吳雪菲，史乾濤，戴菲，郭棟生

（山西大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院，山西 太原 030006）

0 引言

焦化廢水是煤制焦炭、煤氣凈化及焦化產(chǎn)品回收過(guò)程中產(chǎn)生的、以含酚為主的高濃度有機(jī)廢水［1］.目前各焦化企業(yè)大多采用生化法處理焦化廢水，在處理過(guò)程中焦化廢水中難降解稠環(huán)芳烴和雜環(huán)化合物，如吲哚、萘、喹啉等有機(jī)污染物在生物處理系統(tǒng)中去除率低，是影響出水COD達(dá)標(biāo)的主要原因.

對(duì)活性污泥中的微生物進(jìn)行誘變可能改善水處理效果.其中，物理誘變技術(shù)以其技術(shù)設(shè)備簡(jiǎn)單，操作方便，價(jià)格經(jīng)濟(jì)，突變率高，誘變產(chǎn)物對(duì)環(huán)境威脅相對(duì)較小等優(yōu)點(diǎn)而受到重視.洪志方等應(yīng)用離子束為誘變因素，對(duì)活性污泥進(jìn)行輻照處理，活性污泥處理焦化廢水的能力明顯提高［2］.Samir等研究了超聲波在不同條件下對(duì)活性污泥誘變的效果以及對(duì)COD的處理的影響［3］.鄭小飛等用紫外線做誘變劑處理活性污泥中篩選出來(lái)可以高效降解COD的菌株，COD的降解率顯著提高［4］.但是這些研究多集中在誘變因子對(duì)活性污泥性狀的改變上，而針對(duì)物理誘變前后活性污泥對(duì)焦化廢水深度處理效果的影響進(jìn)行比較研究，還鮮見(jiàn)報(bào)道.

本研究分別采用紫外線、變溫、超聲波三種常用的物理誘變因子，對(duì)焦化廢水處理中的活性污泥進(jìn)行誘變處理.將誘變后的活性污泥對(duì)焦化廢水進(jìn)行深度處理，通過(guò)比較不同因子誘變處理前后的活性污泥SV30（曝氣池混合液在量筒靜止沉降30min后污泥所占的體積百分比）與SVI（曝氣池混合液經(jīng)30min靜沉后，相應(yīng)的1g干污泥所占的容積）值，探討了物理誘變對(duì)活性污泥性狀的影響；通過(guò)測(cè)定誘變處理后的活性污泥在焦化廢水深度處理中對(duì)廢水中剩余CODCr（化學(xué)需氧量）、NH3－N（氨氮）和TOC（總有機(jī)碳）的去除效果和有機(jī)物的GC－MS分析，研究了誘變處理前后活性污泥對(duì)焦化廢水中難降解有機(jī)物降解能力的變化.

2 材料與方法

2.1 焦化廢水來(lái)源及水質(zhì)

試驗(yàn)用水取自太原市某焦化廠廢水處理站焦化廢水原水（水樣1），水樣1的水質(zhì)主要指標(biāo)如下：pH 6.0～6.5，CODCr1455.3mg／L，NH3－N 313.992mg／L，TOC 308.6mg／L.將采用SBR系統(tǒng)對(duì)水樣1處理24 h后的出水作為突變后污泥深度處理系統(tǒng)的進(jìn)水（水樣2）.

2.2 儀器與試劑

TOC－VCPH檢測(cè)儀（日本島津）；DSQ單四極桿氣相色譜質(zhì)譜（Thermo公司），DB－5MS 30m×0.25mm×0.25μm石英毛細(xì)管色譜柱（Agilent公司）.

二氯甲烷使用色譜純（Fisher Scientific，農(nóng)藥級(jí)），其余藥品與試劑均采用國(guó)產(chǎn)分析純.

2.3 SBR系統(tǒng)及裝置

水樣1和水樣2的處理均采用SBR工藝，由反應(yīng)器、曝氣系統(tǒng)、攪拌系統(tǒng)、進(jìn)水排水系統(tǒng)及恒溫系統(tǒng)組成.反應(yīng)器為有效容積為5L，恒溫水浴保證系統(tǒng)在30℃環(huán)境下運(yùn)行.

試驗(yàn)運(yùn)行周期為24h，泥水比為2∶3（活性污泥600mL、進(jìn)水900mL）［5］，運(yùn)行流程如圖1所示.

圖1 實(shí)驗(yàn)SBR工藝流程示意圖Fig.1 SBR process flow diagram in the experiment

2.4 檢測(cè)分析方法

CODCr采用重鉻酸鉀法測(cè)定；NH3－N采用納氏試劑光度法測(cè)定；TOC采用燃燒氧化－非分散紅外吸收法測(cè)定.

