柱生物曝氣法吸附處理含鉻廢水
生物吸附法具有高效、無(wú)二次污染、吸附材料來(lái)源廣泛等優(yōu)點(diǎn)，是近年來(lái)高效環(huán)保型重金屬?gòu)U水處理技術(shù)和工藝的研究與開(kāi)發(fā)熱點(diǎn) 。但是，目前該領(lǐng)域的研究報(bào)道主要集中于吸附菌株的篩選、單菌株的吸附性能、吸附劑表面特征、吸附動(dòng)力學(xué)和生物脫附等實(shí)驗(yàn)研究階段 一J。篩選到的生物吸附材料存在相應(yīng)的不足之處，諸如單菌株可能存在對(duì)生長(zhǎng)條件要求偏高，對(duì)重金屬?gòu)U水的緩沖能力和抗毒能力不足；活性污泥對(duì)重金屬的吸附量偏低，易解絮 。對(duì)生物吸附工藝的研究也還沒(méi)有系統(tǒng)的報(bào)道。因此，開(kāi)發(fā)高效的生物吸附劑和處理工藝，將是生物吸附法應(yīng)用于重金屬?gòu)U水處理的重要途徑 。本研究利用復(fù)合吸附劑FY01與活性污泥作為吸附材料，探討了柱式生物曝氣法對(duì)高濃度含鉻電鍍廢水的生物吸附效果。
1 材料與方法
1．1 實(shí)驗(yàn)材料
復(fù)合生物吸附劑(FY01)：由暨南大學(xué)環(huán)境工程系制備和保存。電鍍廢水：采自廣東省陽(yáng)江市某電鍍廠，總Cr、
cr”、Cu“ 和COD 分別為60。4、55．3、4．5l和48．2 mg/L，pH 2。95；钚晕勰啵翰杉谥袊(guó)石油化工股份有限公司廣州分公司污水處理廠，含水率約85% 。
1．2 實(shí)驗(yàn)裝置
實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。玻璃吸附柱規(guī)格為巾5 am×40 em。底部設(shè)剛玉曝氣頭。
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1．3 復(fù)合生物吸附劑的制備
向100 mg/L含鉻培養(yǎng)液(葡萄糖15 g/L，牛肉膏2 g/L，蛋白胨2 g/L，酵母浸出粉2 g/L)中，接種產(chǎn)朊假絲酵母(Candida utilis)、黑曲霉(AspergiUus niger)、枯草桿菌(Bacillus subtilis)、擲孢酵母(Sporobolomyce—taceae sp．YJS)、酵母屬(Saceharomyces)、芽孢桿菌屬(Bacillus)、根霉屬(Rhizopus)等微生物和電鍍廠受污染土壤，搖床培養(yǎng)3 d，取混合液按1/10的接種量接種于新鮮含鉻培養(yǎng)液中。重復(fù)移種10次后，取混合液接種于無(wú)鉻培養(yǎng)液中擴(kuò)大培養(yǎng)，提取菌體與聚苯乙烯膠球體和植物碎片混合物混合，制備成粒徑為2～3 mm、含水量約為80% 、含菌量為10 一10 CFU/g的復(fù)合生物吸附劑后保存?zhèn)溆谩?/p>
1．4 吸附實(shí)驗(yàn)
取復(fù)合生物吸附劑10 g、活性污泥濕重5 g加入吸附柱中，廢水以降流式連續(xù)流加入柱中，流速由流量計(jì)控制。底部連續(xù)出水，曝氣處理，不同時(shí)間取出水測(cè)定總cr含量和pH。每次實(shí)驗(yàn)均更換生物吸附材料。
1．5 分析方法
總Cr和Cr 采用二苯碳酰二肼顯色法測(cè)定；銅采用原子吸收法測(cè)定，所用原子吸收分光光度計(jì)是北京第二光學(xué)儀器廠的WFX一1C；COD采用重鉻酸鉀法測(cè)定；pH由上海雷磁廠生產(chǎn)的PHS一3C型pH計(jì)測(cè)定。
2 結(jié)果與分析
2．1 電鍍廢水pH 對(duì)吸附的影響
處理進(jìn)水速度為500 mL/h，pH調(diào)節(jié)為1～11的l1個(gè)電鍍廢水水樣2 h后，鉻的去除率與出水pH的變化結(jié)果如圖2所示。與單菌株生物吸附劑相比，該復(fù)合生物吸附劑對(duì)進(jìn)水pH的適應(yīng)能力具有較明顯的優(yōu)勢(shì) 。在進(jìn)水pH=l～6時(shí)，對(duì)60．4 mg/L鉻的去除率高達(dá)60．4% ～83．0% ，顯示出了較強(qiáng)的耐廢水pH沖擊的能力。這主要是因?yàn)镕Y01由多菌種組成，部分菌種對(duì)鉻、銅等重金屬?gòu)U水具有較強(qiáng)的生物吸附和體內(nèi)積累性能¨’ 。菌群中不同的菌種在相應(yīng)的適宜pH值下(如擲孢酵母的適宜pH=2～4，產(chǎn)朊假絲酵母的適宜pH=2—3) ，能有效地對(duì)Cr”進(jìn)行還原，實(shí)現(xiàn)總Cr的吸附積累。其中Cr 的還原如方程式(1)～(3)L 3,9j：
