苯酚对厌氧颗粒污泥活性的抑制效应和恢复

书书书　第５８卷　第６期　　化　　　工　　　学　　　报　　　　　　　Ｖｏｌ．５８　Ｎｏ．６　２００７年６月　　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｉｎｄｕｓｔｒｙ　ａｎｄ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　（Ｃｈｉｎａ）　　Ｊｕｎｅ　２００７檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭檭殐殐殐殐研究简报苯酚对厌氧颗粒污泥活性的抑制效应和恢复郁　丹１，严　群１，２，赵明星１，邹　华１，２，阮文权１，２（１江南大学工业生物技术教育部重点实验室，江苏无锡２１４０３６；２江南大学生物工程学院，江苏无锡２１４０３６）关键词：厌氧颗粒污泥；苯酚；抑制；活性；恢复中图分类号：Ｘ１７　　　　　　文献标识码：Ａ文章编号：０４３８－１１５７（２００７）０６－１５５９－０５犐狀犺犻犫犻狋狅狉狔犲犳犳犲犮狋狅犳狆犺犲狀狅犾狅狀犪犮狋犻狏犻狋狔狅犳犪狀犪犲狉狅犫犻犮犵狉犪狀狌犾犪狉狊犾狌犱犵犲犪狀犱狉犲犼狌狏犲狀犪狋犻狅狀犢犝犇犪狀１，犢犃犖犙狌狀１，２，犣犎犃犗犕犻狀犵狓犻狀犵１，犣犗犝犎狌犪１，２，犚犝犃犖犠犲狀狇狌犪狀１，２（１犓犲狔犔犪犫狅狉犪狋狅狉狔狅犳犐狀犱狌狊狋狉犻犪犾犅犻狅狋犲犮犺狀狅犾狅犵狔，犕犻狀犻狊狋狉狔狅犳犈犱狌犮犪狋犻狅狀，犛狅狌狋犺犲狉狀犢犪狀犵狋狕犲犝狀犻狏犲狉狊犻狋狔，犠狌狓犻２１４０３６，犑犻犪狀犵狊狌，犆犺犻狀犪；２犛犮犺狅狅犾狅犳犅犻狅狋犲犮犺狀狅犾狅犵狔，犛狅狌狋犺犲狉狀犢犪狀犵狋狕犲犝狀犻狏犲狉狊犻狋狔，犠狌狓犻２１４０３６，犑犻犪狀犵狊狌，犆犺犻狀犪）犃犫狊狋狉犪犮狋：Ｔｈｅｉｎｈｉｂｉｔｏｒｙｅｆｆｅｃｔｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｓｏｆｐｈｅｎｏｌｏｎａｎａｅｒｏｂｉｃｇｒａｎｕｌａｒｓｌｕｄｇｅｗａｓｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ．Ｉｔｓｕｇｇｅｓｔｅｄｔｈａｔｔｈｅｈｉｇｈｅｒｔｈｅｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｏｆｐｈｅｎｏｌ，ｔｈｅｗｏｒｓｅｔｈｅｍｅｔｈａｎｏｇｅｎｉｃａｃｔｉｖｉｔｙ，ｔｈｅｅｘｔｒａｃｅｌｌｕｌａｒｐｏｌｙｍｅｒｉｃｓｕｂｓｔａｎｃｅｓ（ＥＰＳ）ａｎｄｔｈｅａｃｔｉｖｉｔｙｃｏｅｎｚｙｍｅＦ４２０ｏｆｔｈｅａｎａｅｒｏｂｉｃｇｒａｎｕｌａｒｓｌｕｄｇｅ．Ａｔｔｈｅｓａｍｅｔｉｍｅ，ｔｈｅａｃｔｉｖｉｔｙｏｆａｎａｅｒｏｂｉｃｇｒａｎｕｌａｒｓｌｕｄｇｅｍｉｇｈｔｂｅｒｅｊｕｖｅｎａｔｅｄｃｏｍｐｌｅｔｅｌｙｏｒｐａｒｔｌｙｉｎｃａｓｅｔｈｅｐｈｅｎｏｌｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｗａｓｒｅｌａｔｉｖｅｌｙｌｏｗ（ｌｅｓｓｔｈａｎ２００ｍｇ·Ｌ－１）．