厌氧水解酸化法处理污水

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1、厌氧水解酸化法处理污水1引言随着石油的大规模开采，聚合物驱作为有效的3次采油技术得到了大规模的应用，同时 也产生了大量的含聚丙烯酰胺(HPAM )的采出水由于含聚污水粘度大，难生物降解，所以很 难达到当地的处理标准，易打破水回收系统的平衡，并且产生昂贵的处理费用外排污水中 的HPAM由于不能被完全降解而在环境中不断累积，进而造成对环境的污染，以及对人类健 康的潜在威胁因此，对含聚污水的处理已经成为保证油田可持续发展亟待解决的问题国内外有许多关于好氧法处理含聚污水的报道例如，报道，从活性污泥和受到石油污 染的土壤中分离出2株好氧菌，它们可以利用HPAM作为唯一的碳源;研究发现，好氧颗粒污 泥对聚

2、合物驱采出水具有良好的适应性，并能有效地促进HPAM的生物降解，但并没有达到 理想的降解效果因此，为了寻找一个有效降解含HPAM污水的方法，本文拟对厌氧生物法处 理含HPAM污水进行研究.作为一个特定的厌氧反应器，ABR由于具有设计简单、稳定性高、耗能低和处理效果好 等特点而被广泛应用于试验中例如，研究了 ABR处理高盐度低营养的重油采出水的效果， 探讨了 ABR处理大豆蛋白加工废水的性能.除此之外，ABR还被用于处理含四价铬的酸性废 水、含聚乙烯醇废水、酸性矿排、威士忌酒厂废水等但关于用ABR处理高浓度含HPAM污水 的报道却很少见.课题组前期对HPAM的性质及好氧生物法降解HPAM开展了大

3、量的研究，结果表明，好氧 生物法能够有效地降解HPAM.基于此，本文进一步研究了厌氧生物法处理高浓度含HPAM污 水的效果，并对HPAM降解菌的降解条件进行优化.同时，利用ABR对含HPAM污水的处理进 行扩大化实验研究，以得到更好的降解效果，为处理含HPAM污水提供一个有效的方法.2材料与方法2.1菌种、接种污泥来源和实验材料选取实验室低温保藏的2株HPAM降解菌PAM-F1和PM-2进行实验.接种污泥取自青岛市 某废水处理厂生物处理二沉淀池污泥呈棕褐色，粒径为12 mm,总悬浮物(MLSS)为21.8 gL-1，挥发性悬浮物(MLVSS)为12.35 gL-1，污泥沉降指数为31.19.实

4、验用模拟污水:HPAM (相对分子量2.2X107,水解度23%，固含量90%)500 mgL-1, 用葡萄糖调节CODCr值至15001700 mgL-1.添加氮源(NH4Cl)、磷源(磷酸二氢钾)，使 CODCr : N : P=300 : 5 : 1,用NaHCO3调节进水pH为7.07.5.除此之外，配水中还 添加了镁离子、铁离子、锰离子等微生物生长所需的微量元素2.2培养基富集培养基(gL-1)：蛋白胨5,牛肉膏10，NaCl 5,去离子水1000 mL降解培养 基(g L-1)： HPAM0.5, NH4Cl 1.0, MgSO4 7H2O2.0, NaSO42.0, CaCl2

5、0.05, NaH2PO43.0, K2HP04 3.0, pH值调节至7.07.5,去离子水1000 mL.所有的培养基均在121 C下灭 菌20 min后使用.2.3菌种的驯化与鉴定降解菌在250 mL的厌氧瓶中进行富集培养，35 C下富集培养2 d后，取5 mL的富集 菌液接种到装有100 mL降解培养基的250 mL厌氧瓶中，35 C下培养7 d后，再取出5 mL 的降解培养液接种到100 mL新鲜的降解培养基中培养7 d.30 d内不断重复这个驯化过程， 得到驯化好的降解菌，待用所有的厌氧瓶在加入培养基后，通氮气5 min，以去除溶解氧, 保证厌氧的环境.菌株PM-2已经被实验室其他