有機(jī)物的測(cè)定采用氣質(zhì)聯(lián)用法，分析前水樣的預(yù)處理方法以及色、質(zhì)譜條件參照文獻(xiàn)［6］.

2.5 活性污泥中微生物的物理誘變過(guò)程

將處理水樣1過(guò)程中產(chǎn)生的活性污泥用布氏漏斗抽干，進(jìn)行稱重后平均分成4份，均按照泥水比2∶3的比例采用SBR工藝流程運(yùn)行24h，觀察其運(yùn)行狀況良好.將其中3份活性污泥分別進(jìn)行紫外線、變溫和超聲波誘變，對(duì)應(yīng)標(biāo)記為1＃污泥，2＃污泥和3＃污泥.剩下1份作為未誘變處理對(duì)照，標(biāo)記為0＃污泥.

2.5.1 紫外線誘變

將1＃污泥均勻涂布于培養(yǎng)皿中，使用短波紫外燈對(duì)活性污泥菌液進(jìn)行照射，光程為15cm，照射時(shí)間120s，使其均勻地接受輻射［7］.

2.5.2 變溫誘變

將2＃污泥轉(zhuǎn)移至錐形瓶中，10℃靜置10min后，迅速移至恒溫水浴箱50℃靜置5min，靜置過(guò)程中不斷用玻璃棒攪拌錐形瓶中的活性污泥，保持溫度均勻［8］.

2.5.3 超聲波誘變

將3＃污泥轉(zhuǎn)移至燒杯中浸入超聲波清洗槽內(nèi)，30℃下進(jìn)行15min的超聲波處理［9］.

2.6 物理誘變后活性污泥恢復(fù)培養(yǎng)

誘變處理后需對(duì)活性污泥在水樣2的SBR系統(tǒng)中進(jìn)行恢復(fù)培養(yǎng)，在此期間按照一定的濃度梯度對(duì)水樣2進(jìn)行稀釋，即在恢復(fù)培養(yǎng)過(guò)程中逐漸提高污泥的負(fù)荷比，所采用的焦化廢水濃度見(jiàn)表1.

表1 誘變后活性污泥恢復(fù)培養(yǎng)及馴化Table 1 Recovery training and domesticating to the mutagenic treated active sludge

在恢復(fù)培養(yǎng)5～12d時(shí)間內(nèi)，連續(xù)測(cè)定處理出水的SV30、SVI值和各自出水中CODCr、NH3－N和TOC含量，至連續(xù)3d測(cè)定值相同，表明系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定，說(shuō)明誘變后的微生物達(dá)到一定的遺傳穩(wěn)定性.

3 結(jié)果與討論

3.1 誘變處理對(duì)污泥活性性狀的影響

誘變處理后，對(duì)活性污泥進(jìn)行了SV30與SVI值測(cè)定，結(jié)果見(jiàn)表2.

表2 誘變前后污泥體積指數(shù)的變化Table 2 Change of the volume index of sewage before and after mutagenesis

由表2可以看出：經(jīng)過(guò)誘變后的活性污泥SV30與SVI值都有所下降，但是2＃和3＃污泥的SVI值均在50～120mL／g之間，說(shuō)明污泥并沒(méi)有發(fā)生膨脹；而1＃污泥即紫外線誘變后的污泥SV30值與其它相比，下降顯著，SVI值也下降到50mL／g以下，說(shuō)明紫外線照射對(duì)污泥的活性產(chǎn)生了負(fù)面影響，分析原因可能是紫外線的照射對(duì)微生物造成了一定的損傷，從而改變了污泥的物理性狀.

3.2 誘變處理對(duì)廢水CODCr、NH3－N和TOC值去除率的影響

測(cè)定數(shù)據(jù)見(jiàn)表3.

表3 誘變對(duì)CODCr，NH3－N和TOC去除率的影響Table 3 Influence of mutagenesis on the removal rate of CODCr，NH3－N and TOC from wastewater

表3給出了經(jīng)過(guò)誘變后的活性污泥在SBR系統(tǒng)中對(duì)焦化廢水進(jìn)行深度處理的效果，綜合評(píng)價(jià)可以看出，經(jīng)過(guò)超聲波誘變的活性污泥對(duì)水樣2中CODCr、NH3－N和TOC去除率的提高作用最好，而紫外線誘變處理效果相對(duì)較差.結(jié)合誘變前后活性污泥SVI值的變化，推測(cè)紫外線誘變處理效果較差的原因可能為紫外線照射對(duì)活性污泥中的微生物造成了較為嚴(yán)重的損傷，使其對(duì)焦化廢水的深度處理效果相對(duì)較差.

