ABR反应器在处理PNP合成废水中的应用

折流式厌氧反应器在处理含对硝基酚（PNP）合成废水方面的性能研究摘要在这项研究中,我们通过提高对硝基酚(PNP)浓度研究其在240天中对ABR反应器（COD，去除率，挥发性脂肪酸VFA，对氨基酚PAP，甲烷产率）效能的影响。

当PNP浓度从10mg/l提高到700mg/l，则对应的PNP负荷是0.97g/m3和67.9g/m3每天.当PNP负荷达到33.9g/m3每天时，适应环境的厌氧颗粒污泥对PNP和COD的去除率能分别达到99%和90%。

在这之后，负荷和去除率会下降到79%。

COD的去除效率在第一阶段很高（E=78%-93%）,然而在第二和第三阶段只能去除其中少量。

PNP在除了0.97mg/l的所有负荷条件下去除率都接近90%。

当PNP的负荷是8.32g/m3每天时，PNP最大的去除率甚至可以达到99%。

对于获得最大的COD，PNP去除率以及甲烷产量，最适宜的PNP负荷是8.32g/m3每天。

当PNP负荷在4.36g/m3-33.9g/m3之间时，总产气量，甲烷产气量和甲烷含量大约分别是2160-2400ml/d,950-1250ml/d 和44%-52%。

当PNP负荷在33.9g/m3-67.9g/m3之间时，总产气量，甲烷产气量和甲烷含量大约分别是2160ml/d,960ml/d和44%。

我们发现在第一阶段TVFA最大的浓度值在介于50到200mg/l的范围内上下波动，这表示了酸化过程。

在PNP厌氧降解为苯酚和氨的过程中，对氨基酚被认为是主要的中间产物。

1 介绍厌氧处理工艺在处理工业废水的成功应用依赖于高效的生物反应器。

尽管人们开发出许多高效的设计例如升流式厌氧反应器，厌氧过滤器，厌氧连续搅拌槽反应器（CSTR）等，但是厌氧折流板反应器（ABR）和上述反应器相比仍有许多优点，例如：设计简单（无特殊气体产生和泥水分离器），污泥产率低，较长的泥龄，水力停留时间短，耐水力和有机冲击负荷。

ABR反应器最大的优势是，沿着反应器长度方向上将酸化阶段和甲烷化阶段分离开。

这使得不同的菌落控制着各自的隔室，在第一个隔室进行着酸化过程，随后的隔室进行甲烷化。

这种将酸化阶段和甲烷化阶段分开进行的操作减弱了有毒物质的负面作用，提高了对于环境参数（PH，温度，有机负荷）发生变化的抵抗能力。

在众多高效反应器中，许多研究人员认为ABR反应器是一种在工业废水处理领域很有发展前途的一种反应器系统。

尽管人们已经开发出很多厌氧高效反应器，ABR反应器仍然被广泛地应用在含有硫酸盐及铬的合成制革废水处理，纺织印染废水，含有偶氮染料的废水处理，猪粪处理，棕榈油压榨溢流废水处理，酒厂废水处理，含硫酸盐废水处理，纸浆黑液处理，含氮废水处理，垃圾渗滤液处理以及生活污水处理。

