《武汉工程大学学报》 2015年05期
46-50
出版日期：2015-05-31
ISSN:1674-2869
CN:42-1779/TQ
高效污染质分离器处理四氯化碳废水的净化工艺
０ 引 言高效污染质分离器是一种处理废水的专用设备，它可以处理无机物、有机物及水中悬浮物，适合于处理高浓度的有机和无机的废水，处理效率高的一种设备. 国内污染质分离器的应用情况主要包括处理石灰软化水［１］、处理低浊度水［２］、硫胺分离器［３］、油水分离器［４］和控制城市雨水［５］. 本实验将其运用在处理四氯化碳废水中，为国内四氯化碳的处理方法提供了小试参考依据. 四氯化碳废水的来源主要是制造二氯二氟甲烷和三氯氟甲烷制冷剂、灭火剂、干洗剂的废水排放物. 对于人类来说，四氯化碳往往是致癌、致畸、致突变物质. 某些四氯化碳已经在我国部分城市的饮用水中检测出来［６］. 本文以四氯化碳废水为研究对象，研究了污染质分离器在厌氧阶段和好氧阶段对四氯化碳去除效果，分析了不同厌氧和好氧降解的各因素对四氯化碳降解的影响. １ 材料与方法１．１ 实验材料１．１．１ 废水来源 废水来自某化工厂生产冷却剂系列产品过程，废水的外观呈浅蓝色，无刺激性气味，四氯化碳高达４９５．４６ ?滋ｇ／Ｌ. 经污染质分离器处理的废水是该废水经萃取处理后的，废水萃取后的四氯化碳的质量浓度为３ ?滋ｇ／Ｌ. １．１．２ 实验试剂 重铬酸钾Ｋ２ＣｒＯ７；浓硫酸Ｈ２ＳＯ４；七水硫酸亚铁ＦｅＳＯ４·７Ｈ２Ｏ；氢氧化钠ＮａＯＨ；浓盐酸ＨＣｌ；酒精Ｃ２Ｈ６Ｏ. 所用试剂均为分析纯. １．２ 实验流程１．２．１ 污泥培养和驯化 厌氧污泥取自武汉工程大学高效污染质分离器中反冲洗池，将厌氧污泥放在塑料瓶中培养，再向其中加入一定量的萃取后的四氯化碳废水进行驯化；好氧污泥取自武汉工程大学湖底污泥，通过向其中加入培养废水来曝气进行培养，接着投加四氯化碳废水进行驯化. １．２．２ 厌氧降解阶段 将经过萃取处理后的废水与厌氧污泥按一定比例放入厌氧塑料瓶中，并加入适量葡萄糖溶液. 将反应塑料瓶中的空气压出并盖紧瓶盖，放入自制恒温箱中. 在后续好氧段工艺参数一定的情况下用实验得出厌氧段的最佳工艺参数. １．２．３ 好氧降解阶段 在厌氧段确定最佳工艺参数之后调整好氧段的工艺参数. １．３ 检测方法为了在实验过程中衡量不同工艺参数时的处理效果，选用四氯化碳浓度来表征. 根据《水质挥发性卤代烃的测定顶空气象色谱法》（ＨＪ ６２０－２０１１）委托武汉工程大学分析测试中心采用顶空气象色谱法（内标法）对水中的四氯化碳的浓度进行测定. 四氯化碳测定的色谱条件：ＯＶ－１７石英毛细管色谱柱０．５３ ｍｍ×１５ ｍｍ，检测室２３０ ℃，柱温６０ ℃，气化室２００ ℃，柱流量：１．２ ｍＬ／ｍｉｎ，载气为高纯氮气，进样量１０ ?滋Ｌ，尾吹：５０ ｍＬ／ｍｉｎ. ２ 结果与讨论２．１ 污染质分离器中厌氧处理对四氯化碳去除率的影响学者吴鹏［７］已经探讨了厌氧反应同好氧反应联合处理四氯化碳废水时，萃取后的四氯化碳废水体积与厌氧污泥的体积比为１∶２时为“厌氧＋好氧”联合处理装置的最佳处理比例，因此本实验的厌氧实验中所用的萃取后四氯化碳废水与厌氧污泥水的体积比确定为１∶２. 经厌氧处理后，四氯化碳质量浓度为０．６ ?滋ｇ／Ｌ. ２．２．１ 降解时间对厌氧污泥降解四氯化碳的影响 设置溶液的ｐＨ为６．０、葡萄糖质量浓度１５ ｇ／Ｌ、四氯化碳的初始浓度３ ?滋ｇ／Ｌ，实验时间为１～７ d. 图1为降解时间对四氯化碳降解率的影响，从图１得出，随着降解时间的延长，ＣＣｌ４的降解率呈现先增加，后达到平衡，当降解时间达到５ ｄ时，降解率达到最大. 这是因为刚开始，厌氧微生物正在进入调整期，产生可以分解四氯化碳的酶，此时微生物的生长状态并不活跃，过了一段时间，微生物适应了环境，此时迅速生长. 因此选择厌氧反应的时间为５ ｄ. 图１ 降解时间对四氯化碳降解率的影响Ｆｉｇ．１ Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎ ｔｉｍｅ ｏｎ ｃａｒｂｏｎｔｅｔｒａｃｈｌｏｒｉｄｅ ｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎ２．２．２ 厌氧反应的温度对四氯化碳降解率的影响 设置溶液的ｐＨ为６．０，四氯化碳的初始浓度３ ?滋ｇ／Ｌ，葡萄糖质量浓度１５ ｇ／Ｌ，设置不同温度，保温培养５ ｄ.