好氧顆粒污泥法降解苯胺的特性

王電站,周立祥 (南京農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院,環(huán)境工程系,江蘇 南京 210095)

好氧顆粒污泥法降解苯胺的特性

王電站,周立祥*(南京農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院,環(huán)境工程系,江蘇 南京 210095)

在控溫搖床上采用好氧振蕩的方法,在含有苯胺和硝基苯混合廢水處理廠的好氧污泥中,馴化降解苯胺的混合微生物.在馴化過程中發(fā)現(xiàn)混合微生物逐漸形成了顆粒污泥,采用此顆粒污泥(混合微生物)進行苯胺降解的實驗.結(jié)果表明,該混合微生物在以苯胺為唯一碳源和氮源的情況下,具有較強的降解苯胺的能力,且最適宜的溫度為28℃,最佳的pH值為7.0,當(dāng)苯胺的起始濃度為600mg/L時,此條件下在18h內(nèi)被完全降解,混合微生物降解苯胺的速度達到33.6mg/(L·h).

苯胺；好氧顆粒污泥；混合菌群；生物降解

苯胺是多種工業(yè)廢水的主要污染物,排放到自然環(huán)境里會嚴重污染生態(tài)環(huán)境和損害人體健康,具有一定的生物降解性[1-3].采用好氧生物處理的方法能夠較好地降解苯胺,目前,已經(jīng)篩選出了能夠降解苯胺的純菌株[4-6],同時也發(fā)現(xiàn)把多種菌株混合在一起,組成所謂的復(fù)合微生物,其降解效果明顯好于單一純菌株[7].在城市污水處理方面,厭氧/好氧顆粒污泥法一直是研究熱點問題之一.污水生物處理過程中產(chǎn)生的剩余污泥大部分是由生長代謝衰老死亡的微生物菌體構(gòu)成的,在適宜的條件下能夠形成顆粒污泥[8],具有非常復(fù)雜的生物相,特別是好氧顆粒污泥,其表層屬于好氧環(huán)境,內(nèi)部是典型的厭氧環(huán)境,在二者之間具有明顯的兼性特性,使得好氧微生物、厭氧微生物以及兼性微生物共同存在于同一個體系中,形成一個完整的生物群落,因此城市污水的生物處理效果得到提高[9-10].由于苯胺的毒性,用城市廢水培養(yǎng)出來的顆粒污泥不能用于此類化工廢水的處理,到目前為止一直都沒有關(guān)于顆粒污泥處理苯胺類化工廢水的研究報道.本課題組曾在硝基苯的生物降解研究中發(fā)現(xiàn),使用未經(jīng)純化的混合微生物形成了顆粒污泥[11],但將該顆粒污泥用于苯胺的降解時,發(fā)現(xiàn)顆粒污泥會解體.因此推測,在馴化能夠降解苯胺的好氧微生物時,采用相同的培養(yǎng)方法,先不純化,隨著馴化周期的增加、苯胺濃度的不斷提高,保留下來的混合微生物種類會越來越少,并會因長期的互作而形成良好的協(xié)同關(guān)系,本研究考察采用這種馴化方法能否獲得高效降解苯胺的混合微生物及其能否顆?；?并研究其降解苯胺的特性,以期為顆粒污泥應(yīng)用于苯胺類污染廢水的工程治理提供參考.

1 材料與方法

1.1 材料

將南京某化工廠苯胺和硝基苯混合廢水處理廠曝氣池活性污泥和排污口底泥混合成原始泥樣,作為菌種來源.

無機鹽培養(yǎng)液配方: 在1L自來水中加入3g K2HPO4、3g KH2PO4、0.2g MgSO4·7H2O和5g NaCl,并調(diào)節(jié)其pH值至7.4左右.

主要儀器與試劑:顯微攝影儀(Cannon,日本),高效液相色譜儀(waters 1525光學(xué),美國), pH計,苯胺和其他化學(xué)試劑均為國產(chǎn)分析純.

