兰善红 张 浩 蓝惠霞,3,* 马 平

(1.东莞理工学院生态环境与建筑工程学院,广东东莞，523808；2.青岛科技大学环境与安全工程学院,山东青岛，266042；3.齐鲁工业大学制浆造纸科学与技术教育部重点实验室,山东济南，250353；4.山东中烟工业有限责任公司滕州卷烟厂,山东滕州,277500)

·五氯酚的降解·

葡萄糖浓度对微氧磁性活性污泥降解五氯酚的影响

兰善红1张 浩2蓝惠霞2,3,*马 平4

(1.东莞理工学院生态环境与建筑工程学院,广东东莞，523808；2.青岛科技大学环境与安全工程学院,山东青岛，266042；3.齐鲁工业大学制浆造纸科学与技术教育部重点实验室,山东济南，250353；4.山东中烟工业有限责任公司滕州卷烟厂,山东滕州,277500)

研究了葡萄糖浓度对微氧磁性活性污泥系统降解五氯酚(PCP)的影响,并以微氧活性污泥系统作为对照。考察了葡萄糖浓度对PCP和CODCr去除率、微生物活性以及污泥理化特性的影响。结果表明,与微氧活性污泥系统相比,在所考察的葡萄糖浓度范围,微氧磁性活性污泥系统的PCP和CODCr去除率均较高,当葡萄糖浓度为1600 mg/L时,PCP和CODCr的去除率分别接近90%和75%,而无磁粉对照组的为70%和65%左右。由于磁粉的存在,微氧磁性活性污泥系统中微生物活性和絮凝性能均得到增强,当葡萄糖浓度为3200 mg/L时，脱氢酶活性最高达288.5 mg TF/L·h,而无磁粉对照组为198.4 mg TF/L·h。

微氧；磁性；活性污泥；五氯酚

五氯酚(PCP)是毒性高、具有三致作用的难生物降解的稳定有机污染物[1],广泛存在于造纸和制革废水中[2]。经过长期驯化或强化的生化处理单元,PCP可得到有效降解。在生化处理工艺中,PCP首先在厌氧条件下发生还原脱氯,降解为低氯代酚类化合物,在好氧条件下进一步发生开环反应,从而被彻底矿化。微氧颗粒污泥中同时具有厌氧和好氧微环境而成为降解PCP的理想条件[3- 4],但微氧颗粒污泥的培养较困难,限制了其应用。

在活性污泥系统中添加Fe3+或磁粉等物质可以增强污泥活性,改善污泥理化特性,从而增强有毒有害物质的降解,且污泥培养运行简单方便[5- 6]。但即使在强化的生化处理单元中,生物难降解物质的降解速率也很慢。对于难降解物质,在生化系统中加入易于生物降解的共代谢基质,会加快降解优势菌的富集速度,从而加速难生物降解物质的降解速率[7- 8]。在共代谢基质中,葡萄糖由于其易被微生物利用,可有效释放出能量,从而促进优势菌的快速生长和代谢,而被广泛应用。Autenrieth等人[9]的研究表明，葡萄糖的存在可促进苯酚和PCP的降解。PCP结构稳定,要想破坏其分子结构,微生物需要消耗大量的能量。活性污泥中微生物处理PCP的脱氯过程中,通过相对易于利用的有机物代谢提供微生物生长繁殖所必需的能量和碳源，以及脱氯过程所需要的能量。

本实验在培养降解PCP的微氧磁性活性污泥的基础上,以葡萄糖为共代谢基质,进一步研究葡萄糖浓度对PCP降解的影响,以期为实际应用提供一定的参考。

1 实 验

1.1 实验材料

1.1.1 废水来源

实验用水采用人工模拟废水,所用药品均为分析纯。废水组成为：葡萄糖400～3200 mg/L,硫酸铵92～738 mg/L,磷酸二氢钾35～280 mg/L,硫酸镁17～134 mg/L,氯化钙33～266 mg/L,碳酸钠130～1042 mg/L以及0.7 mL的微量元素溶液(组成为：1500 mg/L氯化铁,150 mg/L硼酸,30 mg/L五水硫酸铜,30 mg/L碘化钾,100 mg/L硫酸锰,65 mg/L七钼酸铵,57 mg/L氯化锌,150 mg/L氯化钴和150 mg/L硝酸镍)。

PCP用2 mol/L的NaOH溶液配制成2 g/L的母液备用。

1.1.2 接种污泥

接种污泥为实验室经PCP驯化1年的微氧磁性活性污泥系统中的污泥,系统中所用磁粉使用前磁化粒径为150 μm。污泥体积指数(SVI)为18.74 mL/g,混合液污泥浓度(MLSS)为6.7 g/L,胞外多聚物中蛋白质(PN)与多糖(PS)之比为1.33。

