申請(qǐng)日2014.10.20
公開(kāi)(公告)日2015.01.28
IPC分類號(hào)C02F101/32; C02F11/04
摘要
本發(fā)明屬于環(huán)境保護(hù)難降解有機(jī)污染物處理技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種促進(jìn)污泥中多環(huán)芳烴厭氧發(fā)酵降解的方法，該方法包括以下步驟：將含有多環(huán)芳烴的污泥裝入?yún)捬醴磻?yīng)器中，控制發(fā)酵pH值為堿性和/或加入生物表面活性劑，機(jī)械攪拌使反應(yīng)體系物質(zhì)混合均勻，同時(shí)控制發(fā)酵溫度。本發(fā)明能夠有效地促進(jìn)污泥中多環(huán)芳烴的厭氧降解，減少多環(huán)芳烴對(duì)環(huán)境的污染，為污泥經(jīng)厭氧消化進(jìn)行土地利用奠定基礎(chǔ)，同時(shí)對(duì)如何高效去除污泥中其它難降解有機(jī)污染物具有重要的指導(dǎo)和借鑒意義。
權(quán)利要求書(shū)
1.一種促進(jìn)污泥厭氧發(fā)酵對(duì)PAHs降解效果的方法，包括以下步驟：
將含有多環(huán)芳烴的污泥裝入?yún)捬醴磻?yīng)器中，控制發(fā)酵pH值為堿性和/或加入生物表面活性 劑，機(jī)械攪拌使反應(yīng)體系物質(zhì)混合均勻，同時(shí)控制發(fā)酵溫度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述方法，其特征在于：所述步驟中控制發(fā)酵pH值為堿性和加入生物 表面活性劑同時(shí)進(jìn)行。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述方法，其特征在于：所述步驟中pH值控制為8.0～11.0。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述方法，其特征在于：所述步驟中pH值為8.0～10.0。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述方法，其特征在于：所述步驟中生物表面活性劑為APG或鼠 李糖脂。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述方法，其特征在于：所述步驟中發(fā)酵溫度為10～55℃。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述方法，其特征在于：所述步驟中發(fā)酵溫度為20～35℃。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述方法，其特征在于：所述步驟中生物表面活性劑的投加量為 0.05～0.50g/g TSS。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述方法，其特征在于：投加量為0.10～0.30g/g TSS。
10.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述方法，其特征在于：所述步驟中厭氧反應(yīng)器的運(yùn)行時(shí)間為6-9 天;優(yōu)選運(yùn)行時(shí)間為8天。
說(shuō)明書(shū)
一種促進(jìn)污泥中多環(huán)芳烴厭氧降解的方法
技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于環(huán)境保護(hù)及難降解有機(jī)污染物處理技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種促進(jìn)污泥中多環(huán)芳烴厭氧降解的方法。
背景技術(shù)
多環(huán)芳烴(Polycyclic Aromatic Hydrocarbons，簡(jiǎn)稱PAHs)是指兩個(gè)以上的苯環(huán)通過(guò)稠和鍵聯(lián)接，分子量為178～300的碳?xì)浠衔�。PAHs是一類典型的疏水性環(huán)境污染物，辛醇-水分配系數(shù)高，具有強(qiáng)烈的憎水性。在環(huán)境中難降解，具有較強(qiáng)的致癌，致畸和致突變的作用，強(qiáng)烈抑制微生物的生長(zhǎng)，能通過(guò)食物鏈在動(dòng)植物體內(nèi)逐級(jí)富集，是一類對(duì)人體健康和生態(tài)環(huán)境具有嚴(yán)重危害的天然或人工合成的有機(jī)污染物。上世紀(jì)八十年代，美國(guó)EPA將萘、菲、苯并[a]蒽等16種多環(huán)芳烴列為優(yōu)先控制的污染物，隨后我國(guó)也將PAHs列入優(yōu)先控制的污染物黑名單。
