王电站,周立祥 (南京农业大学资源环境学院,环境工程系,江苏 南京 210095)

好氧颗粒污泥法降解苯胺的特性

王电站,周立祥*(南京农业大学资源环境学院,环境工程系,江苏 南京 210095)

在控温摇床上采用好氧振荡的方法,在含有苯胺和硝基苯混合废水处理厂的好氧污泥中,驯化降解苯胺的混合微生物.在驯化过程中发现混合微生物逐渐形成了颗粒污泥,采用此颗粒污泥(混合微生物)进行苯胺降解的实验.结果表明,该混合微生物在以苯胺为唯一碳源和氮源的情况下,具有较强的降解苯胺的能力,且最适宜的温度为28℃,最佳的pH值为7.0,当苯胺的起始浓度为600mg/L时,此条件下在18h内被完全降解,混合微生物降解苯胺的速度达到33.6mg/(L·h).

苯胺；好氧颗粒污泥；混合菌群；生物降解

苯胺是多种工业废水的主要污染物,排放到自然环境里会严重污染生态环境和损害人体健康,具有一定的生物降解性[1-3].采用好氧生物处理的方法能够较好地降解苯胺,目前,已经筛选出了能够降解苯胺的纯菌株[4-6],同时也发现把多种菌株混合在一起,组成所谓的复合微生物,其降解效果明显好于单一纯菌株[7].在城市污水处理方面,厌氧/好氧颗粒污泥法一直是研究热点问题之一.污水生物处理过程中产生的剩余污泥大部分是由生长代谢衰老死亡的微生物菌体构成的,在适宜的条件下能够形成颗粒污泥[8],具有非常复杂的生物相,特别是好氧颗粒污泥,其表层属于好氧环境,内部是典型的厌氧环境,在二者之间具有明显的兼性特性,使得好氧微生物、厌氧微生物以及兼性微生物共同存在于同一个体系中,形成一个完整的生物群落,因此城市污水的生物处理效果得到提高[9-10].由于苯胺的毒性,用城市废水培养出来的颗粒污泥不能用于此类化工废水的处理,到目前为止一直都没有关于颗粒污泥处理苯胺类化工废水的研究报道.本课题组曾在硝基苯的生物降解研究中发现,使用未经纯化的混合微生物形成了颗粒污泥[11],但将该颗粒污泥用于苯胺的降解时,发现颗粒污泥会解体.因此推测,在驯化能够降解苯胺的好氧微生物时,采用相同的培养方法,先不纯化,随着驯化周期的增加、苯胺浓度的不断提高,保留下来的混合微生物种类会越来越少,并会因长期的互作而形成良好的协同关系,本研究考察采用这种驯化方法能否获得高效降解苯胺的混合微生物及其能否颗粒化,并研究其降解苯胺的特性,以期为颗粒污泥应用于苯胺类污染废水的工程治理提供参考.

1 材料与方法

1.1 材料

将南京某化工厂苯胺和硝基苯混合废水处理厂曝气池活性污泥和排污口底泥混合成原始泥样,作为菌种来源.

无机盐培养液配方: 在1L自来水中加入3g K2HPO4、3g KH2PO4、0.2g MgSO4·7H2O和5g NaCl,并调节其pH值至7.4左右.

主要仪器与试剂:显微摄影仪(Cannon,日本),高效液相色谱仪(waters 1525光学,美国), pH计,苯胺和其他化学试剂均为国产分析纯.

1.2 方法

1.2.1 混合微生物的驯化 在500mL三角瓶中加入60g原始泥样,并加入240g无机盐培养液,设定摇床的转速为180r/min,温度控制在28℃.驯化时设定苯胺的浓度变化梯度为 10,20,40,80, 100,200,400,600,800,1000mg/L,每个浓度下以7d为1个培养周期.先用含低浓度苯胺的无机盐培养液驯化,每个驯化周期结束后取样, 在光学显微摄影仪上观测培养物中生物相组成,并采用液相色谱法测定苯胺的含量[12],确定苯胺降解完全后,保留一部分培养物备用,并将60g培养物转接到含高一级浓度梯度苯胺的培养液中继续驯化,依次类推, 最后根据各浓度梯度的培养情况,将200~1000mg/L浓度级所获得的培养物混合,再继续振荡1d,作为以下实验用的混合微生物. 1.2.2 混合微生物对不同浓度苯胺的降解 在不同的500mL的三角瓶中加入60g颗粒化的混合菌群作为接种物(由1.2.1得到)以及240g无机盐培养液,加入苯胺使其浓度分别为200,400,600, 800,1000mg/L,摇床的转速为 180r/min,恒温至28℃,调节pH值至7.4左右.每个实验3次重复,每隔12h取样1次,在光学显微摄影仪上观测生物相组成,并采用液相色谱法[12]测定苯胺的浓度,下同.

