電解預(yù)處理對(duì)微藻處理有機(jī)污水的促進(jìn)作用研究

朱志偉

(安徽建筑大學(xué) 環(huán)境與能源工程學(xué)院, 安徽 合肥 230601)

0 引 言

水污染是當(dāng)今人類面臨的主要環(huán)境問題之一，探索有效實(shí)用、易于推廣的污水處理技術(shù)，始終為環(huán)保學(xué)者們所關(guān)注[1-3]。藻類是自養(yǎng)型生物，生長(zhǎng)對(duì)廢水中營(yíng)養(yǎng)要求較低，可富集水體中的氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，并以有機(jī)物的形式將其儲(chǔ)存在藻細(xì)胞中[4-5]。利用藻類凈化污水成為污水處理中的重要研究方向，但微藻污水處理法又有其局限性，所能去除的污染物局限于水中生物易降解的物質(zhì)，對(duì)于生物難降解物質(zhì)則幾乎無去除效果，在這種情況下,單一應(yīng)用微藻處理污水顯然是不適宜的[6-10]。

本研究選用直接電解的方法對(duì)合成有機(jī)污水進(jìn)行預(yù)處理，通過電化學(xué)法能初步降低氮、磷以及總有機(jī)碳含量，減輕后續(xù)微藻生物處理的污染物負(fù)荷，殺滅污水中的細(xì)菌，提高污水的可生化性，為后續(xù)的微藻處理污水實(shí)驗(yàn)提供更適宜的培養(yǎng)條件。

1 實(shí)驗(yàn)材料及儀器

1.1 材料

實(shí)驗(yàn)材料包括七水硫酸亞鐵、重鉻酸鉀、六水硫酸亞鐵氨、濃硫酸、氯化鈷和氯鉑酸鉀等，都是化學(xué)純。

待處理廢水為X養(yǎng)殖場(chǎng)的雞糞厭氧發(fā)酵出水，存于4 ℃冰箱中，在開展試驗(yàn)前取用，污水水質(zhì)指標(biāo)見表1。

表1 水質(zhì)指標(biāo)

注:結(jié)果為三次測(cè)量平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差。

1.2 儀器

實(shí)驗(yàn)主要儀器為COD瓶、錐形瓶、溶解氧儀、反應(yīng)槽、冷凝管、電極板和恒溫加熱器、穩(wěn)壓直流電源、電磁攪拌器等。

1.3 測(cè)試指標(biāo)和測(cè)試方法

實(shí)驗(yàn)運(yùn)用的測(cè)試指標(biāo)主要為CODCr,重鉻酸鉀氧化法及BOD5稀釋接種法。色度運(yùn)用了稀釋倍數(shù)法。

1.4 微藻藻種和培養(yǎng)條件

1.4.1 藻種

選用普通小球藻C.vulgaris 1067藻種。

1.4.2 培養(yǎng)基

借助BG-I 1培養(yǎng)基對(duì)小球藻進(jìn)行培養(yǎng)，試驗(yàn)下微藻生長(zhǎng)營(yíng)養(yǎng)物由BG-I 1培養(yǎng)液所供應(yīng)。

1.4.3 培養(yǎng)條件

在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)通過規(guī)?；绞椒峙螌?duì)小球藻進(jìn)行培養(yǎng)，將其在500 mL的裝有厭氧發(fā)酵廢水錐形瓶?jī)?nèi)(濃度各不相同，體積為300 mL)進(jìn)行接種，并在恒溫光照反應(yīng)器內(nèi)放置，保持4 500 lux的光照強(qiáng)度和28 ℃的溫度，12 h光反應(yīng)/12 h暗反應(yīng)為光暗周期。搖瓶培養(yǎng)運(yùn)用搖床，速度設(shè)定在150 r/min，微藻生物質(zhì)干重樣品每24 h測(cè)量1次。

1.5 實(shí)驗(yàn)裝置和方法

1.5.1 實(shí)驗(yàn)裝置及材料

電磁攪拌器、電極板、穩(wěn)壓直流電源及反應(yīng)槽為主要裝置，電解池模擬運(yùn)用正方形玻璃槽(1 L)，借助可溶性鐵金屬板作為陽(yáng)、陰極板，面積都是15 cm×8 cm,應(yīng)用JC1735穩(wěn)壓直流電源， 79-1磁力加熱攪拌器進(jìn)行較慢的攪拌?；钚酝寥老挛⑸锞鹤鳛閷?shí)驗(yàn)菌種。

