CN110182946A - 一种强化厌氧生物降解甲基橙的处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种强化厌氧生物降解甲基橙的处理方法，包括：将甲基橙浓度为10‑50mg/L的模拟废水加入到厌氧污泥中，完成污泥驯化；向驯化后的厌氧污泥中投入铁氧化物，构建铁氧化物耦合厌氧生物系统；将碳源和甲基橙废水加入到铁氧化物耦合厌氧生物系统；使甲基橙废水在铁氧化物耦合厌氧生物系统内充分混合反应。该方法仅加入少量纳米Fe₃O₄即可强化厌氧生物对甲基橙的降解效率，最佳条件下废水中偶氮染料去除率可达95％以上。且在还原过程中所需的碳源量被大幅度降低，仅为甲基橙理论还原量的2倍。纳米Fe₃O₄在外加磁场的作用下可以被回收，并可被多次重复使用，这进一步降低了废水的处理成本。

Description

一种强化厌氧生物降解甲基橙的处理方法

技术领域

本发明涉及印染废水处理的技术领域，具体地涉及一种强化厌氧生物降解甲基橙的处理方法。

背景技术

甲基橙因其染色稳定、价格低廉等优点已成为纺织印染行业合成染料的最大组成部分，并被广泛应用于食品、造纸和皮革等行业中。随着我国纺织印染行业规模和水平的不断提高，甲基橙的需求呈现显著的上升趋势，其通过生产废水等途径排放到环境中的种类和数量也不断增加，引发的环境问题日益严重。甲基橙在显色基团等作用下易吸收可见光，从而降低水体透明度并消耗大量溶解氧，造成水体的严重污染。此外，甲基橙在自然环境中较难降解且具有较强的生物毒性，易通过食物链等作用不断在人体内富集，从而威胁人类健康。因此，含甲基橙的印染废水必需在排放前进行无害化处理。

目前，国内外对含甲基橙废水的处理方法一般可分为物理法、化学法和生物修复法。其中生物修复法被认为是最为有效且对环境无害的方法。由于偶氮键的吸电子特性，甲基橙的生物降解易在厌氧体系转化成芳香胺类物质。该产物可在好氧条件下被进一步矿化。但是受电子转移速率的限制及甲基橙较强的生物毒性，厌氧生物降解甲基橙的效率一般较低，完全脱色需要较长的水力停留时间及较高的基质浓度，这对该技术的进一步工程化应用是十分不利的。

当环境中存在导电的铁氧化物时，微生物会优先利用这些物质进行胞外电子传递，且与以分子介质为主导的胞外电子传递相比，铁氧化物介导的电子传递效率要更高。目前，导电铁氧化物因其在环境中广泛存在、价格低廉、电子传递性能良好等优点，已广泛应用到生物修复、污泥消解、生物能源再生等领域。然而，以导电性铁氧化物材料为介导的胞外电子传递在厌氧生物还原偶氮染料体系中的研究尚缺乏相关的报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种强化厌氧生物降解甲基橙的处理方法，解决上述现有技术问题中的一个或者多个。

一种强化厌氧生物降解甲基橙的处理方法，包括：

S1、将甲基橙浓度为10mg/L的模拟废水加入到厌氧污泥中，其中，每L厌氧污泥加入0.5L模拟废水，待模拟废水中的甲基橙完全降解后，将模拟废水中的甲基橙浓度逐步提高至50mg/L，待出水质稳定后，完成污泥驯化；

S2、向驯化后的厌氧污泥中投入铁氧化物，构建铁氧化物耦合厌氧生物系统，其中，铁氧化物的加入量为0.5g/L；

S3、将碳源和甲基橙废水加入到铁氧化物耦合厌氧生物系统，其中，甲基橙废水与驯化后的污泥的体积比为4:1，碳源的加入量为还原相应浓度甲基橙所需量的2倍；

S4、使甲基橙废水在铁氧化物耦合厌氧生物系统内充分混合反应。

在一些实施方式中，碳源为葡萄糖、乙酸钠、甲醇或啤酒中的一种或多种。

在一些实施方式中，铁氧化物为纳米Fe₃O₄。

在一些实施方式中，铁氧化物的浓度为0.5-1.5g/L。

在一些实施方式中，步骤S4中，所述甲基橙废水采用序批式反应模式加入铁氧化物耦合厌氧生物系统。

在一些实施方式中，甲基橙废水的初始浓度为50mg/L。

在一些实施方式中，步骤S4中，充分混合反应是指将上述系统放置于恒温振荡器进行混合反应，其中，控制转速为200r/min,控制温度为35℃，反应时间为0.5-24h。