1.2.3 起始 pH 值对混合菌群降解苯胺的影响 将60g颗粒化的培养物加入到500mL三角瓶中、并加入240g无机盐培养液,根据1.2.2的实验结果,确定实验用苯胺的浓度为600mg/L(下同),用2mol/L的H2SO4和2mol/L的 NaOH 调节起始 pH 值分别为 5.0,6.0, 7.0,8.0,9.0.摇床的转速为 180r/min,温度控制在28℃.

1.2.4 温度对混合微生物降解苯胺的影响 将60g颗粒化的培养物加入到500mL三角瓶中、并加入240g无机盐培养液,加入苯胺使其浓度为600mg/L,并根据1.2.3的实验结果,起始pH值调节为 7.0,摇床的转速设定为 180r/min,按照15,20,25,28,35℃改变摇床温度.

1.2.5 不同碳源种类及C/N对混合微生物降解苯胺的影响 将 60g颗粒化的培养物加入到500mL三角瓶中,并加入240g无机盐培养液,加入苯胺使其浓度为 600mg/L,振荡摇床的转速设定在180r/min,温度控制在28℃,起始pH值调节至 7.0,然后在添加相等碳量的前提下,分别添加乙酸钠0.80g、蔗糖0.52g、葡萄糖0.60g、乳糖0.55g作为外加第二碳源(苯胺为第一碳源),并与不加任何其他碳源(即仅以苯胺为唯一碳源)对比.在此实验结果的基础上,选用葡萄糖作外加第二碳源,添加不同量的葡萄糖使C/N分别为5:1、10:1、15:1、20:1、25:1、30:1,其他实验条件与1.2.4相同.

1.2.6 不同氮源种类及外加不同氮量对混合微生物降解苯胺的影响 将 60g颗粒化的培养物加入到500mL三角瓶中,并加入240g无机盐培养液,加入苯胺使其浓度为600mg/L,设置摇床的转速为180r/min,恒温在28℃左右,起始pH值调节至 7.0,然后按照添加相等量的氮,分别添加硫酸铵 0.73g、硝酸铵 0.91、氯化铵 0.60g、尿素0.34g作为外加第二氮源(苯胺视作第一碳源),并与不加其他氮源(即仅以苯胺为唯一氮源)对比.在此实验结果的基础上,选用氯化铵作为外加第二氮源,添加量分别为三角瓶中物料总质量的0,0.1%,0.3%,0.5%,其他实验条件相同.

2 结果与讨论

2.1 苯胺浓度对混合微生物降解效果的影响

混合微生物在驯化培养1个月后,第5个培养周期结束时观察到三角瓶中形成大量的絮状物,在随后的培养周期里,又逐渐观察到三角瓶中有颗粒物形成,并随着培养周期数的增加,三角瓶中颗粒物的数量和大小在逐渐增加,经3个多月的驯化培养,发现三角瓶中形成浅灰色颗粒物[图 1(a)],微生物菌体形成了颗粒化,此即为颗粒污泥.在显微镜下观测,颗粒污泥粒径 0.2~3.0mm左右,在光学显微摄影仪(10×100倍)下观测,发现混合微生物以酵母菌为主[图 1(b)],以及比较丰富的丝状菌和少量的短杆菌[图1(c)].

