煤气废水杂环与多环芳烃化合物生物降解及抑制性研究

发布时间：2020-06-22 05:41

【摘要】：随着工业、农业及医疗等行业的快速发展,大量杂环与多环芳烃类污染物进入环境,严重危害人类和环境生态健康,同时该类污染物在废水生物处理工艺中较低的去除效果造成废水生物处理工艺效能受到限制。该类污染物的生物降解及控制成为环境污染控制工作的研究焦点。全面考察研究杂环与多环芳烃化合物的生物降解性能及其对其它物质降解性能的影响及简单基质共代谢对其生物降解性能的影响,其结果不仅可指导工程实践以提高对该类污染物的生物处理效能,而且对预测同类化合物在环境中的迁移、转化规律及风险评估等都具有重要的理论价值。采用BOD5/CODcr比值法、CO2生成量法和脱氢酶法全面评价煤气废水中吡啶、喹啉、联苯和萘四种杂环与多环芳烃的可生物降解性。浓度大于100 mg/L时,吡啶、喹啉、联苯和萘的B/C值均小于0.3,评价结果为难生物降解;吡啶的生物降解性指数IB值为124.8,属可降解有机物,喹啉、联苯、萘的IB值分别为54.2、77.8和96.7,属难降解有机物。浓度高于80 mg/L时,四种化合物对脱氢酶活性影响均为高度抑制。以底物驯化污泥为接种微生物,考察了吡啶、喹啉、联苯和萘在不同降解条件下的生物降解性能及动力学。单基质降解时,四种化合物在好氧、缺氧及厌氧条件下分别符合零级、零级和一级降解动力学;好氧降解速率常数与底物浓度关系符合Edward动力学方程,吡啶、喹啉、联苯和萘最大好氧降解速率常数kmax分别为0.614 mg/(L·h)、1.058 mg/(L·h)、0.908 mg/(L·h)和1.302 mg/(L·h);缺氧降解速率常数与底物浓度关系符合Andrews动力学方程,最大缺氧降解速率常数kmax分别为8.103 mg/(L·h)、8.926 mg/(L·h)、4.927 mg/(L·h)和6.898 mg/(L·h);厌氧降解速率常数与底物浓度关系符合Aiba动力学方程,最大厌氧降解速率常数kmax分别为1.103 1/h、0.9338 1/h、2.311 1/h和4.977 1/h。杂环与多环芳烃对其它底物的降解产生了抑制作用,造成其生物降解性能下降。在好氧降解条件下,吡啶和喹啉对其它物质的降解为高度抑制,联苯为中度抑制,萘为轻度抑制。缺氧条件下,同类型化合物间互为中度抑制,如吡啶与喹啉、联苯与萘;不同类型化合物间互为轻度抑制,如吡啶与联苯、喹啉与萘。厌氧降解时,同类化合物间厌氧生物降解影响互为轻度抑制;不同类化合物之间则互为中度抑制。考察了苯酚和葡萄糖共代谢作用下杂环与多环芳烃的生物降解性能。葡萄糖共基质时,吡啶、喹啉、联苯和萘的最大好氧降解率分别为55.8%、56.7%、55.5%和60.7%;最大缺氧降解率分别为83.0%、89.8%、72.7%和74.7%;最大厌氧降解率分别为87.7%、85.5%、89.0%和96.1%。苯酚与葡萄糖均可以作为四种化合物缺氧降解时的共代谢底物,且苯酚共代谢时底物最大缺氧降解率大于葡萄糖共基质时的底物最大缺氧降解率。A1/A2/O工艺处理煤气废水的效果更好,处理出水中CODcr、BOD5、TOC、总酚及氨氮的浓度均低于A/O工艺处理出水浓度;适当延长水力停留时间有利于杂环与多环芳烃的去除;浓度200 mg/L的葡萄糖使吡啶类、喹啉类、联苯类和萘类的去除率分别由64.2%、58.1%、61.7%和67.4%增加至68.3%、63.2%、65.3%和72.4%;三级共代谢能提高A1/A2/O工艺对废水中杂环与多环芳烃的去除能力;分段进水运行时A1/A2/O工艺最适宜的厌氧段:缺氧段进水流量比为2:1,此时A1/A2/O工艺对吡啶类、喹啉类、联苯类和萘类的去除率可分别达到68.3%、64.5%、64.4%和73.3%。通过线性回归分析确定了影响杂环与多环芳烃生物降解性的结构参数,并建立生物降解性能与结构参数间的QSBR模型。好氧生物降解性能主要取决于EHOMO、1X和LogKow;缺氧生物降解性能主要取决于ELUMO、Vm和1X;厌氧生物降解性能主要取决于EE、Vm和LogKow。本研究的试验结果对深入认识吡啶、喹啉、联苯和萘等杂环与多环芳烃在不同条件下的生物降解性能及对其它物质降解的抑制性规律和共代谢作用对该类污染生物降解性能的影响等方面具有重要的理论意义,其结果对指导优化生物工艺提高对实际废水中杂环与多环芳烃化合物的去除效能及预测同类污染物在环境中的滞留和转化等方面具有较大的应用价值。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：X784
【图文】：

流程图,生物处理,试验装置,流程图

哈尔滨工业大学工学博士学位论文物工艺处理煤气废水杂环与多环芳烃效能试验验装置装置为自制的厌氧/缺氧/好氧（A1/A2/O）系统，试验装置见图 2-2。、缺氧池与好氧池的有效容积分别为 3L、3L 和 9L，各反应装置不开口可用于调节试验中实际使用的有效容积。在实际废水试验研究阶段运行。第一阶段，试验中先不链接厌氧反应池而将废水直接进，考察煤气废水及其杂环与多环芳烃类污染物在缺氧/好氧工艺中的该系统运行稳定后，试验进入第二阶段，即将厌氧池接入处理流程2/O 工艺处理实际煤气废水的试验研究。实验过程中硝化回流比不变。

好氧降解,杂环化合物,多环芳烃

在废水好氧生物处理过程中，可通过对原水稀释等方式降低好氧处理单元废水中杂环与多环芳烃污染物的浓度，这样不仅可以降低有毒物质对微生物的抑制作用缩短停滞期，而且可以提高好氧微生物对污染物的降解速率。3.3.4 杂环与多环芳烃好氧生物降解性能与分子理化性质在本研究中，以煤气废水典型杂环与多环芳烃污染物吡啶、喹啉、联苯和萘为底物进行序批式生物降解试验。试验过程中采用的接种污泥为相应底物为基质的好氧驯化污泥，不同底物好氧降解的试验条件及接种污泥浓度相同。因此，通过比较试验结果中四种物质降解率和降解速率常数大小可分析四种物质在以好氧驯化污泥为接种底物时的降解性能的高低。结合 3.3.2 节试验结果可见，底物浓度相同时，其好氧降解率及降解速率常数大小顺序一致，为萘＞喹啉＞联苯＞吡啶以初始浓度 50 mg/L 为例，其好氧降解率分别为 41.2%、33.8%、25.8%和 22.0%好氧降解速率常数分别为 1.007 mg/(L·h)、0.719 mg/(L·h)、0.606 mg/(L·h)和 0.46mg/(L·h)。该顺序一定程度上反应了以底物驯化污泥为接种物时，四种化合物好氧生物降解性能的高低。

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