苯酚对氨氧化菌硝化和污泥性能冲击影响

书书书!第!卷!第#期!!化!工!学!报!!!!!!!$%&’!!(%’#!)*+)年#月!!,-./,!0%1234&!!!516178!)*+)####研究论文苯酚对氨氧化菌硝化和污泥性能冲击影响路聪聪!葛士建!王淑莹!曹!旭!彭永臻!北京工业大学北京市水质科学与水环境恢复工程重点实验室北京市污水脱氮除磷处理与过程控制工程技术研究中心北京+**+)9#摘要$以苯酚为毒性抑制剂短程硝化污泥为对象分析研究了不同苯酚浓度对氨氧化菌硝化过程的抑制特性和抑制动力学以及对污泥胞外聚合物组分及呼吸速率的短期冲击影响%结果表明::;6&=+苯酚的存在使硝化速率降低?’低浓度苯酚条件下!$#*;6&=+#符合@%3%A单分子一级动力学方程且为可逆性抑制恢复后呼吸速率可达)*!):;6B)&=+&C=+’且因接种污泥含大量异养菌使得抑制常数!:)’#+;6&=+#远大于纯硝化菌群系统%另外苯酚的存在促使菌群启动自我保护机制产生更多的胞外聚合物!.D/#抵抗环境变化%苯酚浓度升至+:;6&=+时蛋白质和多糖分别增加#’9?和++’?’而且.D/组分发生相应变化蛋白质(多糖!D(,#与初始,BE(氨氮!,((#比呈负相关性D(,从))’+降至’#*%关键词$短程硝化’氨氧化菌’抑制动力学’苯酚’胞外聚合物’耗氧呼吸速率!#$+*’F!F(G’H773’*9#I++:’)*+)’*#’*中图分类号$J*’+!!!!!!文献标志码$5文章编号$*9#=++:!)*+)#*#=):!=*#$%&’()**)’+&*,%)-&.&--/+0/*/’1+/&-23144&-/1&5/61+/&-21’+)0/11-67.869),)0*&041-’):;&-9’&-9!=$%/?/1-!@AB=$%83/-9!AC8!DB=E&-9F%)-!!#$%&’(%)’(#’*+,-,./0%)(12%3,)#45,.5%.60%)(7.8,(’.9.):5’8(#7./,.(,./+,-,./;.,8(,)#’*=5.’3’/#+,-,./+**+)9?,.%#A27+01’+$KCLMH3L8HN7%O3H82HOHN48H%3H3CHPH8H%38CLN%;Q%3L387%OQ%&R;L2HN71P7843NL7%3LS824NL&&1&4243A%SR6L31Q84ML248L!BTU#%OQ428H4&3H82HOHN48H%37&1A6LVL2L781AHLA48W42H%17N%3NL38248H%37%OQCL3%&8C48V477L2WLA477C%28I8L2;8%SHNH3CHPH8%2’KCL2L71&877C%VLA8C48248L%O4;;%3H43H82HOHN48H%32LA1NLAPR?A1L8%H3CHPH8H%3LOOLN8%OQCL3%&%38CL4;;%3H4%SHA48H%3P4N8L2H4’T3AL2&%VQCL3%&N%3NL38248H%37!$#*;6&=+#H8O%&&%VLA@%3%A)7MH3L8HN7O%27H36&L;%&LN1&LH3CHPH8H%3H3AHN48H368C48V474MH3A%O2LWL27HP&LH3CHPH8H%343ABTU4NCHLWLA48)**):;6B)&=+&C=+4O8L28CL2L7NH77H%3%OH3CHPH8H%3’KCLH3CHPH8H%3N%378438!:)’#+;6&=+#%O;HSLA7&1A6L7R78L;17LAH38CH7781ARV47O42&426L28C438C48%O43L32HNC;L383H82HOHL2N1&812L’-34AAH8H%38CLQCL3%&Q2%;%8LA8CL78428H36%O;HN2%PH4&7L&OQ2%8LN8H%3;LNC43H7;8C48N%1&AQ2%A1NL;%2LLS824NL&&1&42Q%&R;L2HN71P7843NL7!.D/#8%2L7H78L3WH2%3;L38NC436L’XH8C8CLQCL3%&N%3NL38248H%371Q8%+:;6&=+Q2%8LH3743A!!)