图1 好氧颗粒污泥及其生物相观测Fig.1 Photo and microscope images of microbe in the aerobic granular sludge

颗粒污泥中酵母菌、杆菌、丝状菌等微生物独自降解苯胺的能力以及它们之间相互协同作用的效果等问题尚在研究之中.在本课题组硝基苯的混合微生物降解过程中也形成了颗粒污泥,然而2种颗粒污泥中优势菌并不相同,硝基苯处理过程中形成的颗粒污泥以细菌为主[11],而苯胺则以酵母菌为主,但2种颗粒污泥中都发现了丝状菌.汪善全等[13]曾在城市废水生物处理的研究过程中,发现丝状菌的大量存在有益于微生物菌体颗粒化,但是苯胺(以及硝基苯)在生物降解过程中,丝状菌对污泥颗粒化的形成具有怎样的作用需要进一步研究,本研究采用含有颗粒化的混合微生物作为接种物,不同起始苯胺浓度的降解结果如图2所示.

由图2可知,苯胺的浓度在1000mg/L以内,混合微生物都能够不同程度地降解苯胺,对图2中每一条变化曲线进行线性相关分析可知,当苯胺的起始浓度为 600mg/L时,根据拟合的线性方程,其降解速率最大,达到为 33.6mg/ (L·h)(R2=0.87),而起始浓度为 200,400,800, 1000mg/L时,经拟合后所得的降解速度分别为16.7mg/(L·h)(R2=0.98)、22.0mg/(L·h)(R2=0.82)、27.6mg/(L·h)(R2=0.98)、22.9mg/(L·h)(R2=0.98),综合考虑采用 600mg/L作为苯胺的起始浓度进行以下实验.

图2 混合菌群降解不同浓度苯胺的效果Fig.2 Biodegradation of aniline with different concentrations by the mixed microbe

2.2 不同起始 pH值对混合微生物降解苯胺的影响

由图3可见,当起始pH值为5.0或9.0时,混合微生物降解苯胺的效果明显受到抑制;而起始pH为6.0~8.0的弱酸弱碱时,混合微生物降解苯胺的能力较好,特别是在pH7.0的中性环境里,苯胺降解得最快,经过 12h,苯胺浓度从 600mg/L下降到13.2mg/L,降解率达到98.7%,经过18h,苯胺完全被降解.用含颗粒污泥的混合微生物降解硝基苯时,发现最适的起始 pH在 7.0左右,在pH6.0~7.0的弱酸性环境,微生物降解效果较好[11],但相同的起始浓度下,完全降解所需要的时间稍长些.本课题组曾把在硝基苯的生物降解研究中获得的颗粒污泥用于苯胺的处理,发现颗粒污泥会解体,可能就在于降解苯胺的优势微生物与降解硝基苯的微生物不同且各自适宜的pH值环境也不同所导致的结果.

图3 不同起始pH值对苯胺降解的影响Fig.3 Effect of initiative pH on the biodegradation of aniline by the mixed microbe

2.3 混合微生物降解苯胺时温度的影响

混合微生物在不同温度下降解苯胺的情况如图4所示.

由图 4可知,在温度为15℃的环境里,混合微生物尚能维持一定的降解苯胺的能力,并随着温度的升高,降解苯胺的效果大幅度提高,当环境的温度为 28℃时,降解效果最好,如果温度继续提高至 35℃,其降解效果下降.可见,混合微生物降解苯胺时最适的环境温度为 28℃,降解苯胺的速度最快,经过 12h,苯胺浓度就从600mg/L下降到 12.6mg/L,降解率达到 98%,经过 18h,苯胺完全被降解.暴瑞玲等[14]也发现温度对好氧颗粒污泥的脱氮效果及其颗粒的稳定性影响较大.

图4 不同温度对苯胺降解的影响Fig.4 Effect of temperatures on biodegradation of aniline by the mixed microbe

2.4 外加不同碳源对混合微生物降解苯胺效果的影响

微生物生长过程中合成自身细胞需要一定的碳源,采用葡萄糖、乙酸钠、蔗糖、乳糖作为外加第二碳源时,混合微生物降解苯胺的情况如图5所示.

图5 不同碳源对苯胺降解的影响Fig.5 Effect of different carbon sources on the biodegradation of aniline by the mixed microbe

由图5可见,混合微生物以苯胺为唯一碳源时,苯胺的降解效果最好,经过 12h苯胺的浓度从初始的 600mg/L,下降到 18.2mg/L,降解率达到95.3%,18h后苯胺即被完全降解.本实验外加的碳源,如果折算成 C/N,其比值大约为 17:1,而以苯胺为唯一碳源时,其C/N为5:1(实际上苯胺分子式中C/N之值为5.14:1),另外发现在几种外加碳源中,添加的葡萄糖对苯胺的降解效果影响最小.为了明确这些差异是否是C/N不在最佳范围所致,通过改变C/N即改变第二碳源的添加量以及改变添加氮源种类与添加量等实验来进一步确定.采用对混合微生物降解苯胺影响最小的葡萄糖作为外加第二碳源,改变其添加量观察混合微生物在不同C/N下降解苯胺的情况(图6).