在一些实施方式中，还包括：

当铁氧化物耦合厌氧生物系统对废水中甲基橙的降解能力明显下降时，在外加磁场的作用下，从铁氧化物耦合厌氧生物系统内进行铁氧化物的分离和提取；

将提取的铁氧化物使用质量浓度为2％的NaOH溶液，对其表面进行清洗，之后再次投入铁氧化物耦合厌氧生物系统。

有益效果：

本发明实施例公开的一种强化厌氧生物降解甲基橙的处理方法，依照该发明，不需要复杂的反应要求与条件，仅加入少量纳米Fe₃O₄即可强化厌氧生物对甲基橙的降解效率，最佳条件下废水中偶氮染料去除率可达95％以上。且在还原过程中所需的碳源量被大幅度降低，仅为甲基橙理论还原量的2倍。纳米Fe₃O₄在外加磁场的作用下可以被回收，并可被多次重复使用，这进一步降低了废水的处理成本。

本发明利用厌氧活性污泥，利用传统微生物降解偶氮染料原理，加入纳米级Fe₃O₄作为电子载体催化偶氮染料降解过程，提高了传统生物法偶氮染料的降解脱色效率，本发明探究了强化偶氮染料降解的新途径，降低了偶氮染料降解的成本，具有较高的实际应用意义。

附图说明

图1是实施例1：不同系统降解甲基橙的效果图；

图2是实施例2：不同浓度纳米Fe₃O₄降解甲基橙的效果图。

图3是实施例3：纳米Fe₃O₄循环次数对其处理甲基橙的效果图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步描述。以下实施例只是用于更加清楚地说明本发明的性能，而不能仅局限于下面的实施例。

实施例1：

在100mL的厌氧瓶中加入80mL的含甲基橙浓度为50mg/L的废水，充入高纯氮气排尽废水中残留的氧气至无氧状态，加入20mL已驯化的厌氧污泥(污泥MLSS为15.6g/L)、COD浓度为9.78mg/L的乙酸钠和0.5g/L的纳米Fe₃O₄，密封厌氧瓶，构建铁氧化物耦合厌氧生物系统。按照上述相同步骤，分别设置只投入相同量的厌氧污泥、只投入纳米Fe₃O₄的厌氧生物对照系统和铁氧化物对照系统。各系统具体组成见表1。

将上述三个系统放入放置于恒温振荡器中进行充分反应，控制转速为200r/min,温度为35℃。在反应周期内，在设置的取样时间点，水样用0.22μm滤膜过滤后，用紫外可见分光光度计进行甲基橙含量测定，测定波长为464nm。

结果如图1所示，在铁氧化物对照系统内，甲基橙的浓度较为稳定，在反应24h后，其残留率为98.52±0.31％，这一结果表明单独的铁氧化物对甲基橙没有降解能力。而在生物对照系统和铁氧化物耦合厌氧生物对照系统内，随着反应时间的延长，甲基橙可在可被逐渐降解，在反应24h后，甲基橙在铁氧化物耦合厌氧生物系统内残留率最低，残留率为3.13±1.82％，而在厌氧生物对照系统内，其残留率为30.36±6.56％。此外在反应时间内，甲基橙在耦合系统内的浓度均低于厌氧生物对照系统。以上结果说明投加的纳米Fe₃O₄能显著促进甲基橙在厌氧生物体系内的降解。

其原理在于：导电矿物质在微生物胞外电子传递中的作用与膜外的细胞色素C较为类似，能促进微生物将电子传递至胞外电子受体。在厌氧条件下，微生物可以利用纳米Fe₃O₄作为电子载体，促进细胞和偶氮染料之间的电子转移，从而可提高偶氮染料的生物降解效率。

实施例2：

在100mL的厌氧瓶中加入80mL的含甲基橙浓度为50mg/L的废水，充入高纯氮气排尽废水中残留的氧气至无氧状态，加入20mL已驯化的厌氧污泥(污泥MLSS为15.6g/L)、COD浓度为9.78mg/L的乙酸钠和0.5g/L的纳米Fe₃O₄，密封厌氧瓶，构建铁氧化物耦合厌氧生物系统。按照上述相同步骤，再分别向厌氧污泥内投加1g/L、1.5g/L及5g/L的纳米Fe₃O₄，构建不同投加量的耦合系统。各系统具体组成见表2。

将上述四个系统放入放置于恒温振荡器中进行充分反应，控制转速为200r/min,温度为35℃。在反应周期内，在设置的取样时间点，水样用0.22μm滤膜过滤后，用紫外可见分光光度计进行甲基橙含量测定，测定波长为464nm。

