芳香族硝基化合物是重要的基本化工原料，主要應(yīng)用于殺蟲劑、醫(yī)藥、炸藥、染料及其他化工產(chǎn)品的生產(chǎn)。但是這類廢水屬高濃度難降解的有毒有機(jī)廢水，采用常規(guī)的生物法很難處理，而單一的化學(xué)(催化)氧化焚燒、吸附和混凝等處理工藝因存在運(yùn)行費(fèi)用高、二次污染及有機(jī)物礦化不徹底等問題，在實(shí)際應(yīng)用中難以穩(wěn)定、高效地運(yùn)行。目前，高級(jí)氧化法/生物法聯(lián)合工藝處理難降解工業(yè)有機(jī)廢水受到國(guó)內(nèi)外研究者的極大關(guān)注，即采用高級(jí)氧化法作為預(yù)處理，使難降解的、大分子物質(zhì)降解為小分子的，易生化降解的物質(zhì)，以提高廢水的可生化性，并減輕后續(xù)生物處理的負(fù)擔(dān)。  

超聲技術(shù)作為一種新型的水處理技術(shù)，其應(yīng)用一般是通過與其他處理方法的聯(lián)合使用來(lái)實(shí)現(xiàn)。超聲可以作為高級(jí)氧化技術(shù)用于難處理的高濃度有毒有機(jī)廢水的預(yù)處理，也可與傳統(tǒng)生物法相結(jié)合，以超聲強(qiáng)化生物處理的形式用于廢水處理，但兩者的功率和頻率范圍不同。  

在前期研究中，已對(duì)超聲預(yù)處理含芳香族硝基化合物廢水的最佳超聲波功率、頻率等影響因素進(jìn)行了系統(tǒng)的優(yōu)化選擇。研究表明，為取得最佳處理效果，廢水初始pH值應(yīng)控制在7．5～8．5，最佳超聲波功率為200W，最佳超聲波頻率為56kHz;在超聲空化降解的同時(shí)向廢水中鼓入空氣可有效提高處理效果;反應(yīng)3h后，廢水的可生化性可提高至0．4(原廢水可生化性僅為0．09)，對(duì)硝基苯胺、硝基苯與COD的去除率分別可達(dá)91．3%、90．6%和83．9%。若要實(shí)現(xiàn)處理后廢水直接排放(符合《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB8978-1996)的一級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn))，仍需進(jìn)一步處理。  

本研究采用超聲空化預(yù)處理和超聲強(qiáng)化生物處理相結(jié)合，處理含芳香族硝基化合物廢水，以尋求新的降解含芳香族硝基化合物廢水的有效方法。  

1實(shí)驗(yàn)部分  

1．1實(shí)驗(yàn)裝置  

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。NXG-S型超聲波發(fā)生器(頻率20～100Hz可調(diào)，功率0～300W可調(diào))，連接直徑為12mm的變輻桿。實(shí)驗(yàn)所用超聲波反應(yīng)器為自制圓柱形玻璃容器，有效容積為1L。H66MC型超聲波發(fā)生器(頻率15～40kHz可調(diào)，功率0～250W可調(diào))，采用輻射狀透射式換能器，輻射端直徑50mm。實(shí)驗(yàn)所用SBＲ為自制圓柱形玻璃容器，尺寸為Φ150mm×200mm，有效容積3．5L。  

1．2實(shí)驗(yàn)水樣  

實(shí)驗(yàn)水樣取自某化工廠生產(chǎn)廢水，主要含硝基苯、對(duì)硝基苯胺等有機(jī)物。廢水COD濃度為2650mg/L，BOD5濃度為240mg/L，BOD5/COD值為0．09。對(duì)硝基苯胺濃度為490mg/L，硝基苯濃度為100mg/L，pH值為11。  