1.2 方法

1.2.1 混合微生物的馴化 在500mL三角瓶中加入60g原始泥樣,并加入240g無機鹽培養(yǎng)液,設(shè)定搖床的轉(zhuǎn)速為180r/min,溫度控制在28℃.馴化時設(shè)定苯胺的濃度變化梯度為 10,20,40,80, 100,200,400,600,800,1000mg/L,每個濃度下以7d為1個培養(yǎng)周期.先用含低濃度苯胺的無機鹽培養(yǎng)液馴化,每個馴化周期結(jié)束后取樣, 在光學(xué)顯微攝影儀上觀測培養(yǎng)物中生物相組成,并采用液相色譜法測定苯胺的含量[12],確定苯胺降解完全后,保留一部分培養(yǎng)物備用,并將60g培養(yǎng)物轉(zhuǎn)接到含高一級濃度梯度苯胺的培養(yǎng)液中繼續(xù)馴化,依次類推, 最后根據(jù)各濃度梯度的培養(yǎng)情況,將200~1000mg/L濃度級所獲得的培養(yǎng)物混合,再繼續(xù)振蕩1d,作為以下實驗用的混合微生物. 1.2.2 混合微生物對不同濃度苯胺的降解 在不同的500mL的三角瓶中加入60g顆?；幕旌暇鹤鳛榻臃N物(由1.2.1得到)以及240g無機鹽培養(yǎng)液,加入苯胺使其濃度分別為200,400,600, 800,1000mg/L,搖床的轉(zhuǎn)速為 180r/min,恒溫至28℃,調(diào)節(jié)pH值至7.4左右.每個實驗3次重復(fù),每隔12h取樣1次,在光學(xué)顯微攝影儀上觀測生物相組成,并采用液相色譜法[12]測定苯胺的濃度,下同.

1.2.3 起始 pH 值對混合菌群降解苯胺的影響 將60g顆?；呐囵B(yǎng)物加入到500mL三角瓶中、并加入240g無機鹽培養(yǎng)液,根據(jù)1.2.2的實驗結(jié)果,確定實驗用苯胺的濃度為600mg/L(下同),用2mol/L的H2SO4和2mol/L的 NaOH 調(diào)節(jié)起始 pH 值分別為 5.0,6.0, 7.0,8.0,9.0.搖床的轉(zhuǎn)速為 180r/min,溫度控制在28℃.

1.2.4 溫度對混合微生物降解苯胺的影響 將60g顆?；呐囵B(yǎng)物加入到500mL三角瓶中、并加入240g無機鹽培養(yǎng)液,加入苯胺使其濃度為600mg/L,并根據(jù)1.2.3的實驗結(jié)果,起始pH值調(diào)節(jié)為 7.0,搖床的轉(zhuǎn)速設(shè)定為 180r/min,按照15,20,25,28,35℃改變搖床溫度.

1.2.5 不同碳源種類及C/N對混合微生物降解苯胺的影響 將 60g顆粒化的培養(yǎng)物加入到500mL三角瓶中,并加入240g無機鹽培養(yǎng)液,加入苯胺使其濃度為 600mg/L,振蕩搖床的轉(zhuǎn)速設(shè)定在180r/min,溫度控制在28℃,起始pH值調(diào)節(jié)至 7.0,然后在添加相等碳量的前提下,分別添加乙酸鈉0.80g、蔗糖0.52g、葡萄糖0.60g、乳糖0.55g作為外加第二碳源(苯胺為第一碳源),并與不加任何其他碳源(即僅以苯胺為唯一碳源)對比.在此實驗結(jié)果的基礎(chǔ)上,選用葡萄糖作外加第二碳源,添加不同量的葡萄糖使C/N分別為5:1、10:1、15:1、20:1、25:1、30:1,其他實驗條件與1.2.4相同.

