2 试验结果与讨论2.1 HRT对SO2-4还原效果的影响
Maree和Hulse认为,HRT对SO2-4 的生物还原速率有所影响,HRT缩短时SO2-4 还原率降低,试验中将HRT由30 h降至6 h。不同HRT对SO2-4 还原率和CODCr去除率的影响示于图2、3(回流比为29∶1,CODCr/SO2-4 值为1.50,温度为35 ℃)。
利用硫酸盐还原菌处理酸性矿山废水研究
图2 HRT对SO2-4还原率的影响
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图3 CODCr的降解与HRT的关系
图2表明,当HRT由30 h降至12 h时,SO2-4 还原率的下降幅度不很大,仍高达87%,pH由进水5.33提高到出水8.17。而当HRT由12 h继续降低至6 h时,SO2-4 的还原率急剧下降到58%,并且在HRT=12 h时CODCr的去除率也较大,出水残余CODCr较小。可以认为,HRT=12 h为试验条件下的最佳水力停留时间。
2.2 回流比对SO2-4还原效果的影响
反应器中的液体应充分混合以免pH过低、不利于SRB的生长,同时H2S也会对SRB造成毒害作用。试验中采用出水回流的方法使反应器内的液体达到完全混合与循环,促进还原产生的H2S在生物膜内向液体主流区的扩散。同时,可通过周期性地急剧提高回流速度而避免反应器内的填料层被堵塞。然而,回流流速过大,有可能破坏反应器内生物膜层上的SRB絮体,抑制SRB的生长。试验中对回流流速及空床上升流速进行了逐步调节,以确定其最佳回流比,结果见图4[HRT=12 h,进水SO2-4 负荷为4.0 gSO2-4/(L.d),温度为35 ℃,CODCr/SO2-4 值约为1.50]。
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图4 回流比对SO2-4 还原率的影响
由图4可以看出,当回流比由29:1逐渐提高到40:1时,SO2-4 的还原率呈增长趋势。当回流比继续提高时,SO2-4 的还原率开始大幅度下降,当回流比为40:1时,SO2-4 的还原率最大。故回流比40:1是试验中采用回流的最佳工况。
2.3 CODCr/SO2-4 值对SO2-4 还原效果的影响
SO2-4 生物还原过程中所需CODCr/SO2-4 的理论值为0.67。为保证最大程度地还原SO2-4,需提供足够量的碳源(以CODCr表示碳源有机物的量),然而在实际工程应用中,如果增加碳源的投加量,不但浪费碳源,也使厌氧出水中CODCr值增加。当CODCr/SO2-4 值高于某一范围时,有利于生物膜上的其他菌种(如产甲烷菌MPB)与SRB争夺底物。因此,需将CODCr/SO2-4 值控制在某一特定范围之内,使之既保持较高的SO2-4还原率,又维持出水中的低CODCr值。试验中采用生活垃圾酸性发酵产物作为碳源,控制上清液的投加量,调节其CODCr/SO2-4 值,以确定最佳值,试验结果见图5、6[HRT=12 h,温度35 ℃,回流比为50∶1,进水SO2-4负荷为4.0 gSO2-4/(L.d)]。
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图5 CODCr/SO2-4值对SO2-4还原率的影响
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图6 CODCr的降解与CODCr/SO2-4值的关系
图5表明,当进水CODCr/SO2-4 值由1.50降至1.12时,对SO2-4 的还原率影响不大,而当进水CODCr/SO2-4 值降至1.04时,SO2-4 的还原率急剧下降。图6说明降低CODCr/SO2-4 值有利于提高CODCr的去除率,减少出水残余CODCr量。CODCr/SO2-4 值为1.12时,SO2-4 的还原率和CODCr的去除率较高,是试验中的最佳值。
2.4 进水pH对SO2-4 还原效果的影响
SO2-4 的生物还原过程中生成了一定量的碱度,在SRB对酸性矿山废水进行厌氧生物处理的过程中,酸性水中的酸度可部分被SO2-4 还原生成的碱度所中和。我国酸性矿山废水pH值均小于6.0,一般在4.5~6.5左右,某些硫铁矿含量较高的煤矿,pH值低至2.5~3.0,甚至有时达到2.0[6]。试验在不同进水pH的条件下,对SO2-4 的生物还原效果进行了研究,结果见图7[HRT=12 h,温度35 ℃,CODCr/SO2-4 值为1.12,回流比为50∶1,进水SO2-4负荷为4.0 gSO2-4/(L.d)]。
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图7 进水pH对SO2-4还原率的影响