犓犲狔狑狅狉犱狊：ａｎａｅｒｏｂｉｃｇｒａｎｕｌａｒｓｌｕｄｇｅ；ｐｈｅｎｏｌ；ｉｎｈｉｂｉｔｉｏｎ；ａｃｔｉｖｉｔｙ；ｒｅｊｕｖｅｎａｔｉｏｎ　　２００６－０８－１１收到初稿，２００６－１１－２１收到修改稿。联系人：阮文权。第一作者：郁丹（１９８２—），女，硕士研究生。基金项目：无锡市产学研合作项目（ＤＹ０５００１３）；江苏省环境工程重点实验室开放基金（ＫＦ２００７００７）。　引　言苯酚是一种广泛使用的化工原料，也是许多工业企业的副产品，自然环境中的苯酚主要来自炼油、焦化、煤气、木材防腐及酚醛树脂等工业废水。由于苯酚有“三致”（致癌、致突变、致畸）危害性并且对微生物的生长有抑制作用，因而苯酚废水的处理一直是环境科学研究的难题［１］。目前，针对苯酚含量的不同可采用不同的处理方法，对含高浓度（＞５００ｍｇ·Ｌ－１）苯酚废水，常用萃取、液膜分离；对含中浓度（５～５００ｍｇ·Ｌ－１）苯酚废水，常采用活性污泥法、生物滤池法；对含低浓度（＜５ｍｇ·Ｌ－１）苯酚废水，宜采用活性炭吸　　犚犲犮犲犻狏犲犱犱犪狋犲：２００６－０８－１１．犆狅狉狉犲狊狆狅狀犱犻狀犵犪狌狋犺狅狉：ＲＵＡＮＷｅｎｑｕａｎ．犈－犿犪犻犾：[e-mail]　附、树脂交换技术等方法。自２０世纪９０年代以来，随着厌氧反应器技术的发展及其在含酚废水处理工艺中的高效和经济性（可低温运行），采用厌氧生物法处理中浓度苯酚废水正越来越受到关注［２３］。本文通过研究苯酚对厌氧颗粒污泥产甲烷活性的抑制及恢复、测定厌氧颗粒污泥中辅酶Ｆ４２０以及胞外多聚物（ｅｘｔｒａｃｅｌｌｕｌａｒｐｏｌｙｍｅｒｉｃｓｕｂｓｔａｎｃｅｓ，ＥＰＳ）的含量，揭示了中浓度范围的苯酚对厌氧颗粒污泥微生物的毒性作用。１　试验装置、材料和方法１１　试验装置试验装置如图１所示，将装有颗粒污泥和水样的反应瓶放入恒温水浴锅内，反应温度设定在（３５±１）℃，反应瓶出气口用硅胶管与装有２ｍｏｌ·Ｌ－１ＮａＯＨ溶液的史氏发酵管相连，用于甲烷气体的计量，反应瓶的上部充入氮气。图１　试验装置图Ｆｉｇ．１　Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌａｐｐａｒａｔｕｓ　１２　试验用水采用人工模拟废水，其中ＣＯＤ∶Ｎ∶Ｐ＝２００∶５∶１，具体配方见表１［４］。表１　模拟废水成分犜犪犫犾犲１　犆狅狀狊狋犻狋狌犲狀狋狊狅犳狊狔狀狋犺犲狋犻犮狑犪狊狋犲狑犪狋犲狉ＣｏｎｓｔｉｔｕｅｎｔｓＣｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ／ｍｇ·Ｌ－１ＴｒａｃｅｅｌｅｍｅｎｔｓＣｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ／ｍｇ·Ｌ－１ＣＯＤ４０００Ｈ３ＢＯ３０．１ｐｅｐｔｏｎｅ８００ＺｎＣｌ２０．１ｇｌｕｃｏｓｅ２８００ＣｕＣｌ２０．０６ｂｅｅｆｅｘｔｒａｃｔ５００ＭｎＳＯ４·Ｈ２Ｏ０．１ＮＨ４Ｃｌ４００（ＮＨ４）６Ｍｏ７Ｏ２４·４Ｈ２Ｏ０．１ＫＨ２ＰＯ４９０ＡｌＣｌ３０．１ＣａＣｌ２·２Ｈ２Ｏ６０ＣｏＣｌ２·６Ｈ２Ｏ０．１ＭｇＳＯ４·７Ｈ２Ｏ５０ＮｉＣｌ２０．１ＦｅＳＯ４·７Ｈ２Ｏ４０Ｈ３ＢＯ３０．