结果表明,在C/N为5:1即不外加其他碳源物质时,混合微生物对苯胺降解率最高,在18h内完全降解苯胺;而添加葡萄糖使其 C/N值在10:1~30:1内,都使得苯胺的降解效果不同程度地变差,且随着C/N增大,苯胺降解效果有下降趋势,即使经过24h,按照C/N比值从低到高,苯胺的降解率分别只有44.8%、30.6%、27.1%、24.1%、18.8%.韦朝海等[7]研究发现,外加的碳源(葡萄糖)会比苯胺优先被微生物利用,使得在相同的时间内苯胺降解速率较低.当苯胺浓度较低时,外加的葡萄糖具有一定的共代谢作用,能够提高苯胺的降解总量[5,15].

2.5 外加氮源对混合微生物降解苯胺的作用

氮素也是微生物生长过程中不可缺少的元素之一.添加硫酸铵、硝酸铵、氯化铵、尿素等作为第二氮源,以及以苯胺为唯一碳源、氮源时,混合微生物降解苯胺的效果如图7所示.

图7 不同氮源对降解苯胺的影响Fig.7 Effect of different secondary nitrogen sources on the biodegradation of aniline by the mixed microbe

图8 外加不同氯化铵量对降解苯胺的影响Fig.8 Effect of different doses of ammonium chloride as secondarynitrogen on the biodegradation of aniline by the mixed microbe

由图7可见,以苯胺为唯一氮源时微生物降解苯胺的速度最快,经过 12h,苯胺的浓度从起始的600mg/L下降到13.7mg/L,降解率达到97.7%.经过 24h,所有的处理中苯胺都得到完全降解,实验中外加的几种氮源对苯胺降解效果的影响程度相差无几,其中以添加氯化铵时的影响最小.为了进一步明确外加氮源不同的量对混合微生物降解苯胺效果的影响程度,选择氯化铵作氮源,改变其添加量时苯胺的降解情况如图8所示.在氯化铵添加量为培养物总量的0~0.5%内,比例越大即添加的量越多,混合微生物降解苯胺的速度越慢,在降解硝基苯的颗粒污泥处理过程中也表现出类似的情况,韦朝海等[7]也发现,微生物会优先利用外加的氮源,然后再利用硝基苯,使得在相同的时间内,硝基苯降解率较低.本实验以苯胺为唯一氮源时混合微生物降解苯胺的效果最好,经过12h,苯胺的浓度从600mg/L下降到15.1mg/L,降解率达到97.5%.

3 结论

3.1 在好氧条件下驯化出混合微生物能够颗粒化,以苯胺为唯一源碳和氮源时, 与再添加其他碳源、氮源相比,具有更好的降解效果.

3.2 该混合微生物降解苯胺时,最适宜的生长温度为28℃,最佳的pH值为7.0,当苯胺的起始浓度为600mg/L时,经过18h被完全降解,其降解速度达到33.6mg/(L·h).

[1] Gheewala S H, Annachhatre A P. Biodegradation of aniline [J]. Wat. Sci. Tech., 1993,36(10):53-63.

[2] 许章程,王初升,郑文庆.苯胺对锯缘青蟹的毒性效应 [J]. 中国环境科学, 2000,20(l):54-56.

[3] Alexander M. Biodegradation of organic chemicals of environmental concern [J]. Science, 1981,211:132-138.

[4] 任 源,吴超飞,韦朝海.苯胺分解菌的驯化筛选研究 [J]. 环境科学研究, 1998,11(4):3-5.

[5] 韦朝海,任 源,吴超飞.Ochrobactrumanthtopi对苯胺的降解特性 [J].环境科学,1998,19(5):22-24.

[6] 马 放,山 丹,王 晨,等.低温降解苯胺高效菌群的筛选及特性研究 [J]. 环境工程学报, 2007,5(1):7-10.

