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添加铁粉提高废水厌氧生物处理效率初探
作者:刘诗媛    文章来源:本校    点击数:    更新时间:2008-5-20    
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一.引言

水是地球上一切生命不可缺少的基本物质,是人类社会赖以生存和发展的宝贵自然资源。本世纪以来,由于世界各国工农业迅速发展,城市人口急剧增加,生产和生活的用水量也随之剧增。同时,大量生产和生活污水排入江河、湖泊及渗入地下,使众多水源遭受污染,导致包括我国在内的许多国家面临严重缺水形势。所以,防治水污染、保护水环境,已成为当今世界性的问题,更是我国环境保护工作的当务之急 。能否利用我们在化学课上所学的关于污水处理的知识和对已经学过的各种还原反应方程式的理解,找到一种操作简单、成本低、效率更高的污水处理技术,是我们一直在思考的问题。   

由于城市日常排出的废水属于低浓度废水,因此城市污水处理厂在废水处理中常采用好氧生物技术,最为常见的如活性污泥法。但对于像酒精厂、淀粉厂、啤酒厂、制糖厂排出的高浓度有机废水,好氧生物技术处理废水方法效率不高,而类似于沼气发酵的厌氧生物技术更适用于处理这类废水。与好氧技术相比,厌氧生物处理技术效率更高、运行成本更低、剩余污泥少、生成沼气(含75%甲烷),是一种很有前景的技术。但是厌氧微生物生长缓慢,需稍高的环境温度(28-35),微生物活性易受废水中毒性物质影响而大幅降低。所以,提高厌氧微生物活性和处理效率、降低毒性物质影响应该是一个值得探索的课题。

在阅读书籍和查阅文献的时候,我们发现近年来零价铁被用于地下水污染修复(铁格栅)和废水预处理(铁碳内电解),已经逐渐成为一个研究热点。这些研究认为通过零价铁的微电解效应及其还原作用等物理、化学过程降低污染物毒性。也有人认为零价铁可以为多种微生物提供电子,如铁还原菌、硫酸盐还原菌、产甲烷菌等,促进这些微生物对难降解有机污染物的降解。从上述线索中,我们想到了在厌氧生物处理系统中添加零价铁,很有可能会提高厌氧微生物活性,进而提高厌氧水处理效率。由此,我们设计了一个简单的试验,来验证这个猜想。

 

二.材料和方法

本文通过在模拟的厌氧水处理系统中添加和不添加零价铁的对比试验,来验证添加零价铁对厌氧水处理是否有促进作用。模拟的厌氧水处理系统由三角瓶、人工配置废水、厌氧消化污泥及沼气收集器组成(见图1)。主要通过观察沼气产生量是否增加、剩余COD(化学需养量,下略)值是否下降来判断添加零价铁对微生物活性和处理效率的促进作用。

具体实验步骤如下:取六个1000ml三角瓶,分别在其瓶口塞上橡胶塞。每个橡胶塞上留一孔,允许一个玻璃管穿过。每个三角瓶内装入600ml人工配置的有机废水。每600ml人工有机废水中含有面粉5.0g1.0g尿素和0.2g磷酸二氢钾。每个三角瓶中加50ml从沈阳北部污水处理厂的厌氧消化池中取的厌氧消化污泥(主要含有具活性的厌氧微生物)。六个三角瓶中,向其中三个三角瓶中加入2g铁粉,另外三个三角瓶不加铁粉。采用排水集气法收集三角瓶内产生的气体,即:在橡胶塞的玻璃管上连接一根乳胶管,插入一个灌满水的200ml量筒中,量筒倒置于盛有水的烧杯中(烧杯中的水需要事先用盐酸调节pH值至2.0以下,以避免沼气中的CO2被水吸收)。这样的话,从三角瓶内产生的沼气就被收集在量筒里了,可以通过量筒的刻度读出产生的沼气量。

上述各个部件之间需要保持较好的气密性,如玻璃管与橡胶塞之间可以用玻璃胶密封,三角瓶与橡胶塞之间可以用凡士林密封。

将上述六个三角瓶及集气量筒置于30℃恒温箱内培养。每天记录沼气产生量,在培养的第10天,取三角瓶内的上清液测定其COD值。

1. 实验装置示意图(添加铁粉组与对照组的区别在于后者不加铁粉)

 

三.结果与讨论

1列出的是沼气产生量与剩余COD值的测定结果。

  

铁粉组

对照组

重复1

重复2

重复3

平均值

重复1

重复2

重复3

平均值

沼气产生量

ml/天)

380

372

376

376

344

353

356

351

剩余COD

mg/L

3840

4130

3880

3950

4650

4280

4960

4630

 

实验结果显示添加铁粉组三角瓶的沼气产生量平均值为376ml/天,不加铁粉的对照组为351ml/天,添加铁粉使沼气产量增加了7.1%。添加铁粉组和对照组的上清液COD值分别为39504630mg/L,添加铁粉使上清液的剩余COD值下降了17.2%。沼气产生量和COD去除量均是反应水处理系统微生物活性和处理效率的指标,在上述结果中即看到了沼气产生量增加,也看到了COD去除量增加,这充分证明了添加铁粉提高了厌氧系统的微生物活性和处理效率。

零价铁用于水处理的研究,以往主要是利用其电化学特性来降低污染物毒性(如铁碳内电解),很少考察零价铁对微生物活性的影响及促进。通过添加零价铁来提高厌氧水处理系统的微生物活性和水处理效率,尚未见相关报道。

添加零价铁提高了厌氧水处理中的微生物活性和处理效率,可能是通过如下原理实现的:

1)厌氧条件下的水溶液中,零价铁粉发生电化学反应,失去电子成为Fe2+Fe3+Fe-e-Fe2++Fe3+),电子则被水中的H+所捕获,形成了H2H2OH++OH-2H++2e-H2↑),H2CO2随后被厌氧消化污泥中的产甲烷细菌利用成了CH4

2)作为厌氧微生物的必需元素,提供丰富的Fe2+,利于微生物生长繁殖。

本文属于对零价铁促进厌氧微生物活性和提高处理效率的初步探索,若需深入开展进一步研究,,还需要完善试验设计,如:

1)所采用的模拟废水,应加大其浓度和难降解性波动幅度,

2)适当降低或提高环境温度,考察有无零价铁情况下处理效果的差别,

3)增加对废水COD值测定频度、增加对沼气中甲烷含量的测定,

4)采用模拟厌氧反应器进行对比性试验。

 

四、结论

在模拟的厌氧废水处理系统中,通过添加和不添加零价铁的对比试验,证明了添加零价铁对厌氧水处理效率确实有显著促进作用。又由于该方法操作简单,只需要在需处理的废水中,添加铁粉,且与好养废水处理系统成本相比,处理成本低,因此,该方法在今后针对酒精厂、淀粉厂、啤酒厂、制糖厂排出的高浓度有机废水处理方面有着很好的应用前景。

 

 

本文获2008年“沈阳市第二十三届青少年科技创新大赛”论文评比一等奖

文章录入:张民强    责任编辑:张民强 
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