１ＮａＨＣＯ３５０００ｐｈｅｎｏｌａｓｄｅｓｃｒｉｂｅｄｉｎ１．４１３　试验颗粒污泥试验中所用的厌氧颗粒污泥取自经葡萄糖模拟废水驯化２个月后的ＥＧＳＢ反应器，而ＥＧＳＢ反应器的接种污泥取自无锡某柠檬酸厂的ＩＣ反应器。１４　试验方法在１２５ｍｌ的反应瓶中加入８０ｍｌ合成废水，废水配方如表１。加入不同浓度的苯酚溶液（２５、５０、１００、２００、４００、８００ｍｇ·Ｌ－１）。加入厌氧颗粒污泥使挥发性悬浮物（ＶＳＳ）浓度为１５ｇ·Ｌ－１左右，调节ｐＨ至７．０，并设不加苯酚的对照组。在３５℃水浴条件下测定甲烷的累积产生量、辅酶Ｆ４２０及胞外多聚物（ＥＰＳ）的含量。苯酚对厌氧颗粒污泥产甲烷活性的抑制及恢复试验共持续９６ｈ，包括前２４ｈ（第１天）的抑制性试验和后７２ｈ（后３天）的活性恢复试验。其中抑制性试验是指在加有颗粒污泥的反应瓶中，加入以葡萄糖为有机基质的营养液，同时加入不同浓度（２５、５０、１００、２００、４００ｍｇ·Ｌ－１）的苯酚；恢复性试验则是指厌氧颗粒污泥与苯酚接触２４ｈ后，排出反应瓶中的上清液，用少量清水淘洗污泥，再加入营养液，营养液中不再加入苯酚。由于颗粒污泥沉降性能良好，并且反应瓶体积较小，洗泥和装瓶时间仅需３ｍｉｎ左右，与反应过程所需时间相比可以忽略。１５　犈犘犛提取方法［５６］上清液ＥＰＳ：取一定体积污泥混合液，在４０００ｒ·ｍｉｎ－１离心１５ｍｉｎ，得到的上清液经０．４５μｍ滤膜过滤后待测。污泥中ＥＰＳ：从反应器中取一定体积混合液，静置沉淀３０ｍｉｎ，弃去上清液，浓缩污泥在４℃，离心率为２１００ｇ下离心１０ｍｉｎ，在所得污泥匀浆后加入与原体积相同的Ｒｉｎｇｅｒ’ｓ溶液，将此悬浮液在８０℃下热处理１ｈ以萃取ＥＰＳ，在冷却至室温后再在２１００ｇ下离心将污泥分离出来，并进一步将上清液在１２０００ｇ下离心以去除小的絮状组分。得到的上清液待测。１６　分析方法ＣＯＤ：重铬酸钾法［７］；ＶＳＳ：重量法［７］；苯酚：紫外分光光度法［８］；辅酶Ｆ４２０：紫外分光光度法［９］；多糖：苯酚硫酸法，葡萄糖为标准物［１０］；蛋白质：Ｆｏｌｉｎ酚试剂法（改进Ｌｏｗｒｙ法），牛血清蛋白为标准物［１０］；腐殖酸：参照文献，腐殖酸作标准物（Ｐｒａｃｔ，Ｆｌｕｋａ，ＵＳＡ）［１０］。２　试验结果及讨论２１　苯酚对厌氧颗粒污泥产甲烷活性的抑制及恢复　　从图２中可知，在第１天的抑制试验中，随着反应瓶中苯酚浓度的增加，对应反应瓶中的甲烷累积产量依次递减，说明水样中加入苯酚后，污泥的活性受到不同程度的影响。·０６５１·化　　　工　　　学　　　报　　第５８卷　图２　苯酚对厌氧颗粒污泥产甲烷活性抑制和恢复试验Ｆｉｇ．２　Ｉｎｈｉｂｉｔｉｏｎａｎｄｒｅｊｕｖｅｎａｔｉｏｎｏｆｍｅｔｈａｎｏｇｅｎｉｃａｃｔｉｖｉｔｙｏｆａｎａｅｒｏｂｉｃｇｒａｎｕｌａｒｓｌｕｄｇｅｐｈｅｎｏｌ／ｍｇ·Ｌ－１：◆０；２５；▲５０；□１００；２００；○４００　　　在第２天的恢复试验中，加入２５ｍｇ·Ｌ－１和５０ｍｇ·Ｌ－１苯酚的试验组的产甲烷量没有发生变化，因而可认为苯酚浓度在５０ｍｇ·Ｌ－１以内时，厌氧颗粒污泥活性基本未受到抑制；而加入１００ｍｇ·Ｌ－１苯酚的试验组的甲烷产量从第２４ｈ的１０５ｍｌ提高到第４８ｈ的１４５ｍｌ，这表明苯酚浓度在１００ｍｇ·Ｌ－１时，污泥的活性在前２４ｈ内受到了一定程度的抑制，但在第２天已逐渐恢复；加入２００ｍｇ·Ｌ－１苯酚的污泥的活性抑制程度较大，因为到第２天试验结束时，其甲烷累积产量（９５．