申請日2014.10.20
公開(公告)日2015.01.28
IPC分類號C02F101/32; C02F11/04
摘要
本發明屬于環境保護難降解有機污染物處理技術領域，涉及一種促進污泥中多環芳烴厭氧發酵降解的方法，該方法包括以下步驟：將含有多環芳烴的污泥裝入厭氧反應器中，控制發酵pH值為堿性和/或加入生物表面活性劑，機械攪拌使反應體系物質混合均勻，同時控制發酵溫度。本發明能夠有效地促進污泥中多環芳烴的厭氧降解，減少多環芳烴對環境的污染，為污泥經厭氧消化進行土地利用奠定基礎，同時對如何高效去除污泥中其它難降解有機污染物具有重要的指導和借鑒意義。
權利要求書
1.一種促進污泥厭氧發酵對PAHs降解效果的方法，包括以下步驟：
將含有多環芳烴的污泥裝入厭氧反應器中，控制發酵pH值為堿性和/或加入生物表面活性 劑，機械攪拌使反應體系物質混合均勻，同時控制發酵溫度。
2.根據權利要求1所述方法，其特征在于：所述步驟中控制發酵pH值為堿性和加入生物 表面活性劑同時進行。
3.根據權利要求1或2所述方法，其特征在于：所述步驟中pH值控制為8.0～11.0。
4.根據權利要求3所述方法，其特征在于：所述步驟中pH值為8.0～10.0。
5.根據權利要求1或2所述方法，其特征在于：所述步驟中生物表面活性劑為APG或鼠 李糖脂。
6.根據權利要求1或2所述方法，其特征在于：所述步驟中發酵溫度為10～55℃。
7.根據權利要求6所述方法，其特征在于：所述步驟中發酵溫度為20～35℃。
8.根據權利要求1或2所述方法，其特征在于：所述步驟中生物表面活性劑的投加量為 0.05～0.50g/g TSS。
9.根據權利要求8所述方法，其特征在于：投加量為0.10～0.30g/g TSS。
10.根據權利要求1或2所述方法，其特征在于：所述步驟中厭氧反應器的運行時間為6-9 天;優選運行時間為8天。
說明書
一種促進污泥中多環芳烴厭氧降解的方法
技術領域
本發明屬于環境保護及難降解有機污染物處理技術領域，涉及一種促進污泥中多環芳烴厭氧降解的方法。
背景技術
多環芳烴(Polycyclic Aromatic Hydrocarbons，簡稱PAHs)是指兩個以上的苯環通過稠和鍵聯接，分子量為178～300的碳氫化合物。PAHs是一類典型的疏水性環境污染物，辛醇-水分配系數高，具有強烈的憎水性。在環境中難降解，具有較強的致癌，致畸和致突變的作用，強烈抑制微生物的生長，能通過食物鏈在動植物體內逐級富集，是一類對人體健康和生態環境具有嚴重危害的天然或人工合成的有機污染物。上世紀八十年代，美國EPA將萘、菲、苯并[a]蒽等16種多環芳烴列為優先控制的污染物，隨后我國也將PAHs列入優先控制的污染物黑名單。
環境中的PAHs可隨著工業廢水，廢棄物，大氣的干濕沉降，城市地面徑流等方式進入城市污水系統中。由于PAHs的疏水性，高有機物親和性以及難降解性，進入到污水處理系統的PAHs極易吸附積累于污泥中，是城市污泥中常見的一類難降解有機物。我國一般城市污水處理廠污泥中的PAHs的總含量高達幾十甚至100mg/kg以上，而工業廢水處理產生的污泥中的PAHs含量更高，有的甚至達到2000m/kg，菲和苯并[a]蒽等是其中含量較高的典型PAH。我國的污泥產量巨大，截止到2013年底，污泥產量高達3000萬噸(80%的含水率)。針對污泥的處理處置，污泥厭氧消化+土地利用將優先采用，因此，要妥善解決城市污泥的出路問題，尤其是污泥安全土地利用問題，需強化PAHs在污泥厭氧消化過程中的降解效率，控制其含量，從而進行安全的土地利用。
