工艺技术聊聊：厌氧处理技术的毒性反应

查看全部 · 发表于 2021-4-27 17:14:52

带有双键或醛基的活性有机物对于未经驯化的生物体来说是有毒的,但如果控制适当的SRT,是可以被降解的。应用合适的方法,三氯甲烷和三氯乙烯这样一些氧化有机物现在可以被厌氧常规生物转化。

许多工业废水很适合于厌氧处理,但可能对厌氧生物体有毒(大部分工业废水都含有某种有毒的戎分)。还好人们证实:在环境条件有利时,厌氧和好氧生物处理工艺能够从含有抑制物的废水中有效去除多种有机污染物。而且,如果对厌氧微生物采取适当的预防措施(即小心地慢慢增加抑制物的浓度,同时防止生物体上系统中流失,直到生物降解或驯化),许多种附带的有机有毒物是能够得到厌氧生物降解的。

许多好氧法无能为力的氯化有机物,如三氯甲烷和四氯化碳,也曾经被认为不能用厌氧法处理。如今,通过适当的操作控制并采用合适的进水方式,也可以进行厌氧生物转化。尽管带有双键或醛基的活性有机物对于未经驯化的生物体来说是有毒的,但如果控制适当的SRT,最终可以容易地被降解。另外,重金属可以被螯合或者沉淀,在这两种情况下,都将失去毒性。

已经证实,厌氧处理能够大大降低造纸厂废水的毒性,这是一个很好的例子,向我们展示了厌氧处理的应用前景。确实,厌氧工艺对短链高氯化脂肪族有机物具有潜在的生物降解能力并对有毒组分具有破坏能力,这一点正是人们选择采用厌氧处理的一个主要原因。

不同学科对毒性.毒物和披制这三个词有着不同的定义,有的学科用这些词表示致死的,不可逆转的事件或效应。

本文中,正如在其他的微生物文献中一样,采用如下定义:

毒性: 对细菌代谢有害的效应(不一定致死)。
毒物: 废水中对细菌代谢有害的物质。
抑制: 减弱细菌的功能

有助于厌氧去除毒物的几个条件

稳定和有效地处理有毒性的废水的关键是适当的驯化和保证有高的SRT。

稳定和有效地处理较高毒性的废水,关键在于找到一种适当的方法进行驯化和维持系统中足够的生物安全系数也即有高的SRT。这一条件可以通过设计一个有效且高效的生物固定化系统来满足。所以说生物固定化对于适应毒性是一个关键的设计和运行问题。

尽管废水的毒性冲击会引起处理效率的暂时下降(引起了细胞功能的停止),但是很少会引起细胞的死亡,所以种菌仍旧保持存活。只要生物体仍保留在系统内,毒物冲击随出水流出后,工艺的运行状态是能够恢复的。

毒物去除的有利条件

* 毒物浓度远低于其IC50浓度(即引起生物体50%抑制的浓度)
* 在处理条件下毒物本身是可以生物降解或者能被螯合分离的
* 生物体对这种毒物能够驯化

1、阳离子毒性

所有的毒物所表现出的毒性与其浓度有一定的关系。所以说,如果一种毒物对生物体活性的抑制程度为50%,则需要用两倍的生物量来处理给定数量的污染物。相反,如果不另外投加生物体,该工艺仍然可以对有机污染物进行可靠的处理,但出流浓度也许会逐渐升高。

除了含有高浓度可降解有机物外许多工业废水中Na+或K+的浓度会高达6000-15000mg/L,要求微生物能够耐受较高的阳离子浓度。

过去传统的厌氧处理已经证明,当Na+浓度高于约5000mg/L时，即具有明显的阳离子毒性。但经过驯化后,Na+浓度可高达15000mg/L,利用速率相当于低钠对照处理系统的50%。

2、对有机毒物的免疫

在医学实跑中,采用低剂量或良性形态的特定病原微生物对人体进行接种,诱发体内的抗体,以防止将来接触到这种病人而受到感染。这种方法已经被内科医生成功沿用了许多年。

在废水生物处理中也可以成功地运用类似的原理,有目的地间隔一定的时间投加低剂量的有毒污染物如三氯甲烷或氰化物,使得微生物处于驯化好的状态,以防将来在处理过程中接触到这种有毒污染物。