从图２得出，随着温度的增加，ＣＣｌ４的降解率逐渐升高，当超过３３ ℃时，ＣＣｌ４的降解率反而下降. 这是因为微生物对温度有一个合适的适应范围，温度逐渐升高时，微生物体内的酶开始活跃起来，过高时，部分酶钝化. 因此，厌氧反应的最适温度为３３ ℃. ２．２．３ 厌氧反应的初始ｐＨ对四氯化碳降解率的影响 调节混合溶液的ｐＨ在２．５～９．０范围，设置四氯化碳的初始质量浓度３ ?滋ｇ／Ｌ，葡萄糖质量浓度１５ ｇ／Ｌ，设置温度为３３ ℃，培养５ ｄ. 图3为初始ｐＨ对四氯化碳降解率的影响，由图３得出，随着溶液初始ｐＨ值的增加，四氯化碳的降解率逐渐上升，当ｐＨ的超过７．０，降解率反而下降. 这是因为在初始ｐＨ值很低的情况下，微生物的活动受到抑制，当ｐＨ的值达到７．０时，细胞能很好地进行新陈代谢，当ｐＨ的值继续变大时，细胞的生长速率变缓. 因此厌氧微生物降解四氯化碳的最适ｐＨ为７．０. 图２ 温度对四氯化碳降解率的影响Ｆｉｇ．２ Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｏｎ ｃａｒｂｏｎｔｅｔｒａｃｈｌｏｒｉｄｅ ｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎ图３ 初始ｐＨ对四氯化碳降解率的影响Ｆｉｇ．３ Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｉｎｉｔｉａｌ ｐＨ ｏｎ ｃａｒｂｏｎ ｔｅｔｒａｃｈｌｏｒｉｄｅｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎ２．２．４ 葡萄糖浓度对四氯化碳降解率的影响 调节溶液的ｐＨ为７．０，四氯化碳的初始质量浓度为３ ?滋ｇ/Ｌ，设定８个葡萄糖的浓度梯度，设置温度为３３ ℃，培养５ ｄ. 图4为不同葡萄糖浓度下的四氯化碳降解率，由图４得出，随着葡萄糖浓度的增加，四氯化碳的降解率不断增加，当质量浓度超过２０～３０ ｇ/Ｌ时，降解率逐渐变低. 这是因为开始，葡萄糖的加入为微生物的生长提供了碳源，之后细胞两侧的渗透压增大，细胞无法正常生长. 因此，葡萄糖浓度的最佳单因素降解条件为２０ ｇ/Ｌ. 图４ 不同葡萄糖浓度下的四氯化碳降解率Ｆｉｇ．４ Ｃａｒｂｏｎ ｔｅｔｒａｃｈｌｏｒｉｄｅ ｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎ ｒａｔｅsｉｎ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｇｌｕｃｏｓｅ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ２．２ 污染质分离器中好氧处理对四氯化碳去除率的影响２．２．１ 好氧降解时间对四氯化碳降解率的影响 调节溶液的ｐＨ为４．５，葡萄糖的初始质量浓度为１５ ｇ／Ｌ，四氯化碳的初始质量浓度为０．６ ?滋ｇ／Ｌ，培养时间范围为０．５～２．５ ｄ. 图5为不同时间内四氯化碳的降解率，从图５得出，随着时间的延长，四氯化碳的降解率逐渐升高，当时间为２ ｄ时，降解率曲线趋于平缓，此时的降解率达到最大. 这是因为刚开始，好氧微生物正在进入调整期，产生可以分解四氯化碳的酶，此时微生物的生长状态并不活跃，过了一段时间，微生物适应了环境，此时迅速生长. 因此降解的时间最佳为２ ｄ. 图５ 不同时间内四氯化碳的降解率Ｆｉｇ．５ Eｆｆｅｃｔ ｏｆ ｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎ ｔｉｍｅ ｏｎ ｃａｒｂｏｎｔｅｔｒａｃｈｌｏｒｉｄｅ ｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎ２．２．２ 厌氧处理出水与好氧污泥水体积比对四氯化碳降解率的影响 加入不同比例的厌氧处理后出水与好氧污泥水，调节溶液的ｐＨ为４．５，葡萄糖的初始质量浓度为１５ ｇ／Ｌ，四氯化碳的初始质量浓度为０．６ ?滋ｇ／Ｌ，设定温度为３０ ℃，培养２ d.图6为同废水与好氧污泥水体积比对四氯化碳降解率的影响，从图６得出，随着厌氧处理出水／好氧污泥水的增加，好氧微生物对四氯化碳的降解率逐渐降低. 当厌氧出水／好氧污泥水为６∶１５时，降解率仍然保持较高的降解率，当超过这个比例后，降解率陡然下滑，这是因为单位体积的好氧微生物处理的有机负荷越高，好氧微生物对四氯化碳的降解率逐渐降低. 