废水处理设计--毒性分析

一、毒物的概述

不同学科对毒性、毒物和抑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:减弱细菌代谢的功能。

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。生物处理毒物所需要的条件如下：

1）毒物浓度远低于其IC₅₀浓度(即引起生物体50%抑制的浓度)。

2）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。

3）生物体对这种毒物能够驯化。

二、毒物毒性分析

毒物主要分为两大类:特定型和麻醉型。特定型毒物如氰化物，能够抑制特定的功能；麻醉型如三氯甲烷，能够导致麻醉，渐渐地干扰微生物功能。

可以从两方面讨论生物体的毒性反应：即毒物和生物量的比值以及同样毒物浓度投加到不同生物体浓度的反应器。后一种情况下，由于高的生物浓度使毒物和生物量的比值将会很低，所以，分配给单位重量生物体的毒物将按比例降低。然而，如果生物体不吸收或吸附毒物，不管生物体浓度大小生物所受到的毒物环境浓度将维持不变，在这种情况下，高生物浓度只是简单地补偿比活性的降低。

微生物的生理学状态也影响毒性反应，所以，由生化处理工艺中的SRT所反映的微生物的泥龄也影响毒性反应，也表明了微生物的健康状况。随着SRT的增加，活性高的生物体占的比例下降，部分抵消了这一优点。在生物体浓度相同时，幼龄细胞受到毒性的不利影响比衰老细胞要小。

三、厌氧反应器的毒性反应介绍

作为树脂、胶粘剂、合成纤维以及其他日用品生产的中间产物，丙烯酸在丙烯酸化工领域是一个重要的工业化学物质，这类工业废水中往往含有丙烯酸、轻丙烯酸脂以及短链脂肪酸。

这些废水的好氧处理实际上是不可能的，因为在生物降解前由于空气吹脱会发生严重的气味。但是，厌氧条件下，丙烯酸和它的酯类(甲酯、乙酯及丁酯)能够被完全分解。

毒物经过厌氧生物转化之后，接着发生的是中间代谢产物的降解过程。在稳态下，每个中间产物的浓度依赖于各自特定步骤的动力学历程，如果产生比消耗快,将会在反应器中引起积累。

例如，在三氯乙烯降解过程中，氯乙烯转化为乙烯是限速步骤，如果不降低负荷，会引起氯乙烯积累，这种降低负荷的办法是不得已的，因为三氯乙烯被怀疑是一种致癌物质，氯乙烯是已知的致癌物质。但是，氯乙烯的浓度比进水中三氯乙烯浓度低，所以设计时必须同时顾及氯乙烯和三氯乙烯的转化。如果含有低浓度三氯乙烯的工业废水的产气被燃烧，氯乙烯将在燃烧中被去除。

因为厌氧过程是由不同微生物菌群的共生体完成的，那么，不同菌群微生物对一定毒物的反应可能也不相同。通常人们认为解乙酸甲烷菌是最敏感的菌群。虽然一般情况下确实如此，可是些毒物实际上对产酸菌的抑制作用比产甲烷还大。VFA增加而CH4减少说明甲烷菌受到的抑制比产酸菌要大，反之当VFA降低CH4 也减少时产酸菌受到的抑制程度或者和甲烷菌所受到的抑制相同或者比甲烷菌还大。

四、一些解毒工艺探讨

粉状活性炭处理工艺（PACT）长期以来成功应用于活性污泥法中，用来屏蔽抑制有机物。

因为废水中的有机物里仅有一小部分是抑制物或生物不可降解的，生物--物化组合处理工艺和物化--生物组合处理工艺。例如：生物处理法+高级氧化技术/活性炭吸附处理废水，高级氧化技术+生物组合处理废水在目前工程应用中非常常见，都是为了去除废水中的生物不可降解或有抑制物的物质。

还有一个工艺应用较早，臭氧+BAC工艺，粒状活性炭是培养生物膜的理想的表面，因为其巨大的表面积和活性炭中的孔隙能够保护生物膜不会因为剪力和磨损而从系统中损失掉。工艺的控制参数为:

1）不可降解可吸附毒物的浓度；

2）处理系统中的水力停留时间；

3）粒状活性炭的更换速率。

粒状活性炭更换速率基本上是不可降解抑制物质量负荷的函数，所以，当废水不含这些有机物时，只需要排出很少的粒状活性炭。不过在固定膜流化床工艺中，粒状活性炭更换率和生物固体停留时间有关，这一点明显限制了非降解有机抑制物与该工艺能成功处理的总COD的比值。