1．3污泥馴化  

本實(shí)驗(yàn)采用接種馴化法，接種污泥取自污水處理廠氧化溝。污泥靜置沉淀20min后棄去上清液，剩余混合液投入SBＲ中，并加入適量的葡萄糖和NH4Cl。馴化過程中不斷調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)廢水進(jìn)水水量和運(yùn)行周期。馴化期分4個(gè)階段，每階段進(jìn)水中，實(shí)驗(yàn)廢水所占比例逐漸增大，分別為1%、4%、8%和12%。4周后，廢水COD去除率趨于穩(wěn)定，污泥已適應(yīng)廢水。  

1．4實(shí)驗(yàn)方法  

廢水在超聲波反應(yīng)器中完成預(yù)處理后進(jìn)入SBＲ進(jìn)行生物處理，預(yù)處理采用超聲空化氧化(經(jīng)預(yù)處理后的廢水的COD、對(duì)硝基苯胺和硝基苯濃度已分別降至427、40和9．4mg/L)，該部分為前期研究工作，本研究討論在生物處理階段超聲的強(qiáng)化作用。實(shí)驗(yàn)所用污泥采用前述馴化污泥，曝氣24h，沉淀并排出上清液后，調(diào)整MLSS為7000mg/L左右。SBＲ以6h為1個(gè)周期，反應(yīng)器瞬間進(jìn)水，曝氣(保持溶解氧濃度為4～6mg/L)4h，沉淀1h，排水、閑置1h。  

1．4．1超聲強(qiáng)化生物處理最佳超聲參數(shù)的確定  

設(shè)SBR6個(gè)，0#作為對(duì)照，1#～5#進(jìn)行超聲強(qiáng)化處理。取1L調(diào)整MLSS后的污泥于SBR中，其中，對(duì)1#～5#SBR中的污泥采用不同功率、頻率的超聲波輻照。15min后停止輻照，預(yù)處理后的廢水進(jìn)入SBR進(jìn)行生物處理，沉淀階段完成后取6個(gè)反應(yīng)器的排水水樣測(cè)定。  

1．4．2超聲強(qiáng)化生物處理超聲波作用時(shí)間及作用周期的確定  

設(shè)SBR6個(gè)，0#作為對(duì)照，1#～5#進(jìn)行超聲強(qiáng)化處理。取1L調(diào)整MLSS后的污泥于SBR中，在一定的超聲條件下對(duì)1#～5#SBR中的污泥進(jìn)行不同時(shí)間的輻照。停止輻照后，經(jīng)預(yù)處理后的廢水進(jìn)入SBR進(jìn)行生物處理，沉淀階段完成后取6個(gè)反應(yīng)器的排水水樣測(cè)定。確定超聲作用周期的目的是獲知超聲作用效果的持續(xù)時(shí)間，以確定多長(zhǎng)時(shí)間施加一次超聲。  

1．5水質(zhì)分析方法  

COD測(cè)定采用重鉻酸鉀法，BOD5測(cè)定采用稀釋培養(yǎng)法，pH測(cè)定采用玻璃電極法，MLSS測(cè)定采用濾紙稱重法，對(duì)硝基苯胺測(cè)定采用紫外分光光度法，硝基苯測(cè)定采用還原-偶氮光度法。  