1.2 分析方法

采用精密型pH试纸对溶液pH值进行测定；CODCr浓度采用便携式水质分析仪测定(DR2700,HACH,美国)；溶解氧浓度的测定采用便携式溶解氧仪测定(HQd,HACH,美国)；脱氢酶浓度采用TTC还原法[10],脱氢酶活单位定义为单位体积混合液在单位时间内还原氯化三苯基四氮唑(TTC)所产生的三苯基甲臜(TF)的毫克数(mg TF/L· h)；采用苯酚硫酸法测定多糖[11]；采用考马斯亮蓝法对蛋白质含量进行测定[12]。

PCP浓度采用气相色谱-质谱联用仪(GC-MS)(QP2010 SE,岛津,日本)进行测定,配制不同浓度的PCP标准物质,以浓度为横坐标、峰面积为纵坐标做标准曲线,出水中PCP浓度可以通过PCP峰面积在标准曲线上查得。PCP预处理：取水样1 mL加入具塞试管,再加入1 mL正己烷,在高速震荡器上震荡1 min,静置分层,分离出的油相加入无水硫酸钠去除水分,用正己烷定容至1 mL,进行测定。色谱条件：色谱柱30 m×0.25 mm的DB-1毛细管柱；气化室温度250℃，炉温采用程序升温,初始炉温60℃,停留2 min,以10℃/min的速率升温至250℃,停留5 min。质谱条件：电子轰击电压1.2 kV；电子轰击能量70 eV，扫描范围29～500 amu；检索谱库NIST02谱库；溶剂延迟4 min。

1.3 实验方法

在5个锥形瓶中分别加入200 mL模拟废水,接种1 g经离心脱水的污泥,投入3 g/L磁粉(简称有磁粉实验组),调节葡萄糖浓度分别为：400、800、1600、2400、3200 mg/L,PCP浓度均为15 mg/L,各锥形瓶中CODCr浓度分别为412、819、1608、2421、3215 mg/L；控制pH值为中性环境,通过连接气泵和曝气头调节阀控制溶解氧浓度在0.6 mg/L左右,并用溶解氧仪进行实时监测以在偏离时进行及时调整。锥形瓶置于30℃水温的摇床震荡。以无磁粉的微氧活性污泥系统作为对照(简称无磁粉对照组),对照组除无磁粉外,其余和微氧磁性活性污泥系统均相同。运行周期为24 h,持续运行7个周期,测定PCP、CODCr的去除情况、污泥活性和絮凝性能。

2 结果与讨论

2.1 葡萄糖浓度对出水水质的影响

葡萄糖浓度对CODCr去除率的影响如图1所示。

图1 葡萄糖浓度对CODCr去除率的影响

由图1可以看出,随葡萄糖浓度增加,有磁粉实验组和无磁粉对照组CODCr去除率均呈现增加的趋势。在葡萄糖浓度较低(如400 mg/L和800 mg/L)时,有磁粉实验组和无磁粉对照组CODCr去除率均较低,尤其是无磁粉对照组。主要是因为较低浓度的葡萄糖,使降解五氯酚的优势菌无法获得足够的能量,其生长和代谢均受到抑制,从而使得CODCr去除率较低。但磁粉的存在,能够刺激微生物的生长和代谢,所以加磁粉实验组CODCr去除率明显高于无磁粉对照组的。当葡萄糖浓度达到1600 mg/L时,有磁粉实验组还是无磁粉对照组CODCr去除率分别上升至74.6%和64.2%。继续增加葡萄糖浓度,两组反应器CODCr去除率继续呈增加的趋势。当葡萄糖浓度大于2400 mg/L时,有磁粉实验组CODCr去除率仍在增长,而无磁粉对照组CODCr去除率却没有什么变化,甚至有所降低,这是由于有磁粉实验组中由于磁粉对微生物生长和代谢的刺激作用,微生物数量比较多,生物活性较活跃,当营养物质充足时,微生物大量繁殖代谢,进而CODCr去除率变高。而无磁粉对照组微生物量相对较少,葡萄糖浓度过高,导致F/M(Food/Microorganism)过高,使微生物活性受到抑制,更为严重者会产生生物泡沫,使实验恶化。