[7] 韦朝海,侯 轶,任 源,等.硝基苯好氧降解的共基质及生物协同作用 [J]. 中国环境科学, 2000,20(3):241-244.

[8] 王 芳,杨凤林,张兴文,等.不同有机负荷下好氧颗粒污泥的特性 [J]. 中国给水排水, 2004,20(11):46-48.

[9] 谢 珊,李小明,曾光明,等.SBR系统中好氧颗粒污泥脱氮特性研究 [J]. 中国环境科学, 2004,24(3):355-359.

[10] Liu Y, Liu Q S. Causes and control of filamentous growth in aerobic granular sludge sequencing batch reactors [J]. Biotechnology Advances, 2006,24:115-127.

[11] 王电站,周立祥.好氧颗粒污泥的培养及其降解硝基苯的活性[J]. 环境科学, 2010,31(1):148-153.

[12] 赵淑莉,魏复盛,邹汉法,等.高效液相色谱法测定废水中苯胺类化合物 [J]. 色谱, 1997,15(6):508-511.

[13] 汪善全,孔云华,原 媛,等.好氧颗粒污泥中丝状微生物生长研究 [J]. 环境科学, 2008,29(3):696-702.

[14] 暴瑞玲,于水利,王玉兰,等.温度对好氧颗粒污泥脱氮性能及颗粒稳定性的影响 [J]. 中国环境科学, 2009,29(7):697-701.

[15] 李 剑,谢春娟.废水中苯胺的好氧共代谢降解实验研究 [J].环境工程学报, 2007,1(6):51-55.

Characteristics and biodegradation of aniline by aerobic granular sludge.

WANG Dian-zhan, ZHOU Li-xiang*(Department of Environmental Engineering, College of Resource and Environmental Sciences, Nanjing Agriculture University, Nanjing 210095, China). China Environmental Science, 2010,30(4)：527~532

Mixed microorganisms which can degrade aniline efficiently were cultured and acclimated from aerobic activated sludge of a wastewater treatment plant being used to treat aniline and nitrobenzene wastewater. In the process of acclimation, mixed microorganisms transformed into granular sludge gradually, which was used later to degrade aniline. The mixed microorganisms would degrade aniline efficiently under the optimum conditions as follows: temperature was 28℃, pH was 7.0, and aniline was the sole carbon and nitrogen source. When the initial concentration of aniline was 600mg/L, it could be degraded completely in 18h at the optimum conditions just mentioned, and the degrading velocity of aniline by mixed microorganisms reached as high as 33.6mg/(L·h).

aniline；aerobic granular sludge；mixed microbe；biodegrading

X703.1

A

1000-6923(2010)04-0527-06

2009-09-18

国家 “863”项目(2006AA06Z314);国家自然科学基金资助项目(20377023)

* 责任作者, 教授, lxzhou@njau.edu.cn

王电站(1967-),男,安微芜湖人,讲师,博士,主要从事水处理技术研究.发表论文10余篇.

环 保 信 息

焚烧有哪些政策及标准? 我国制定的政策和法规 2005年,中国发布《中华人民共和国可再生能源法》,鼓励发展生活垃圾焚烧处理.

2007年,国家发改委会同有关部门制定了《节能减排综合性工作方案》,要求“积极推进城乡垃圾无害化处理,实现垃圾减量化、资源化和无害化”,“鼓励垃圾焚烧发电和供热”,“促进垃圾资源化利用”.

2007年,国家发改委发布《中国应对气候变化国家方案》,更是明确指出要“大力研究开发和推广利用先进的垃圾焚烧技术”,“鼓励在经济发达、土地资源稀缺地区建设垃圾焚烧发电厂”.

我国《全国城市生活垃圾无害化处理设施建设“十一五”规划》指出,在经济发达、生活垃圾热值符合条件、土地资源紧张的城市,可加大发展焚烧处理技术；新增城市生活垃圾无害化处理设施479项,其中垃圾焚烧厂 82座,占 17.1%,平均单座焚烧厂的日处理能力约为 810t.并且“十一五”期间,计划城市生活垃圾无害化处理率达到70%,城市生活垃圾无害化处理设施建设规划总投资为589亿元.

摘自《中国环境报》

2010-03-30