1.2.6 不同氮源種類及外加不同氮量對混合微生物降解苯胺的影響 將 60g顆?；呐囵B(yǎng)物加入到500mL三角瓶中,并加入240g無機鹽培養(yǎng)液,加入苯胺使其濃度為600mg/L,設(shè)置搖床的轉(zhuǎn)速為180r/min,恒溫在28℃左右,起始pH值調(diào)節(jié)至 7.0,然后按照添加相等量的氮,分別添加硫酸銨 0.73g、硝酸銨 0.91、氯化銨 0.60g、尿素0.34g作為外加第二氮源(苯胺視作第一碳源),并與不加其他氮源(即僅以苯胺為唯一氮源)對比.在此實驗結(jié)果的基礎(chǔ)上,選用氯化銨作為外加第二氮源,添加量分別為三角瓶中物料總質(zhì)量的0,0.1%,0.3%,0.5%,其他實驗條件相同.

2 結(jié)果與討論

2.1 苯胺濃度對混合微生物降解效果的影響

混合微生物在馴化培養(yǎng)1個月后,第5個培養(yǎng)周期結(jié)束時觀察到三角瓶中形成大量的絮狀物,在隨后的培養(yǎng)周期里,又逐漸觀察到三角瓶中有顆粒物形成,并隨著培養(yǎng)周期數(shù)的增加,三角瓶中顆粒物的數(shù)量和大小在逐漸增加,經(jīng)3個多月的馴化培養(yǎng),發(fā)現(xiàn)三角瓶中形成淺灰色顆粒物[圖 1(a)],微生物菌體形成了顆?；?此即為顆粒污泥.在顯微鏡下觀測,顆粒污泥粒徑 0.2~3.0mm左右,在光學(xué)顯微攝影儀(10×100倍)下觀測,發(fā)現(xiàn)混合微生物以酵母菌為主[圖 1(b)],以及比較豐富的絲狀菌和少量的短桿菌[圖1(c)].

圖1 好氧顆粒污泥及其生物相觀測Fig.1 Photo and microscope images of microbe in the aerobic granular sludge

顆粒污泥中酵母菌、桿菌、絲狀菌等微生物獨自降解苯胺的能力以及它們之間相互協(xié)同作用的效果等問題尚在研究之中.在本課題組硝基苯的混合微生物降解過程中也形成了顆粒污泥,然而2種顆粒污泥中優(yōu)勢菌并不相同,硝基苯處理過程中形成的顆粒污泥以細菌為主[11],而苯胺則以酵母菌為主,但2種顆粒污泥中都發(fā)現(xiàn)了絲狀菌.汪善全等[13]曾在城市廢水生物處理的研究過程中,發(fā)現(xiàn)絲狀菌的大量存在有益于微生物菌體顆?；?但是苯胺(以及硝基苯)在生物降解過程中,絲狀菌對污泥顆粒化的形成具有怎樣的作用需要進一步研究,本研究采用含有顆?；幕旌衔⑸镒鳛榻臃N物,不同起始苯胺濃度的降解結(jié)果如圖2所示.

由圖2可知,苯胺的濃度在1000mg/L以內(nèi),混合微生物都能夠不同程度地降解苯胺,對圖2中每一條變化曲線進行線性相關(guān)分析可知,當(dāng)苯胺的起始濃度為 600mg/L時,根據(jù)擬合的線性方程,其降解速率最大,達到為 33.6mg/ (L·h)(R2=0.87),而起始濃度為 200,400,800, 1000mg/L時,經(jīng)擬合后所得的降解速度分別為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),綜合考慮采用 600mg/L作為苯胺的起始濃度進行以下實驗.

