降解酚類化合物的研究進(jìn)展[J]. 華南師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2005(4): 136-142.

[6]夏鳳毅. 氮的污染及生物脫氮技術(shù)研究進(jìn)展[J]. 溫州師范學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2003, 24(5):16-20.

[7]姜愛霞. 水環(huán)境氮污染的機(jī)理和防治對策[J]. 中國人口資源與環(huán)境, 2000, 10(S2):77-78.

[8]吳景初. 水中氮污染對人體健康的危害[J]. 環(huán)境污染與防治, 1984 (06): 36-37.

[9]韋朝海, 賀明和, 任源, 等. 焦化廢水污染特征及其控制過程與策略分析[J]. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào), 2007, 27(7): 1083-1093.

[10]Gunsalus I C, Pederson T C, Sligar S.G. Oxygenase-catalyzed biological hydroxylations[J]. Annual review of biochemistry, 1975, 44(1): 377-407.

[11]武志杰, 史云峰, 陳利軍. 硝化抑制作用機(jī)理研究進(jìn)展[J]. 土壤通報(bào), 2008, 39(4): 962-970.

[12]張自杰, 林榮忱, 金儒霖. 排水工程[M]. 北京: 中國建筑工業(yè)出版社, 2000.

[13]韋朝海, 謝波, 張獻(xiàn)忠, 等. 內(nèi)循環(huán)流化床結(jié)構(gòu)參數(shù)及其反應(yīng)器性能的相關(guān)性[J].高?；瘜W(xué)工程學(xué)報(bào), 2001, 15(3): 236-241.

Investigation on Nitrification Inhabitation from Sodium Acetate during Coking Wastewater Bio-treatment

YUZhe1,WEIChao-hai2

(1 Guangzhou Marine Geological Survey, Laboratory of Marine Mineral Resources,Ministry of Land and Resources,Guangdong Guangzhou 510700; 2 School of Environment and Energy, South China University of Technology, Guangdong Guangzhou 510006, China)

According to the supposed function of O1/H/O2 bio-treatment process on coking wastewater, in order to realize the simultaneous decarburization and half nitrification during O1 process, the nitrification inhabitation was investigated by sodium acetate during coking wastewater bio-treatment with the experimental sludge mixed with nitrification bacteria and heterotrophic bacteria as well as sodium acetate as the non-toxic organic compounds. It found out Nitrification inhibition by CH3COONa belonged to the population suppression type, on the presence of organic carbon heterotrophic bacteria competed with nitrifying bacteria to get nutrients and living conditions.

O1/H/O2 bio-treatment process; coking wastewater; sodium acetate; nitrification inhibition

于哲(1987-)，女，碩士,助理工程師,研究方向：分析化學(xué)。

X784

A

1001-9677(2016)08-0092-05