*++=++=)#收到初稿)*+)=*)=)+收到修改稿%联系人$王淑莹%第一作者$路聪聪!+F#*#女硕士研究生%基金项目$国家自然科学基金项目!)++**:#’北京市教委科技创新平台项目’)*+)年学科与研究生教育I创新人才培养计划I博士生创新基金项目!YZ)*+)+*#%!!!G)’)/H)661+)$)*++=++=)#’&00)7,&-6/-918+%&0$X5([/C1RH36V7RPG18’LA1’N3I&8-61+/&-/+)4$71QQ%28LAPR8CL(48H%34&(48124&/NHL3NL\%13A48H%3,CH34!)++**:#8CLD2%GLN8%O/NHL38HOHNUL7L42NCZ47L43A/NHL38HOHN-33%W48H%3D&48O%2;%OZLHGH36@13HNHQ4&.A1N48H%3,%;;H77H%343A8CLE%N8%24&\13A%O-33%W48H%3K24H3H36D&43%O-33%W48HWLK4&L387D2%GLN8%OEH7NHQ&H3L743AD%78624A148L.A1N48H%3)*+)!YZ)*+)+*#]!N42P%CRA248LH3.D/H3N2L47LA1Q8%#’9?43A++’?2L7QLN8HWL&R’KCL248H%%OQ2%8LH378%N42P%CRA248L7OL&&O2%;))’+8%’#*VH8C8CLH3N2L47H36H3H8H4&,BE((’J)3K&067$Q428H4&3H82HOHN48H%3’4;;%3H4%SHA48H%3P4N8L2H4’H3CHPH8H%3MH3L8HN7’QCL3%&’LS824NL&&1&42Q%&R;L2HN71P7843NL’%SR6L31Q84ML248L引!言在氮循环中微生物起了主导作用%作为生态圈氮循环生物固氮最关键的环节XH3%624A7MR++,首次发现了自然界的硝化作用%氮氧化物种类形态很多引起各种环境问题如温室效应-水体富营养化等%与物理法-化学法相比生物法脱氮以其经济-灵活-有效性被广泛运用到污水处理中%污水生物硝化作用一般分为全程硝化作用和短程硝化作用%其中短程硝化反硝化以其独特的优势受到越来越多的关注$能耗降低-有机碳源减少-反应时间缩短-污泥产量低等+)I,%城市污水进水水质时而含有工业废水污染物质如酚类化合物-重金属等这些有毒有害物质的瞬时冲击严重影响生物处理系统的脱氮效果%苯酚是工业废水中常见毒性物质+9I:,被美国环保局列入+)F种优先控制的污染物名单也是我国重点控制的污染物之一%目前虽然各化工厂均设置相应的苯酚水处理设施但仍有含一定浓度苯酚废水进入自然水体或城市排水管网对污水处理厂造成毒害的冲击作用影响系统脱氮性能%目前关于温度-Q^-溶解氧!EB#-污泥龄-有毒有害物质等因素对生物脱氮作用的影响较多且集中在全程硝化污泥的硝化过程+!IF,本文旨在研究中低浓度苯酚对城市污水短程硝化氨氧化菌的短期冲击影响分析预测抑制规律为城市污水处理厂工业废水短期冲击的调控与恢复提供一定的技术支持%+!材料与方法LML!试验装置实验所用污泥为取自某中试规模的短程硝化/ZU反应器内的短程硝化污泥该/ZU容积#’#;有效容积’+;日处理水量)’!;通过实时控制系统在线控制短程硝化反硝化过程目前该反应器已稳定运行)年\-/^!荧光原位杂交#结果表明5BZ!氨氧化菌#占菌群总数的:?(BZ!亚硝酸氧化菌#占菌群总数的百分数$+?反应器出水中硝态氮浓度可以忽略不计%试验前将接种污泥曝气)*C沉淀过滤以去除残余氨氮和有机物清洗后进行不同梯度苯酚浓度的冲击试验%试验采用+’:/ZU反应器!