6、研究人员鉴定为蜡样芽抱杆菌(Bacillus sp.) 所以，为了 更好地了解菌株PAM-F1的特性，通过生理生化特征和16S rDNA测序分析对其进行菌种鉴定.2.4实验用ABR实验所用的ABR采用有机玻璃加工订做而成，规格尺寸为650 mmX150 mmX 500 mm (长 X宽X高)，有效容积约为35.5 L.反应器由5个隔室组成，前4个隔室为降解隔室，第5 隔室为沉降室.前4个隔室中设有上流室和下流室，其宽度之比为4 : 1,折流板底部转角 为40 .4个隔室的顶部设有集气孔便于收集反应产生的气体，并在各个隔室底部两端设计 倒角，既便于水流通往上流室中部，又避免“死区”出现在隔室侧面

7、设有取污泥口和取水 口，便于定期监测反应器内污泥及污水变化情况第5个隔室设有回流孔，用于污水的回流, 有利于提高反应器的工作效率.由蠕动泵在ABR的进、出水端均匀进水和出水.ABR实验装置 示意图如图1所示.图1厌氧折流板反应器示意图2.5分析方法2.5.1 HPAM降解率和CODCr去除率的测定HPAM的浓度采用淀粉-碘化铬法测定，CODCr采用重铬酸钾法测定，其中，HPAM生物降 解率n 1和CODCr去除率n 2的计算公式为：式中，CO和Cl分别表示降解前、后的HPAM浓度(mgL-l); Ca和Cb分别表示降解 前、后的 CODCr 值(mg LT).2.5.2傅里叶-红外光谱(FT-

8、IR)分析HPAM干粉和降解产物分析采用红外光谱法，取适量样品，KBr压片，用德国布鲁克 Tensor27傅里叶-红外光谱仪分析.2.5.3扫描电镜(SEM)分析从ABR反应器中取出反应后的颗粒污泥，进行扫描电镜分析.对反应前后的颗粒污泥进 行前处理，方法见文献用S3400型扫描电镜观察污泥的形态结构变化.3结果与讨论3.1 PAM-F1的菌种鉴定结果PAM-F1菌株为短杆菌，有鞭毛，在富集培养基表面菌体呈现橘红色菌落，菌落湿润、 中间凸起、形状规则在革兰氏染色试验、明胶试验和葡萄糖试验中呈阳性，V-P试验和甲 基红试验呈阴性经测序后获得1486 bp的PAM-F1的16S rDNA序列，将P

9、AM-F1的基因序列 上传至 GenBank(http:/www.ncbi.nlm.nih.gov),获得 GenBank 登录号为 KC476501.1.并与 已有的序列进行Blast基因比对，结果见表1.综合生理生化特征和16S rDNA序列分析结果, 确定 PAM-F1 为红球菌(Rhodococcus sp.).表1 PAM-F1基因比对结果Gene血n燈记号同源性评为最犬相似度AY114109.2273999%EU167912.1273999%EFO20124.1273999%AY247275.1273999%FJ7 525 27.1273799%FJ 529 024.1272S99

10、%EF49419S.1272099%AY9 27223.1272499%JN59&S57.1272399%FJ 529 043.1272399%EU6970S4.1272399%EF63M56.1272399%3.2厌氧瓶实验中菌株降解条件的优化3.2.1最佳降解时间的确定将两株单独菌和混合菌的培养液分别按10%的接入量接入到100 mL的降解培养基中， 在35 C的生化培养箱中培养，间隔一定时间测定HPAM的浓度从图2中可以看出，在反应 前3 d, HPAM的降解效果不是很明显但从第4 d开始，随着降解时间的延长，HPAM的降解 率迅速增加，到达第9d以后，降解率趋于平缓.这是由于开始阶段厌

11、氧菌生长缓慢，对HPAM 的降解效果不明显随着时间的延长，菌种逐渐适应环境，开始快速生长，降解率也开始增 高但随着对底物的消耗，厌氧菌的生长受到抑制，降解率增长缓慢，最后趋于平缓，从而 得到9 d为最佳降解时间.图2降解时间对聚丙烯酰胺降解率的影响3.2.2最佳温度的确定温度是影响微生物生命活动的重要因素，影响着酶的活性和酶促反应速率，而适宜的培 养温度可使微生物以最快的速率生长繁殖将驯化好的培养液按10%的量分别接入到100 mL 的降解培养基中，分别在10、15、20、25、30、35、40、45 C的条件下培养，7 d后测定 降解效果由图3可知，1040 C时，HPAM的降解率不断增加，