结果如图2所示，随着纳米Fe₃O₄浓度的增加，甲基橙在耦合系统内的去除速率也在逐渐增大。当纳米Fe₃O₄浓度为1g/L时，甲基橙在耦合系统内的降解速率达到最大，在反应24h后甲基橙残留率最低为2.72±0.78％，甲基橙在耦合系统内降解效果达到最佳。然而当纳米Fe₃O₄投加浓度进一步增大到1.5g/L时，由于过量的纳米Fe₃O₄对于微生物具有一定的毒性，甲基橙的降解速率变慢。当纳米Fe₃O₄浓度进一步增加到5g/L时，该抑制效应达到最大，在反应24h后甲基橙的残留率也最高为46.62±1.53％。说明在一定的浓度范围(0.5-1.5g/L)内，纳米Fe₃O₄作为电子传递介体对厌氧还原偶氮染料的促进作用较为显著，但当其超过一定浓度后会对厌氧生物产生一定的毒性作用，从而抑制偶氮染料的厌氧还原降解。

实施例3：

对纳米Fe₃O₄投加量为1g/L的耦合系统在外加磁场的作用下，进行纳米Fe₃O₄的分离和提取。对得到的纳米Fe₃O₄用2％的NaOH溶液对其表面进行清洗后，按照上述构建铁氧化物耦合厌氧生物系统的步骤，将得到的纳米Fe₃O₄再次加入到耦合系统内，探究纳米Fe₃O₄在耦合系统内降解甲基橙的可循环性和再利用性。

结果如图3所示，随着纳米Fe₃O₄循环次数的增加，耦合系统对甲基橙的降解效果较为稳定。当循环次数达到15次时，耦合系统对甲基橙的去除率为95.57％。当循环次数进一步增加至25次时，耦合系统对甲基橙的去除率仅有微弱的下降为94.71％。以上结果说明投加的纳米Fe₃O₄在耦合系统内是较为稳定的，且可被多次重复利用，这对进一步降低耦合系统处理偶氮染料废水成本具有重要的意义。

本发明实施例公开的一种强化厌氧生物降解甲基橙的处理方法，依照该发明，不需要复杂的反应要求与条件，仅加入少量纳米Fe₃O₄以及极少量的碳源即可强化厌氧生物对甲基橙的降解效率，最佳条件下废水中偶氮染料去除率可达95％以上。投加的纳米Fe₃O₄在耦合系统内是较为稳定的，且可被多次重复利用，这对进一步降低耦合系统处理偶氮染料废水成本具有重要的意义。

以上表述仅为本发明的优选方式，应当指出，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些也应视为本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种强化厌氧生物降解甲基橙的处理方法，其特征在于，包括：

S1、将甲基橙浓度为10mg/L的模拟废水加入到厌氧污泥中，其中，每L厌氧污泥加入0.5L模拟废水，待模拟废水中的甲基橙完全降解后，将模拟废水中的甲基橙浓度逐步提高至50mg/L，待出水质稳定后，完成污泥驯化；

S2、向驯化后的厌氧污泥中投入铁氧化物，构建铁氧化物耦合厌氧生物系统，其中，铁氧化物的加入量为0.5g/L；

S3、将碳源和甲基橙废水加入到铁氧化物耦合厌氧生物系统，其中，甲基橙废水与驯化后的污泥的体积比为4:1，碳源的加入量为还原相应浓度甲基橙所需量的2倍；

S4、使甲基橙废水在铁氧化物耦合厌氧生物系统内充分混合反应。

2.根据权利要求1所述的一种强化厌氧生物降解甲基橙的处理方法，其特征在于，所述碳源为葡萄糖、乙酸钠、甲醇或啤酒中的一种或多种。

3.根据权利要求1所述的一种强化厌氧生物降解甲基橙的处理方法，其特征在于，所述铁氧化物为纳米Fe₃O₄。

4.根据权利要求1所述的一种强化厌氧生物降解甲基橙的处理方法，其特征在于，所述铁氧化物的浓度为0.5-1.5g/L。

5.根据权利要求1所述的一种强化厌氧生物降解甲基橙的处理方法，其特征在于，所述步骤S4中，所述甲基橙废水采用序批式反应模式加入铁氧化物耦合厌氧生物系统。

6.根据权利要求1所述的一种强化厌氧生物降解甲基橙的处理方法，其特征在于，所述甲基橙废水的初始浓度为50mg/L。

7.根据权利要求1所述的一种强化厌氧生物降解甲基橙的处理方法，其特征在于，所述步骤S4中，充分混合反应是指将上述系统放置于恒温振荡器进行混合反应，其中，控制转速为200r/min,控制温度为35℃，反应时间为0.5-24h。

8.根据权利要求1至7中任一权利要求所述的一种强化厌氧生物降解甲基橙的处理方法，其特征在于，还包括：

当铁氧化物耦合厌氧生物系统对废水中甲基橙的降解能力明显下降时，在外加磁场的作用下，从铁氧化物耦合厌氧生物系统内进行铁氧化物的分离和提取；

将提取的铁氧化物使用质量浓度为2％的NaOH溶液，对其表面进行清洗，之后再次投入铁氧化物耦合厌氧生物系统。