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本文作者:馮天翼(編譯)
1引言
硫酸鹽漿廠漂白廢液排量大,顏色深,其中含有難以被微生物降解的大量氯化木質(zhì)素衍生物。這些化合物中,包含羰基化合物,醌、松柏醛、乙烯基化合物等,通常使用一些參數(shù)進(jìn)行定量,如COD、AOX。
雖然不同的生物處理方法,比如活性淤泥,氧化塘或厭氧處理,正被用于在廢液直接排放前減少含氯有機(jī)物,但是在凈化過程后木質(zhì)素衍生物的顏色幾乎保持不變。最迅速和廣泛使用的分解木質(zhì)素的方法是使用特種真菌,特別是在高度有氧環(huán)境下的白腐菌。
然而,微生物對(duì)大量葡萄糖的需求似乎是真菌處理方式的主要缺點(diǎn)。在最近的幾項(xiàng)研究中,研究者發(fā)現(xiàn)藻類可以替代真菌去除顏色和AOX。Lee等人在1978年所做的研究顯示,在室溫自然或人工照明條件下混合培養(yǎng)的藻類經(jīng)過50天的接種培養(yǎng),對(duì)一個(gè)硫酸鹽制漿廢水進(jìn)行處理,顏色減少50%-80%。據(jù)報(bào)道,藻類的行為屬于自然途徑,在碳循環(huán)中將木質(zhì)素轉(zhuǎn)化為其他物質(zhì)。最近的研究中,在一批反應(yīng)器中對(duì)麻漿造紙工業(yè)廢水進(jìn)行處理,30天內(nèi)色度去除率達(dá)到80%。
這些觀察引發(fā)了利用藻類去除紙漿和造紙廢水顏色的研究興趣。本文報(bào)道了在各種操作條件下利用間歇反應(yīng)器處理紙漿和造紙廢水進(jìn)行的一系列試驗(yàn),評(píng)估了顏色去除機(jī)制和藻類形態(tài)學(xué)方面的結(jié)果。
2方法
2.1廢水
整個(gè)試驗(yàn)中,廢水樣本收集自坐落在土耳其愛琴海海岸的SEKA-Dalaman制漿造紙廠。此廠建有兩個(gè)紙漿生產(chǎn)線;其中之一是以紅松為原材料的連續(xù)性木漿生產(chǎn)線,另外一條為季節(jié)性運(yùn)行的非木漿原料生產(chǎn)線,主要以棉布為原料生產(chǎn)短絨纖維。然而,收集水樣時(shí),第二條生產(chǎn)線并沒有在運(yùn)行。因此,研究中使用的廢水樣本來自紅松紙漿生產(chǎn)線。在這個(gè)制漿過程中,漂白工序稱之為CEHDED(氯化,堿處理,次氯酸鈉漂白,二氧化氯漂白,二次堿處理,二次二氧化氯漂白),為了評(píng)估濃度的影響,廢水被稀釋了幾次,成份在表1中給出。
2.2接種
使用從污水處理廠穩(wěn)定池中獲得的混合藻液作為接種藻種。在顯微鏡下粗略地觀察這種藻液的組成后發(fā)現(xiàn),它主要含有綠藻(小球藻,綠球藻,衣藻,實(shí)球藻,空球藻),硅藻(菱形藻,小環(huán)藻),鞭毛蟲(眼蟲)和一些藍(lán)藻(微囊藻,魚腥藻)。
2.3實(shí)驗(yàn)
三組實(shí)驗(yàn)中兩組是可控組,另外一組為在廢水中進(jìn)行藻類培養(yǎng)(見表2)。所有實(shí)驗(yàn)在1L容積的玻璃瓶組成的間歇反應(yīng)器中進(jìn)行。藻類生長(zhǎng)試驗(yàn)中使用的無機(jī)養(yǎng)分組成情況如下:5mg/LMgSO4•7H2O,7.1mg/LFeCl3•H2O,0.001mg/LH3BO3,0.001mg/LZnSO4•7H2O,0.001mg/LCuSO4•5H2O,0.080mg/LMnCl2•2H2O,44mg/LKH2PO4,458.6mg/LNH4Cl,0.0011mg/L(NH4)6•Mo7O24,0.550mg/LAl2(SO4)3•16H2O,10mg/LCaCl2•2H2O,2mg/LCoCl2•6H2O,2mg/L硫胺素鹽酸。反應(yīng)器置于靠近窗子的水?。?0±2℃)中,接收自然光照和置于反應(yīng)器上30cm處的熒光燈光照。使用18W熒光燈照明,每天12小時(shí)模擬野外自然條件。反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行緩慢攪拌充氣,為藻類提供CO2和O2。反應(yīng)器的內(nèi)壁表面生長(zhǎng)的藻類每天刷掉并使其加入到反應(yīng)器內(nèi)容中。每個(gè)反應(yīng)堆在同等條件下運(yùn)行,一式三份。每天從兩個(gè)平行設(shè)置的反應(yīng)器中獲取樣本,分析藻類濃度(葉綠素a),COD,AOX和顏色,并計(jì)算每個(gè)樣本數(shù)據(jù)的算術(shù)平均數(shù)。從這兩個(gè)初始反應(yīng)器中取得樣本用于分析,減少的樣本量從第三反應(yīng)器中得以補(bǔ)充。此外,所有反應(yīng)器每天的蒸發(fā)量用蒸餾水補(bǔ)充。