图+#加入碳酸氢铵溶液及苯酚保证反应器初始氨氮质量浓度为:*;6&=+左右苯酚浓度分别为*-+:-:-::-F:-+:和+F:;6&=+同时进行微孔曝气与磁力搅拌%控制反应温度为!):_+#‘曝气过程控制EB在9;6&=+左右Q^’)!’#%图+!试验装置示意图\H6’+!/NCL;48HNAH4624;%O/ZU2L4N8%2!LMN!分析方法水样采用*’9:#;中速滤纸过滤%氨氮!(^a9I(#采用纳氏试剂比色法测定’亚硝酸盐和硝酸盐!(B=)I(和(B=I(#采用美国5,^5K公司b1HM,CL;#:**流动注射全自动分析仪测定’,BE采用,BE快速测定仪:ZI!5#’呼吸速率!BTU#采用/8248C8%S呼吸仪测定’EB-Q^和温度采用德国XKXQ^(%SH9*H仪在线监测’污泥浓度采用重量法测定%聚合物采用超声波I阳离子交换树脂法提取++*,蛋白质采用\%&H3I酚试剂显色法测定多&@@AB&!第#期!!路聪聪等$苯酚对氨氧化菌硝化和污泥性能冲击影响糖采用蒽酮法测定E(5采用二苯胺I,+)^++(显色法提取%苯酚使用X48L27+:):高效液相色谱仪配V48L27)#:双通道检测器及Z2LLcL色谱操作软件测定%色谱柱选用$X48L27/R;;L82R$,+#!9’!;;d):*;;:#;#’流动相体积分配为$C!甲醇#eC!:?乙酸#fe’进样体积)*#&’流量+’*;&&;H3=+’柱温):‘’检测波长范围为+F*!**3;%)!结果与讨论NML!苯酚对短程硝化污泥硝化作用的抑制情况)’+’+!苯酚对5BZ的抑制!在Q^-EB-温度适宜碱度充足的条件下氨氮浓度是硝化反应的主要决定因素%此外苯酚可作为碳源被微生物降解利用苯酚对,BE贡献的线性关系为#f)’99!Da*’*)F:)f*’FF:%图)表示了不同苯酚初始浓度条件下氨氮和亚硝浓度的转移变化情况%可知在对照试验!苯酚浓度为*#中反应9C后氨氮去除率即达+**?几乎全部转化为亚硝态氮%随着苯酚浓度的增加硝化过程完成所需要的时间也相应变长抑制作用明显%在反应初期低浓度苯酚!$#*;6&=+#对氨氮硝化作用有影响但未抑制反应的进行与对照组相比氨氮的硝化速率降低了?左右%高浓度苯酚!%F*;6&=+#负荷下硝化细菌受到冲击并在反应初期有一个停滞推测认为该阶段微生物絮体主要进行对苯酚的吸附作用短时间内降低苯酚的毒性浓度%反应FC后所有梯度氨氮浓度$+;6&=+而此时+:;6&=+和+F:;6&=+苯酚浓度条件下氨氮浓度下降亚硝浓度上升!图)#%从图)可以看出在F*;6&=+等高浓度苯酚抑制作用下细胞硝化功能并没有受到破坏随着抑制剂的降解微生物活性逐渐得到恢复进而继续完成硝化作用%(L1OL&A等+++I+),曾得出同样的结论在苯酚抑制解除后氨氮硝化速率基本可恢复到未受抑制时的水平属于可逆性抑制%此外EL3RL2等++,研究认为苯酚对硝化反应的抑制属非竞争性抑制在生化反应中仅与胞外酶或细胞膜上的酶!主要为氨氧化单加氧酶5@B#发生作用对细胞不会造成永久性的破坏和解体%)’+’)!苯酚抑制动力学!根据试验结果建立苯酚对硝化过程的抑制动力学模型%苯酚作为抑制剂在生物硝化反应过程中会被异养菌降解抑制剂浓度改变会直接影响半饱和常数!和最大反应速率8;4S%因此为了简化抑制动力学模型采用单因子变量实验设计法选取苯酚浓度基本不变的时段考虑硝化作用的抑制情况%由于微生物的胞外聚合物对有毒有害物质有一定吸附作用在反应初始阶段苯酚浓度稍有下降但并未开始降解此时微生物胞外环境-抑制剂浓度影响处于一个相对稳定的阶段因此对该时期的硝化过程进行分析研究苯酚对硝化过程的抑制动力学%@%3%A方程在硝化动力学方面的应用已经被广泛接受在本试验中对不同苯酚浓度梯度进行数据分析拟合$E+F88*E+-,!-a+-,图)!不同苯酚浓度条件下氨氮和亚硝的变化情况\H6’)!D2%OH&L7%O4;;%3H443A3H82H8L