葡萄糖浓度对PCP去除率的影响如图2所示。

图2 葡萄糖浓度对PCP去除率的影响

由图2可以看出,PCP去除率与CODCr去除率相似,在葡萄糖浓度为400 mg/L时,有磁粉实验组和无磁粉对照组PCP去除率均较低,可能原因是葡萄糖浓度过低,导致反应器中营养物质偏少,降解PCP的优势菌种无法获得足够的能源物质和碳源物质,其生长和分解代谢均受到抑制,最终导致PCP的去除率降低。而当葡萄糖浓度为1600 mg/L时,PCP去除率明显升高,有磁粉实验组达到83.8%,无磁粉对照组也达到70%左右。继续提高葡萄糖浓度至2400 mg/L时,有磁粉实验组PCP去除率最高达到89.4%,无磁粉对照组的也能达到74.7%。葡萄糖浓度继续增加,PCP去除率增加幅度很小,甚至无磁粉对照组呈现下降趋势。这是由于葡萄糖浓度过高时,反应器中剩余营养物质较多,导致非优势菌种也可以大量繁殖,使得降解PCP的优势菌种的可生长繁殖空间有限,而总生存空间一定,从而导致PCP去除率增长较缓。过多葡萄糖的加入,不仅增加运行成本,还会使出水CODCr浓度升高。

葡萄糖属于单糖,分子结构简单,易于被微生物利用,更多的碳源加入可促进微生物的大量繁殖,同时也易于降解PCP的优势菌在反应器中的富集。有研究报道采用葡萄糖作为外加碳源进行共代谢促进了生物有机物难降解[13-14],虽然葡萄糖在特定条件下对共代谢过程存在抑制作用[15],但绝大多数情况下,葡萄糖在共代谢过程中对目标污染物的促进作用较显著,分析原因可能是葡萄糖的单糖和麦芽糖的双糖分子结构较简单,极易降解微生物代谢吸收。而PCP属于难降解有机污染物,难降解有机物虽然也能作为碳源物质,但由于其毒性较大,微生物利用速率非常慢,产生的能量太少,满足不了优势菌繁殖的需要,优势菌难以在反应器中富集,进而影响PCP的降解。微生物必须从其他易于降解的底物获得大部分能源,实现优势菌的快速富集,因此需要外界提供易于生化的共代谢基质[16]。随着反应器中葡萄糖用量不断增加,活性较高的微生物生物量的增多,降解PCP的优势菌不断富集,促进了PCP的脱氯反应,使得在微氧磁性活性污泥系统中的厌氧微生物降解PCP时产生较高的脱氯速率。

葡萄糖的增多能够促进脱氯反应的进行,其原因如下。首先,在共代谢过程中,葡萄糖作为一种初级基质,为微生物降解PCP提供能量；其次,反应器中不能降解PCP的微生物在对葡萄糖进行代谢的同时,会产生低电位的电子,导致了脱氯的非特异性；最后,非降解PCP的微生物在降解葡萄糖的同时产生了(如维生素等)重要的化学活性物质,这为PCP的微生物降解提供了重要原料来源[17]。

李萍等人[18]在研究以苯酚、葡萄糖作为降解PCP的共代谢基质使活性污泥驯化速率加速时发现,葡萄糖的加入可以显著提高活性污泥中微生物对PCP的适应性,使得驯化进程速率加快的同时提高PCP的反应速率。而向反应器中加入苯酚,PCP的毒性与苯酚的毒性叠加,使活性污泥的适应期延长,进而影响驯化进程。Tobajas[19]的研究也表明用活性污泥降解PCP产生的脱氯反应是一个共代谢过程,而葡萄糖在降解过程中作为一种共代谢基质对降解过程起到促进作用。添加葡萄糖的固定膜反应器中,微生物降解PCP的效率提高,PCP去除率最高时可达95%,而反应器中未加葡萄糖时,PCP的去除率较低,仅达61%。

综合CODCr和PCP去除率、经济性考虑,得出微氧磁性活性污泥系统处理PCP废水合适的葡萄糖浓度为1600 mg/L左右。

2.2 葡萄糖浓度对微生物活性的影响

葡萄糖浓度对活性污泥中微生物脱氢酶活性的影响如图3所示。

图3 葡萄糖浓度对脱氢酶活性的影响

由图3可以看出,随着葡萄糖浓度的增加,脱氢酶活性一直升高,在葡萄糖浓度3200 mg/L时，有磁粉实验组达288.5 mg TF/L·h,而无磁粉对照组也能达到198.4 mg TF/L·h。两实验组脱氢酶浓度随着葡萄糖的浓度的升高而升高。这是由于当葡萄糖浓度升高时,反应器中的营养物质不断增加,不论是降解PCP的优势菌还是非优势菌均能够获得充足的营养物,从而使得微生物大量生长繁殖,活性较高,因而脱氢酶含量一直升高。在所考察的葡萄糖浓度范围,无磁粉对照组中污泥脱氢酶含量始终低于有磁粉实验组。磁粉的加入,对污泥中降解PCP的优势菌和非优势菌均有较大的刺激作用,生物量高于无磁粉对照组,加之PCP的有效降解,对微生物的抑制作用小,微生物和酶活性均较高,因此脱氢酶活性明显高于无磁粉对照组。