因此，选择最佳的６∶１５为厌氧污泥出水与好氧污泥体积比. 图６ 不同废水与好氧污泥水体积比对四氯化碳降解率的影响Ｆｉｇ．６ Eｆｆｅｃｔ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎ ｏｎ ｃａｒｂｏｎｔｅｔｒａｃｈｌｏｒｉｄｅ ｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎ２．２．３ 好氧反应的温度对四氯化碳降解率的影响 调节溶液的ｐＨ为４．５，葡萄糖的初始质量浓度为１５ ｇ／Ｌ，初始质量浓度为０．６ ?滋ｇ／Ｌ，控制不同培养温度培养２ ｄ. 图7为温度对四氯化碳降解率的影响，从图７得出，随着温度的升高，四氯化碳的降解率逐渐升高，当温度为３０ ℃时，四氯化碳的降解率达到最大，继续升高温度，降解率逐渐下降. 这是因为微生物对温度有一个合适的适应范围，温度逐渐升高时，微生物体内的酶开始活跃起来，过高时，部分酶钝化. 因此，此种反应条件下的最适温度为３０ ℃. 图７ 温度对四氯化碳降解率的影响Ｆｉｇ．７ Eｆｆｅｃｔ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｔｅｍｐｒａｔｕｒｅ ｏｎ ｃａｒｂｏｎｔｅｔｒａｃｈｌｏｒｉｄｅ ｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎ２．２．４ 好氧反应的初始ｐＨ对四氯化碳降解率的影响 葡萄糖的初始质量浓度为３０ ｇ／Ｌ，初始质量浓度为０．６ ?滋ｇ／Ｌ，设置温度为３０ ℃，控制初始ｐＨ，培养２天. 测定初始pH对四氯化碳降解率的影响，见图8.图８ 初始ｐＨ对四氯化碳降解率的影响Ｆｉｇ．８ Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｉｎｉｔｉａｌ ｐＨ ｏｎ ｃａｒｂｏｎ ｔｅｔｒａｃｈｌｏｒｉｄｅｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎ ｒａｔｅ ｆｉｎａｌｌｙ随着ｐＨ的增加，四氯化碳的降解率呈现先增加后下降的趋势，当ｐＨ为４．５时，四氯化碳的降解率最高. 这是因为在较低的ｐＨ的情况下，微生物无法正常地生长繁殖，当ｐＨ较高时，微生物的活性受到抑制，微生物无法正常的进行增殖，因此，微生物的最适ｐＨ为４．５. ２．２．５ 葡萄糖的浓度对四氯化碳降解的影响 加入厌氧处理后出水与好氧污泥水的比例为６∶１５，调节溶液的ｐＨ为４．５，设置不同的葡萄糖初始浓度，四氯化碳的初始质量浓度为０．６ ?滋ｇ／Ｌ，培养２ ｄ.测定葡萄糖的浓度对四氯化碳降解的影响，见图9. 图９ 不同葡萄糖浓度下的四氯化碳最终降解率Ｆｉｇ．９ Ｃａｒｂｏｎ ｔｅｔｒａｃｈｌｏｒｉｄｅ ｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎ ｒａｔｅsｉｎ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｇｌｕｃｏｓｅ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ从图９得出，随着葡萄糖浓度的增大，四氯化碳的降解率逐渐升高，当葡萄糖的质量浓度达到１５ ｇ／Ｌ时，四氯化碳的降解率达到最大，继续增加葡萄糖的浓度时，降解率逐渐变小. 这是因为开始，葡萄糖的加入为微生物的生长提供了碳源，之后细胞两侧的渗透压增大，细胞无法正常生长. 因此，好氧处理的葡萄糖最佳质量浓度为１５ ｇ／Ｌ. ３ 结 语综上所述，确定污染质分离器中的厌氧最佳处理条件为：四氯化碳废水／厌氧污泥水为１∶２，厌氧的降解时间为５ ｄ，厌氧反应的温度为３３ ℃，厌氧反应的初始ｐＨ为７．０、葡萄糖浓度为２０ ｇ／Ｌ，四氯化碳降解率为８０．１％，经过厌氧处理后，四氯化碳质量浓度为０．６ ?滋ｇ／Ｌ. 污染质分离器中的好氧的最佳处理条件为：好氧降解的时间为２ ｄ，厌氧处理出水与好氧污泥比６∶１５，好氧反应的温度３０ ℃，好氧反应的初始ｐＨ ４．５，葡萄糖的浓度１５ ｇ／Ｌ，四氯化碳的降解率为４２．４％，经过好氧处理后，四氯化碳的质量浓度为０．３４６ ?滋ｇ／Ｌ. 致 谢感谢武汉工程大学化学与环境工程学院张莉老师对此研究的精心指导；感谢已毕业的刘胜利师兄对本研究的小试基础研究，对我们后续工作具有启发意义！