3、毒性降低

高负荷厌氧处理中,补充共基质能够降低氯酚毒性的93%,没有补充共基质情况下,只降低了67%。

Salkingja-Salonen等对比了纸浆和造纸废水厌氧处理前后的色谱图,证实了毒性的降低(1982}。

最近的研究中,人们发现在高负荷厌氧处理中,补充共基质能够降低氧酚毒性的93%(按毒性当量因子),但在没有补充共基质情况下,只降低了67%(Parker等,1993)。

4、顺序处理

为了进一步增强对氯化有机污染物的生物转化,人们开发出了厌氧处理后继续进行好氧处理的工艺(Zitomer和Speece,1993),另行讨论。

5、驯化作用

经过适当的驯化，生物体对某些毒物的毒性阈值的浓度可能会增加10倍。

生物体对某些毒物表现出罕见的可驯化能力。同样浓度的有毒物对未驯化生物体可能是抑制性的,可以使活性完全丧失; 而对经过适当驯化后的生物体却不会引起活性的下降。经过充分驯化以后,对某些毒物的毒性阈值的浓度可能会增加10倍。

让我们回顾一下由欧洲征服者传染到北美大陈的普通疾病,如麻疹,一开始给本地土著居民带来了灾难性后果,但是后来,对他们表现出的毒性却下降了,因此,对于进入厌氧处理工艺的许多毒物如三氯甲烷、酚类、硫化物以及钠离子,通过对它们浓度的逐渐提高,会产生类似令人鼓舞的结果。

6、充足营养

除了基质以外,所有其它的营养必须维持在非限制条件。毒性和营养缺乏的征兆是相似的(处理效率下降),这会使人们容易误将营养缺乏当作毒性问题。进行毒性检定时,应防止营养缺乏,这是操作者的责任所在。

7、毒性监测

煤矿中,采用金丝雀作为易受毒害的指示生物,它能够敏感地预示出在某些地下区域由于存在有毒气体可能危及进入地下的矿工的生命的环境,以防止矿工进入。

工业废水中可能存在的毒性也可以通过类似方法来预测。先让少量生物体来一次性处理一小股旁流废水,这可以预先提醒运行人员,以防主处理工艺中的生物体遇到危险。

厌氧生物体可以采用小型厌氧滤池或膜反应器来固定化,通过测定旁流实际废水的甲烷产率就可以起到毒性检出作用。

在一些工业运行中,工艺控制过程并没有被严密监测,而是让废水进人一个在单独的池子里停留24h,检定其毒性,如果能通过毒性检定,那么就可以进人生物处理工艺。

重金属的存在可能引起毒性,它可以使好氧处理失败,但很少影响厌氧工艺,这是国为产生了硫化物沉淀。

对某些毒物可以用化学分析来检定其是否有害,在较复杂的毒性条件下可以采用生物检定的方法来确定毒物,正如好氯工艺中用氧气呼吸仪一样。而同样的生物检定概念应用在厌氧工艺时,其操作稍微要简单一些,因为只需要测产气率。

有可以将高浓度固定化细胞和废水接触5min,来指示好氧BOD5相关值的商用设备。厌氧系统中,可采用同样的原理来指示BMP5相关值,并用来监测工业废水中的毒性。

8、其它监测方法

Erasin等开发出了一种生物检定装置,用聚胺基甲酸乙酯泡沫塑料作为载体固定厌氧生物体,用于评价进水毒性(1994)。也可以用血清瓶作间歇检定,使产生的气体首先通过一个二氧化碳去除器来监测甲烷的产生情况。