3.3 誘變處理對(duì)廢水中有機(jī)物類型去除的影響

采用GC－MS分析方法測(cè)定各水樣中有機(jī)物類別及峰面積，選取具有代表性的有機(jī)物列（見(jiàn)表4）.

表4 誘變處理前后焦化廢水有機(jī)物組分的變化Table 4 Change of organic compounds in coking wastewater before and after mutagenesis

從表4結(jié)果可以看出：

（1）焦化廢水原水中含有66種有機(jī)物，其中雜環(huán)化合物數(shù)量最多，達(dá)到了29種，苯酚類物質(zhì)雖僅檢測(cè)出7種，但峰面積最大，占有機(jī)物總峰面積的55.92%，其中苯酚和甲基苯酚的含量最高；其次是喹啉、吲哚、咔唑等含氮的雜環(huán)化合物以及苯和多環(huán)芳烴及其衍生物，所占比例分別為24.82%、7.01%、3.04%.

（2）經(jīng)過(guò)SBR 0＃污泥處理出水中有機(jī)物種類明顯降低，僅剩下40種；苯酚及其衍生類物質(zhì)未檢測(cè)出；苯及其衍生物的峰面積明顯減?。浑s環(huán)類化合物只剩18種，且峰面積普遍減小，占積分總面積的41.63%，其中嘧啶、吲哚和喹啉類物質(zhì)得到有效去除；烴的含氧衍生物與鹵代烴物質(zhì)種類數(shù)增加.

（3）1＃污泥處理出水中，共檢測(cè)出40種有機(jī)物，其中主要物質(zhì)為鹵代烴，其峰面積占比為31.41%；其次為雜環(huán)化合物，共檢測(cè)出19種雜環(huán)化合物，峰面積占比為26.49%，較0＃出水含量降低；多環(huán)芳烴完全被去除；而鹵代烴與烴的含氧衍生物含量升高.

（4）2＃污泥處理出水中，共檢測(cè)出33種有機(jī)物，其主要物質(zhì)是鹵代烴，峰面積占比為41.16%；其次為烴的含氧類物質(zhì)和脂肪烴，占比分別為25.04%和18.99%；而雜環(huán)化合物只檢測(cè)出10種，且峰面積占比僅為8.30%；多環(huán)芳烴完全被去除；經(jīng)過(guò)變溫誘變后，活性污泥對(duì)腈類和雜環(huán)類化合物等難降解物質(zhì)的去除效率有所提升.

（5）3＃污泥處理出水中，共檢測(cè)出37種有機(jī)物，主要物質(zhì)為雜環(huán)化合物，峰面積占比為28.24%；其次為鹵代烴，占比為28.16%，雖然苯類物質(zhì)的去除率也比較高，但相對(duì)于0＃污泥處理出水，處理效果有所下降.可見(jiàn)超聲波對(duì)活性污泥進(jìn)行誘變后，對(duì)難降解物質(zhì)的處理效果有所提升，但與變溫、紫外線相比較，活性污泥對(duì)雜環(huán)類化合物的降解性相對(duì)較弱.

［1］牛世芳，段存褔，劉盛偉，等.焦化廢水深度處理工藝的研究［J］.冶金環(huán)境保護(hù)，2008，5：43－46.

［2］洪志方，牛漫蘭.離子束誘變活性污泥輔助處理焦化廢水的研究［J］.合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，30（6）：672－675.

［3］Samir K K，David G，Sung S，et al.Ultrasound Applications in Wastewater Sludge Pretreatment：A Review ［J］.Critical Reviews in Environmental Science and Technology，2007，37：277－313.

［4］鄭小飛，毛縝，曹曉兵.紫外線照射優(yōu)勢(shì)菌對(duì)礦區(qū)污水COD的去除研究［J］.煤礦現(xiàn)代化，2011，4：55－56.

［5］于曉彩，徐微，揚(yáng)艷杰.SBR法處理含陰離子表面活性劑廢水的研究［J］.環(huán)境保護(hù)科學(xué)，2006，32（6）：20－25.

［6］國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》編委會(huì).水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法［M］.4版.北京：中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社，2002.

［7］吳煥利，馮貴穎，趙淑艷，等.紫外誘變選育高效微生物絮凝劑產(chǎn)生菌及其應(yīng)用［J］.西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2008，36（8）：113－118.

［8］高興強(qiáng)，黃運(yùn)紅，戴菲，等.熱效應(yīng)在微生物誘變育種中的應(yīng)用［J］.微生物學(xué)報(bào)，2009，36（10）：1592－1595.

［9］張寧寧，吳勝舉，程欣.論述超聲處理污泥的影響因素［J］.能源環(huán)境保護(hù)，2007，21（1）：6－9.