申请日2014.10.20
公开(公告)日2015.01.28
IPC分类号C02F101/32; C02F11/04
摘要
本发明属于环境保护难降解有机污染物处理技术领域，涉及一种促进污泥中多环芳烃厌氧发酵降解的方法，该方法包括以下步骤：将含有多环芳烃的污泥装入厌氧反应器中，控制发酵pH值为碱性和/或加入生物表面活性剂，机械搅拌使反应体系物质混合均匀，同时控制发酵温度。本发明能够有效地促进污泥中多环芳烃的厌氧降解，减少多环芳烃对环境的污染，为污泥经厌氧消化进行土地利用奠定基础，同时对如何高效去除污泥中其它难降解有机污染物具有重要的指导和借鉴意义。
权利要求书
1.一种促进污泥厌氧发酵对PAHs降解效果的方法，包括以下步骤：
将含有多环芳烃的污泥装入厌氧反应器中，控制发酵pH值为碱性和/或加入生物表面活性 剂，机械搅拌使反应体系物质混合均匀，同时控制发酵温度。
2.根据权利要求1所述方法，其特征在于：所述步骤中控制发酵pH值为碱性和加入生物 表面活性剂同时进行。
3.根据权利要求1或2所述方法，其特征在于：所述步骤中pH值控制为8.0～11.0。
4.根据权利要求3所述方法，其特征在于：所述步骤中pH值为8.0～10.0。
5.根据权利要求1或2所述方法，其特征在于：所述步骤中生物表面活性剂为APG或鼠 李糖脂。
6.根据权利要求1或2所述方法，其特征在于：所述步骤中发酵温度为10～55℃。
7.根据权利要求6所述方法，其特征在于：所述步骤中发酵温度为20～35℃。
8.根据权利要求1或2所述方法，其特征在于：所述步骤中生物表面活性剂的投加量为 0.05～0.50g/g TSS。
9.根据权利要求8所述方法，其特征在于：投加量为0.10～0.30g/g TSS。
10.根据权利要求1或2所述方法，其特征在于：所述步骤中厌氧反应器的运行时间为6-9 天;优选运行时间为8天。
说明书
一种促进污泥中多环芳烃厌氧降解的方法
技术领域
本发明属于环境保护及难降解有机污染物处理技术领域，涉及一种促进污泥中多环芳烃厌氧降解的方法。
背景技术
多环芳烃(Polycyclic Aromatic Hydrocarbons，简称PAHs)是指两个以上的苯环通过稠和键联接，分子量为178～300的碳氢化合物。PAHs是一类典型的疏水性环境污染物，辛醇-水分配系数高，具有强烈的憎水性。在环境中难降解，具有较强的致癌，致畸和致突变的作用，强烈抑制微生物的生长，能通过食物链在动植物体内逐级富集，是一类对人体健康和生态环境具有严重危害的天然或人工合成的有机污染物。上世纪八十年代，美国EPA将萘、菲、苯并[a]蒽等16种多环芳烃列为优先控制的污染物，随后我国也将PAHs列入优先控制的污染物黑名单。
环境中的PAHs可随着工业废水，废弃物，大气的干湿沉降，城市地面径流等方式进入城市污水系统中。由于PAHs的疏水性，高有机物亲和性以及难降解性，进入到污水处理系统的PAHs极易吸附积累于污泥中，是城市污泥中常见的一类难降解有机物。我国一般城市污水处理厂污泥中的PAHs的总含量高达几十甚至100mg/kg以上，而工业废水处理产生的污泥中的PAHs含量更高，有的甚至达到2000m/kg，菲和苯并[a]蒽等是其中含量较高的典型PAH。我国的污泥产量巨大，截止到2013年底，污泥产量高达3000万吨(80%的含水率)。针对污泥的处理处置，污泥厌氧消化+土地利用将优先采用，因此，要妥善解决城市污泥的出路问题，尤其是污泥安全土地利用问题，需强化PAHs在污泥厌氧消化过程中的降解效率，控制其含量，从而进行安全的土地利用。
影响污泥系统微生物降解PAHs的因素很多，包括pH，温度，营养盐，污染物化学结构等，但其中一个主要限制因素是PAHs在水相中的溶解度极低，而亲脂性较强，因此，要提高PAHs的生物降解效果，必须增加其在水相中的溶解性能，从而提高污染物迁移性，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径。
表面活性剂是一种有效的有机物增溶剂，但已有研究表明不同表面活性剂对PAHs的降解产生的效果或正或负。并且，一般的化学表面活性剂具有一定的毒性，并且不易降解，添加到污泥系统中将导致环境的二次污染，限制其在实际中的大规模应用。
烷基糖苷(Alkyl Polyglucose，简称APG)，是一种性能较全面的新型非离子表面活性剂， 兼具普通非离子和阴离子表面活性剂的特性，表面张力低，可生物降解，耐强碱、耐强酸、耐硬水、抗盐性强，具有高表面活性、良好的生态安全性和相溶性。
鼠李糖脂(Rhamnolipid)，是一种糖脂类的阴离子表面活性剂，兼具良好的化学和生物特性。它具有油、水两亲性，能有效降低表面张力，在极端温度、PH值及盐度条件下使用，并且无毒，可生物降解。
碱性发酵能够有效破坏污泥絮体以及胞外聚合物(EPS)的结构，在生物表面活性剂APG或鼠李糖脂的作用下，有利于污染物PAHs从污泥表面解吸附，提高其移动性和在水相中的溶解度，从而增加微生物与污染物接触的机会，促进有机污染物的可生物利用性。
