CN107265809B - 一种厌氧共代谢降解污泥中多环芳烃的方法 - Google Patents

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Abstract

一种厌氧共代谢降解污泥中多环芳烃的方法，包括以下步骤：（1）投入占厌氧消化反应器容积1/6‑1/2的厌氧消化污泥作为接种污泥；（2）污泥按照8%‑12%的投配率进行投配至厌氧消化反应器有效体积，放置2‑4d；（3）每天参照消化池实际运行中采用的污泥投配率投加来自污泥浓缩池的浓缩污泥，并排出等量消化污泥；（4）按照有机质VS的不同添加比，加入不同含量的纤维素与污泥混合于厌氧生物厌氧消化反应器中进行厌氧消化。本发明利用污泥与纤维素作为厌氧微生物的外源营养物质，在中温半连续运行条件下，通过厌氧共代谢的方式去除污泥中PAHs，提高对PAHs的降解效率，降低成本，最终推广到大规模的社会应用中。

Description

一种厌氧共代谢降解污泥中多环芳烃的方法
技术领域
本发明属于环境中难降解有机污染物生物降解技术领域，具体涉及一种利用厌氧共代谢降解污泥中多环芳烃的方法。
背景技术
多环芳烃(Polycyclic Aromatic Hydrocarbons，简称PAHs)是指两个或两个以上的苯环以链状、角状或串状排列组成的化合物，是有机质不完全燃烧或高温裂解的副产品。PAHs多数为无色或淡黄色的结晶，个别颜色较深，具有蒸汽压低、疏水性强、辛醇-水分配系数高、易溶于苯类芳香性溶剂中等特点。PAHs是一类惰性很强的碳氢化合物，不易降解，能稳定地存在于环境中。
环境中的PAHs可随着工业废水，废弃物，大气的干湿沉降，城市地面径流等方式汇入城市排水系统中，最终流入污水处理厂。由于PAHs的亲脂疏水性以及难降解性，进入到污水处理系统的PAHs极易吸附积累于污泥中，成为城市污泥中最常见的一类难降解有机污染物。国内城市污泥中PAHs的含量多数大于10mg·kg-1，部分城市中污泥中PAHs的某个单体含量大于10mg·kg-1，总体上，国内城市污泥中PAHs以2-4个苯环的化合物为主，2-4环PAHs的含量占总PAHs含量的90％以上。我国的污泥产量巨大，截止到2015年底，全国污泥(含水率80％)产生量约3400万t。近年来，厌氧消化已经成为污泥稳定处理的有效方式之一，厌氧消化过程中的厌氧微生物可对污泥中的PAHs进行转化和降解，从而达到对PAH降解的目的；通过污泥厌氧消化可以实现污泥处理的减量化、稳定化、无害化以及资源化，厌氧消化后的污泥一般采用土地利用的方式，为保证污泥安全土地利用，需强化PAHs在污泥厌氧消化过程中的降解效率，控制其含量。
而影响污泥中PAHs厌氧生物降解的因素很多，包括pH，温度，营养盐，污染物的初始浓度和化学结构等。在厌氧生物降解PAHs的进程中，外源营养物质的缺乏常常是限制厌氧微生物生长和种群繁殖的重要因素。尤其，城市污泥中4环及4环以上的多环芳烃，往往由于它们的化学结构比较复杂以及在水环境中较低的溶解度，难以作为生长基质被微生物降解。共代谢作用可以提高微生物降解芳烃类化合物的效率，改变微生物碳源与能源的底物结构，扩大微生物对碳源和能源的选择范围，从而达到难降解物质最终被微生物降解利用的目的。影响共代谢分解难降解有机物的关键因素是生长基质的类型及浓度。
目前关于促进PAHs厌氧生物降解的外源添加物质种类繁多，大量研究表明不同外源添加物质对PAHs的降解效率不一。并且，很多外源添加物质都属于实验室小试阶段，部分成本较高，在实际操作中难以大规模应用。
纤维素是世界上最丰富的天然有机物，占植物界碳含量的50％以上，每年通过光合作用可合成约1.5×1012t。纤维素分子中的每个葡萄糖基环上均有3个羟基，可以发生氧化、酯化、醚化、接枝共聚等反应。纤维素及其衍生物在纺织、轻工、化工、能源、生物技术和环境保护等部门应用十分广泛。
目前还未见污泥与纤维素在中温半连续运行条件下，厌氧共代谢去除污泥中PAHs的报道。
发明内容
本发明的目的在于为克服现有技术的缺陷而提供一种提高污泥中多环芳烃厌氧生物降解效率的方法，具体是利用污泥与纤维素作为厌氧微生物的外源营养物质，在中温半连续运行条件下，通过厌氧共代谢的方式去除污泥中PAHs，提高对PAHs的降解效率，降低成本，最终推广到大规模的社会应用中。
本发明的技术方案：一种厌氧共代谢降解污泥中多环芳烃的方法，包括以下步骤：
(1)投入占厌氧消化反应器容积1/6-1/2的厌氧消化污泥作为接种污泥；
(2)污泥按照8％-12％的投配率进行投配至厌氧消化反应器有效体积，放置2-4d；
(3)每天参照消化池实际运行中采用的污泥投配率投加来自污泥浓缩池的浓缩污泥，并排出等量消化污泥；
(4)按照有机质VS的不同添加比，加入不同含量的纤维素与污泥混合于厌氧生物厌氧消化反应器中进行厌氧消化。
前述厌氧共代谢降解污泥中多环芳烃的方法，包括以下步骤：
(1)投入占厌氧消化反应器容积1/3的厌氧消化污泥作为接种污泥；
(2)污泥按照10％的投配率进行投配至厌氧消化反应器有效体积，放置3d；
(3)每天参照消化池实际运行中采用的污泥投配率投加来自污泥浓缩池的浓缩污泥，并排出等量消化污泥；
(4)按照有机质VS的不同添加比，加入不同含量的纤维素与污泥混合于厌氧生物厌氧消化反应器中进行厌氧消化。
前述厌氧共代谢降解污泥中多环芳烃的方法，所述厌氧消化污泥为污水处理厂污泥浓缩池未做其他处理的浓缩污泥。
前述厌氧共代谢降解污泥中多环芳烃的方法，步骤(3)中，所述消化池实际运行中采用的投配率为2％-8％。