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

2.2 不同起始 pH值對混合微生物降解苯胺的影響

由圖3可見,當(dāng)起始pH值為5.0或9.0時,混合微生物降解苯胺的效果明顯受到抑制;而起始pH為6.0~8.0的弱酸弱堿時,混合微生物降解苯胺的能力較好,特別是在pH7.0的中性環(huán)境里,苯胺降解得最快,經(jīng)過 12h,苯胺濃度從 600mg/L下降到13.2mg/L,降解率達到98.7%,經(jīng)過18h,苯胺完全被降解.用含顆粒污泥的混合微生物降解硝基苯時,發(fā)現(xiàn)最適的起始 pH在 7.0左右,在pH6.0~7.0的弱酸性環(huán)境,微生物降解效果較好[11],但相同的起始濃度下,完全降解所需要的時間稍長些.本課題組曾把在硝基苯的生物降解研究中獲得的顆粒污泥用于苯胺的處理,發(fā)現(xiàn)顆粒污泥會解體,可能就在于降解苯胺的優(yōu)勢微生物與降解硝基苯的微生物不同且各自適宜的pH值環(huán)境也不同所導(dǎo)致的結(jié)果.

圖3 不同起始pH值對苯胺降解的影響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時溫度的影響

混合微生物在不同溫度下降解苯胺的情況如圖4所示.

由圖 4可知,在溫度為15℃的環(huán)境里,混合微生物尚能維持一定的降解苯胺的能力,并隨著溫度的升高,降解苯胺的效果大幅度提高,當(dāng)環(huán)境的溫度為 28℃時,降解效果最好,如果溫度繼續(xù)提高至 35℃,其降解效果下降.可見,混合微生物降解苯胺時最適的環(huán)境溫度為 28℃,降解苯胺的速度最快,經(jīng)過 12h,苯胺濃度就從600mg/L下降到 12.6mg/L,降解率達到 98%,經(jīng)過 18h,苯胺完全被降解.暴瑞玲等[14]也發(fā)現(xiàn)溫度對好氧顆粒污泥的脫氮效果及其顆粒的穩(wěn)定性影響較大.

圖4 不同溫度對苯胺降解的影響Fig.4 Effect of temperatures on biodegradation of aniline by the mixed microbe

2.4 外加不同碳源對混合微生物降解苯胺效果的影響

微生物生長過程中合成自身細胞需要一定的碳源,采用葡萄糖、乙酸鈉、蔗糖、乳糖作為外加第二碳源時,混合微生物降解苯胺的情況如圖5所示.

圖5 不同碳源對苯胺降解的影響Fig.5 Effect of different carbon sources on the biodegradation of aniline by the mixed microbe

由圖5可見,混合微生物以苯胺為唯一碳源時,苯胺的降解效果最好,經(jīng)過 12h苯胺的濃度從初始的 600mg/L,下降到 18.2mg/L,降解率達到95.3%,18h后苯胺即被完全降解.本實驗外加的碳源,如果折算成 C/N,其比值大約為 17:1,而以苯胺為唯一碳源時,其C/N為5:1(實際上苯胺分子式中C/N之值為5.14:1),另外發(fā)現(xiàn)在幾種外加碳源中,添加的葡萄糖對苯胺的降解效果影響最小.為了明確這些差異是否是C/N不在最佳范圍所致,通過改變C/N即改變第二碳源的添加量以及改變添加氮源種類與添加量等實驗來進一步確定.采用對混合微生物降解苯胺影響最小的葡萄糖作為外加第二碳源,改變其添加量觀察混合微生物在不同C/N下降解苯胺的情況(圖6).

結(jié)果表明,在C/N為5:1即不外加其他碳源物質(zhì)時,混合微生物對苯胺降解率最高,在18h內(nèi)完全降解苯胺;而添加葡萄糖使其 C/N值在10:1~30:1內(nèi),都使得苯胺的降解效果不同程度地變差,且隨著C/N增大,苯胺降解效果有下降趨勢,即使經(jīng)過24h,按照C/N比值從低到高,苯胺的降解率分別只有44.8%、30.6%、27.1%、24.1%、18.8%.韋朝海等[7]研究發(fā)現(xiàn),外加的碳源(葡萄糖)會比苯胺優(yōu)先被微生物利用,使得在相同的時間內(nèi)苯胺降解速率較低.當(dāng)苯胺濃度較低時,外加的葡萄糖具有一定的共代謝作用,能夠提高苯胺的降解總量[5,15].