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析  

2．1超聲波功率、頻率對(duì)處理效果的影響  

超聲波頻率為25kHz，超聲輻照時(shí)間為15min條件下，功率對(duì)處理效果的影響如圖2所示。  

由圖2可知，超聲強(qiáng)化組的處理效果明顯優(yōu)于對(duì)照。這是因?yàn)槌暤目栈?yīng)對(duì)生物處理的強(qiáng)化、促進(jìn)作用。超聲的空化效應(yīng)分為瞬態(tài)空化和穩(wěn)態(tài)空化，瞬態(tài)空化是在高強(qiáng)度超聲條件下(聲強(qiáng)大于10W/cm2)，空化泡在極短時(shí)間內(nèi)長(zhǎng)大并破裂，由此產(chǎn)生高溫高壓并形成強(qiáng)烈的沖擊波和高速射流的現(xiàn)象。穩(wěn)態(tài)空化是在低強(qiáng)度超聲條件下(聲強(qiáng)小于10W/cm2)，空化泡不會(huì)破裂，而是產(chǎn)生的穩(wěn)定的小振幅脈動(dòng)現(xiàn)象，振蕩過程導(dǎo)致微聲流現(xiàn)象的產(chǎn)生。本研究中超聲強(qiáng)化生物處理階段所產(chǎn)生的空化效應(yīng)屬穩(wěn)態(tài)空化，穩(wěn)態(tài)空化所產(chǎn)生的微聲流對(duì)污泥活性的影響有2點(diǎn):其一，活性污泥中的微生物在微聲流作用下，細(xì)胞膜局部變薄，微孔增大，細(xì)胞的通透性也隨之增大，這有利于細(xì)胞膜兩側(cè)的物質(zhì)交換;其二，由于細(xì)胞膜除了維持胞內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定，調(diào)節(jié)內(nèi)外物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)外，還在細(xì)胞分裂、增殖和代謝調(diào)節(jié)等各種生命活動(dòng)中發(fā)揮重要的作用，因此細(xì)胞膜通透性的改變勢(shì)必影響細(xì)胞的生命活動(dòng)，細(xì)胞通透性的增加也提高了細(xì)胞的新陳代謝功能，促進(jìn)了細(xì)胞的生長(zhǎng)，從而提高了污泥的活性。  

當(dāng)超聲波功率從6W增至10W時(shí)，對(duì)硝基苯胺、硝基苯與COD的去除率呈明顯上升趨勢(shì)，在功率為10W時(shí)去除率達(dá)到最大。功率增大，意味著超聲在廢水中所產(chǎn)生的負(fù)壓和正壓均變大，空化泡周期性的膨脹和壓縮強(qiáng)度相應(yīng)變大，在廢水中產(chǎn)生的微聲流增強(qiáng)。微聲流的增強(qiáng)必定導(dǎo)致細(xì)胞通透性的增加，污泥的活性也隨之增強(qiáng)，處理效果逐漸提高。  

此外，穩(wěn)態(tài)空化所產(chǎn)生的微傷效應(yīng)可以在細(xì)胞表面瞬間造成損傷，使細(xì)胞壁局部發(fā)生破裂。一方面細(xì)胞膜受損后，部分胞內(nèi)酶被釋放出來(lái);另一方面會(huì)使得細(xì)胞產(chǎn)生防御反應(yīng)并自我修復(fù)，在修復(fù)過程中，酶的分泌增多，細(xì)胞新陳代謝加快。這兩方面的原因使得污泥的活性增強(qiáng)，處理效果也相應(yīng)提高。  

由圖2還可看出，當(dāng)功率調(diào)節(jié)至10W后，再繼續(xù)增大功率，對(duì)硝基苯胺、硝基苯與COD的去除率均呈下降趨勢(shì)。原因是過大的功率輻照會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞表面的損傷嚴(yán)重，一方面細(xì)胞胞內(nèi)酶大量流出并失活，另一方面細(xì)胞無(wú)法完成自我修復(fù)，甚至導(dǎo)致細(xì)胞死亡。污泥的活性也隨之降低，處理效果相應(yīng)變差。因此不同的超聲強(qiáng)化生物反應(yīng)都存在一個(gè)最佳的超聲波功率，本研究中的最佳超聲波功率為10W。  

對(duì)比在預(yù)處理階段對(duì)廢水所進(jìn)行的超聲輻照強(qiáng)度(200W)，超聲強(qiáng)化生物處理階段的最佳超聲波功率(10W)明顯降低。這是因?yàn)榍罢咚a(chǎn)生的空化效應(yīng)屬瞬態(tài)空化，需要高強(qiáng)度超聲所形成的高溫高壓和高速射流將難降解、有毒的有機(jī)物先行分解，將大分子的有機(jī)物剪切為小分子，以此來(lái)提高廢水的可生化性，以便進(jìn)行后續(xù)的生物處理。  

