二乙二醇丁醚(DGBE)好氧生物降解效果*

關(guān) 瑩，裴晨鑫，韓慧麗

(江蘇開放大學(xué)環(huán)境生態(tài)學(xué)院，江蘇 南京 210019)

二乙二醇丁醚(DGBE)由于具有較高的沸點(diǎn)和較低的揮發(fā)速度，具有相當(dāng)重要的工業(yè)價(jià)值，在工業(yè)上廣泛用作硝化棉、清漆、印刷墨、油類、樹脂等的溶劑及合成塑料的中間體等，但由于DGBE的生產(chǎn)和使用，使得部分行業(yè)如部分染料廢水、有機(jī)光伏廢水、清潔劑生產(chǎn)等廢水中含有該種污染物質(zhì)。DGBE本身具有低毒性，通過(guò)白鼠對(duì)DGBE的生育和發(fā)育毒性的研究表明，在一定濃度范圍內(nèi)DGBE不具有不良的健康影響，對(duì)小鼠的生育和生存能力無(wú)影響[1-2]，盡管如此，但也出現(xiàn)了新生兒體重較低和男性對(duì)飲水中DGBE相對(duì)女性更為敏感等研究現(xiàn)象[3]，所以DGEB對(duì)人類健康是否存在長(zhǎng)期風(fēng)險(xiǎn)還有待考究。同時(shí)較高濃度的DGBE勢(shì)必會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染，對(duì)健康造成威脅，因此對(duì)于DGBE的降解研究確有必要。DGBE為醚類化合物，目前對(duì)于醚類污染物去除研究較多的主要集中在甲基叔丁基醚(MTBE)和多溴聯(lián)苯醚(PBDEs)兩個(gè)方面，對(duì)DGBE的處理研究報(bào)道甚少。但有學(xué)者針對(duì)DGBE的強(qiáng)效降解菌進(jìn)行篩選，并考察了其對(duì)DGBE的降解效果[4]。因此筆者將以DGBE為研究對(duì)象，采用好氧活性污泥法對(duì)其進(jìn)行降解，考察其在傳統(tǒng)生物法條件下的去除效果。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 生化呼吸曲線

生化呼吸線法是以時(shí)間為橫坐標(biāo)，以耗氧量為縱坐標(biāo)做出的一條曲線[5-6]。其原理是在活性污泥中微生物處于內(nèi)源呼吸狀態(tài)時(shí)，以待研究污染物為唯一供給碳源與活性污泥混合，在密閉條件下監(jiān)測(cè)反應(yīng)過(guò)程中溶解氧的變化，根據(jù)呼吸曲線的位置關(guān)系判斷污染物的可生化性。具體實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，實(shí)驗(yàn)步驟如下：

(1)內(nèi)源呼吸線：加入一定濃度的活性污泥150 mL和自來(lái)水100 mL，密閉后在恒定溫度條件下開始攪拌，溶解氧儀測(cè)定其中溶解氧的變化值，每隔5 min讀數(shù)一次，記錄對(duì)應(yīng)時(shí)間下的溶解氧值，以時(shí)間做橫坐標(biāo)，耗氧量做縱坐標(biāo)做出內(nèi)源呼吸線。

(2)生化呼吸線測(cè)定：加入一定濃度的活性污泥150 mL和一定濃度的DGBE溶液100 mL，重復(fù)①中操作，記錄對(duì)應(yīng)時(shí)間下的溶解氧值，以時(shí)間做橫坐標(biāo)，耗氧量做縱坐標(biāo)在同一坐標(biāo)系中做出生化呼吸曲線。

(3)比對(duì)分析兩條呼吸線。

圖1 生化呼吸曲線測(cè)定裝置圖Fig.1 The device of biochemical respiration curve

1.2 好氧降解燒杯實(shí)驗(yàn)