環(huán)境中的PAHs可隨著工業(yè)廢水，廢棄物，大氣的干濕沉降，城市地面徑流等方式進(jìn)入城市污水系統(tǒng)中。由于PAHs的疏水性，高有機(jī)物親和性以及難降解性，進(jìn)入到污水處理系統(tǒng)的PAHs極易吸附積累于污泥中，是城市污泥中常見(jiàn)的一類難降解有機(jī)物。我國(guó)一般城市污水處理廠污泥中的PAHs的總含量高達(dá)幾十甚至100mg/kg以上，而工業(yè)廢水處理產(chǎn)生的污泥中的PAHs含量更高，有的甚至達(dá)到2000m/kg，菲和苯并[a]蒽等是其中含量較高的典型PAH。我國(guó)的污泥產(chǎn)量巨大，截止到2013年底，污泥產(chǎn)量高達(dá)3000萬(wàn)噸(80%的含水率)。針對(duì)污泥的處理處置，污泥厭氧消化+土地利用將優(yōu)先采用，因此，要妥善解決城市污泥的出路問(wèn)題，尤其是污泥安全土地利用問(wèn)題，需強(qiáng)化PAHs在污泥厭氧消化過(guò)程中的降解效率，控制其含量，從而進(jìn)行安全的土地利用。
影響污泥系統(tǒng)微生物降解PAHs的因素很多，包括pH，溫度，營(yíng)養(yǎng)鹽，污染物化學(xué)結(jié)構(gòu)等，但其中一個(gè)主要限制因素是PAHs在水相中的溶解度極低，而親脂性較強(qiáng)，因此，要提高PAHs的生物降解效果，必須增加其在水相中的溶解性能，從而提高污染物遷移性，更有利于微生物吸收利用。研究表明，提高PAHs的溶解度是提高PAHs生物可利用性和降解率的有效途徑。
表面活性劑是一種有效的有機(jī)物增溶劑，但已有研究表明不同表面活性劑對(duì)PAHs的降解產(chǎn)生的效果或正或負(fù)。并且，一般的化學(xué)表面活性劑具有一定的毒性，并且不易降解，添加到污泥系統(tǒng)中將導(dǎo)致環(huán)境的二次污染，限制其在實(shí)際中的大規(guī)模應(yīng)用。
烷基糖苷(Alkyl Polyglucose，簡(jiǎn)稱APG)，是一種性能較全面的新型非離子表面活性劑， 兼具普通非離子和陰離子表面活性劑的特性，表面張力低，可生物降解，耐強(qiáng)堿、耐強(qiáng)酸、耐硬水、抗鹽性強(qiáng)，具有高表面活性、良好的生態(tài)安全性和相溶性。
鼠李糖脂(Rhamnolipid)，是一種糖脂類的陰離子表面活性劑，兼具良好的化學(xué)和生物特性。它具有油、水兩親性，能有效降低表面張力，在極端溫度、PH值及鹽度條件下使用，并且無(wú)毒，可生物降解。
堿性發(fā)酵能夠有效破壞污泥絮體以及胞外聚合物(EPS)的結(jié)構(gòu)，在生物表面活性劑APG或鼠李糖脂的作用下，有利于污染物PAHs從污泥表面解吸附，提高其移動(dòng)性和在水相中的溶解度，從而增加微生物與污染物接觸的機(jī)會(huì)，促進(jìn)有機(jī)污染物的可生物利用性。
目前還未有通過(guò)生物表面活性劑APG或鼠李糖脂促進(jìn)污泥堿性發(fā)酵對(duì)PAHs的降解的報(bào)道。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于為克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷而提供一種促進(jìn)污泥中多環(huán)芳烴厭氧降解的方法。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：
一種促進(jìn)污泥厭氧發(fā)酵對(duì)PAHs的降解效果的方法，包括以下步驟：
將含有多環(huán)芳烴的污泥裝入?yún)捬醴磻?yīng)器中，控制發(fā)酵pH值為堿性和/或加入生物表面活性劑，機(jī)械攪拌使反應(yīng)體系物質(zhì)混合均勻，同時(shí)控制發(fā)酵溫度。
所述步驟中，優(yōu)選控制發(fā)酵pH值為堿性和加入生物表面活性劑同時(shí)進(jìn)行。
所述步驟中，pH值控制為8.0～11.0;優(yōu)選pH值為8.0～10.0。
所述步驟中，生物表面活性劑為APG或鼠李糖脂。
所述步驟中，發(fā)酵溫度為10～55℃;優(yōu)選發(fā)酵溫度為20～35℃。
所述步驟中，生物表面活性劑的投加量為0.05～0.50g/g TSS(Total Suspended Solid，總懸浮性固體);優(yōu)選投加量為0.10～0.30g/g TSS。
所述步驟中，厭氧反應(yīng)器的運(yùn)行時(shí)間為6-9天;優(yōu)選運(yùn)行時(shí)間為8天。
通常情況下，厭氧反應(yīng)器運(yùn)行時(shí)間的增加會(huì)提高降解效果，同時(shí)也會(huì)增加運(yùn)行成本，運(yùn)行時(shí)間的減少則會(huì)降低降解效果，本發(fā)明綜合上述因素，選擇厭氧反應(yīng)器的運(yùn)行時(shí)間為8天。