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Cr20；一+6e+14H — 2cr +7H20 (1)
CrO]一+3e+8H ---,Cr¨+4H 0 (2)
從上述反應(yīng)式中可以看出，鉻的還原需要消耗電子和以[H ]為代表的還原力。如(1)、(2)式，在電解法處理重金屬鉻中，電子的提供由直流電產(chǎn)生。而利用生物吸附法處理含鉻廢水時(shí)，在酸性廢水中，微生物會(huì)優(yōu)先利用水體的[H ]，從而使處理后出水的pH上升并趨近中性；在堿性廢水中，這些電子及還原物質(zhì)的產(chǎn)生主要來(lái)自微生物體內(nèi)大分子葡萄糖、脂類和蛋白質(zhì)等的分解，產(chǎn)生的部分[H ]分泌到水體中，從而降低水體的pH。不同種屬的微生物在適宜的pH下進(jìn)行鉻的還原與吸附時(shí)，改變了水樣的pH，使之適合于其他微生物對(duì)鉻的吸附。同時(shí)，活性污泥具有緩沖pH的作用，使水樣的pH適合于復(fù)合生物吸附劑的生長(zhǎng)和對(duì)重金屬的生物吸附。以下實(shí)驗(yàn)不對(duì)電鍍廢水進(jìn)行預(yù)處理，均在原水pH下進(jìn)行。因?yàn)樵損H值與大部分金屬表面加工行業(yè)的含重金屬?gòu)U水的pH值接近；同時(shí)，該值處于適宜pH平臺(tái)值的中部，易于調(diào)控，研究結(jié)果在實(shí)際應(yīng)用中具有較好的參考價(jià)值。
2．2 電鍍廢水總濃度對(duì)鉻生物吸附的影響
FYO1對(duì)進(jìn)水速度為500 mL/h，濃度為5．0 ～60．4 mg/L的電鍍廢水處理2 h后，結(jié)果如圖3所示，去除率均是隨著濃度的增加而降低。其中，10 gFY01和5 g污泥復(fù)合使用對(duì)高濃度鉻的處理效果比較理想、運(yùn)行穩(wěn)定，能形成具有良好沉降性能的礬花。曝氣停止3 min后，就能很好的實(shí)現(xiàn)固液分離。去除率與鉻濃度的變化曲線平緩，這說(shuō)明該吸附劑具有較大的吸附容量和較理想的耐沖擊能力，當(dāng)鉻濃度為60．4 mg/L時(shí)，吸附曲線還沒(méi)有出現(xiàn)明顯的下降趨勢(shì)。利用15 g活性污泥單獨(dú)處理廢水時(shí)，污泥耐鉻沖擊的能力較弱。當(dāng)鉻濃度>20 mg/L時(shí)，污泥出現(xiàn)明顯的解絮現(xiàn)象，對(duì)60．4 mg/L鉻的去除僅為7．5% 。
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吸附劑與污泥的協(xié)同促進(jìn)作用，主要是由于活性污泥可以為生物吸附劑提供一個(gè)穩(wěn)定的緩沖環(huán)境，同時(shí)污泥中的微生物也具有一定的解毒能力 ；在該緩沖環(huán)境中，生物吸附劑對(duì)鉻的高效還原解毒能力是鉻生物去除的關(guān)鍵。還原后，高毒性的cr”被轉(zhuǎn)化為低毒性的Cr” ，有效地降低了鉻對(duì)污泥及FY01的毒性破壞，污泥仍能以菌膠團(tuán)存在 。
2．3 吸附量實(shí)驗(yàn)結(jié)果
圖4顯示，鉻的去除效率均隨著處理水量的增加而下降；吸附量的變化趨勢(shì)則存在較大明顯的差異。其中，當(dāng)出水水量為0～1000 mL時(shí)，10 g FY01和5 g活性污泥對(duì)鉻的吸附量快速增加并接近吸附飽和，飽和吸附量為3，1～3．37 mg/g。而15 g活性污泥對(duì)鉻的吸附量在出水水量為200～800 mL時(shí)較高，隨后出現(xiàn)下降。這是因?yàn)，利用污泥作為吸附材料單?dú)處理電鍍廢水時(shí)，水量過(guò)大會(huì)導(dǎo)致菌膠團(tuán)發(fā)生解體和鉻的脫附。
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2．4 進(jìn)水流速對(duì)吸附鉻的影響