８ｍｌ）仅为对照组（１９９．４ｍｌ）的一半；而加入４００ｍｇ·Ｌ－１苯酚的污泥的活性基本未恢复，因为在第２天的恢复试验中其甲烷产量（４５．３ｍｌ）仍与第１天（５０．２ｍｌ）基本持平。在第３天的恢复试验中，从各试验组在第７２ｈ的产气量来看，加入５０ｍｇ·Ｌ－１和１００ｍｇ·Ｌ－１苯酚的试验组其污泥的活性已基本得到恢复；加入２００ｍｇ·Ｌ－１苯酚的污泥的活性（１４６．８ｍｌ）比第２天（９５．８ｍｌ）有所恢复，但并未完全恢复；而加入４００ｍｇ·Ｌ－１苯酚的污泥的活性（５３．８ｍｌ）几乎未能恢复。在第４天的恢复试验中，加入２００ｍｇ·Ｌ－１苯酚的试验组产气量（１３０．６ｍｌ）已有所下降，这表明苯酚对颗粒污泥的毒害已逐渐体现出来；而加入４００ｍｇ·Ｌ－１苯酚的试验组其污泥活性（５２．７ｍｌ）仍未恢复，并且该试验组的厌氧颗粒污泥已出现明显的死亡现象。作为工业上常用的一种抑菌剂，苯酚主要通过使微生物细胞内的原生质蛋白发生凝固或变性而起到杀菌作用，通常０．２％苯酚即有抑菌作用，苯酚浓度大于１％时能杀死一般细菌。由上述试验可见，当反应器中的苯酚浓度较低（１００ｍｇ·Ｌ－１以下）时，苯酚厌氧颗粒污泥的抑制效应可在７２ｈ内完全恢复；而当反应器中的苯酚浓度在２００ｍｇ·Ｌ－１时，苯酚厌氧颗粒污泥的抑制效应可在７２ｈ内部分恢复；但当反应器中的苯酚浓度大于２００ｍｇ·Ｌ－１，特别当反应器中的苯酚浓度大于４００ｍｇ·Ｌ－１时，苯酚已经对厌氧颗粒污泥表现出一定的毒性。２２　苯酚抑制对厌氧颗粒污泥犈犘犛含量的影响厌氧颗粒污泥的ＥＰＳ中可能含有蛋白质、多糖、腐殖酸、核酸、脂类物质和许多杂聚物如糖蛋白等物质。其中胞外多糖被称作生物黏合剂，它可以增强细胞间的相互作用，颗粒污泥中ＥＰＳ则能够在邻近细胞之间或者细胞与其他颗粒物质之间形成架桥，最终形成絮凝体。因而抑制胞外多糖的合成，则可能会阻碍微生物的凝聚。除了多糖对厌氧颗粒污泥的性质具有重要作用以外，ＥＰＳ本身的一些性质如疏水性、表面电荷等在污泥颗粒化中也同样具有重要作用［１１１３］。在不同的苯酚浓度下，对反应器中厌氧颗粒污泥的ＥＰＳ含量进行了测定，在２．１中苯酚对厌氧污泥产甲烷活性抑制及恢复试验的第２４ｈ，结果如图３所示。从图中可以看出，当苯酚浓度为２５·１６５１·　第６期　　郁丹等：苯酚对厌氧颗粒污泥活性的抑制效应和恢复图３　苯酚对厌氧污泥中ＥＰＳ含量的影响Ｆｉｇ．３　ＩｎｈｉｂｉｔｏｒｙｅｆｆｅｃｔｓｏｆｐｈｅｎｏｌｏｎＥＰＳｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｏｆａｎａｅｒｏｂｉｃｇｒａｎｕｌａｒｓｌｕｄｇｅ　ｍｇ·Ｌ－１时，多糖含量为１３．５０ｍｇ·（ｇＶＳＳ）－１，较对照组（未加苯酚）１２．８５ｍｇ·（ｇＶＳＳ）－１高，这可能是实验误差的缘故，同时表明苯酚浓度为２５ｍｇ·Ｌ－１时对厌氧颗粒污泥中的多糖含量几乎没有影响；而当苯酚浓度为５０ｍｇ·Ｌ－１以上时，胞外多