在煤化工废水中，粒状活性炭对抑制物的吸附使水相中该物质浓度减为最小，从而使其对生物体的毒性也最小，使主体COD能生物处理。接着生物体可以对已吸附的苯酚进行生物降解，即对粒状活性炭吸附能力进行生物再生。这种吸附过程为可降解抑制物的冲击提供了极好的缓冲能力，因而大大提高了工艺稳定性，而不可降解的抑制物(即苯酚)最终将耗尽粒状活性炭容量，因此需要更换粒状活性炭。

从动力学上，生化系统一般可以分为推流式、完全混合式及序批式等。他们对有毒物质的耐受力也有所不同，因此在选择生化处理系统时，可以根据有毒物质的特点，进行合理的选择。

从动力学上说，在完全混合式的系统中，当废水以连续进水的形式进人系统时，即被原系统中的废水完全混合。在这个系统中，从理论上讲，进水一旦完全混合后，其浓度即等于出水浓度，所以毒物可以得到最大的稀释，对系统的毒害也最小。

而推流式的反应器，如果出水回流的比例较小，有毒物质进入系统后，得到的稀释机会最小，所以相应对系统的损害也较大。

而序批式反应器，如SBR系统，废水是在过程前端几个小时进入的，如2h，所以毒物在开始阶段，其浓度较高，有一个高峰，如超过毒物值，则将对过程产生相当不利的影响。SBR系统对处理无毒或低毒的废水，由于SBR系统本身的特殊优点，如时间上的推流式模式，出水浓度往往可以处理到较完全混合式的活性污泥法、接触氧化法好，但SBR系统初期缺少上两个系统的完全混合特性，抗毒能力较差，当毒物浓度较高时往往处理效果较差，毒物浓度更高时处理系统不稳定，甚至发生系统崩溃的现象。完全混合式的活性污泥系统，是一个动力学上的稳态系统，在理想状态下，系统内废水中的COD值对时间是一个恒数，并等于出水的CODc浓度，应该说这是一个抗毒能力较强的系统。

也可以提高SBR系统抗毒能力，如调整每次排水量比例，如一般每一循环将池子中的废水的1/2作为排水放掉，如为了提高抗毒能力，也可将1/2的比例改为1/3或1/4，使废水处理初期有一个较好的完全混合状态。还可以延长进水周期，以减少毒物对系统的冲击。但这些方法都是以牺牲系统处理能力为代价的，所以对具有毒性的污染物，但在其低浓度时可以被微生物所降解的废水，不宜采用类似SBR系统的装置进行处理，以采用完全混合式的系统为宜。

此外还可以在好氧处理段前增加兼氧段，或在调节池后段加设填料，以提高废水的可生化性。由于不少难降解的有机化合物在兼氧情况下，可以分解(或水解)成易于生物降解的小分子化合物，因此在正式进入好氧段进行降解前，先进行生物预处理，可以提高整个生化系统的稳定性和有效性。根据有机物质的不同，兼氧段可有15%~30%的去除率，有的甚至可达到 30%~50%或以上。兼氧段出水的BOD/COD比值常有不同程度的提高，为后续的好氧处理提供了良好的基础。

五、结束语

如果废水中有毒性物质，工程设计采用生物处理工艺就会带来一个问题:每种特定的废水用什么方法来评估其毒性呢？有三个步骤的筛选方法:

1）预筛选以确定化学物质的毒性浓度范围；

2）短期间歇试验以确定化学物冲击浓度的效应，并确定哪种生化反应首先被抑制。

3）半连续驯化培养验试，以确定毒物逐渐积累的效应，并确定特定抑制发生的浓度。

4）最后连续培养试验，确定生化处理效率。

最后，分享一些消除抑制物组分影响的一些方法：

1）过量硫化物，铁盐沉淀；

2）过量重金属，补充硫化物；

3）阳离子毒性，投加低浓度拮抗阳离子；

4）可吸附抑制有机物，投加活性炭；

5）氨毒性，降低pH；

6）亚硝酸盐和硝酸盐，在厌氧反应器前的接触反应器中还原为N2；

7）过量碱度，补充投加酸。