12、当温度超过40 C时，降解 率明显降低且在3540 C之间，降解效果明显，40 C时，HPAM降解率最高，可达37.26%. 因此，3540 C为最适宜降解温度范围.4020混合菌% %52%O%101520253035404550温度8图3温度对HPAM降解率的影响3.2.3最佳初始pH的确定厌氧微生物的生命活动、代谢过程与环境的pH值密切相关.pH通过影响细菌细胞膜的 通透性、膜结构的稳定性和物质的溶解性或电离性来影响营养物质的吸收，从而影响细菌的 生长速率.每种微生物都有最适宜生长的pH范围，大多数微生物最适宜的pH范围为6.57.5. 将驯化好的培养液按10%的量接入到100 mL降解

13、培养基中，分别将pH值设定为3.0、4.0、 5.0、6.0、6.5、7.0、7.5、&0、9.0、10.0、11.0,在 35 C 的恒温培养箱中培养 7 d 后 测定HPAM的浓度由图4可知，pH在6.09.0之间时，HPAM能够有效地降解，而最佳降解 pH大约在7.07.8之间.当pH低于7.0或者高于7.8时，HPAM的降解率大幅度降低.当pH 为7.5时，降解率达到最大值37.69%.图4初始pH值对HPAM降解率的影响3.2.4最佳活化次数的确定将不同活化次数的培养液按10%的量接入到100 mL降解培养基中，在35 C的恒温培养 箱中培养7 d后测定HPAM的浓度如图5所示，活化

14、3次的培养基中，HPAM的降解效果最好，降解率可达35.7%.因此，确定最佳活化次数为3次.混合菌PAM-F1PM-210%5%234活化次数/次图5活化次数对HPAM降解率的影响3.2.5最佳条件下不同菌株HPAM降解率的测定将活化3次的培养液按10%的量接入到100 mL的pH=7.5的降解培养基中，40 C下培 养9d后测定HPAM的浓度如图6所示，在最佳条件下，对于500 mgL-1的HPAM溶液， PAM-F1和PM-2对HPAM的降解率分别为36.14%和37.75%，而混合菌的降解效果更好，降解 率可达40.69%.这可能是两株菌协同作用的结果.厌氧瓶实验表明，厌氧法能够有效降解

15、 HPAM污水.PM-2PAM-F1混合菌图6最优条件下不同菌株的降解效果3.2.6生物降解前后HPAM的结构分析分别对厌氧瓶实验中生物降解前后的HPAM进行傅里叶-红外光谱扫描，结果如图7所 示.HPAM作为一种伯酰胺，在3330 cm-1和3190 cm-1处的吸收峰分别对应于一NH2键的反 对称峰和对称伸缩振动峰，而1660 cm-1处的吸收峰对应于CONH2中C O键的对称伸缩振 动峰对比图7可以看出，厌氧生物降解后，2903 cm-1左右的亚甲基反对称吸收峰消失， 1679 cm-1处酰胺I(C 0)伸缩振动峰的吸收强度变弱，说明微生物在生长过程中利用了 HPAM 上的部分碳作为其生

16、长所需的碳源而降解产物的谱图中，3479 cm-1和3413 cm-1处游离 NH2特征吸收峰强度增强，3280 cm-1处缔结NH2特征吸收峰强度减弱，说明厌氧生物 降解了 HPAM上的部分胺基而且1166 cm-1和1114 cm-1处的吸收峰强度明显减弱，这与C N伸缩振动有关，说明厌氧生物降解后酰胺基的含量明显减少，从而进一步证明：微生物 能够降解并利用HPAM上的部分胺基和碳作为其生长所需的氮源与碳源也由此推断出，HPAM 的降解是发生在水解酸化阶段而通常参与水解酸化的细菌比较容易培养，其增值速率也快， 这也与文中最佳降解时间仅为9 d的结果相吻合.图7生物降解前后聚丙烯酰胺的傅里叶

