付莉燕，文湘華，錢易
清華大學 環境模擬與污染控制國家重點實驗室, 北京 100084

1. 前言

　　在含染料廢水的生物處理過程中，厭氧生物氧化法與好氧生物氧化法均有應用[1]。近年來，對好氧生物反應器的研究逐步轉向開發高效、強化型反應器，目標包括提高反應器內的生物固體濃度[2]、強化曝氣[3]、強化傳質[4]、利用物理化學過程強化生物處理效果[5]等。然而，無論采用哪種強化措施，在處理含染料廢水時達到理想處理效果的前提都是活性污泥必須具有降解染料的能力。因此，在決定是否采用好氧法處理含染料廢水時，有必要研究染料在好氧條件下的生物降解性能。
　　本試驗選擇的研究對象--活性翠藍（Reactive Turquoise Blue ，RTB）是一種酞菁染料，在染料分子的母體結構中絡合了一個銅原子。本文研究了活性翠藍的好氧生物降解性能及影響活性翠藍生物降解效果的因素。

2. 研究方法

　　2.1 試驗裝置與試驗條件
　　試驗裝置包括錐形瓶（作為反應器）、恒溫振蕩培養箱（30℃，振蕩速度160轉/min）、紫外-可見分光光度計。試驗在恒溫振蕩培養箱中進行，反應混合液中的溶解氧濃度為6.6-6.8mg/L，能夠滿足好氧菌的需要。接種污泥取自北京市清河毛紡廠污水處理車間的二沉池，試驗前經過進一步馴化。
　　2.2 進水組成
　　進水中含有碳源-RTB（葡萄糖），氮源-尿素（40mg/L），磷源-KH2PO4（47.5mg/L），以及無機鹽-MgSO4（59.3mg/L）、MnSO4（5.7mg/L）、CaCl2（5.7mg/L）、FeSO4（0.3mg/L）、NaHCO3（100mg/L）等。
　　2.3 測試方法
　　通過紫外-可見光掃描圖，發現RTB在623nm處有最大吸收峰。作"吸光度-RTB濃度"標準曲線，通過測定水樣吸光度值可以求RTB濃度。樣品測定前需要經過0.45μm濾膜過濾。
　　2.4 試驗設計
　　2.4.1 碳源對馴化污泥生長情況的影響
　　通過一個持續了21個周期的間歇試驗觀察馴化污泥生物量增長與碳源的關系。試驗以24hr為一個周期，每個周期用新鮮廢水更換反應器中的上清液。進水有3種，分別含有0、 0.2、 0.5g/L葡萄糖。三組試驗的進水RTB濃度相同。
　　以混合液揮發性懸浮固體（MLVSS）含量作為生物量求生物增長率。被投入反應器的RTB總量不足接種生物量的 2%，因此由于RTB被吸附到生物污泥表面而產生的對MLVSS測定的干擾可以忽略。
　　2.4.2 RTB生物降解動力學
　　進水以RTB為唯一碳源，濃度分別為20mg/L、50mg/L，監測了馴化污泥（接種濃度為4g/L）處理這兩種進水時液相RTB濃度隨時間的變化歷程，由此獲得RTB降解動力學曲線。根據動力學曲線，采用半壽期法求RTB生物降解過程的動力學方程及反應級數。
　　2.4.3 RTB生物降解效果的影響因素
　　通過正交試驗考察了pH值、RTB濃度、葡萄糖濃度、污泥濃度等四個因素對RTB生物降解效果的影響。pH值取6、7、8三個水平；葡萄糖濃度分別取0、0.2、0.5 g/L；染料濃度分別取10、20、50mg/L；污泥濃度分別取3、4、5g/L。試驗以24h為周期，包括進水、反應、沉淀、排水四個階段。

3 結果與討論

　　3.1 馴化污泥的生長情況
　　微生物的生長狀態與進水中碳源的種類及數量有關，生物量的增加將意味著環境中存在著充足的碳源和能量來源。
　　試驗結果表明，當進水中只含有RTB時，活性污泥的生物量是增長的，說明好氧微生物能夠利用RTB為唯一碳源和能量來源發生增殖。換句話說，在好氧條件下，RTB可以被生物降解。另外，以葡萄糖作為補充碳源，能夠加速好氧微生物的生長。
　　3.2 以RTB為唯一碳源時的生物降解動力學
　　經測定，RTB濃度為20mg/L、50mg/L的進水（不含葡萄糖），其BOD5/COD比值分別為0.11、0.12，說明RTB溶液的可生化性較差。
　　以馴化污泥處理RTB濃度分別為20mg/L、50mg/L的進水，發現20mg/L的RTB溶液經過24小時可以降解37.4%，達到80%降解率需要9.5d；50mg/L的RTB溶液經過24小時可以降解46.1%，9.5d后降解率達到88.1%。可見，盡管單一RTB溶液的BOD5/COD比值較低，但是在好氧條件下仍然可以被馴化后的活性污泥緩慢降解。
　　根據兩種初始濃度條件下RTB生物降解過程的動力學曲線，求出半壽期，進而可以獲得反應級數及反應速率常數。本試驗中，為了排除進水瞬間吸附作用的影響，在加入RTB為20mg/L、50mg/L的條件下，以進水與活性污泥充分混合后的液相RTB濃度為初始濃度，即C0=16.2mg/L、C0‘=38.1mg/L，通過動力學曲線求得T1/2=3d、T1/2‘=1.85d。由此，可以求出反應級數為1.568。在此基礎上，可以求出反應速率常數為0.178，從而確定RTB好氧生物降解過程的反應速率方程為：

　　-dC/dt = 0.178·C^1.568

　　3.3 影響RTB生物降解效果的因素
　　根據正交試驗設計表，四因素三水平正交試驗共包括9組試驗。以RTB降解率為指標，獲得了9個試驗組在運行穩定期的3組數據。對試驗數據進行統計分析，結果見表1。

表1 影響因素試驗方差分析表 [ F0.05(2,18)= 3.55, F0.01(2,18)=6.01] 方差名稱 S F V F 顯著性 pH值 575.1 2 287.5 8.893 4 葡萄糖濃度 1270.7 2 635.4 19.651 3 染料濃度 2046.1 2 1023.0 31.641 1 污泥濃度 1450.7 2 725.4 22.434 2 誤差 582.0 18 32.3

符號說明：S——因子的變動； f——自由度； V——因子的平均變動； F——表征顯著性的F值;

　　根據表1，pH值、葡萄糖濃度、RTB濃度、污泥濃度對RTB降解率的影響均是顯著的；而且，RTB濃度對RTB降解率的影響最大，其次是污泥濃度、葡萄糖濃度、pH值。另外，在正交試驗所選擇的條件范圍內，當各因素的水平為pH=6、葡萄糖濃度=0.5g/L、染料濃度=20mg/L、污泥濃度=4g/L時，RTB好氧生物降解率最高。

4 結論

　　活性翠藍溶液的可生化性較差，經過馴化的活性污泥可以緩慢降解活性翠藍，降解過程的反應速率常數為0.178，反應級數為1.568。當進水中含有補充碳源-葡萄糖時，活性污泥的生長速率顯著提高。
　　pH值、葡萄糖濃度、活性翠藍濃度、污泥濃度均影響活性污泥對活性翠藍的降解效果，當pH=6，葡萄糖濃度=0.5g/L，活性翠藍濃度=20mg/L，污泥濃度=4g/L時RTB降解率最高。

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　　基金項目：國家自然科學基金資助項目（59878025）