好氧条件下活性翠蓝的生物降解及其影响因素

付莉燕，文湘华，钱易
清华大学 环境模拟与污染控制国家重点实验室, 北京 100084

1. 前言

　　在含染料废水的生物处理过程中，厌氧生物氧化法与好氧生物氧化法均有应用[1]。近年来，对好氧生物反应器的研究逐步转向开发高效、强化型反应器，目标包括提高反应器内的生物固体浓度[2]、强化曝气[3]、强化传质[4]、利用物理化学过程强化生物处理效果[5]等。然而，无论采用哪种强化措施，在处理含染料废水时达到理想处理效果的前提都是活性污泥必须具有降解染料的能力。因此，在决定是否采用好氧法处理含染料废水时，有必要研究染料在好氧条件下的生物降解性能。
　　本试验选择的研究对象--活性翠蓝（Reactive Turquoise Blue ，RTB）是一种酞菁染料，在染料分子的母体结构中络合了一个铜原子。本文研究了活性翠蓝的好氧生物降解性能及影响活性翠蓝生物降解效果的因素。

2. 研究方法

　　2.1 试验装置与试验条件
　　试验装置包括锥形瓶（作为反应器）、恒温振荡培养箱（30℃，振荡速度160转/min）、紫外-可见分光光度计。试验在恒温振荡培养箱中进行，反应混合液中的溶解氧浓度为6.6-6.8mg/L，能够满足好氧菌的需要。接种污泥取自北京市清河毛纺厂污水处理车间的二沉池，试验前经过进一步驯化。
　　2.2 进水组成
　　进水中含有碳源-RTB（葡萄糖），氮源-尿素（40mg/L），磷源-KH2PO4（47.5mg/L），以及无机盐-MgSO4（59.3mg/L）、MnSO4（5.7mg/L）、CaCl2（5.7mg/L）、FeSO4（0.3mg/L）、NaHCO3（100mg/L）等。
　　2.3 测试方法
　　通过紫外-可见光扫描图，发现RTB在623nm处有最大吸收峰。作"吸光度-RTB浓度"标准曲线，通过测定水样吸光度值可以求RTB浓度。样品测定前需要经过0.45μm滤膜过滤。
　　2.4 试验设计
　　2.4.1 碳源对驯化污泥生长情况的影响
　　通过一个持续了21个周期的间歇试验观察驯化污泥生物量增长与碳源的关系。试验以24hr为一个周期，每个周期用新鲜废水更换反应器中的上清液。进水有3种，分别含有0、 0.2、 0.5g/L葡萄糖。三组试验的进水RTB浓度相同。
　　以混合液挥发性悬浮固体（MLVSS）含量作为生物量求生物增长率。被投入反应器的RTB总量不足接种生物量的 2%，因此由于RTB被吸附到生物污泥表面而产生的对MLVSS测定的干扰可以忽略。
　　2.4.2 RTB生物降解动力学
　　进水以RTB为唯一碳源，浓度分别为20mg/L、50mg/L，监测了驯化污泥（接种浓度为4g/L）处理这两种进水时液相RTB浓度随时间的变化历程，由此获得RTB降解动力学曲线。根据动力学曲线，采用半寿期法求RTB生物降解过程的动力学方程及反应级数。
　　2.4.3 RTB生物降解效果的影响因素
　　通过正交试验考察了pH值、RTB浓度、葡萄糖浓度、污泥浓度等四个因素对RTB生物降解效果的影响。pH值取6、7、8三个水平；葡萄糖浓度分别取0、0.2、0.5 g/L；染料浓度分别取10、20、50mg/L；污泥浓度分别取3、4、5g/L。试验以24h为周期，包括进水、反应、沉淀、排水四个阶段。

3 结果与讨论

　　3.1 驯化污泥的生长情况
　　微生物的生长状态与进水中碳源的种类及数量有关，生物量的增加将意味着环境中存在着充足的碳源和能量来源。
　　试验结果表明，当进水中只含有RTB时，活性污泥的生物量是增长的，说明好氧微生物能够利用RTB为唯一碳源和能量来源发生增殖。换句话说，在好氧条件下，RTB可以被生物降解。另外，以葡萄糖作为补充碳源，能够加速好氧微生物的生长。
　　3.2 以RTB为唯一碳源时的生物降解动力学
　　经测定，RTB浓度为20mg/L、50mg/L的进水（不含葡萄糖），其BOD5/COD比值分别为0.11、0.12，说明RTB溶液的可生化性较差。
　　以驯化污泥处理RTB浓度分别为20mg/L、50mg/L的进水，发现20mg/L的RTB溶液经过24小时可以降解37.4%，达到80%降解率需要9.5d；50mg/L的RTB溶液经过24小时可以降解46.1%，9.5d后降解率达到88.1%。可见，尽管单一RTB溶液的BOD5/COD比值较低，但是在好氧条件下仍然可以被驯化后的活性污泥缓慢降解。
　　根据两种初始浓度条件下RTB生物降解过程的动力学曲线，求出半寿期，进而可以获得反应级数及反应速率常数。本试验中，为了排除进水瞬间吸附作用的影响，在加入RTB为20mg/L、50mg/L的条件下，以进水与活性污泥充分混合后的液相RTB浓度为初始浓度，即C0=16.2mg/L、C0‘=38.1mg/L，通过动力学曲线求得T1/2=3d、T1/2‘=1.85d。由此，可以求出反应级数为1.568。在此基础上，可以求出反应速率常数为0.178，从而确定RTB好氧生物降解过程的反应速率方程为：

　　-dC/dt = 0.178·C^1.568

　　3.3 影响RTB生物降解效果的因素
　　根据正交试验设计表，四因素三水平正交试验共包括9组试验。以RTB降解率为指标，获得了9个试验组在运行稳定期的3组数据。对试验数据进行统计分析，结果见表1。

表1 影响因素试验方差分析表 [ F0.05(2,18)= 3.55, F0.01(2,18)=6.01] 方差名称 S F V F 显著性 pH值 575.1 2 287.5 8.893 4 葡萄糖浓度 1270.7 2 635.4 19.651 3 染料浓度 2046.1 2 1023.0 31.641 1 污泥浓度 1450.7 2 725.4 22.434 2 误差 582.0 18 32.3

符号说明：S——因子的变动； f——自由度； V——因子的平均变动； F——表征显著性的F值;

　　根据表1，pH值、葡萄糖浓度、RTB浓度、污泥浓度对RTB降解率的影响均是显著的；而且，RTB浓度对RTB降解率的影响最大，其次是污泥浓度、葡萄糖浓度、pH值。另外，在正交试验所选择的条件范围内，当各因素的水平为pH=6、葡萄糖浓度=0.5g/L、染料浓度=20mg/L、污泥浓度=4g/L时，RTB好氧生物降解率最高。

4 结论

　　活性翠蓝溶液的可生化性较差，经过驯化的活性污泥可以缓慢降解活性翠蓝，降解过程的反应速率常数为0.178，反应级数为1.568。当进水中含有补充碳源-葡萄糖时，活性污泥的生长速率显著提高。
　　pH值、葡萄糖浓度、活性翠蓝浓度、污泥浓度均影响活性污泥对活性翠蓝的降解效果，当pH=6，葡萄糖浓度=0.5g/L，活性翠蓝浓度=20mg/L，污泥浓度=4g/L时RTB降解率最高。

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　　基金项目：国家自然科学基金资助项目（59878025）