1.5.2 實(shí)驗(yàn)方法

1)陽(yáng)、陰極板的距離是10 cm，將FeSO4添加到原水水樣內(nèi)，如果金屬離子在生物處理系統(tǒng)內(nèi)的含量較大，會(huì)抑制微生物的作用，如果長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行反應(yīng)，增大了污泥內(nèi)無機(jī)物的總量，使系統(tǒng)不能穩(wěn)定運(yùn)行，所以要對(duì)酸堿度進(jìn)行調(diào)節(jié)，保持在中性，加快重金屬離子的沉淀過程，進(jìn)行絮凝沉淀。電化學(xué)氧化實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。

圖1 電化學(xué)氧化實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

2)靜置廢水，取出500 mL上清液，將NaCl添加到造紙廢水內(nèi)，改善電解效果，保持15 V的電壓和1.6 A的電流，調(diào)整電解時(shí)間。

3)完成電解過程后，將Fe/Al加入其中，水樣進(jìn)行絮凝，經(jīng)過靜置、冷卻及過濾反應(yīng)，對(duì)BOD5、COD進(jìn)行測(cè)定。

4)結(jié)合結(jié)果對(duì)圖表進(jìn)行繪制，實(shí)驗(yàn)最佳電解條件即為BOD5/COD最大值下的各項(xiàng)數(shù)值。

5)理想電解條件下，分別從BOD5/COD、CODCr、BOD5和色度等方面對(duì)電解之前和之后的變化狀況進(jìn)行對(duì)比。

1.6 微藻生長(zhǎng)指標(biāo)的測(cè)定

借助細(xì)胞干重測(cè)量法對(duì)微藻生物量進(jìn)行測(cè)定，對(duì)進(jìn)行均勻混合的藻液進(jìn)行采取，基于分光光度計(jì)680 nm波長(zhǎng)條件中，對(duì)光密度值(OD)ODbBo進(jìn)行測(cè)量，實(shí)驗(yàn)獲取微藻OD68。最后分析其同微藻細(xì)胞干重(DW)二者的線性關(guān)系：

DryWeight(DW,mg/L)=230.3OD68+0.6

R2=0.999 8

開展試驗(yàn)過程中，要每天對(duì)藻液進(jìn)行采取，對(duì)OD68進(jìn)行測(cè)量，并對(duì)微藻生物質(zhì)干重進(jìn)行分析。

1.7 水質(zhì)指標(biāo)測(cè)定方法

1.7.2 總碳(TC)、無機(jī)碳(IC)和總有機(jī)碳(TOC)

借助離心沉淀對(duì)樣品內(nèi)的微生物、懸浮顆粒物進(jìn)行剔除，采集上清液，借助TOC分析儀對(duì)IC及TC進(jìn)行測(cè)量，借助運(yùn)算來獲取總有機(jī)碳值:

TOC(mg/L)=TC(mg/L)=IC(mg/L)

1.7.3 濁度(Turbidity)

借助可見光-紫外分光光度法來測(cè)量文中的濁度。聚合6-次甲基四胺與硫酸脫，獲得白色高分子聚合物，得到濁度標(biāo)準(zhǔn)溶液，借助石英比色皿(規(guī)格為1 cm),建立在660 nm的波長(zhǎng)基礎(chǔ)上，測(cè)定濁度液吸光度值，獲取吸光度-濁度標(biāo)準(zhǔn)曲線。準(zhǔn)確測(cè)量水樣濁度，設(shè)定660 nm的標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)比研究和分析吸光度-濁度標(biāo)準(zhǔn)曲線與吸光度曲線，運(yùn)算出水樣濁度值。在濁度大于100的情況下，開展測(cè)定工作之前，需要完成稀釋處理。

1.7.4 細(xì)菌數(shù)(Bacterial Counts)

