二硝基苯酚廢水厭氧生物處理實驗研究

黃貞嵐,吳 莉,桂雙林,付嘉琦,龔媛媛

(江西省科學院能源研究所,330096,南昌 )

0 引言

工業園區所接納的廢水具有污染物濃度高、種類多、毒性高、難生物降解等特點。常規物理+生化處理難以使其出水達標排放[1],廢水中難降解的有機成分很多,其中有二硝基苯酚等物質。二硝基苯酚(DNP)可用作防腐劑和非選擇性生物累積農藥,它是硫化染料、木材防腐劑和苦味酸的生產中的化學中間體。二硝基苯酚排入水體和耕地中造成污染,對人體及生態系統有毒害作用。近年來,研究人員開發了多種硝基苯廢水治理技術,如吸附分離、生物降解、高級氧化、電分解等,產生了吸附去除效率低、易脫附、生物降解效果差等一系列問題[2]。為了解決這些問題,本研究提出一種新的處理方法,用納米材料預處理+厭氧生物處理方法來處理該廢水,能夠提高生物降解的效率。由于納米材料的預處理可將二硝基苯酚進行降解為易生物處理的有機物質[3],然后進一步生物降解,本實驗采用納米鐵負載碳預處理+厭氧生物降解二硝基苯酚,實驗運行90 d,實驗結果為:經納米鐵負載碳預處理后再厭氧反應器處理2,4-二硝基苯酚廢水,廢水去除率為84.4%～94.6%,廢水二硝基苯酚濃度由44.2 mg/L降解為2.37 mg/L,同時與未預處理進行對比實驗。實驗結果表明預處理效果更好,主要是廢水在納米鐵負載活性炭微電解作用下二硝基苯酚結構發生改變,產生易于微生物降解的物質[3]。

1 實驗部分

1.1 實驗材料及分析方法

1.1.1 實驗廢水 實驗廢水采用配置的廢水,其廢水性質見表1。

表1 廢水水質指標

1.1.2 接種污泥 接種污泥采用某制藥廠處理站厭氧反應器底部的污泥。

1.1.3 分析方法 檢測儀器有紫外可見分光光度計、pH計。

1.2 實驗裝置

預處理裝置采用帶塞子的三角燒杯,厭氧實驗裝置采用成套的厭氧生物處理裝置,見圖1。該裝置包括厭氧生物反應瓶、集氣瓶,厭氧反應瓶的容積均為2.5 L,反應瓶放入水浴恒溫鍋內,溫度控制在36±1 ℃。

圖1 厭氧生物處理實驗裝置

1.3 實驗方法

本次實驗包括納米材料預處理實驗和厭氧生物處理實驗。

1.3.1 納米材料預處理實驗 納米材料采用自制的納米鐵負載活性炭[4-5]。在500 mL三角燒杯中加入 2,4-二硝基苯酚廢水和納米鐵負載活性炭后,調pH值,不同的pH和不同的納米材料量下進行納米材料預處理實驗,用震蕩器震蕩2 h。

1.3.2 厭氧生物處理實驗 本實驗采用2組厭氧生物反應器裝置,分別1號反應器和2號反應器。采用2種廢水,一種是未預處理的 2,4-二硝基苯酚廢水,另一種是經納米鐵負載活性炭預處理的 2,4-二硝基苯酚廢水,實驗裝置如圖1。 實驗時間8月2日—10月30日,實驗天數為90 d,實驗分2個階段。

8.2—8.18 前期為微生物馴化期 ,實驗廢水與厭氧生物污泥按一定比例混合馴化培養,在反應器分別加入800 mL(某制藥廠厭氧反應器底部污泥)+800 mL(某制藥廠處理站最終出水),水浴溫度控制36 ℃,攪拌速度為20%。廢水量從80～200 mL,反應馴化期產生少量沼氣。

8.19～10.30 微生物增長期,加二硝基苯酚廢水量從220至300 mL。加料前測定反應器pH為7.0,1號反應器加未處理二硝基苯酚220～300 mL,2號反應器加納米鐵-活性炭預處理二硝基苯酚220～300 mL。待厭氧生物反應運行穩定后,對進、出廢水的pH和波長370 nm處[4]吸光度進行檢測,觀察反應器內厭氧處理情況。

2 結果與討論

2.1 厭氧處理二硝基苯酚廢水的效果分析

厭氧處理實驗采用2種廢水,一種是未預處理的二硝基苯酚廢水,另一種是經納米鐵負載活性炭預處理的二硝基苯酚廢水。2種廢水pH值為6.0～7.0之間,廢水濃度均見表2,分別加入厭氧生物處理反應器,運行穩定后檢測2個厭氧反應器的出水,1號為未預處理廢水的厭氧生物處理出水,2號為納米鐵負載活性炭預處理+厭氧生物處理的出水,0號為未處理進水。廢水pH值為6.0～7.0之間,在波長370 nm處有特征吸收峰[6],用紫外分光計檢測波長370 nm處[4]進水和出水的吸光度。根據二硝基苯酚作的標準曲線,得到廢水濃度,實驗結果見表2。

