付莉燕，文湘華，錢易
清華大學(xué) 環(huán)境模擬與污染控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100084

1. 前言

　　在含染料廢水的生物處理過程中，厭氧生物氧化法與好氧生物氧化法均有應(yīng)用[1]。近年來，對好氧生物反應(yīng)器的研究逐步轉(zhuǎn)向開發(fā)高效、強(qiáng)化型反應(yīng)器，目標(biāo)包括提高反應(yīng)器內(nèi)的生物固體濃度[2]、強(qiáng)化曝氣[3]、強(qiáng)化傳質(zhì)[4]、利用物理化學(xué)過程強(qiáng)化生物處理效果[5]等。然而，無論采用哪種強(qiáng)化措施，在處理含染料廢水時達(dá)到理想處理效果的前提都是活性污泥必須具有降解染料的能力。因此，在決定是否采用好氧法處理含染料廢水時，有必要研究染料在好氧條件下的生物降解性能。
　　本試驗(yàn)選擇的研究對象--活性翠藍(lán)（Reactive Turquoise Blue ，RTB）是一種酞菁染料，在染料分子的母體結(jié)構(gòu)中絡(luò)合了一個銅原子。本文研究了活性翠藍(lán)的好氧生物降解性能及影響活性翠藍(lán)生物降解效果的因素。

2. 研究方法

　　2.1 試驗(yàn)裝置與試驗(yàn)條件
　　試驗(yàn)裝置包括錐形瓶（作為反應(yīng)器）、恒溫振蕩培養(yǎng)箱（30℃，振蕩速度160轉(zhuǎn)/min）、紫外-可見分光光度計(jì)。試驗(yàn)在恒溫振蕩培養(yǎng)箱中進(jìn)行，反應(yīng)混合液中的溶解氧濃度為6.6-6.8mg/L，能夠滿足好氧菌的需要。接種污泥取自北京市清河毛紡廠污水處理車間的二沉池，試驗(yàn)前經(jīng)過進(jìn)一步馴化。
　　2.2 進(jìn)水組成
　　進(jìn)水中含有碳源-RTB（葡萄糖），氮源-尿素（40mg/L），磷源-KH2PO4（47.5mg/L），以及無機(jī)鹽-MgSO4（59.3mg/L）、MnSO4（5.7mg/L）、CaCl2（5.7mg/L）、FeSO4（0.3mg/L）、NaHCO3（100mg/L）等。
　　2.3 測試方法
　　通過紫外-可見光掃描圖，發(fā)現(xiàn)RTB在623nm處有最大吸收峰。作"吸光度-RTB濃度"標(biāo)準(zhǔn)曲線，通過測定水樣吸光度值可以求RTB濃度。樣品測定前需要經(jīng)過0.45μm濾膜過濾。
　　2.4 試驗(yàn)設(shè)計(jì)
　　2.4.1 碳源對馴化污泥生長情況的影響
　　通過一個持續(xù)了21個周期的間歇試驗(yàn)觀察馴化污泥生物量增長與碳源的關(guān)系。試驗(yàn)以24hr為一個周期，每個周期用新鮮廢水更換反應(yīng)器中的上清液。進(jìn)水有3種，分別含有0、 0.2、 0.5g/L葡萄糖。三組試驗(yàn)的進(jìn)水RTB濃度相同。
　　以混合液揮發(fā)性懸浮固體（MLVSS）含量作為生物量求生物增長率。被投入反應(yīng)器的RTB總量不足接種生物量的 2%，因此由于RTB被吸附到生物污泥表面而產(chǎn)生的對MLVSS測定的干擾可以忽略。
　　2.4.2 RTB生物降解動力學(xué)
　　進(jìn)水以RTB為唯一碳源，濃度分別為20mg/L、50mg/L，監(jiān)測了馴化污泥（接種濃度為4g/L）處理這兩種進(jìn)水時液相RTB濃度隨時間的變化歷程，由此獲得RTB降解動力學(xué)曲線。根據(jù)動力學(xué)曲線，采用半壽期法求RTB生物降解過程的動力學(xué)方程及反應(yīng)級數(shù)。
　　2.4.3 RTB生物降解效果的影響因素
　　通過正交試驗(yàn)考察了pH值、RTB濃度、葡萄糖濃度、污泥濃度等四個因素對RTB生物降解效果的影響。pH值取6、7、8三個水平；葡萄糖濃度分別取0、0.2、0.5 g/L；染料濃度分別取10、20、50mg/L；污泥濃度分別取3、4、5g/L。試驗(yàn)以24h為周期，包括進(jìn)水、反應(yīng)、沉淀、排水四個階段。

