陳 琳

宿州職業(yè)技術(shù)學(xué)院農(nóng)藝系，安徽宿州，234101

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超聲波強(qiáng)化SBR處理黃連素制藥廢水

陳 琳

宿州職業(yè)技術(shù)學(xué)院農(nóng)藝系，安徽宿州，234101

為了提高對(duì)黃連素制藥廢水這類高濃度有機(jī)廢水的處理效率，采集某制藥廠黃連素生產(chǎn)工藝混合廢水，通過(guò)室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)研究超聲波對(duì)序批式活性污泥法(SBR)處理制藥廢水的促進(jìn)作用。結(jié)果表明，超聲波預(yù)處理的最佳實(shí)驗(yàn)條件：超聲波頻率設(shè)為600 W，超聲波處理時(shí)間設(shè)為4 min。與單獨(dú)使用SBR處理工藝相比，在最佳超聲波處理?xiàng)l件下，超聲波強(qiáng)化SBR處理黃連素制藥廢水出水中COD平均去除率從50.8%上升到92.3%，黃連素平均去除率從22.9%上升到91.9%。說(shuō)明利用超聲波對(duì)廢水預(yù)處理，能夠提高SBR工藝對(duì)廢水的處理效率，有效處理黃連素制藥廢水。

制藥廢水；黃連素；超聲波；SBR

黃連素是抗生素的一種，又稱鹽酸小檗堿，是具有多種藥理學(xué)和生物學(xué)作用的一種異喹啉天然生物堿，分子式為C20H18NO4，化學(xué)結(jié)構(gòu)式如圖1所示[1]。目前，黃連素的生產(chǎn)主要有植物提取法和化學(xué)合成法。其中，化學(xué)合成法因?yàn)樯a(chǎn)量大、生產(chǎn)效率高而被廣泛應(yīng)用。但在黃連素的化學(xué)合成中，會(huì)產(chǎn)生大量高濃度有機(jī)廢水。由于廢水中含有大量的黃連素，具有較強(qiáng)的生物毒性，所以直接用生物處理方法往往難以運(yùn)行[2]；而單純用物理、化學(xué)方法處理運(yùn)行成本又高。因此，通過(guò)增加物化預(yù)處理過(guò)程，提高生物處理的效果是處理此類廢水的重要方向。

圖1 黃連素結(jié)構(gòu)式

目前，國(guó)內(nèi)外常用的物化預(yù)處理技術(shù)有氣浮法[3]、電絮凝法[4]和高級(jí)氧化處理[5-6]等。其中，高級(jí)氧化法因其效率高、可提高廢水可生化性等特點(diǎn)而被研究和應(yīng)用[7]。與紫外線、熱、電、Fenton處理等方法相比，超聲波因其設(shè)備簡(jiǎn)單、處理效果好等優(yōu)勢(shì)而越來(lái)越受到關(guān)注。超聲波處理廢水中有機(jī)物的過(guò)程是一個(gè)物理化學(xué)過(guò)程，基于超聲空化作用而形成的一系列變化，通過(guò)高溫?zé)峤?、自由基氧化、超臨界水氧化以及聲波機(jī)械效應(yīng)等過(guò)程，實(shí)現(xiàn)廢水中有機(jī)物的降解。已有研究表明，超聲波處理能夠有效降解染料廢水、焦化廢水、制藥廢水中的難降解有機(jī)污染物，提高廢水可生化性[8-10]。因此，研究采用超聲波處理技術(shù)對(duì)黃連素制藥廢水進(jìn)行預(yù)處理，聯(lián)合序批式活性污泥法(SBR)處理，探討超聲波聯(lián)合SBR處理技術(shù)處理黃連素制藥廢水的可行性，可為工程實(shí)踐提供參考。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

黃連素制藥廢水采自某制藥廠黃連素生產(chǎn)工藝混合廢水，主要污染物為黃連素，同時(shí)含有多種黃連素合成副產(chǎn)物，水質(zhì)成分復(fù)雜，水樣呈棕紅色，濁度較高。廢水理化性質(zhì)分析結(jié)果如表1所示，呈強(qiáng)酸性，B/C為0.12，難于生物培養(yǎng)。

表1 黃連素制藥廢水理化性質(zhì)

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

如圖2所示，實(shí)驗(yàn)裝置由超聲波發(fā)生控制器、超聲波反應(yīng)器和SBR反應(yīng)器三部分構(gòu)成。超聲波反應(yīng)器為南京先歐儀器制造有限公司生產(chǎn)的超聲波細(xì)胞破碎儀，型號(hào)為XO-2500D，工作頻率為20 kHz，可選變幅桿有Φ15 mm和Φ20 mm，可調(diào)超聲波輸出功率范圍為100～1000 W。超聲波反應(yīng)器和SBR反應(yīng)器分別是有效容積為5 L和20 L的圓柱形有機(jī)玻璃容器。