影響污泥系統微生物降解PAHs的因素很多，包括pH，溫度，營養鹽，污染物化學結構等，但其中一個主要限制因素是PAHs在水相中的溶解度極低，而親脂性較強，因此，要提高PAHs的生物降解效果，必須增加其在水相中的溶解性能，從而提高污染物遷移性，更有利于微生物吸收利用。研究表明，提高PAHs的溶解度是提高PAHs生物可利用性和降解率的有效途徑。
表面活性劑是一種有效的有機物增溶劑，但已有研究表明不同表面活性劑對PAHs的降解產生的效果或正或負。并且，一般的化學表面活性劑具有一定的毒性，并且不易降解，添加到污泥系統中將導致環境的二次污染，限制其在實際中的大規模應用。
烷基糖苷(Alkyl Polyglucose，簡稱APG)，是一種性能較全面的新型非離子表面活性劑， 兼具普通非離子和陰離子表面活性劑的特性，表面張力低，可生物降解，耐強堿、耐強酸、耐硬水、抗鹽性強，具有高表面活性、良好的生態安全性和相溶性。
鼠李糖脂(Rhamnolipid)，是一種糖脂類的陰離子表面活性劑，兼具良好的化學和生物特性。它具有油、水兩親性，能有效降低表面張力，在極端溫度、PH值及鹽度條件下使用，并且無毒，可生物降解。
堿性發酵能夠有效破壞污泥絮體以及胞外聚合物(EPS)的結構，在生物表面活性劑APG或鼠李糖脂的作用下，有利于污染物PAHs從污泥表面解吸附，提高其移動性和在水相中的溶解度，從而增加微生物與污染物接觸的機會，促進有機污染物的可生物利用性。
目前還未有通過生物表面活性劑APG或鼠李糖脂促進污泥堿性發酵對PAHs的降解的報道。
發明內容
本發明的目的在于為克服現有技術的缺陷而提供一種促進污泥中多環芳烴厭氧降解的方法。
為實現上述目的，本發明采用以下技術方案：
一種促進污泥厭氧發酵對PAHs的降解效果的方法，包括以下步驟：
將含有多環芳烴的污泥裝入厭氧反應器中，控制發酵pH值為堿性和/或加入生物表面活性劑，機械攪拌使反應體系物質混合均勻，同時控制發酵溫度。
所述步驟中，優選控制發酵pH值為堿性和加入生物表面活性劑同時進行。
所述步驟中，pH值控制為8.0～11.0;優選pH值為8.0～10.0。
所述步驟中，生物表面活性劑為APG或鼠李糖脂。
所述步驟中，發酵溫度為10～55℃;優選發酵溫度為20～35℃。
所述步驟中，生物表面活性劑的投加量為0.05～0.50g/g TSS(Total Suspended Solid，總懸浮性固體);優選投加量為0.10～0.30g/g TSS。
所述步驟中，厭氧反應器的運行時間為6-9天;優選運行時間為8天。
通常情況下，厭氧反應器運行時間的增加會提高降解效果，同時也會增加運行成本，運行時間的減少則會降低降解效果，本發明綜合上述因素，選擇厭氧反應器的運行時間為8天。
生物表面活性劑用量與污泥干重的優選比值范圍為(0.10～0.30):1，雖然所述生物表面活性劑用量與污泥干重的比值在(0.05～0.50):1的范圍內都能促進污泥厭氧消化過程中對難降解有機物PAHs的降解效率，并且在一定范圍內，隨著生物表面活性劑投加量的增加，對污泥中PAHs菲厭氧降解的促進作用越明顯。但是綜合考慮表面活性劑成本與PAHs降解效率之間的關系，本發明所采用優選的生物表面活性劑用量與污泥干重的比值范圍為0.10:1-0.30:1。