甲烷是甲烷菌生长状况的主要指示物,二氧化碳含量可能由于中和有机酸而升高。

一个已在生产装置中获得采用的想法是将剩余生物体存放在现场的一个容器中,不管废水有没有毒性,总是先流进这个剩余生物体反应器,后进入正式处理系统。

Colleran、Young和Cadena(私人交流,1994)曾经给出一个用来追踪甲烷产气率的计算机监测系统,通过它就可以知道生物体活性。

9、已报道的毒性值范围

文献中常常报道厌氧系统中某种毒物的毒性值范围,但往往互不相同,令人无所适从。

当然实验误差会带来一些不同,但其它的因素能够引起更大的差别,如系统负荷率、生物体浓度、驯化的影响营养状况。

10、系统的有机负荷率、生物体浓度

关于毒性的数据必须根据检定的条件加以解释,在非限制基质条件下IC50毒物浓度会降低。

生物量增加可以抵消一部分废水中升高的毒性。

有机负荷率是一个极为重要的工艺控制参数。低浓度的有机污染物往往很容易降解(尤其是三氯申烷),但是当负荷较高时,代谢可能受抑制。

所以在确定的毒性检定中,必须使试验中仅将毒物浓度作为控制因素,而其它因素都保持非速度限制状态。

采集毒性数据时,一级基质应当保证浓度高使之为非速度限制浇度。

如果单位生物量代谢率远低于其最大代谢速率,毒物的投加可能几乎没有影响(因为生物体中有足够的贮存代谢能力以抵消毒性)。

反之如果毒性数据是在限制基质浓度的条件下得到,毒物的IC50浓度可能会高于基质浓度在非限制条件下得到的数值。所以说必须参照检定条件来解释毒性数据。

11、基质和产物毒性

大部分普通工业废水中污染物浓度远低于能表现出基质毒性的浓度。但高脂肪和煤转化废水可能具有明显的基质毒性。通过回流或至少在第一级采用完全混合反应器可以调整基质的毒性。

可以用一些日常生活中的例子来说明,基质和产物毒性的重要性,比如果酱和果冻中,由于高浓度糖分(>200000mg/L)的存在,抑制了微生物活性,所以吃起来美味可口;而在桃子罐头中,由于糖分浓度相当低,若不作灭菌处理,则会腐败。

酒的发酸也很能说明产物的毒性,如果乙醇浓度高于最大限度(约12%),发醇工艺将不能继续有效运行,所以若需要更高浓度,必须用蒸馏工艺取代发酵工艺。

大部分普通工业废水中,污染物浓度远低于能表现出基质毒性的浓度。但某些情况下,如加工制造土豆片、奶制品以及冰淇淋所产生的高浓度脂类废水,还有煤转化过程中废水中的化学成分都可能具有明显的基质毒性。

值得注意的是基质毒性并非不可避免,可以采用出水回流或完全混合反应器(至少在第一级)通过生物体的消耗来保持反应内与种菌接触的基质是低浓度。甲醛就是一个很好的例子,高浓度时毒性很大,低浓度时则很容易生物降解。

当有高浓度长链脂肪酸或醇类存在时,应当注意一下基质毒性。类似的还有一些高毒性化合物,如:带有双键或醛基的有机物、有机氢化物(丙烯醛、丙烯酸.甲醛.三氯甲烯以及三氯乙烯)。

甲烷化不会表现出产物毒性,因为甲烷是一种良性的、不溶于水的气体,因此能从水中逸出。另一方面,硫酸盐的还原容易导致产物毒性,因为H2S是溶解性的,高浓度时有毒,不仅对硫酸盐还原菌,而且对其它大多数微生物的活性具有严重抑制。类似的产

物毒性的例子还有NH3,尤其是在高pH值条件下探讨降解高浓度蛋白质类物质时会产生NH3毒性。

在一项研究中将乳脂加入到厌氧反应器,由烷化过程被抑制,并持续很长时间,直到恢复最初的不含乳脂的进水。进水中仅有100mg/L乳脂时产气降至原来的71%,而进水中有1000mg/L乳脂时产气降为原来的10%。Perle等(1995)}提出乳脂对生物活性的抑制主要是由于产生了长链脂肪酸。

油酸是乳脂水解的主要衍生物,对于产甲烷以及腺苷三磷酸浓度具有抑制效应。Irini和Ahring在他们的研究中证实了长链脂肪酸的抑制性,只有在投加活性炭或膨胀土来去除脂肪时,甲烷化才能进行(1995)。

据报道,未离解的乙酸和丙酸在高于一定浓度时对丙酸利用、乙酸利用和H2利用细菌是有毒性的(Boone,1995)。

12、基质的Ks和Ki值

许多普通有机物,如糖类或乙酸盐,对生物体产生基质毒性的浓度Ki和半速率常数Ks有很大不同。

Suidan等(1988)报道对于苯酚:Ks=0.03mg/L,Ki=363mg/L,这使得比利用速率和苯酚浓度的关系如图。

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