根據(jù)二乙二醇丁醚的COD當(dāng)量值(2.17 kg COD/kg C8H18O3)配置一定濃度的DGBE模擬廢水，采用燒杯實(shí)驗(yàn)，將廢水和一定濃度的好氧污泥在燒杯中混合，并投加一定比例的N、P元素，曝氣反應(yīng)一段時(shí)間，測(cè)定出水COD值。本次實(shí)驗(yàn)中分別考察了500 mg/L和1000 mg/L兩種濃度條件的降解效果，每個(gè)試樣中再加入150 mL水樣和50 mL的好氧污泥(試樣中污泥濃度約2500 mg/L，在25 ℃室溫下曝氣2 d，取清液，留樣進(jìn)行COD測(cè)量。

1.3 SBR多批次進(jìn)水DGBE降解實(shí)驗(yàn)

采用SBR反應(yīng)器馴化活性污泥一定時(shí)間后，以一定濃度的DGBE模擬水樣為主要碳源，開始進(jìn)水，考察SBR活性污泥法對(duì)DGBE的降解效果。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，分批多次進(jìn)水，對(duì)進(jìn)出水及不同時(shí)間段水樣的COD值進(jìn)行測(cè)定分析，考察SBR多次連續(xù)進(jìn)水后的DGBE降解效果。

1.4 分析方法

溶解氧DO測(cè)定采用的是美國(guó)哈希溶解氧快速測(cè)定儀(HQ30D)。采用快速消解法測(cè)定水樣化學(xué)需氧量COD，水樣測(cè)試前利用0.44 μm水系濾膜過(guò)濾，根據(jù)公式(1)計(jì)算水樣COD值。

COD=(V0-V1)C×8×1000/V

(1)

式中：C——硫酸亞鐵銨標(biāo)準(zhǔn)溶液的濃度，mol/L

V0——滴定空白時(shí)硫酸亞鐵銨標(biāo)準(zhǔn)溶液的用量，mL

V1——滴定水樣時(shí)硫酸亞鐵銨標(biāo)準(zhǔn)溶液的用量，mL

V——水樣的體積，mL

2 結(jié)果與討論

2.1 DGBE生化呼吸曲線

圖2 生化呼吸線Fig.2 Biochemical respiration line

實(shí)驗(yàn)中分別考察了1500 mg/L和3000 mg/L兩種濃度DGBE的生化呼吸曲線，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

通過(guò)圖1中可以看出，1500 mg/L和3000 mg/L兩種濃度條件下，活性污泥對(duì)溶解氧的消耗量都快于活性污泥的內(nèi)源呼吸消耗量，由此可以說(shuō)明在以上兩種濃度條件下DGBE模擬水樣對(duì)活性污泥中的微生物不存在抑制作用，同時(shí)可以看出隨著DGBE濃度的升高氧氣的消耗速率加快，說(shuō)明在該實(shí)驗(yàn)條件下微生物可以將DGBE作為碳源進(jìn)行代謝。

2.2 DGBE好氧降解燒杯實(shí)驗(yàn)

進(jìn)水COD:N:P按照100:5:1配制，N源采用NH4Cl，P采用Na2HPO4·12H2O添加，具體進(jìn)水水質(zhì)情況如表1所示。采用燒杯實(shí)驗(yàn)，將活性污泥和DGBE模擬廢水曝氣反應(yīng)時(shí)間2 d，之后對(duì)COD降解效果進(jìn)行分析，具體出水情況如表2所示。

表1 進(jìn)水水質(zhì)指標(biāo)Table 1 The water quality indicators of inflow

表2 出水水質(zhì)指標(biāo)Table 2 The water quality indicators of effluent

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)曝氣停留時(shí)間為2 d，好氧進(jìn)水COD為1168 mg/L時(shí)，出水COD為293 mg/L，COD去除率達(dá)到了74.9%，但當(dāng)進(jìn)水COD濃度提高至2453 mg/L時(shí)，COD去除率為45.2%。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，相同的停留時(shí)間，當(dāng)DGBE濃度升高時(shí)其出去率降低，考慮可能需要延長(zhǎng)曝氣時(shí)間。當(dāng)停留時(shí)間延長(zhǎng)至4 d時(shí)，COD濃度在1168 mg/L、2453 mg/L時(shí)，出水COD均在300 mg/L以下。好氧COD降解容積負(fù)荷在0.4～0.5 kg/(m3·d)左右。由此可見好氧生物法對(duì)DGBE有一定的處理效果，但存在停留時(shí)間較長(zhǎng)和去除率較低的問(wèn)題。