在具有出水回流的条件下,当进水pH值高于4.0时,SO2-4 生物还原过程中所产生的碱度足以弥补进水中的酸度,从而不影响SO2-4 的还原能力,SO2-4 还原率仍高达86.1%,此时出水pH值为7.6;当进水pH值低至3.5时,SO2-4 生物还原过程中所产生的碱度不能完全中和进水中的酸度,在酸性条件下,SRB的生长受到了抑制,从而使SO2-4 的还原能力降低到84%,但此时出水pH值为7.4。当进水pH值为2.5时,出水pH值为6.3。由此可得出结论,进水pH≥4.0的酸性矿山废水可由SRB微生物直接处理而获得良好的SO2-4 还原率。如果进水pH<4.0,可通过提高回流比来提高SO2-4还原率。
2.5 试验温度对SO2-4还原效果的影响
试验中在采用中温厌氧处理的同时,考查了温度对SO2-4 生物还原的影响。不同试验温度对SO2-4 还原效果的影响见图8[HRT=12 h,CODCr/SO2-4值为1.12,回流比为50:1,进水SO2-4 负荷为4.0 gSO2-4/(L.d)]。
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图8 试验温度对SO2-4 还原率的影响
当试验温度介于31~35 ℃之间时,对SRB中温菌的活性影响不大,SO2-4 的生物还原是可行的。当试验温度低于30 ℃时,SRB的生物活性受到了抑制,从而影响了SO2-4 的生物还原,当试验温度低至20 ℃时,SO2-4 的生物还原受到了较强烈的抑制。SRB还原硫酸盐可以控制温度不低于31 ℃。
2.6 生物膜的电镜照片
对陶粒载体上的SRB做生物电镜检测,图9所示为填充床下部填料表面生物膜的电镜照片。
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图9 填充床下部生物膜电镜照片
由图9可见在填料的表面上和孔隙中都附着有一层微生物膜,生物量丰富,杆状菌密集。这说明陶粒的结构易于生物挂膜。同时在电镜检测过程中,发现填料上微生物的种类比较单一,所观察到的微生物菌种主要为杆状菌,另外还有少许丝状菌和球状菌。这说明试验中所培养的SRB为杆状菌,这一结论与Renze[7]所得出的结论相吻合。
2.7 反应器中的SRB生物量
试验中采用干重法来测定反应器中的SRB生物量,测得每L陶粒填料上平均附着有8.73 gSRB干细胞。
3 结论
在温度为35 ℃,回流比为50∶1,HRT=12 h,CODCr/SO2-4 值约为1.12的条件下,经过SRB厌氧生物处理后,进水中的SO2-4 量从2 000 mg/L还原为265.16 mg/L,即反应器进水SO2-4 负荷为4.0 g SO2-4/(L.d)时,SO2-4 的容积还原能力达3.47 g SO2-4/(L.d),SO2-4 的比还原能力达0.40 gSO2-4/(gVSS.d),SO2-4 的还原率为86.73%。投加碳源后,进水中的CODCr由2 237.51 mg/L降解为320.12 mg/L,CODCr降解率达到85.69%,在有出水回流情况下,废水的pH值为3.5时仍有84%的SO2-4还原率。由于矿区生活垃圾充足,酸性发酵成本低廉,生活垃圾酸性发酵产物可以作为SRB处理酸性矿山废水的合适碳源。■
基金项目:山西省留学归国人员研究基金资助项目
作者简介:李亚新(1941- ),男,辽宁义县人,太原理工大学教授,博士,从事水污染
控制理论和技术的研究。
电话:(0351)6010402
E-mail:liyax@tyut.edu.cn
作者单位:李亚新(太原理工大学 环境工程系,山西 太原 030024)
苏冰琴(太原理工大学 环境工程系,山西 太原 030024)
参考文献:
[1]胡文容.湿地生态工程处理酸性矿井水的可行性研究[J].煤矿环境保护,1994,8(4):10-11.
[2]赵宇华,叶央芳,刘学东.硫酸盐还原菌及其影响因子[J].环境污染与防治,1997,19(5):41-43.
[3]Maree J P,Hulse G. Pilot Plant Studies on Biological Sulphate Removal from Industrial Effluent[J]. Wat Sci Tech,1991,23:1293-1300.
[4]日本工业协会.水质试验法(修订版)[M].北京:中国环境科学出版社,1990.476-480.
[5]APHA Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater[M].18th Edtion.1995.
[6]胡文容,高廷耀.酸性矿井水的处理方法和利用途径[J].煤矿环境保护,1994,8(1):17-21.
[7]Renze T Van Houten,Hielke Van der Spole,Adraanc Van Aelst et al .Biological Sulfate Reduction Using Synthesis Gas as Energy and Carbon Source[J].Biotech Bioeng,1996,50(2):136-144.
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