通過平板計(jì)數(shù)法來測(cè)定細(xì)菌數(shù)。在微型旋渦混合儀中對(duì)樣品進(jìn)行5 min的震蕩處理，使細(xì)菌進(jìn)行有效分散，采取樣品的體積為1 mL，并將其加入到9 mL去離子水試管中，完成10倍稀釋操作之后，震蕩均勻，最終使溶液得到合理濃度，對(duì)2～3個(gè)稀釋度進(jìn)行選取，采取污水樣品(0.1 mL)，涂抹于無菌固體營(yíng)養(yǎng)瓊脂培養(yǎng)基，倒置在培養(yǎng)箱中，維持24 h的溫度在24 ℃，查看瓊脂培養(yǎng)基中菌落數(shù)，不同的稀釋度均應(yīng)開展上述操作3遍。

1.7.5 pH值

利用玻璃電極法對(duì)溶液的pH值進(jìn)行測(cè)定。

1.8 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.8.1 電解預(yù)處理

1.8.2 離心和高溫高壓預(yù)處理

1.8.3 預(yù)處理與微藻生物處理組合方法

厭氧發(fā)酵廢水進(jìn)行2%(v/v)稀釋處理之后，進(jìn)行離心、高溫高壓及電解處理，所培養(yǎng)的小球藻生長(zhǎng)環(huán)境就是獲取的液體培養(yǎng)基。進(jìn)行試驗(yàn)前，要利用錐形瓶來對(duì)小球藻藻種進(jìn)行保存，接種操作的標(biāo)準(zhǔn)為生物質(zhì)干重達(dá)到了1 300 mg/L。參考10%(v/v)的接種標(biāo)準(zhǔn)對(duì)廢水進(jìn)行預(yù)處理，添加30 mL藻液于270 mL廢水樣品中。搖勻之后在合理?xiàng)l件下的搖床上放置培養(yǎng)箱，每天在特定時(shí)間對(duì)生物質(zhì)干重進(jìn)行測(cè)定。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 不同稀釋濃度的沼液對(duì)小球藻生長(zhǎng)的影響

不同稀釋濃度雞糞沼液下小球藻C.vulgaris的生長(zhǎng)曲線如圖2所示。

圖2 不同稀釋濃度雞糞沼液下小球藻C.vulgaris的生長(zhǎng)曲線

2.2 電解預(yù)處理對(duì)沼液中污染物去除和細(xì)菌殺滅的影響

2.3 電解預(yù)處理對(duì)沼液培養(yǎng)小球藻的影響

以10%(v/v)的標(biāo)準(zhǔn)稀釋處理雞糞沼液后，進(jìn)行電解預(yù)處理操作，經(jīng)過0、1、2、3、4、5 h之后，可以將相同量的普通小球藻藻種進(jìn)行接入，創(chuàng)造良好環(huán)境，進(jìn)行為期20 d的培養(yǎng)，微藻細(xì)胞干重積累狀況如圖3所示。