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 超聲波處理實(shí)驗(yàn)

研究表明，pH為6.0～8.0時(shí)，SBR處理效果較好[11-13]，因此，設(shè)定進(jìn)水pH值為7.0，在超聲波實(shí)驗(yàn)前，用1 mol/L H2SO4溶液或1 mol/L NaOH溶液調(diào)節(jié)原水至所需pH值。通過(guò)控制條件，研究超聲波聲功率和作用時(shí)間對(duì)黃連素制藥廢水處理效果的影響。

取5 L廢水加入超聲波反應(yīng)器中，將變幅桿沒(méi)入水下3 cm，通過(guò)超聲波發(fā)生控制器設(shè)定超聲波功率為200 W，分別在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始的1、2、3、4、6和8 min取樣，測(cè)定水中黃連素、CODcr及BOD5的含量。之后向超聲波反應(yīng)器中換入原水，在超聲波功率為400、600、800和1000 W條件下重復(fù)實(shí)驗(yàn)過(guò)程，綜合確定超聲波處理的最佳聲功率和作用時(shí)間。

1.3.2 超聲波強(qiáng)化SBR處理實(shí)驗(yàn)

(1)污泥馴化。向SBR反應(yīng)器中加入少量制藥廢水，再加入生活污水20 L，污水COD含量465±23 mg/L，氨氮含量35.5±1.1 mg/L，SS含量74.8±2.6 mg/L，污水pH為7.5±0.4，呈中性。污泥采自徐州某制藥廠好氧生物處理設(shè)備活性污泥，放入反應(yīng)器中，曝氣處理，控制溶解氧在2～4 mg/L。待出水CODcr濃度穩(wěn)定后，逐步增加反應(yīng)器中制藥廢水的量。定期監(jiān)測(cè)工藝進(jìn)出水CODcr、污泥沉降比(SV30)和污泥體積指數(shù)(SVI)。最后，制藥廢水處理出水水質(zhì)穩(wěn)定，SV30穩(wěn)定在18%左右，SVI穩(wěn)定在65 mL/g左右，表示污泥馴化成功。

(2)超聲波強(qiáng)化SBR處理黃連素制藥廢水。將制藥廢水置于超聲波反應(yīng)器中，在最佳處理?xiàng)l件下進(jìn)行超聲波處理。將處理后的黃連素廢水排入SBR反應(yīng)器，設(shè)定SBR運(yùn)行周期為10 h，其中進(jìn)水0.5 h，曝氣反應(yīng)時(shí)間為6 h，污泥沉降時(shí)間為1.5 h，出水時(shí)間為0.5 h，閑置時(shí)間為1.5 h。SBR反應(yīng)系統(tǒng)溫度穩(wěn)定在20℃左右，MLSS為4.33～4.75 g/L。經(jīng)SBR反應(yīng)處理后，測(cè)定出水中黃連素、CODcr含量。同時(shí)，將未經(jīng)超聲波處理的廢水進(jìn)行SBR處理實(shí)驗(yàn)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比評(píng)價(jià)超聲波強(qiáng)化SBR處理黃連素廢水的效果。

圖3 超聲波處理黃連素制藥廢水COD和黃連素去除率變化

1.4 樣品測(cè)試

黃連素采用紫外分光光度法在340 nm處測(cè)定[14]。CODCr測(cè)定采用重鉻酸鉀法(GB/T 11914-1989)，BOD5測(cè)定采用稀釋與接種法(HJ505-2009)，pH測(cè)定采用玻璃電極法(GB/T 6920-1986)。

2 結(jié)果與討論

2.1 超聲波處理黃連素制藥廢水

不同超聲波功率和輻射時(shí)間下，黃連素廢水處理出水CODcr和黃連素含量變化如圖3所示。結(jié)果表明，單獨(dú)使用超聲波反應(yīng)器處理黃連素廢水有一定的效果，在實(shí)驗(yàn)設(shè)定條件下，當(dāng)超聲波功率為600 W時(shí)，廢水CODcr和黃連素的去除率達(dá)到最高，分別為37.5%和83.4%。從圖3中可以看出，實(shí)驗(yàn)前期，隨著超聲波處理時(shí)間的延長(zhǎng)，出水中COD和黃連素去除率不斷增加，之后趨于穩(wěn)定，COD去除率甚至出現(xiàn)一定程度的降低。這是由于在超聲波的作用下，水中有機(jī)污染物發(fā)生自由基氧化和高溫?zé)峤夥磻?yīng)，被分解形成二氧化碳和水，導(dǎo)致水中COD濃度下降；同時(shí)，隨著處理時(shí)間的延長(zhǎng)，水中自由基含量不斷增大，在空化氣泡產(chǎn)生和崩滅過(guò)程中形成的巨大剪切力和自由基的雙重作用下，一些大分子有機(jī)物的碳碳鍵發(fā)生斷裂，形成能被重鉻酸鉀氧化的小分子有機(jī)物，導(dǎo)致廢水COD升高，COD去除率降低。