前述厌氧共代谢降解污泥中多环芳烃的方法，步骤(4)中，加入纤维素后反应体系中pH范围为6.5～7.5；氧化还原电位范围为-350～-250mV；氨氮浓度范围为100～350mg·L-1。
前述厌氧共代谢降解污泥中多环芳烃的方法，所述厌氧消化反应器的进样方式为半连续进样。
前述厌氧共代谢降解污泥中多环芳烃的方法，所述厌氧消化反应器采用中温消化，消化温度为(35±1)℃，并利用接种培养法启动厌氧消化反应器。
前述厌氧共代谢降解污泥中多环芳烃的方法，所述污泥与纤维素的添加比例范围为VS污泥：VS纤维素＝1:1～5:1。
前述厌氧共代谢降解污泥中多环芳烃的方法，所述污泥与纤维素的添加比例范围为VS污泥：VS纤维素＝1:1～2:1。
前述厌氧共代谢降解污泥中多环芳烃的方法，所述污泥与纤维素的添加比例范围为VS污泥：VS纤维素＝1:1、2:1或5:1。
本发明的有益效果：
与现有技术相比本发明具有：本发明采用纤维素作为厌氧微生物的外源营养物质，其主要优势体现在：1.传统厌氧消化由于污泥中C/N较低，厌氧消化效果差，对PAHs的降解效率低；2.纤维素的添加可以有效改善厌氧消化反应过程中的营养均衡，提高厌氧消化过程中微生物活性，从而提高PAHs的降解效率；3.纤维素作为一种生物物质，易制取，与添加其他的化学试剂相比，不会产生二次污染问题；4.污泥厌氧消化过程中，由于纤维素分子中的每个葡萄糖基环上均有3个羟基，可以发生氧化、酯化、醚化、接枝共聚等反应，利用纤维素可以有效地促进污泥中PAHs的降解，且对4环芳烃降解效果明显，为污泥经厌氧消化后的安全利用提供保障；5.纤维素是世界上最丰富的天然有机物，占植物界碳含量的50％以上，每年通过光合作用可合成约1.5×1012t，适宜大规模推广使用，其有效的利用可为后期的纤维素类物质与污泥联合厌氧消化降解污泥中的PAHs提供保障；本发明通过添加纤维素作为厌氧微生物的外源营养物质可显著提高污泥中多环芳烃的降解效率，对如何高效去除污泥其他难降解的有机污染物具有指导和借鉴意义。
附图说明
图1是添加不同含量纤维素的实验组中∑PAHs的含量。
具体实施方式
实施例1
1.实验装置
污泥厌氧消化装置采用5mm厚有机玻璃制成，反应器分内外两层，总体积为11L。内层为消化罐，总容积为7L，有效容积5L；外层以装温度为(35±1)℃的恒温流动水为内层消化反应器保温。反应器采用机械搅拌，搅拌轴与容器间采用水封密闭，外层流动相(水)采用恒温水浴锅加热，以功率2W的微型潜水泵输送，内层设有温度监测器。装置顶部设置有进样口、排气口及氮气入口，其中排气口接湿式流量计监测每日产气量；氮气口接入氮气，在进出样过程中充入氮气，使厌氧环境处于平衡状态。取样口设置于反应器的中、下层。
2.实验运行
反应装置采用中温消化，消化温度为(35±1)℃，逐步培养法启动反应器。实验首次投入反应器容积1/3的厌氧消化污泥作为接种污泥，之后按照10％的投配率进行投配至厌氧消化反应器有效体积，放置3d，然后每天按5％的投配率投加来自浓缩池的浓缩污泥，并排出等量消化污泥，并每天记录产气量变化。装置启动完成后每7d收集一次厌氧消化污泥测定其PAHs含量，共取10次样。
3.污泥样品前处理
样品冷冻干燥后，经过100目钢筛筛分。称取样品5.0g污泥样品，用已抽提净化的滤纸包好装入索式抽提器，用150mL重蒸后的二氯甲烷抽提24h。抽提24h后，抽提液经旋转蒸发仪浓缩至1～2mL，浓缩液从上向下依次经过无水硫酸钠(2cm)、硅胶(10cm)、氧化铝(6cm)填充的层析柱进行净化和分离。然后用70mL正己烷和二氯甲烷(V:V＝7:3)的混合液进行淋洗，收集洗脱液，淋洗液再次进行浓缩后，用高纯氮气吹扫，最后加入内标定容至1mL，待仪器分析。
4.污泥样品检测
用气相色谱—质谱联用仪(GC-MS)分析污泥样品中PAHs的含量。GC-MS运行条件如下：色谱柱为HP-5MS的石英毛细管柱(30m×250μm×0.25μm)，载气为高纯氮气，流量为1.0mL/min。升温程序为：60℃保持1min，以20℃/min的速度升至150℃，保持8min，再以5℃/min升到250℃，保持1min，最后以3℃/min升到290℃，保持10min至样品完全流出，共用时57.83min；进样量1μL，采用无分流进样，进样口温度为280℃。质谱仪所用离子源为电子轰击源(EI)，扫描质量范围在50～550amu之间，离子源温度为230℃，四极杆温度为150℃。
按照以上步骤，此法应用于纤维素对PAHs的厌氧生物降解实验中，以未添加纤维素的试验作为对照组，按照VS污泥：VS纤维素＝5:1的含量添加纤维素进行实验。
对照组中∑PAHs的降解效率为11.91％；2,3,4环芳烃的降解效率分别为11.68％，17.58％和6.71％。
纤维素的添加组中∑PAHs的降解效率为24.09％。2,3,4环芳烃的降解效率分别为21.08％，20.57％和27.81％。
实施例2
与实施例1不同之处在于，纤维素含量的添加比例按照VS污泥：VS纤维素＝2:1进行实验。
纤维素的添加组中∑PAHs的降解效率为29.37％。2,3,4环芳烃的降解效率分别为28.81％，21.68％和36.08％。
实施例3
与实施例1不同之处在于，纤维素含量的添加比例按照VS污泥：VS纤维素＝1:1进行实验。
纤维素的添加组中∑PAHs的降解效率为28.13％。2,3,4环芳烃的降解效率分别为28.42％，21.91％和33.30％。
由上述实验数据可知，VS污泥：VS纤维素＝5:1时，也能达到对污泥中多环芳烃降解的效果。