圖3 小球藻C.vulgaris在不同電解時(shí)間預(yù)處理的沼液生長(zhǎng)曲線

基于2、3、4 h電解預(yù)處理作用下，樣品內(nèi)的小球藻能夠存活下來，其中樣品在2 h電解預(yù)處理中的生物量是530 mg/L，達(dá)到了最高，樣品小球藻(未開展電解預(yù)處理和1、5 h電解預(yù)處理)進(jìn)行20 d的培養(yǎng)之后，生物質(zhì)干重達(dá)到了90 mg/L，出現(xiàn)了不增反降的現(xiàn)象。對(duì)0、1、5 h的電解預(yù)處理沼液樣品內(nèi)，對(duì)小球藻進(jìn)行培養(yǎng)，在時(shí)間不斷延長(zhǎng)的過程中會(huì)出現(xiàn)發(fā)黃的狀況，體現(xiàn)出樣品水質(zhì)對(duì)小球藻的生長(zhǎng)不利。在開展試驗(yàn)時(shí)，最先15 d培養(yǎng)時(shí)，2 h電解預(yù)處理樣品下小球藻同3 h電解預(yù)處理樣品下的小球藻相比，前者生長(zhǎng)狀況更優(yōu)，相應(yīng)的生物量濃度也相對(duì)較高，然而在之后的過程中，后者下的微藻生物質(zhì)干重不再增多，2 h電解預(yù)處理樣品下小球藻生物質(zhì)積累量比3 h電解預(yù)處理樣品下的積累量要更多，為試驗(yàn)樣品生物量積累最大值。分析具體緣由為3 h預(yù)處理樣品下營(yíng)養(yǎng)元素在最初培養(yǎng)期間能夠被微藻所吸收掉，而在之后的16～20 d之間，因?yàn)闋I(yíng)養(yǎng)不足，微藻生長(zhǎng)速度大大降低。這就體現(xiàn)出，進(jìn)行合理處理的厭氧發(fā)酵廢水能夠使沼液污染物負(fù)荷有效降低，將良好的生長(zhǎng)環(huán)境提供給微藻，使微藻生物質(zhì)產(chǎn)量明顯增大。電化學(xué)氧化作用下，一方面能夠使污染物含量大大減少，另一方面也能夠針對(duì)復(fù)雜有機(jī)物分子進(jìn)行作用，其作為生物難降解物能夠形成簡(jiǎn)單分子，使污水生物可降解性大大改善。而在2 h電解處理之后，濁度值降至89%，有利于微藻的生長(zhǎng)，去除濁度能夠使污水透光性得到改善，將合理的光照環(huán)境提供給小球藻，便于其開展光合作用。

2.4 離心和高溫高壓預(yù)處理對(duì)沼液中污染物去除和細(xì)菌殺滅的影響

沼液經(jīng)過離心和高溫高壓預(yù)處理后沼液中各種污染物含量及細(xì)菌數(shù)變化詳見表2。

表2 離心和高溫高壓頂處理對(duì)2%(v/v)沼液中污染物的去除情況

2.5 各種組合方法的沼液處理效果對(duì)比

表3 組合處理過程對(duì)氨氯的去除

表4 組合處理過程對(duì)總磷TP的去除

在選取污水處理技術(shù)過程中，還需要重視的指標(biāo)就是成本費(fèi)用問題。電解法比傳統(tǒng)污水處理方式的成本要高，然而因?yàn)榍罢吣軌蜻\(yùn)用到高濃度污水處理領(lǐng)域，解決了生物降解難度大的問題，但是在活性污泥去除方面效果不理想，因此可以綜合考慮運(yùn)用電解法。同時(shí)，將微藻生物污水處理技術(shù)同電解處理法進(jìn)行整合，能夠大大解決污水處理費(fèi)用，因?yàn)槲鬯_始濃度相對(duì)較高，相對(duì)應(yīng)的電流效率大，能夠快速、有效地去除掉污染物，但在污水中污染物濃度降低時(shí)，就需要發(fā)揮微藻生物處理技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，節(jié)約能源，降低電能的耗費(fèi)。

3 結(jié) 語

作為全新的綠色環(huán)保技術(shù)，電解法在工業(yè)廢水及生活污水的處理方面發(fā)揮著極其重要的作用，能夠有效改善污水可生化性，對(duì)污水消毒也有積極效果[11]。在電化學(xué)研究快速發(fā)展的過程中，部分有機(jī)化合物在電極下的加成、分解及氧化還原等多類反應(yīng)均已被證實(shí)，進(jìn)一步佐證了借助電催化氧化法能夠?qū)τ袡C(jī)污染物進(jìn)行有效降解的事實(shí)，使污水處理領(lǐng)域中的電解法得到普遍運(yùn)用[12-13]。運(yùn)用電解法技術(shù)對(duì)污水進(jìn)行處理的過程中，發(fā)揮主要作用的是羥基自由基，其擁有強(qiáng)氧化性，很多大分子有機(jī)物比較難降解，但通過該技術(shù)方式能夠轉(zhuǎn)變?yōu)闊o毒及毒性較低的小分子物。文中研究發(fā)現(xiàn)：借助直接電解方式來預(yù)處理有機(jī)污水，可以使TN、TP以及TOC含量大大降低，減輕后續(xù)微藻生物處理的污染物負(fù)荷，殺滅污水中的細(xì)菌，提高污水的可生化性，為后續(xù)的微藻處理污水實(shí)驗(yàn)提供更適宜的培養(yǎng)條件。