3 結(jié)果與討論

　　3.1 馴化污泥的生長情況
　　微生物的生長狀態(tài)與進(jìn)水中碳源的種類及數(shù)量有關(guān)，生物量的增加將意味著環(huán)境中存在著充足的碳源和能量來源。
　　試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)進(jìn)水中只含有RTB時，活性污泥的生物量是增長的，說明好氧微生物能夠利用RTB為唯一碳源和能量來源發(fā)生增殖。換句話說，在好氧條件下，RTB可以被生物降解。另外，以葡萄糖作為補(bǔ)充碳源，能夠加速好氧微生物的生長。
　　3.2 以RTB為唯一碳源時的生物降解動力學(xué)
　　經(jīng)測定，RTB濃度為20mg/L、50mg/L的進(jìn)水（不含葡萄糖），其BOD5/COD比值分別為0.11、0.12，說明RTB溶液的可生化性較差。
　　以馴化污泥處理RTB濃度分別為20mg/L、50mg/L的進(jìn)水，發(fā)現(xiàn)20mg/L的RTB溶液經(jīng)過24小時可以降解37.4%，達(dá)到80%降解率需要9.5d；50mg/L的RTB溶液經(jīng)過24小時可以降解46.1%，9.5d后降解率達(dá)到88.1%。可見，盡管單一RTB溶液的BOD5/COD比值較低，但是在好氧條件下仍然可以被馴化后的活性污泥緩慢降解。
　　根據(jù)兩種初始濃度條件下RTB生物降解過程的動力學(xué)曲線，求出半壽期，進(jìn)而可以獲得反應(yīng)級數(shù)及反應(yīng)速率常數(shù)。本試驗(yàn)中，為了排除進(jìn)水瞬間吸附作用的影響，在加入RTB為20mg/L、50mg/L的條件下，以進(jìn)水與活性污泥充分混合后的液相RTB濃度為初始濃度，即C0=16.2mg/L、C0‘=38.1mg/L，通過動力學(xué)曲線求得T1/2=3d、T1/2‘=1.85d。由此，可以求出反應(yīng)級數(shù)為1.568。在此基礎(chǔ)上，可以求出反應(yīng)速率常數(shù)為0.178，從而確定RTB好氧生物降解過程的反應(yīng)速率方程為：

　　-dC/dt = 0.178·C^1.568

　　3.3 影響RTB生物降解效果的因素
　　根據(jù)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)表，四因素三水平正交試驗(yàn)共包括9組試驗(yàn)。以RTB降解率為指標(biāo)，獲得了9個試驗(yàn)組在運(yùn)行穩(wěn)定期的3組數(shù)據(jù)。對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果見表1。

表1 影響因素試驗(yàn)方差分析表 [ F0.05(2,18)= 3.55, F0.01(2,18)=6.01] 方差名稱 S F V F 顯著性 pH值 575.1 2 287.5 8.893 4 葡萄糖濃度 1270.7 2 635.4 19.651 3 染料濃度 2046.1 2 1023.0 31.641 1 污泥濃度 1450.7 2 725.4 22.434 2 誤差 582.0 18 32.3

符號說明：S——因子的變動； f——自由度； V——因子的平均變動； F——表征顯著性的F值;

　　根據(jù)表1，pH值、葡萄糖濃度、RTB濃度、污泥濃度對RTB降解率的影響均是顯著的；而且，RTB濃度對RTB降解率的影響最大，其次是污泥濃度、葡萄糖濃度、pH值。另外，在正交試驗(yàn)所選擇的條件范圍內(nèi)，當(dāng)各因素的水平為pH=6、葡萄糖濃度=0.5g/L、染料濃度=20mg/L、污泥濃度=4g/L時，RTB好氧生物降解率最高。

4 結(jié)論

　　活性翠藍(lán)溶液的可生化性較差，經(jīng)過馴化的活性污泥可以緩慢降解活性翠藍(lán)，降解過程的反應(yīng)速率常數(shù)為0.178，反應(yīng)級數(shù)為1.568。當(dāng)進(jìn)水中含有補(bǔ)充碳源-葡萄糖時，活性污泥的生長速率顯著提高。
　　pH值、葡萄糖濃度、活性翠藍(lán)濃度、污泥濃度均影響活性污泥對活性翠藍(lán)的降解效果，當(dāng)pH=6，葡萄糖濃度=0.5g/L，活性翠藍(lán)濃度=20mg/L，污泥濃度=4g/L時RTB降解率最高。

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　　基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（59878025）