Tobajas等人[20]采用葡萄糖作为外加碳源,研究葡萄糖浓度对PCP的降解效果的影响,结果表明,当葡萄糖浓度升高时,PCP的去除率也随之升高,活性污泥的活性越高。在本实验的结果中,发现脱氢酶浓度随葡萄糖浓度的升高而增加,主要是由于优势菌和非优势菌在利用PCP和葡萄糖的过程中参与的主要酶都涉及脱氢酶,尤其是利用葡萄糖的过程,不论是厌氧区微生物还是好氧区微生物的代谢过程主要是脱氢酶参与,在所实验的葡萄糖浓度范围,脱氢酶含量与葡萄糖含量正相关。

2.3 葡萄糖浓度对活性污泥絮凝性能的影响

活性污泥的絮凝性能可以用微生物胞外多聚物中PN和PS之比(PN/PS)来反映,该比值越大,表明污泥絮凝性能越好。外加葡萄糖浓度对活性污泥絮凝性能的影响如图4所示。

图4 葡萄糖浓度对PN/PS的影响

由图4可以看出,有磁粉实验组和无磁粉对照组胞外多聚物中的PN/PS值都随着葡萄糖浓度的增加而升高。而有磁粉实验组的增幅较大,这是由于微磁场的存在,刺激改变了胞外多聚物的合成,并使其中的蛋白质含量有较明显的提高,从而促进污泥沉降性能的提高。在葡萄糖浓度为1600 mg/L时,有磁粉实验组的活性污泥就已经有较好的絮凝效果,虽增大葡萄糖浓度,PN/PS值增大,但处理成本增加。而无磁粉对照组的胞外多聚物中的PN/PS也在葡萄糖浓度为1600 mg/L时达到较高值,此后随葡萄糖浓度增加,这一比值基本没有变化。

3 结 论

(1)微氧磁性活性污泥系统降解五氯酚(PCP)合适的葡萄糖浓度为1600 mg/L,此时CODCr和PCP去除率分别接近75%和85%。在所考察的整个葡萄糖浓度范围内,微氧磁性活性污泥系统对CODCr、PCP去除率均高于微氧活性污泥系统的。

(2)微氧磁性活性污泥系统脱氢酶活性随葡萄糖浓度增加而增加,当葡萄糖浓度为3200 mg/L时，脱氢酶活性高达288.5 mg TF/L·h,无磁粉对照组的为198.4 mg TF/L·h。

(3)微氧磁性活性污泥系统在葡萄糖浓度为1600 mg/L时,污泥具有良好的絮凝性能,胞外多聚物中蛋白质与多糖(PN/PS)之比达1.5左右。在考察的整个葡萄糖浓度范围内,微氧磁性活性污泥系统胞外多聚物中PN/PS值均高于微氧活性污泥系统的。

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(责任编辑：董凤霞)

Effect of Additional Carbon Concentration on PCP Degradation by Micro-aerobic Magnetic Activated Sludge

LAN Shan-hong1ZHANG Hao2LAN Hui-xia2,3,*MA Ping4

(1.CollegeofChemistryandEnvironmentalEngineering,DongguanUniversityofTechnology,Dongguan,GuangdongProvince, 523808;2.CollegeofEnvironmentandSafeEngineering,QingdaoUniversityofScience&Technology,Qingdao,ShandongProvince, 266042;3.KeyLabofPulpandPaperScience&TechnologyofMinistryofEducationofChina,QiluUniversityofTechnology,Ji′nan,ShandongProvince, 250353; 4.ShandongZhongyanIndustryLimitedLiabilityCompany,Tengzhou,ShandongProvince, 277500)
(*E-mail： lanhuixia@163.com)

Effect of supplemental carbon source concentration on PCP degradation by micro-aerobic magnetic activated sludge was studied, and the micro-aerobic activated sludge without magnetic was used as blank control.The variations of PCP and CODCrremoval efficiencies, the microbial activity and flocculation performance of the activated sludge were researched.The results showed that PCP and CODCrremoval efficiencies of micro-aerobic magnetic activated sludge were 90% and 75% respectively higher than 70% and 65% of the blank control, when the carbon source concentration was 1600 mg/L.The microbial activity and the sludge flocculation performance in the micro-aerobic magnetic activated sludge system were enhanced by the presence of magnetic powders, the highest dehydrogenase activity was 288.5 mg TF/L·h, compared with 198.4 mg TF/L·h of the blank control．

micro-aerobic; magnetic; activated sludge; PCP

2016- 09- 07(修改稿)

广东省教育厅自然科学项目(2015KTSCX140)；制浆造纸科学与技术教育部重点实验室开放基金资助(KF201509)；山东省科技重大专项(新兴产业)项目(2015ZDXX0403B03)。

兰善红先生,博士,教授；主要从事水污染处理技术的研究。

X701

A

10.11980/j.issn.0254- 508X.2017.01.008

*通信作者：蓝惠霞,博士，副教授；主要从事水污染处理技术的研究。