超聲波功率為10W，超聲輻照時(shí)間為15min條件下，頻率對(duì)處理效果的影響如圖3所示。  

從圖3實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，當(dāng)頻率從15kHz逐漸增大至25kHz，對(duì)硝基苯胺、硝基苯和COD的去除率也相應(yīng)提高，并在頻率為25kHz時(shí)達(dá)到最大。原因是穩(wěn)態(tài)空化過程包括空化核的形成、空化核長(zhǎng)大成為空化泡、空化泡周期性的膨脹和壓縮這一系列動(dòng)力學(xué)過程。頻率增大意味著穩(wěn)態(tài)空化的動(dòng)力學(xué)過程縮短，在一定時(shí)間內(nèi)所產(chǎn)生的空化泡數(shù)量增多，空化效應(yīng)增強(qiáng)，污泥活性增大，處理效果隨之提高。  

從圖3還可看出，當(dāng)超聲波頻率達(dá)到25kHz后，繼續(xù)增大頻率處理效果反而變差。這是因?yàn)檫^高的頻率使得穩(wěn)態(tài)空化動(dòng)力學(xué)過程變得過短，為空化泡生長(zhǎng)所提供的時(shí)間便不足，導(dǎo)致空化發(fā)生的概率和強(qiáng)度減小，空化效應(yīng)反而降低。此外，頻率升高的同時(shí)聲波的傳播衰減增大，這就意味著要獲得相同的空化效應(yīng)，就需要消耗更多的能量，因此在超聲波功率一定的條件下，頻率不宜過大。但相對(duì)功率，頻率對(duì)處理效果的影響較小。對(duì)本研究中的含芳香族硝基化合物廢水而言，其采用超聲強(qiáng)化生物處理的最佳頻率應(yīng)為25kHz。  

2．2超聲輻照時(shí)間對(duì)處理效果的影響  

超聲波功率為10W，頻率為25kHz的條件下，超聲輻照污泥時(shí)間對(duì)處理效果的影響如圖4所示。  

從圖4實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，超聲波作用時(shí)間對(duì)處理效果有較大影響。在5～15min的超聲作用時(shí)間范圍內(nèi)，隨著超聲作用時(shí)間的延長(zhǎng)，對(duì)硝基苯胺、硝基苯和COD的去除率呈明顯上升趨勢(shì)。而繼續(xù)增加超聲作用時(shí)間，三者去除率均有不同程度下降。這是因?yàn)殡S著輻照時(shí)間的增加，在超聲穩(wěn)態(tài)空化的微聲流效應(yīng)和損傷效應(yīng)作用下，污泥活性逐漸增大，處理效果明顯變好。較短時(shí)間的超聲輻照在細(xì)胞表面造成的傷口較小，很容易被細(xì)胞修復(fù)，而過長(zhǎng)時(shí)間的超聲輻照會(huì)使細(xì)胞表面?zhèn)谠龃螅?xì)胞自身修復(fù)困難，從而導(dǎo)致污泥活性下降。從圖4還可看出，在超過15min的輻照時(shí)間后，COD去除率下降趨勢(shì)最為明顯，其原因可能是過長(zhǎng)時(shí)間的超聲輻照除導(dǎo)致污泥活性降低外，還使原本密實(shí)的污泥變得松散甚至破碎，并將絮體中一部分胞外多糖類物質(zhì)釋放到溶液中，引起SCOD(溶解性COD)濃度的上升。本研究中，在超聲波功率為10W，頻率為25kHz的條件下，超聲輻照時(shí)間宜控制在15min。  

2．3超聲強(qiáng)化生物處理超聲波作用周期的確定  

在超聲波功率為10W，頻率為25kHz的條件下，進(jìn)行超聲作用周期進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。  

由表1數(shù)據(jù)可看出，1#反應(yīng)器(超聲作用以6h為一周期)經(jīng)過第2次超聲作用后，處理效果已呈明顯下降趨勢(shì)，在第4次超聲作用后，對(duì)硝基苯胺、硝基苯和COD的去除率均已低于對(duì)照。這是因?yàn)樵诘?次超聲作用6h后，細(xì)胞對(duì)傷口的修復(fù)尚未完成，此時(shí)再進(jìn)行超聲輻照會(huì)使得細(xì)胞傷口修復(fù)困難，導(dǎo)致污泥活性降低。在進(jìn)行第3次超聲作用后，細(xì)胞尚未修復(fù)的傷口進(jìn)一步增大，甚至導(dǎo)致部分細(xì)胞的死亡，污泥活性進(jìn)一步下降。在進(jìn)行第4次超聲作用后，污泥的活性甚至低于對(duì)照。  