隨著超聲波頻率的逐漸增加，出水COD和黃連素去除率呈先增大后減小的趨勢(shì)變化，在400～600 W的范圍內(nèi)，超聲波處理黃連素廢水的效果較好。在超聲波頻率為200 W時(shí)，水中形成的自由基濃度較低，制藥廢水中難降解有機(jī)污染物很難得到去除；之后，隨著超聲波頻率的增加，水中羥基自由基的濃度也逐漸增加[15]，促進(jìn)水中有機(jī)污染物的降解，水中COD和黃連素去除率增大。當(dāng)超聲波頻率繼續(xù)增大超過(guò)600 W時(shí)，水中有機(jī)污染物的去除率反而逐漸降低，這主要是由于過(guò)高的超聲波頻率導(dǎo)致大量的空化氣泡產(chǎn)生，進(jìn)而導(dǎo)致超聲波的傳播被屏蔽，系統(tǒng)可利用的聲能量降低[16]，降解速率下降。

從圖3中可以看出，當(dāng)超聲波頻率為400～600 W時(shí)，處理時(shí)間延長(zhǎng)能夠有效去除水中有機(jī)污染物，但是由于長(zhǎng)時(shí)間的超聲波處理會(huì)導(dǎo)致廢水水溫過(guò)高，不利于后續(xù)生物反應(yīng)器中反應(yīng)進(jìn)行，同時(shí)結(jié)合表2所示的BOD分析結(jié)果，在超聲頻率為600 W，處理時(shí)間為4 min時(shí)，出水B/C已達(dá)到0.33，可用于生化處理，因此，選擇超聲波處理最佳條件為：初始pH為7，超聲波頻率為600 W，超聲處理時(shí)間為4 min。

表2 出水BOD檢測(cè)結(jié)果

2.2 超聲波強(qiáng)化SBR處理黃連素制藥廢水

由表3可知，在黃連素制藥廢水處理中，單獨(dú)的SBR處理工藝對(duì)黃連素制藥廢水COD的去除效果并不理想，特別是黃連素的平均去除率僅達(dá)到22.9%，不能滿足廢水排放要求，主要由于一方面水中黃連素的存在抑制了SBR處理系統(tǒng)中微生物的活性，導(dǎo)致微生物對(duì)有機(jī)污染物的降解緩慢[17]；另一方面制藥廢水中含有大量難以生物降解的大分子有機(jī)污染物，在短時(shí)間內(nèi)很難被大量降解[18]。超聲波強(qiáng)化SBR處理工藝優(yōu)于單獨(dú)的SBR處理工藝，COD和黃連素去除率平均為92.3%和91.9%。由于超聲波的作用，廢水中大分子有機(jī)物被分解成易于生物降解的小分子有機(jī)物，經(jīng)生物處理后被徹底降解。綜合分析可以看出，超聲波強(qiáng)化SBR處理工藝能夠去除廢水中黃連素等有機(jī)污染物，為黃連素制藥廢水處理提供依據(jù)。

表3 不同處理方式對(duì)出水污染物去除率的影響

3 結(jié) 論

采集某制藥廠黃連素生產(chǎn)工藝混合廢水，利用超聲波強(qiáng)化SBR處理工藝對(duì)制藥廢水進(jìn)行處理，結(jié)果表明，在設(shè)定廢水初始pH值為7的條件下，超聲波預(yù)處理的最佳實(shí)驗(yàn)條件為：超聲波頻率為600 W，超聲波處理時(shí)間為4 min，COD和黃連素去除率分別為32.7%和71.5%，廢水B/C由0.12上升到0.33。在最佳超聲波處理?xiàng)l件下，超聲波強(qiáng)化SBR處理黃連素制藥廢水出水中COD和黃連素去除率平均為92.3%和91.9%，表明對(duì)于實(shí)際廢水而言，超聲波強(qiáng)化SBR處理工藝是一種有效的處理技術(shù)。

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(責(zé)任編輯：汪材印)

10.3969/j.issn.1673-2006.2016.06.030

2016-02-22

安徽省高等學(xué)校省級(jí)自然科學(xué)研究一般項(xiàng)目“皖北地區(qū)發(fā)展生態(tài)工業(yè)園區(qū)模式的研究”(KJ2013B294)。

陳琳(1974-)，女，安徽靈璧人，碩士，講師，主要研究方向：環(huán)境生態(tài)學(xué)。

X703.1

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1673-2006(2016)06-0110-04