2.4分析
化學(xué)需氧量(COD)和葉綠素a(Chla)測(cè)量采用標(biāo)準(zhǔn)方法(1998)??晌接袡C(jī)外來物質(zhì)(AOX)的測(cè)定采用EuroglassAOX分析儀;顏色是采用哈希DR-2000分光光度計(jì)的鉑-鈷單位直接測(cè)量。為了確定藻細(xì)胞是否在其表面吸附了木質(zhì)素,分析從細(xì)胞表面獲得的堿性提取物。首先,從反應(yīng)器中取50ml的樣品進(jìn)行過濾。濾餅使用5%的氫氧化鈉溶液20ml進(jìn)行提取。然后,濾餅用10ml蒸餾水分別沖洗兩次。使用0.1mol/L的H2SO4溶液將濾液的pH值調(diào)整到7.5,并用蒸餾水稀釋定容至100mL,使用哈希DR-2000分光光度計(jì)鉑-鈷單位測(cè)量顏色。
藻類指數(shù)增長(zhǎng)階段的特定生長(zhǎng)率(μ)計(jì)算公式為ln(X/X0)=μt,其中X0和X分別表示指數(shù)增長(zhǎng)期開始和結(jié)束時(shí)藻類濃度,而t表示指數(shù)增長(zhǎng)期的持續(xù)時(shí)間。產(chǎn)率系數(shù)(Y)的計(jì)算公式為消耗每單位質(zhì)量COD所生產(chǎn)出藻類的生物量。光合商數(shù)(PQ)值的計(jì)算為消耗的氧氣和隨之產(chǎn)生的二氧化碳之比例。
3結(jié)果與討論
批量實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,絕大多數(shù)有機(jī)物質(zhì)和顏色去除均可在藻類反應(yīng)器內(nèi)實(shí)現(xiàn)。COD,色度和AOX的去除率分別為55%-60%,80%-85%和50%-80%;在42天運(yùn)行期后(見表3)。對(duì)于較長(zhǎng)一段時(shí)間的需要,應(yīng)該指出COD和顏色的清除主要在前20天之內(nèi)便已完成。采樣時(shí)間的所有參數(shù)包括藻類生長(zhǎng)的變化如圖1所示。正如表3所示,對(duì)照組反應(yīng)器可以解釋為光照和氧化作用的直接作用,取得了較高的清除效果,這一結(jié)果曾由Archibald和Roy-Arcand(1995)報(bào)道過。另一方面,接收了廢水和環(huán)己酰亞胺(放線菌酮;防止所有真核生物的代謝)的對(duì)照組反應(yīng)器比單獨(dú)收到廢水的對(duì)照組反應(yīng)器只高出2%-4%的COD去除率,表明了微生物的貢獻(xiàn)沒有藻類大。
從表3可以看出從3.4到5.8klx增加光照強(qiáng)度對(duì)COD和色度的去除沒有相當(dāng)大的影響,但AOX的去除卻有大幅度增加。在3.4klx的光照強(qiáng)度下,提高了廢水的濃度導(dǎo)致更少的光線穿透,從而導(dǎo)致COD和色度去除率幾乎沒有變化。然而,有趣的是,AOX的去除效率大大增加,從50%至80%。觀察所有反應(yīng)器發(fā)現(xiàn)COD的去除效率比顏色的更低,這可能是由于有色有機(jī)分子轉(zhuǎn)化為非有色有機(jī)分子。同時(shí),顏色的去除被觀察到是通過代謝而不是吸附。如圖2所示,大規(guī)模的在3.4klx光照強(qiáng)度和230mg/L的初始COD濃度條件下,單位質(zhì)量藻類對(duì)COD的去除率在5至10天內(nèi)增加的更快,第10天達(dá)到其最大值。經(jīng)過10天的時(shí)間,它逐漸下降。在相同的光照強(qiáng)度下,增加最初的廢水濃度,會(huì)加快去除。在第二天去除率達(dá)到最大。大約兩倍的初始COD濃度會(huì)造成去除率約兩倍的增長(zhǎng)。圖2中的去除率排除從圖1和圖2來看,可以觀察到最高的去除率發(fā)生在藻類進(jìn)入指數(shù)生長(zhǎng)階段之前。這可歸結(jié)為增強(qiáng)的異養(yǎng)和混合營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)的結(jié)果。相關(guān)數(shù)據(jù)(1997)表明,藻細(xì)胞可以在異養(yǎng)和混合營(yíng)養(yǎng)方式下生長(zhǎng),雖然混合營(yíng)養(yǎng)條件下生長(zhǎng)要好得多。同樣,研究者(1992)推測(cè),在異養(yǎng)條件下小球藻物種的葉綠素的形成(增長(zhǎng))在有機(jī)碳源一定程度上已所剩無幾的情況下迅速增加。