2#反應(yīng)器(超聲作用以12h為一周期)的處理效果最好且最穩(wěn)定，污泥的活性可保持到經(jīng)1次超聲作用12h后，這表明一次超聲作用對(duì)生物處理污水的強(qiáng)化效果具有時(shí)間上的有效性。通過表4實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)還可看出，最佳處理效果出現(xiàn)在經(jīng)超聲作用6h后，對(duì)硝基苯胺、硝基苯和COD的最大去除率分別可以達(dá)到98．2%、94．6%和91．3%，比未進(jìn)行超聲強(qiáng)化的對(duì)照組分別高出38．6%、40．4%和21．9%。這是因?yàn)槌暿峭ㄟ^增加胞外酶的產(chǎn)量來(lái)提高有機(jī)物(尤其是難降解有機(jī)物)的生物去除效率。而大量胞外酶分泌是在細(xì)胞的防御反應(yīng)和自我修復(fù)過程中產(chǎn)生，因此污泥活性在超聲作用6h后達(dá)到最大。  

3#反應(yīng)器(超聲作用以18h為一周期)在第3次取樣分析時(shí)，對(duì)硝基苯胺、硝基苯和COD的去除率均已接近于對(duì)照。說明在12h后，污泥活性已大大減弱。4#反應(yīng)器(超聲作用以24h為一周期)在第4次取樣分析時(shí)，對(duì)硝基苯胺、硝基苯和COD的去除率均已和對(duì)照相差無(wú)幾，說明超聲對(duì)污泥活性的強(qiáng)化作用已基本消失。  

本研究中，在超聲波功率為10W，頻率為25kHz，超聲輻照時(shí)間為15min的條件下，采用12h的超聲作用周期是可行的。  

3結(jié)論  

(1)低頻超聲對(duì)污泥的強(qiáng)化作用主要是基于超聲穩(wěn)態(tài)空化所產(chǎn)生的微聲流效應(yīng)和微傷效應(yīng)。污泥經(jīng)適當(dāng)參數(shù)的超聲輻照后，在微聲流效應(yīng)和微傷效應(yīng)作用下，細(xì)胞的通透性增加，酶的分泌增多，細(xì)胞新陳代謝加快，污泥活性隨之增強(qiáng)。在實(shí)際運(yùn)用中，應(yīng)注意對(duì)超聲波功率、頻率等超聲參數(shù)的控制以達(dá)到最佳處理效果。  

(2)在本研究中，采用低強(qiáng)度超聲波強(qiáng)化生物處理經(jīng)超聲空化預(yù)處理后的含芳香族硝基化合物廢水(COD濃度為427mg/L，對(duì)硝基苯胺濃度為40mg/L，硝基苯濃度為9．4mg/L，廢水B/C值為0．4)，最佳超聲波功率為10W，最佳超聲波頻率為25kHz，超聲對(duì)污泥的輻照時(shí)間宜控制在15min，超聲強(qiáng)化以12h為周期可達(dá)到最佳處理效果。與未進(jìn)行超聲強(qiáng)化的對(duì)照組相比，對(duì)硝基苯胺、硝基苯和COD的去除率分別可提高38．6%、40．4%和21．9%。  

(3)在對(duì)含芳香族硝基化合物廢水的實(shí)際工程中，可先采用超聲(功率200W，頻率56kHz)對(duì)其進(jìn)行預(yù)處理，以提高廢水的可生化性。再進(jìn)行低強(qiáng)度超聲波強(qiáng)化生物處理，可實(shí)現(xiàn)處理后廢水直接排放(符合《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB8978-1996)的一級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn))。

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