生物表面活性劑用量與污泥干重的優(yōu)選比值范圍為(0.10～0.30):1，雖然所述生物表面活性劑用量與污泥干重的比值在(0.05～0.50):1的范圍內(nèi)都能促進(jìn)污泥厭氧消化過(guò)程中對(duì)難降解有機(jī)物PAHs的降解效率，并且在一定范圍內(nèi)，隨著生物表面活性劑投加量的增加，對(duì)污泥中PAHs菲厭氧降解的促進(jìn)作用越明顯。但是綜合考慮表面活性劑成本與PAHs降解效率之間的關(guān)系，本發(fā)明所采用優(yōu)選的生物表面活性劑用量與污泥干重的比值范圍為0.10:1-0.30:1。
本發(fā)明中利用生物表面活性劑和堿處理促進(jìn)污泥厭氧發(fā)酵對(duì)污泥中PAHs的降解基本原理如下：
菲和苯并[a]蒽等多環(huán)芳烴在污泥厭氧消化過(guò)程中難降解的一個(gè)重要原因是其在水相中的溶解度極低，而親脂性較強(qiáng)，極易吸附在污泥表面，生物可利用性差(其理化性質(zhì)如表1)。因此，將菲和苯并[a]蒽等PAHs從污泥體系中解吸附、遷移進(jìn)入水相并提高其在水相中的溶解度是提高菲和苯并[a]蒽等PAHs生物可利用性和降解率的有效途徑。
表1菲和苯并[a]蒽的理化性質(zhì)
生物表面活性劑由非極性親脂基團(tuán)和極性親水基團(tuán)組成，具有良好的分散、乳化、降低界面張力的作用。它的親脂和親水的性質(zhì)使得它可以像一座橋梁一樣，連接于污泥表面的大分子有機(jī)物與水分子之間，在外界攪拌力的作用下，污泥表面的大分子有機(jī)物會(huì)在表面活性劑的作用下脫離污泥顆粒。當(dāng)其在水溶液中的濃度達(dá)到一定值時(shí)，APG或鼠李糖脂單體開(kāi)始聚集成膠態(tài)有序的分子集合體,即所謂的膠束，膠束的形成使難溶有機(jī)污染物分配在膠束的疏水內(nèi)核中，增加在水相中的表觀溶解度。表面活性劑濃度高于臨界膠束濃度(CMC)時(shí),對(duì)有機(jī)污染物的增溶作用更顯著。另外，APG屬于非離子表面活性劑，在溶液中以中性分子存在,，避免了溶液中離子的干擾作用，更易形成膠束，CMC較低。
污泥顆粒表面帶有負(fù)電荷，在堿性發(fā)酵條件下，特別是當(dāng)污泥的pH值升高時(shí)，污泥顆粒細(xì)胞表面帶有的負(fù)電荷也漸漸升高，從而產(chǎn)生高的靜電排斥作用，破壞污泥的緊密絮體結(jié)構(gòu)，從而增加了吸附在污泥表面上的PAHs與APG或鼠李糖脂以及微生物的接觸機(jī)會(huì)，在APG或鼠李糖脂的共同作用下，使大量的菲和苯并[a]蒽等PAHs從污泥表面解吸附下來(lái)，向水相遷移，同時(shí)APG或鼠李糖脂的增溶作用又可以使那些脫離污泥表面的PAHs在水中的溶解度增加(以菲為例，見(jiàn)圖1)。通過(guò)提高菲，苯并[a]蒽等PAHs在水相中的溶解度來(lái)增加其與微生物之間的接觸機(jī)會(huì)，促進(jìn)污泥中厭氧發(fā)酵系統(tǒng)中菲和苯并[a]蒽等PAHs的生物可利用性和降解率。
另外，厭氧生物降解多環(huán)芳烴一般都是通過(guò)共代謝進(jìn)行，即菲或苯并[a]蒽等PAHs被微生物降解須代謝部分易被利用的有機(jī)底物作為初級(jí)能源，堿性處理以及生物表面活性劑APG或鼠李糖脂的添加能同時(shí)提高污泥發(fā)酵系統(tǒng)中底物的濃度(如蛋白質(zhì)，糖類以及短鏈脂肪蘇等)供微生物作為初級(jí)能源物質(zhì)，有利于微生物共代謝PAHs過(guò)程的進(jìn)行，進(jìn)一步促進(jìn)菲和苯并[a]蒽等PAHs在污泥厭氧消化系統(tǒng)的降解效率。
本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)：
1.污泥堿性發(fā)酵過(guò)程中，利用生物表面活性劑APG和鼠李糖脂極大地促進(jìn)了污泥中菲和苯并[a]蒽等PAHs的降解效果，有利于減少環(huán)境污染，為污泥經(jīng)厭氧消化進(jìn)行土地利用奠定基礎(chǔ)。
2.APG和鼠李糖脂屬于生物表面活性劑，不僅增溶作用優(yōu)于化學(xué)表面活性劑，而且在環(huán)境中容易被微生物降解，相比其它化學(xué)表面活性劑等添加劑，不會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生二次污染。
3.本發(fā)明利用生物表面活性劑APG和鼠李糖脂極大地促進(jìn)了污泥中菲和苯并[a]蒽等PAHs的降解效果，對(duì)如何高效去除污泥其他難降解的持久性有機(jī)污染物(POPs)具有重要的指導(dǎo)和借鑒意義。