除COD,AOX和顏色清除外,生物動(dòng)力學(xué)常數(shù)μ,Y和PQ也要計(jì)算,因?yàn)樗麄兛梢詭椭斫獠煌瑮l件制漿污水中存在的藻類的行為。計(jì)算值在表4中顯示。當(dāng)藻類接種到廢水中;在相同的光照條件下,與對(duì)照組反應(yīng)器中藻類相比,μ值大幅度下降。這表明,廢水中的有機(jī)物含量在一定程度上減慢光合藻類的生長(zhǎng)。在藻類對(duì)照組反應(yīng)器中,隨著光照強(qiáng)度的增加,μ值幾乎保持不變。對(duì)于相同的廢水濃度,隨著光照強(qiáng)度增加,μ保持幾乎不變,但Y值大幅增加。Ogawa和Aiba(1981)的發(fā)現(xiàn)解釋了Y值增加的原因,廢水中藻類的生長(zhǎng)為混合營(yíng)養(yǎng)方式而不是自養(yǎng)。小球藻在混合營(yíng)養(yǎng)條件下使用有機(jī)碳源,光合作用機(jī)制和碳源的氧化同化功能相互獨(dú)立,因此光合二氧化碳同化和氧化同化過程同時(shí)隨之進(jìn)行。在不同條件下,PQ值的變化與μ和Y值的變化不一致。據(jù)預(yù)計(jì),隨著光照強(qiáng)度的增加,可觀察到對(duì)照組反應(yīng)器中PQ的提高。然而實(shí)際上,它隨著光照強(qiáng)度的增加而減少。在許多文獻(xiàn)中,μ,PQ和Y之間的不一致估計(jì)是由于藻類培養(yǎng)基存在的有機(jī)物質(zhì),而在較高的照度的條件下PQ值的減少,據(jù)報(bào)道主要是由于光化學(xué)氧化消耗,光呼吸作用和光合抑制作用。此外,F(xiàn)ogg(1975)發(fā)現(xiàn),在高光照條件下,PQ的減少也是由廢物在細(xì)胞內(nèi)積累造成的。
為了解在處理過程中是否有任何形態(tài)的變化,本研究比較了反應(yīng)器中藻類組成與最初的組成。在反應(yīng)器運(yùn)行結(jié)束時(shí),一般混合培養(yǎng)組成會(huì)發(fā)生一些共同的變化。對(duì)于所有的情況,沒有觀察到藍(lán)藻,它們被完全消除了。同時(shí),可以觀察到一些新的硅藻藻種(舟形藻),并且硅藻成為占主導(dǎo)地位的類型之一。其他非常重要的優(yōu)勢(shì)類型是綠藻,特別是小球藻。鞭毛藻類數(shù)量幾乎保持不變。在230mg/L的COD和3.4klx光線條件下,綠藻和硅藻幾乎獲得相等的優(yōu)勢(shì),而一些鞭毛藻也包括培養(yǎng)基中。在相同的初始廢水濃度和較高的光照條件下,觀察到綠藻在培養(yǎng)基中更占優(yōu)勢(shì),硅藻和鞭毛藻的生物量和在3.4klx條件下幾乎相同。當(dāng)廢水的初始濃度增加后,藻類組成幾乎相同。
只有一個(gè)物種的相對(duì)數(shù)量略有變化:硅藻在培養(yǎng)基中更占優(yōu)勢(shì),鞭毛藻(裸藻)的數(shù)量增加和綠藻幾乎相同。硅藻優(yōu)勢(shì)生長(zhǎng)常發(fā)生在照度低,溶解有相對(duì)高濃度有機(jī)物環(huán)境中(Graham和Wilcox,2000)。而且根據(jù)他們的報(bào)道,在相同的光強(qiáng)度條件下,減少的光照度和增加的初始廢水濃度可能引起了硅藻的滲透營(yíng)養(yǎng)作用,從而使得它們具有了在黑暗條件下生長(zhǎng)的能力。
4結(jié)論
這項(xiàng)研究表明,利用藻類處理制漿造紙工業(yè)廢水是非常經(jīng)濟(jì)有效的。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,可以得出以下具體結(jié)論:
•在制漿和造紙工業(yè)廢水的處理過程中,藻類的混合培養(yǎng)提供了在一定時(shí)間內(nèi)COD,色度和AOX的高效去除率。
•去除機(jī)理主要是有機(jī)物的代謝降解,而不是通過吸附作用。
•當(dāng)光照強(qiáng)度和廢水濃度發(fā)生變化后,觀察到COD和色度的去除率無顯著差異,但對(duì)AOX的清除率影響很大。在批量處理的初始階段,伴隨的更高COD和色度率表示脫氯作用更加緩慢。
•在有機(jī)碳存在的培養(yǎng)基中,藻類表現(xiàn)為混合營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng),并且主要為綠藻,硅藻和鞭毛藻可以在制漿廢水中生存和發(fā)展。在最初的COD較高的情況下,硅藻繁殖得更多,然而,在較高光照強(qiáng)度下,綠藻比硅藻更占有主導(dǎo)地位。