表2 2,4-二硝基苯酚廢水預處理+厭氧處理效果

從表2檢測結果看到,1號反應器處理2,4二硝基苯酚廢水的去除率為64.1 %～76.2 %,2號反應器處理2,4二硝基苯酚廢水的去除率為84.4 %～94.6 %,廢水濃度由44.2 mg/L降解為2.37 mg/L,2號反應器的處理效果比1號反應器的處理效果更好,主要是納米鐵負載活性炭微電解作用使二硝基苯酚結構發生改變,通過鐵碳微電解的氧化作用斷開大分子鏈,能改善B/C值,有利后續生化處理,縮短生化時間極易于達標[3]。二硝基苯酚廢水產生易于厭氧微生物降解的分子,所以去除效果相對較好。

2.2 不同廢水濃度和停留時間對厭氧處理效果影響

在不同的廢水濃度和停留時間進行厭氧處理實驗,1號反應器是加入220 mL未預處理的硝基苯酚廢水,2號反應器是加入220 mL納米鐵負載活性炭預處理的硝基苯酚廢水。運行穩定后,對厭氧進水和出水進行全光譜紫外掃描,0號曲線為未處理廢水全光譜分析曲線;1號曲線為1號反應器出水全光譜分析曲線;2號曲線為2號反應器出水全光譜分析曲線。

2.2.1 廢水停留時間為3天厭氧處理實驗 廢水在厭氧反應器停留時間為3天,進料廢水二硝基苯酚的濃度為50 mg/L左右,對厭氧反應器的進水和出水進行全光譜紫外掃描圖,光譜圖見圖2。

0號曲線——未處理廢水全光譜分析曲線; 1號曲線——1號反應器出水全光譜分析曲線;2號曲線——2號反應器出水全光譜分析曲線圖2 停留時間為3天3種廢水全光譜紫外掃描圖

圖2為9月6日的廢水全光譜紫外掃描圖。從圖2可知,去除效果最好的是2號,說明2號二硝基苯酚廢水經過納米鐵負載活性炭的預處理后效果較好。廢水在反應器停留3天,停留時間加長,廢水去除率提高。0號、1號、2號廢水在波長370 nm處[4]測得吸光度分別為3.845、0.917、0.358,3種廢水的pH值為7.0,1號和2號廢水去除率分別為76.2%、90.7%,從全光譜紫外掃描圖看到有些波長的吸光度有所降低,而212 nm處的吸光度較高,主要由硝基產生的[6]。

2.2.2 停留時間為1天厭氧處理實驗 廢水在厭氧反應器停留時間1天,進料廢水二硝基苯酚的濃度為50 mg/L左右,對厭氧反應器進水和出水進行全光譜紫外掃描圖,光譜圖見圖3。

0號曲線——未處理廢水全光譜分析曲線; 1號曲線——1號反應器出水全光譜分析曲線;2號曲線——2號反應器出水全光譜分析曲線圖3 停留時間為1天3種廢水全光譜紫外掃描圖

圖3為9月13日的廢水全光譜紫外掃描圖。從圖3可知,去除效果最好的是2號,2號二硝基苯酚廢水經過納米鐵負載活性炭的預處理后效果較好。廢水在反應器停留1天,與圖2對比,停留時間縮短,廢水去除率下降。0號、1號、2號廢水在波長處[4]測得吸光度分別為3.845、2.666、1.393,3種廢水的pH值為7.0,1號和2號廢水去除率分別為30.7%、63.8%。從全光譜紫外掃描圖看到有些波長的吸光度有所降低,而212 nm處的吸光度較高,主要由硝基產生的[6]。

2.2.3 二硝基苯酚廢水濃度為15 mg/L左右的厭氧處理實驗 廢水在厭氧反應器停留時間1天,進料廢水二硝基苯酚的濃度降低為15 mg/L。對厭氧進水和出水進行紫外可見光譜分析,全光譜紫外掃描見圖4。

00號曲線--未處理廢水全光譜分析曲線; 1號曲線--1號反應器出水全光譜分析曲線;2號曲線--2號反應器出水全光譜分析曲線圖4 廢水濃度為15 mg/L 3種廢水全光譜紫外掃描圖

圖4為10月12日的全光譜紫外掃描圖。從圖4可知,去除效果較好的是2號,說明2號二硝基苯酚廢水經過納米鐵負載活性炭的預處理后效果較好。0號、1號、2號廢水在波長370 nm處[2]測得吸光度分別為2.677、 2.353、0.992,3種廢水的pH值為7.0,1號、2號廢水去除率分別為12.1%、63.0%。進料廢水濃度降低,去除率變化不大。從全光譜紫外掃描圖看到有些波長的吸光度有所降低,而212 nm處的吸光度較高,主要由硝基產生的[6]。

3 結論

二硝基苯酚廢水經納米鐵負載活性炭預處理后再厭氧微生物處理,廢水濃度由44.2 mg/L降解為2.37 mg/L,廢水的去除率為84.4%～94.6%,效果比未預處理的好。由于納米鐵負載活性炭微電解作用使二硝基苯酚結構發生改變,生成易厭氧微生物降解的分子。當進料廢水濃度為50 mg/L,停留時間為3天時,廢水去除率為90.7%,停留時間為1天時,廢水去除率為63.8%。廢水在厭氧反應器中停留時間加長,可提高二硝基苯酚廢水去除率。廢水進料濃度的變化對去除率變化不大,當進料廢水濃度降低為15 mg/L,停留時間為1天,廢水去除率為63.0%。從全光譜紫外掃描圖看到有些波長的吸光度有所降低,而212 nm處的吸光度較高,主要由硝基產生的。