本發明中利用生物表面活性劑和堿處理促進污泥厭氧發酵對污泥中PAHs的降解基本原理如下：
菲和苯并[a]蒽等多環芳烴在污泥厭氧消化過程中難降解的一個重要原因是其在水相中的溶解度極低，而親脂性較強，極易吸附在污泥表面，生物可利用性差(其理化性質如表1)。因此，將菲和苯并[a]蒽等PAHs從污泥體系中解吸附、遷移進入水相并提高其在水相中的溶解度是提高菲和苯并[a]蒽等PAHs生物可利用性和降解率的有效途徑。
表1菲和苯并[a]蒽的理化性質
生物表面活性劑由非極性親脂基團和極性親水基團組成，具有良好的分散、乳化、降低界面張力的作用。它的親脂和親水的性質使得它可以像一座橋梁一樣，連接于污泥表面的大分子有機物與水分子之間，在外界攪拌力的作用下，污泥表面的大分子有機物會在表面活性劑的作用下脫離污泥顆粒。當其在水溶液中的濃度達到一定值時，APG或鼠李糖脂單體開始聚集成膠態有序的分子集合體,即所謂的膠束，膠束的形成使難溶有機污染物分配在膠束的疏水內核中，增加在水相中的表觀溶解度。表面活性劑濃度高于臨界膠束濃度(CMC)時,對有機污染物的增溶作用更顯著。另外，APG屬于非離子表面活性劑，在溶液中以中性分子存在,，避免了溶液中離子的干擾作用，更易形成膠束，CMC較低。
污泥顆粒表面帶有負電荷，在堿性發酵條件下，特別是當污泥的pH值升高時，污泥顆粒細胞表面帶有的負電荷也漸漸升高，從而產生高的靜電排斥作用，破壞污泥的緊密絮體結構，從而增加了吸附在污泥表面上的PAHs與APG或鼠李糖脂以及微生物的接觸機會，在APG或鼠李糖脂的共同作用下，使大量的菲和苯并[a]蒽等PAHs從污泥表面解吸附下來，向水相遷移，同時APG或鼠李糖脂的增溶作用又可以使那些脫離污泥表面的PAHs在水中的溶解度增加(以菲為例，見圖1)。通過提高菲，苯并[a]蒽等PAHs在水相中的溶解度來增加其與微生物之間的接觸機會，促進污泥中厭氧發酵系統中菲和苯并[a]蒽等PAHs的生物可利用性和降解率。
另外，厭氧生物降解多環芳烴一般都是通過共代謝進行，即菲或苯并[a]蒽等PAHs被微生物降解須代謝部分易被利用的有機底物作為初級能源，堿性處理以及生物表面活性劑APG或鼠李糖脂的添加能同時提高污泥發酵系統中底物的濃度(如蛋白質，糖類以及短鏈脂肪蘇等)供微生物作為初級能源物質，有利于微生物共代謝PAHs過程的進行，進一步促進菲和苯并[a]蒽等PAHs在污泥厭氧消化系統的降解效率。
本發明具有如下優點：
1.污泥堿性發酵過程中，利用生物表面活性劑APG和鼠李糖脂極大地促進了污泥中菲和苯并[a]蒽等PAHs的降解效果，有利于減少環境污染，為污泥經厭氧消化進行土地利用奠定基礎。
2.APG和鼠李糖脂屬于生物表面活性劑，不僅增溶作用優于化學表面活性劑，而且在環境中容易被微生物降解，相比其它化學表面活性劑等添加劑，不會對環境產生二次污染。
3.本發明利用生物表面活性劑APG和鼠李糖脂極大地促進了污泥中菲和苯并[a]蒽等PAHs的降解效果，對如何高效去除污泥其他難降解的持久性有機污染物(POPs)具有重要的指導和借鑒意義。
