阐述煤矿酸性废水处理技术
煤矿酸性废水(acid coal mine drainage,ACMD)重金属离子和硫酸盐浓度高、pH 值较低,对生态环境具有严重的危害性,已成为全球性环境污染问题。传统处理ACMD 方法中,中和法成本较高、污泥处置不当还易引起二次污染。湿地法占地面积大,受环境影响很大,逸出的H2 S 对环境有污染。近年来兴起的微生物法具有运行费用低、环保实用、再生性强等优点,已经成为酸性矿山废水处理技术的前沿课题 。然而,低pH、高浓度重金属离子抑制以及持续碳源投加等问题造成目前微生物法未能大规模进行工程应用。众多研究表明,微生物固定化技术能够营造适宜的微环境,提高生物活性、耐毒性,已成为解决上述问题最有效的措施之一。包木太等采用海藻酸钠固定化包埋石油烃降解菌处理含油废水,一定条件下降解率> 50% ,高于游离菌的30% 。
大量研究表明,玉米芯含丰富的有机成分和矿质元素,作缓释碳源具有成本低、来源广泛、稳定性好的优点。铁屑具有增强SRB 环境耐受力和提高活性的作用,将其与SRB 协同应用于ACMD 处理已有较多报道。麦饭石是一种具有生物功能属性的矿石,具有良好的吸附性、溶出性、生物活性以及pH 双向调节性等多种理化特性 ,在污废水净化领域有较多应用。
然而天然麦饭石因表面孔道中含有大量杂质,影响其性能发挥。因此,本研究提出对麦饭石进行盐改性,该方法是将麦饭石浸渍于无机盐溶液中进行改性处理,其机理主要是基于麦饭石的离子交换能力。麦饭石经盐改性后,消除杂质使孔径和内表面积增大,同时具有带电性,极大提高麦饭石的溶出吸附能力及生物活性。狄军贞等 研究改性麦饭石对Mn2 + 和NH4 + -N 的去除效果,结果表明,当初始浓度为≤30 mg·L - 1 ,盐、碱改性相比未改性麦饭石对Mn2 + 去除率及吸附量都有明显提高。盐改性麦饭石通常采用硫酸钠等强酸强碱盐进行盐处理的效果比较好,这是因为强酸强碱盐的电解离充分。因此,改性效果上,盐溶液的阴离子为强酸根时优于弱酸根,无机盐优于有机盐。除盐的种类外,改性时间、盐溶液的浓度、用量,温度和pH,甚至是盐溶液的离子大小也都影响着改性的效果。本研究采用1 mol· L - 1 100 mLNa2 SO4 ,常温浸泡1 h,蒸馏水冲洗3 遍,风干对其进行盐改性。
本研究基于微生物固定化技术,利用盐改性麦饭石、玉米芯、铁屑制作固定化SRB 污泥颗粒。通过构建3 组动态反应器,考察不同水力负荷及污染负荷对反应器运行效果的影响,探寻固定化颗粒对ACMD高效原位处理适宜的水力条件,以期为煤矿酸性废水低成本、高效稳定的固定化生物治理以及盐改性麦饭石的应用提供参考。
1实验部分
1. 1固定化颗粒制备
根据课题组前述研究,采用质量百分比分别为15% 盐改性麦饭石,粒径大小200 ~ 300 目、30% SRB污泥、5% 玉米芯、5% 铁屑用以制备固定化颗粒。实验所需SRB 污泥为取自阜新市细河的活性底泥,去除杂质获取浓稠生物污泥后,加入改进型Starkey 式培养基,经实验室恒温厌氧培养,直到确定SRB 为优势菌种后进行实验。
按成分配比定量将9% 聚乙烯醇( PVA) 与0. 5% 海藻酸钠(SA) 混合并充分溶胀,90 ℃ 恒温加热至无气泡,再加入麦饭石、铁屑及玉米芯。冷却至室温时加入经3 000 r·min - 1 离心10 min 的SRB 污泥底物。搅拌均匀后,用注射器将上述混合物滴入pH = 6. 0 的含2% CaCl2 的饱和硼酸溶液中,室温下以100 r·min - 1 搅拌速度交联4 h,再用0. 9% 生理盐水洗净,4 ℃ 密封保存。用之前需无机培养基激活12 h。
将制备好的固定化颗粒分别进行XRD 和SEM分析,考察颗粒元素组成及微观形貌,分析结果见1和2。
由1 可知,经XRD 测定分析显示,颗粒表面有C、H、O、N、Si、Fe 和Al 等元素。其中,C、H 和O 等是聚乙烯醇+ 海藻酸钠凝胶和玉米芯的基本组成元素,Si 和Al 是麦饭石的组成元素,Fe 主要来自铁屑。
1. 2实验装置构建
实验动态柱采用高150 mm、内径60 mm 的圆柱形有机玻璃管,内部基质填料从下至上为高10 mm 粒径3 ~ 5 mm 石英砂层、20 mm 固定化颗粒、高10 mm粒径3 ~ 5 mm 石英砂层,进水采用自下而上的连续运行方式,进水量用蠕动泵和流量计调节控制。固液比为2 ∶ 11。实验装置如3 所示。共设置3 组动态柱,按不同水力负荷及水力停留时间分为1# 、2# 和3#动态柱。早期1# 、2# 和3# 动态柱对SO4^2- 平均去除率分别为48. 03% 、54. 08% 和65. 90% 。实验前3 d,SO4^2- 去除率缓慢上升,这表明固定化SRB 污泥颗粒逐步适应环境条件,其生活活性处于上升阶段。第4 天之后,SO4^2- 去除率急剧上升,原因是此时固定化颗粒内营养物质充足,COD/ SO4^2- 高于理论值0. 67,充足的能源和适宜的碳硫比促进SRB 活性,生物麦饭石活性较高,SO4^2- 还原率总体上达到较高水平。对比3 条曲线,低水力负荷3# 柱对SO4^2- 平均去除率远高于其余两柱。这可能是因为较长的水力停留时间使得SRB 还原菌对COD 利用率较高,此时碳硫比最高可达11. 28,固定化SRB 污泥颗粒生活活性较强,达到稳定期,能够高效进行代谢反应,去除效果显著。苏冰琴等 指出适当增加水力停留时间可加快颗粒SO2 SO4^2- 还原速率。后期提高污染负荷,微生物活性受到抑制,1# 、2#和3#柱平均去除率变为26. 88% 、31. 94% 和40. 07% 。3# 柱去除率仍远高于其余两柱,表明低水力负荷动态柱对高浓度污染物适应性较强,具有抗冲击负荷能力。欢迎了解更多关于与的相关信息，欢迎前来了解咨询。