Claims (8)

1.一种厌氧共代谢降解污泥中多环芳烃的方法，其特征在于：
(1)投入占厌氧消化反应器容积1/3的厌氧消化污泥作为接种污泥；
(2)污泥按照10％的投配率进行投配至厌氧消化反应器有效体积，放置3d；
(3)每天参照消化池实际运行中采用的污泥投配率投加来自污泥浓缩池的浓缩污泥，并排出等量消化污泥；
(4)按照有机质VS的不同添加比，加入不同含量的纤维素与污泥混合于厌氧生物厌氧消化反应器中进行厌氧消化；所述污泥与纤维素的添加比例范围为VS污泥：VS纤维素＝1:1～5:1。
2.根据权利要求1所述厌氧共代谢降解污泥中多环芳烃的方法，其特征在于：所述厌氧消化污泥为污水处理厂污泥浓缩池未做其他处理的浓缩污泥。
3.根据权利要求1所述厌氧共代谢降解污泥中多环芳烃的方法，其特征在于：步骤(3)中，所述消化池实际运行中采用的投配率为2％-8％。
4.根据权利要求1所述厌氧共代谢降解污泥中多环芳烃的方法，其特征在于：步骤(4)中，加入纤维素后反应体系中pH范围为6.5～7.5；氧化还原电位范围为-350～-250mV；氨氮浓度范围为100～350mg·L-1。
5.根据权利要求1所述厌氧共代谢降解污泥中多环芳烃的方法，其特征在于：所述厌氧消化反应器的进样方式为半连续进样。
6.根据权利要求1所述厌氧共代谢降解污泥中多环芳烃的方法，其特征在于：所述厌氧消化反应器采用中温消化，消化温度为(35±1)℃，并利用接种培养法启动厌氧消化反应器。
7.根据权利要求1所述厌氧共代谢降解污泥中多环芳烃的方法，其特征在于：所述污泥与纤维素的添加比例范围为VS污泥：VS纤维素＝1:1～2:1。
8.根据权利要求1所述厌氧共代谢降解污泥中多环芳烃的方法，其特征在于：所述污泥与纤维素的添加比例范围为VS污泥：VS纤维素＝1:1、2:1或5:1。
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