硝基苯酚和硝基芳香化合物作为炸药，制药，农药，颜料，染料，树木防腐剂，皮革橡胶等制造业的原材料或者中间产物被广泛使用。

在大气中，苯和一氧化氮通过光化学反应可能会产生对硝基苯酚，并且在日本，对硝基苯酚已经在雨水中被检测到了。

对硝基苯酚对于植物，动物以及人类的健康都有毒害作用。

它是一种高优先级的污染物质，并且由于其具有致突变性和致癌性，使之成为健康和环境的重要威胁。

在硝基酚中，2-硝基酚（2-NP），4-硝基酚（PNP），2，4-硝基酚（2.4-DNP）被列为美国环境保护局“优先级污染物”。

人们通常认为硝基酚和其他硝基有机物成分是难被生物降解的。

被这些污染成分所污染的废水净化起来相当困难，因为它们对常规处理工艺有抵抗作用。

尽管一些研究人员已经用物理和化学方法，例如：蒸发，光降解，光催化以及高级氧化，来处理含有硝基酚的废水，但是，厌氧生物降解才是最终的降解途径。

厌氧生物处理系统之所以对硝基酚的去除是一种有前景的应用，是因为厌氧微生物能够降解这些污染物成分。

在厌氧条件下，不稳定的亚硝基化合物和羟胺的中间产物的结合结果会形成复杂的偶氮化合物和氧化偶氮化合物。

在好氧过程中使硝基团分离的高能电子是控制PNP的芳族环不被氧化裂解的主要因素。

但是，在厌氧条件下，硝基酚已经转化为它们相应的胺类。

通常，芳香胺的毒性要比与之相应的硝基酚小500倍。

这说明，厌氧条件能够去除含有硝基酚废水的毒性，即使不能完全使之矿化。

大部分对与PNP降解的研究集中在能够提供大量污泥的厌氧和高级氧化过程，这一过程的费用也很大。

通过查阅文献，很少发现利用ABR反应器厌氧处理硝基酚的研究。

换言之，我们没有发现文献中对于利用ABR反应器处理含有硝基酚废水的研究。

因此，此项研究的目的便是：确定了实验室规模的ABR反应器在处理含有PNP的合成废水中的可行性。

目前的研究目的在于，研究ABR反应器中提高PNP负荷对于COD和PNP去除效率，总产气量以及甲烷产量的影响。

在ABR每一个隔室内PH，VFA以及PAP产生量的变化都会被监控和记录。

此外，我们已经知晓了PAP在PNP降解过程中的转化途径。

2 材料与方法2.1实验装置反应器是一个长60cm，宽20cm，高40cm的矩形箱子(图1)。

ABR反应器有效反应容积是38.4L，被垂直隔板分为四个相等的隔室。

但是，在本次研究中我们只用了三个隔室（有效容积是28.8L）。

每一个隔室又被斜棱为45度角的隔板分为两部分，其目的是促进每个隔室的充分混合，在其中构成了上水区和下水区。

液流在隔室分区内交替地上升和下降，使废水和微生物在隔板上有效地混合和接触。

换言之，在升流过程中，废水接触活性生物并被均匀分布和保留在反应器中。

反应器的隔室中不需要加入额外的搅拌。

下水区的宽度是4cm，上水区的宽度是11cm。

液流从一个隔室穿到另一个隔室是通过一条距离隔室顶部大约80mm高，尺寸为40mm*10mm的通道。

取样口位于距离每个隔室出口通道后面40mm的地方。

污泥取样口位于隔室的中心，距离隔室底部80mm。

养料靠软管泵抽取流入。

ABR反应器的出口连接一个U型管用来控制废水的液位和收集固体。

产生的气体通过反应器上部的气门收集。

反应器运行温度保持在37±1度，靠将ABR反应器放置在加热器上实现。

这就给反应器中所有隔室提供了均匀的温度。

位于第二隔室中央的数字温度探测器提供了持续的操作温度。

2.2接种污泥ABR反应器接种的污泥是从土耳其伊兹米尔Pakmaya Yeast Beaker工厂UASB反应器中取出的颗粒状厌氧污泥，其包含了颗粒状的酸化菌菌胶团和产甲烷菌菌胶团。