2.3 SBR多批次運(yùn)行降解效果分析

圖3 反應(yīng)器進(jìn)水COD值隨時(shí)間的變化圖Fig.3 Diagram of COD value of inflow changing with time

在SBR反應(yīng)器內(nèi)將活性污泥培養(yǎng)成熟，并對(duì)活性污泥的MLSS和SV%進(jìn)行測(cè)定，分別為3955 mg/L和28%，活性污泥濃度較高，活性污泥沉降性能較好。按照COD 0.25 kg/L的容積負(fù)荷進(jìn)行模擬廢水的配置和反應(yīng)器配水，根據(jù)DGBE的COD當(dāng)量值2.17 kgCOD/kgC8H18O3配置500 mg/L DGBE溶液，開始向SBR反應(yīng)器中多批次進(jìn)水。運(yùn)行一段時(shí)間后SBR反應(yīng)器出水COD基本穩(wěn)定，連續(xù)20 h監(jiān)測(cè)SBR反應(yīng)器出水COD值，具體情況如圖3所示。由圖3可以看出，隨著反應(yīng)時(shí)間延長(zhǎng)COD逐步降低，COD含量由起初的1038 mg/L降低至約809 mg/L，反應(yīng)時(shí)長(zhǎng)20 h內(nèi)總體去除率約為22%，該時(shí)間段內(nèi)好氧COD降解容積負(fù)荷約為0.27 kg/(m3·d)。從COD去除效果來(lái)看，在連續(xù)運(yùn)行狀態(tài)下容積負(fù)荷和去除率有所降低，這可能是由于在燒杯實(shí)驗(yàn)過(guò)程中反應(yīng)時(shí)間短和進(jìn)水量少，部分有機(jī)物吸附在活性污泥表面。連續(xù)運(yùn)行狀態(tài)下對(duì)DGBE仍有一定的去除效果，但存在去除速度較慢，容積負(fù)荷較低的問(wèn)題。

在以上條件下運(yùn)行一段時(shí)間后，SBR反應(yīng)器出水出現(xiàn)了渾濁的現(xiàn)象，同時(shí)通過(guò)測(cè)定發(fā)現(xiàn)活性污泥濃度降低MLSS由之前的3955 mg/L降低至2905 mg/L，SV%由28%降至19%，并且通過(guò)肉眼觀察活性污泥礬花變小，污泥顆粒細(xì)小。從運(yùn)行結(jié)果來(lái)看好氧活性污泥法對(duì)DGBE有一定的降解效果，但由于DGBE具有低毒性，在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行條件下可能對(duì)微生物的活性仍然存在一定的抑制作用。

3 結(jié) 論

好氧微生物法對(duì)DGBE具有一定的降解能力，但通過(guò)實(shí)驗(yàn)可以看出好氧生物法對(duì)DGBE的降解負(fù)荷較低，降解速度較慢，在DGBE高濃度進(jìn)水情況下COD去除率較低，并且在長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行的條件下出現(xiàn)了出水渾濁、MLSS降低和活性污泥顆粒細(xì)小等異常問(wèn)題，由此推測(cè)由于DGBE本身具有低毒性，以DGBE為唯一碳源長(zhǎng)期運(yùn)行條件下，可能對(duì)微生物仍具有一定的抑制作用。因此后續(xù)研究可能考慮采用厭氧+好氧法聯(lián)合處理DGBE模擬廢水，考察其降解效果，并且考慮共代謝條件下的DGBE好氧降解效果的研究。