圖5是2種吸附材料處理不同進(jìn)水流速的電鍍廢水2 h后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。處理的水量隨進(jìn)水流速的增加而增大，當(dāng)流速達(dá)500 mL/h，處理水量達(dá)1000 mL后，10 g FY01和5 g污泥的除鉻效率下降速度增快。而在低進(jìn)水流速時(shí)，15 g污泥的除鉻效率降低速度較快。這與}引尼對(duì)鉻的吸附容量小、還原解毒能力不足等因素有關(guān) 。
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2．5 生物吸附劑的穩(wěn)定性
吸附性能的穩(wěn)定性直接影響生物吸附劑的研究?jī)r(jià)值和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。本實(shí)驗(yàn)分別對(duì)在4℃ 冰箱和23～28℃實(shí)驗(yàn)室保存不同時(shí)問(wèn)的FY01進(jìn)行了吸附實(shí)驗(yàn)，如圖6所示。結(jié)果表明，F(xiàn)Y01具有較理想的吸附穩(wěn)定性，50 d內(nèi)連續(xù)10次吸附實(shí)驗(yàn)，對(duì)60．4 ms/L鉻的去除率的極差值分別在5%和7% 內(nèi)。因此，可以判斷FYO1的微生物群落構(gòu)成處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。
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2．6 雙柱串聯(lián)生物吸附實(shí)驗(yàn)
利用裝有10 g FYO1和5 g污泥的吸附柱串聯(lián)處理1000 mL/h電鍍廢水2 h的結(jié)果如圖7。串聯(lián)生物曝氣工藝對(duì)含鉻廢水的處理效果理想，對(duì)鉻的去除均達(dá)90%以上，比單柱的效率高10% ；出水pH在6．15 —6．61之間。在該處理過(guò)程中，第2吸附柱進(jìn)水是第1柱的出水，總鉻濃度已降至原水的60%左右，六價(jià)鉻已被有效地還原為低毒性的三價(jià)鉻 。有利于第2吸附柱中的生物吸附材料對(duì)鉻的體內(nèi)積累，促進(jìn)鉻的生物去除。串聯(lián)法也減少了廢水短流對(duì)處理效果產(chǎn)生的影響。
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2．7 單柱吸附法和串聯(lián)柱吸附法處理含鉻電鍍廢水
本實(shí)驗(yàn)分別采用了單柱吸附法和串聯(lián)柱吸附法處理電鍍廢水，每根柱裝10 g FY01和5 g活性污泥，單柱處理廢水1000 mL，雙柱處理2000 mL，處理時(shí)間均為2 h。圖8結(jié)果表明，串聯(lián)法處理該電鍍廢水是非常有效的，對(duì)廢水中60．4 Illg/L總Cr、4．51 mg/L Cu“和48．2 mg/L COD的去除率分別高達(dá)92．1% 、99．2% 和71．4% 。
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3 結(jié) 論
(1)復(fù)合生物吸附劑FY01對(duì)高濃度含鉻電鍍廢水的處理效果好，耐進(jìn)水pH沖擊能力強(qiáng)，吸附性能穩(wěn)定。當(dāng)進(jìn)水pH =2～5、流速為500 mL/h時(shí)，10 g FY01和5 g活性污泥對(duì)總cr濃度為60．4 mg/L的電鍍廢水處理2 h后，總cr去除率均在78% 以上；飽和吸附量為3．12～3．37 mg/g；在4cc冰箱和23～28cc實(shí)驗(yàn)室保存50 d的FY01對(duì)鉻的去除率差值分別在5%和7% 之內(nèi)。
(2)柱式生物曝氣吸附法對(duì)含鉻廢水的處理理想，運(yùn)行穩(wěn)定。串聯(lián)處理2000 rnL總Cr、Cu“和COD濃度分別為60．4、4．51和48．2 mg/L的電鍍廢水2 h后，去除率分別高達(dá)92．1% 、99．2% 和71．4% 。
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