颗粒状的厌氧污泥被引进到ABR的四个隔室内。

每个12L大的隔室含有6L颗粒污泥，其悬浮固体含量在启动周期内达到40gSS/L。

经过240天伴随PNP连续运行期，隔室内SS浓度变化范围是在45-55g/L。

SS的浓度并不影响ABR反应器各个隔室内的有机负荷。

因此，污泥负荷是计算不了的。

长的细胞保留时间导致了反应器中污泥停留时间（SRT）可达400-600天。

所以，污泥产量很小并且被保留在反应器中。

这套系统不需定期排泥，因为本次研究在恒定水力负荷条件下在第三隔室的流出物中观察到冲刷下来的生物量微不足道。

2.3合成废水的组成葡萄糖作为主要基质提供了3000mg/L浓度的COD，范德比尔特矿质培养基作为营养物质，两者与对硝基酚一同使用。

这个培养基的制备用到了蒸馏水，其中溶解了0.4g/L的硫酸镁,0.4g/L的氯化铵,0.4g/L的氯化钾，0.3g/L的硫化钠,0.08g/L的磷酸一氢铵，0.05g/L的氯化钙，0.04g/L的氯化亚铁，0.01g/L的氯化钴，0.01g/L的碘化钾，0.01g/L的六偏磷酸钠,0.5mg/L的氯化铝，0.5mg/L的氯化锰，0.5mg/L氯化铜，0.5mg/L氯化锌，0.5mg/L偏钒酸铵，0.5mg/L钼酸钠，0.5mg/L的硼酸，0.5mg/L氯化镍，0.5mg/L钨酸钠，0.5mg/L硒酸钠和0.01mg/L 的孕尿翳。

当养料指示ABR反应器进入还原条件时通过加入0.5mg/L的巯基乙酸钠溶液来维持厌氧条件。

为了防止TVFA的积累和保持pH中性，向反应器中加入5000mg/L的碳酸氢钠。

2.4分析方法ABR反应器隔室内的悬浮固体（SS）通过膜过滤技术来测得。

进水和出水取样的COD浓度通过密封回流比色法来确定。

气体产量通过排液集气法来确定。

将气体通入含有2%（v/v）硫酸和10%（w/v）氯化钠的蒸馏水溶液测得总气量。

甲烷气体量是用3%（w/v）氢氧化钠溶液测得。

出水和反应器中各个隔室内的TVFA和碳酸氢盐碱度是用Anderson-Yang滴定法来测得。

甲烷含量是通过甲烷计测得（digital Drager PX methane-meter）。

PH和氧化还原电位是用数字PH计电极和Sen Tix ORP数字电极测得。

苯酚是用分光光度法测得。

厌氧毒性分析的测试就像Owen说明的那样是在35摄氏度下用150ml的血清瓶完成的。

2.4.1对硝基酚的测定对硝基酚的测定是利用三氨基甲烷-盐酸溶液的紫外线分光光度法，其最大波长不超过400nm。

样品以4000rpm离心处理10分钟，上层清液的吸光度的值就能测得。

2.5ABR反应器的运行ABR反应器在起始阶段的60天中对不含PNP的合成废水连续处理直到COD 的去除率和甲烷气体含量稳定下来。

随后，反应器在240天中，不断增加PNP浓度（从10mg/L到700mg/L）。

这相当于将PNP负荷分别从每天0.96g/m3增加到67.9g/m3。

进水COD浓度和COD负荷在厌氧运行中保持在3000mg/L和0.289g/m3每天。

葡萄糖不仅提供了3000mg/L浓度的COD，还作为共基质在去除对硝基酚的过程中提供电子。

水力停留时间控制在恒定的10.38天。

生物固体停留时间保持在400-600天。

在厌氧阶段，不能有溶解氧存在，氧化还原电位控制在360mV 左右。

第三隔室的液体取样口用作ABR反应器的出水口。

所有采集数据过程在稳态条件下进行。

稳态条件是定义在COD去除率高于75%，甲烷产率在45%以上的条件。

图表中的结果是三个取样口的平均值。

3.结果与讨论3.1 对硝基酚对厌氧颗粒微生物的毒性研究根据甲烷气体产量，我们采用血清瓶来进行厌氧毒性分析测试。

每次试验的操纵装置和测试瓶都要维护和清洗。

所有试验的温度都要控制在35摄氏度。

血清瓶要温育48小时来提高对硝基酚的浓度（1-100mg/L）。

当PNP浓度能够降低50%的甲烷气体产量时，记作IC50。

在这项研究中，PNP IC50的值为26.5mg/L。

3.2 ABR反应器起始阶段由于用于接种的细菌种群要被置于ABR反应器的厌氧环境当中，种群适应新环境的阶段就显得十分重要。

ABR反应器在未加入PNP的稳态条件下运行了60天，使颗粒污泥适应反应器的环境。

图2和图3展示了起始阶段反应器中COD 的去除率和甲烷气体含量百分比。