目前还未有通过生物表面活性剂APG或鼠李糖脂促进污泥碱性发酵对PAHs的降解的报道。
发明内容
本发明的目的在于为克服现有技术的缺陷而提供一种促进污泥中多环芳烃厌氧降解的方法。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种促进污泥厌氧发酵对PAHs的降解效果的方法，包括以下步骤：
将含有多环芳烃的污泥装入厌氧反应器中，控制发酵pH值为碱性和/或加入生物表面活性剂，机械搅拌使反应体系物质混合均匀，同时控制发酵温度。
所述步骤中，优选控制发酵pH值为碱性和加入生物表面活性剂同时进行。
所述步骤中，pH值控制为8.0～11.0;优选pH值为8.0～10.0。
所述步骤中，生物表面活性剂为APG或鼠李糖脂。
所述步骤中，发酵温度为10～55℃;优选发酵温度为20～35℃。
所述步骤中，生物表面活性剂的投加量为0.05～0.50g/g TSS(Total Suspended Solid，总悬浮性固体);优选投加量为0.10～0.30g/g TSS。
所述步骤中，厌氧反应器的运行时间为6-9天;优选运行时间为8天。
通常情况下，厌氧反应器运行时间的增加会提高降解效果，同时也会增加运行成本，运行时间的减少则会降低降解效果，本发明综合上述因素，选择厌氧反应器的运行时间为8天。
生物表面活性剂用量与污泥干重的优选比值范围为(0.10～0.30):1，虽然所述生物表面活性剂用量与污泥干重的比值在(0.05～0.50):1的范围内都能促进污泥厌氧消化过程中对难降解有机物PAHs的降解效率，并且在一定范围内，随着生物表面活性剂投加量的增加，对污泥中PAHs菲厌氧降解的促进作用越明显。但是综合考虑表面活性剂成本与PAHs降解效率之间的关系，本发明所采用优选的生物表面活性剂用量与污泥干重的比值范围为0.10:1-0.30:1。
本发明中利用生物表面活性剂和碱处理促进污泥厌氧发酵对污泥中PAHs的降解基本原理如下：
菲和苯并[a]蒽等多环芳烃在污泥厌氧消化过程中难降解的一个重要原因是其在水相中的溶解度极低，而亲脂性较强，极易吸附在污泥表面，生物可利用性差(其理化性质如表1)。因此，将菲和苯并[a]蒽等PAHs从污泥体系中解吸附、迁移进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径。
表1菲和苯并[a]蒽的理化性质
生物表面活性剂由非极性亲脂基团和极性亲水基团组成，具有良好的分散、乳化、降低界面张力的作用。它的亲脂和亲水的性质使得它可以像一座桥梁一样，连接于污泥表面的大分子有机物与水分子之间，在外界搅拌力的作用下，污泥表面的大分子有机物会在表面活性剂的作用下脱离污泥颗粒。当其在水溶液中的浓度达到一定值时，APG或鼠李糖脂单体开始聚集成胶态有序的分子集合体,即所谓的胶束，胶束的形成使难溶有机污染物分配在胶束的疏水内核中，增加在水相中的表观溶解度。表面活性剂浓度高于临界胶束浓度(CMC)时,对有机污染物的增溶作用更显著。另外，APG属于非离子表面活性剂，在溶液中以中性分子存在,，避免了溶液中离子的干扰作用，更易形成胶束，CMC较低。
污泥颗粒表面带有负电荷，在碱性发酵条件下，特别是当污泥的pH值升高时，污泥颗粒细胞表面带有的负电荷也渐渐升高，从而产生高的静电排斥作用，破坏污泥的紧密絮体结构，从而增加了吸附在污泥表面上的PAHs与APG或鼠李糖脂以及微生物的接触机会，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从污泥表面解吸附下来，向水相迁移，同时APG或鼠李糖脂的增溶作用又可以使那些脱离污泥表面的PAHs在水中的溶解度增加(以菲为例，见图1)。通过提高菲，苯并[a]蒽等PAHs在水相中的溶解度来增加其与微生物之间的接触机会，促进污泥中厌氧发酵系统中菲和苯并[a]蒽等PAHs的生物可利用性和降解率。
另外，厌氧生物降解多环芳烃一般都是通过共代谢进行，即菲或苯并[a]蒽等PAHs被微生物降解须代谢部分易被利用的有机底物作为初级能源，碱性处理以及生物表面活性剂APG或鼠李糖脂的添加能同时提高污泥发酵系统中底物的浓度(如蛋白质，糖类以及短链脂肪苏等)供微生物作为初级能源物质，有利于微生物共代谢PAHs过程的进行，进一步促进菲和苯并[a]蒽等PAHs在污泥厌氧消化系统的降解效率。
本发明具有如下优点：
1.污泥碱性发酵过程中，利用生物表面活性剂APG和鼠李糖脂极大地促进了污泥中菲和苯并[a]蒽等PAHs的降解效果，有利于减少环境污染，为污泥经厌氧消化进行土地利用奠定基础。
2.APG和鼠李糖脂属于生物表面活性剂，不仅增溶作用优于化学表面活性剂，而且在环境中容易被微生物降解，相比其它化学表面活性剂等添加剂，不会对环境产生二次污染。
3.本发明利用生物表面活性剂APG和鼠李糖脂极大地促进了污泥中菲和苯并[a]蒽等PAHs的降解效果，对如何高效去除污泥其他难降解的持久性有机污染物(POPs)具有重要的指导和借鉴意义。