17、-红外光谱图3.3 ABR处理含HPAM污水试验3.3.1 ABR处理含HPAM污水的效果分析为了对厌氧瓶生物降解实验进行扩大化研究，并加速反应器的启动，将最优条件下培养 的混合菌接种到装有1/2体积污泥的ABR中，进行ABR厌氧生物降解实验.整个ABR实验在 室温条件下进行，试验确立了 ABR的水力停留时间为24 h，出水回流比为10 : 1,用葡萄 糖与HPAM作为共基质来调节CODCr，从而达到所需的容积负荷.ABR的启动分为两个阶段：第一阶段，所配污水的CODCr控制在500 mgL-1，容积 负荷为0.50 kgm-3d-1(以CODCr计)，第一阶段运行25 d后，CODCr和HP

18、AM的去 除效果较为理想;随即进入启动的第二阶段，增加CODCr到1700 mgL-1，容积负荷增加 到 1.3 kg m-3 d-1.反应器经过启动阶段55 d的运行，CODCr的去除率在75%以上，HPAM的去除率也在60% 以上，这表明ABR反应器达到了稳定状态此时，通入模拟污水20 d,每隔1 d测定CODCr 和HPAM的浓度.图8和图9分别体现了 CODCr和HPAM的变化.由图8可以看出，尽管进水 的CODCr不断变化，但CODCr的去除率都能达到85%以上.尤其当进水CODCr为1693 mgL-1 时，出水CODCr能够降到170 mgL-1，此时，CODCr的去除率最高，达

19、到89.96%.而在 图9中，第14 d时HPAM降解率最高，为75.48%，明显高于研究的61.2%的HPAM降解率， 这说明ABR能有效地处理高浓度含HPAM污水.7曾)、崑占 OCJo o OO I I O 2 118 46(.20室室水 隔隔出 三率 1 2 除水室室 去进隔隔 - _ - % % o O8 7 盍祸占00O62202/d1间 寸O 050图8 CODCr的浓度和降解率随时间的变化图9 ABR中HPAM降解率随时间的变化3.3.2 ABR反应前后污泥外观形态的SEM分析ABR启动完成后，取出适量的污泥进行观察，发现有黑色厌氧颗粒污泥形成用蒸馏水 冲洗掉絮状污泥，挑取出厌

20、氧颗粒污泥于培养皿中，分别对接种颗粒污泥和成熟颗粒污泥的 外观形态进行SEM分析从图10a中可以看出，接种污泥的结构不紧密，呈零碎状态，很容 易被进入反应器的污水冲走或者被水流剪切成碎片，成为新生厌氧颗粒污泥的内核，有利于 重新组装成比较大的颗粒污泥而与接种污泥相比，成熟后的厌氧污泥（图10b）结构紧密， 表面呈多孔结构紧凑的结构增加了微生物与HPAM的接触面积，有利于提高HPAM的降解率， 为增加生物量提供了可能而多孔的结构能为微生物提供有机质，并且也是微生物的产气通 道除此之外，成熟颗粒污泥表面有大量的微生物存在，其中以短杆菌和球菌为主，这也验 证了成熟污泥有利于微生物的大量生长和繁殖分析

21、结果表明，ABR内形成了成熟的颗粒污 泥，它们能有效地降解HPAM，并为菌株的生长繁殖提供有利的条件具体参见污水宝商城资 料或更多相关技术文档。I S3400 15.0 kV 116 mm X 10.0 k SE5.0?im |图10颗粒污泥的扫描电镜图片（a接种污泥;b.成熟污泥）4结论1）运用厌氧瓶对含500 mgL-1HPAM的污水进行厌氧水解酸化生物处理，结果发现, 当降解时间为9 d,连续活化次数为3次，温度为3540 C,初始pH值为7.5时，混合菌 的降解效果最好，降解率可达40.69%,说明厌氧水解酸化能够降解HPAM.生物降解前后HPAM 的傅里叶-红外光谱图对比显示,细菌能够降解并利用HPAM的部分胺基和碳作为生长所需的 氮源和碳源，并且推断HPAM的降解过程发生在水解酸化阶段.通过生理生化特征和16S rDNA 分析，确定PAM-F1为红球菌.2）经过ABR处理的含500 mgL-1 HPAM的污水，CODCr去除率和HPAM降解率最高分 别可达89.96%和75.48%颗粒污泥的扫描电镜观察显示，ABR内形成了成熟的颗粒污泥，它 们能够有效地促进HPAM的生物降解，并为微生物的生长繁殖提供有利的条件.ABR实验进一 步证明了厌氧水解酸化过程可以有效地处理含高浓度HPAM污水.