2.5 外加氮源對混合微生物降解苯胺的作用

氮素也是微生物生長過程中不可缺少的元素之一.添加硫酸銨、硝酸銨、氯化銨、尿素等作為第二氮源,以及以苯胺為唯一碳源、氮源時,混合微生物降解苯胺的效果如圖7所示.

圖7 不同氮源對降解苯胺的影響Fig.7 Effect of different secondary nitrogen sources on the biodegradation of aniline by the mixed microbe

圖8 外加不同氯化銨量對降解苯胺的影響Fig.8 Effect of different doses of ammonium chloride as secondarynitrogen on the biodegradation of aniline by the mixed microbe

由圖7可見,以苯胺為唯一氮源時微生物降解苯胺的速度最快,經(jīng)過 12h,苯胺的濃度從起始的600mg/L下降到13.7mg/L,降解率達到97.7%.經(jīng)過 24h,所有的處理中苯胺都得到完全降解,實驗中外加的幾種氮源對苯胺降解效果的影響程度相差無幾,其中以添加氯化銨時的影響最小.為了進一步明確外加氮源不同的量對混合微生物降解苯胺效果的影響程度,選擇氯化銨作氮源,改變其添加量時苯胺的降解情況如圖8所示.在氯化銨添加量為培養(yǎng)物總量的0~0.5%內(nèi),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,在降解硝基苯的顆粒污泥處理過程中也表現(xiàn)出類似的情況,韋朝海等[7]也發(fā)現(xiàn),微生物會優(yōu)先利用外加的氮源,然后再利用硝基苯,使得在相同的時間內(nèi),硝基苯降解率較低.本實驗以苯胺為唯一氮源時混合微生物降解苯胺的效果最好,經(jīng)過12h,苯胺的濃度從600mg/L下降到15.1mg/L,降解率達到97.5%.

3 結(jié)論

3.1 在好氧條件下馴化出混合微生物能夠顆?；?以苯胺為唯一源碳和氮源時, 與再添加其他碳源、氮源相比,具有更好的降解效果.

3.2 該混合微生物降解苯胺時,最適宜的生長溫度為28℃,最佳的pH值為7.0,當(dāng)苯胺的起始濃度為600mg/L時,經(jīng)過18h被完全降解,其降解速度達到33.6mg/(L·h).

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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

國家 “863”項目(2006AA06Z314);國家自然科學(xué)基金資助項目(20377023)

* 責(zé)任作者, 教授, lxzhou@njau.edu.cn

王電站(1967-),男,安微蕪湖人,講師,博士,主要從事水處理技術(shù)研究.發(fā)表論文10余篇.

環(huán) 保 信 息

焚燒有哪些政策及標準? 我國制定的政策和法規(guī) 2005年,中國發(fā)布《中華人民共和國可再生能源法》,鼓勵發(fā)展生活垃圾焚燒處理.

2007年,國家發(fā)改委會同有關(guān)部門制定了《節(jié)能減排綜合性工作方案》,要求“積極推進城鄉(xiāng)垃圾無害化處理,實現(xiàn)垃圾減量化、資源化和無害化”,“鼓勵垃圾焚燒發(fā)電和供熱”,“促進垃圾資源化利用”.

2007年,國家發(fā)改委發(fā)布《中國應(yīng)對氣候變化國家方案》,更是明確指出要“大力研究開發(fā)和推廣利用先進的垃圾焚燒技術(shù)”,“鼓勵在經(jīng)濟發(fā)達、土地資源稀缺地區(qū)建設(shè)垃圾焚燒發(fā)電廠”.

我國《全國城市生活垃圾無害化處理設(shè)施建設(shè)“十一五”規(guī)劃》指出,在經(jīng)濟發(fā)達、生活垃圾熱值符合條件、土地資源緊張的城市,可加大發(fā)展焚燒處理技術(shù)；新增城市生活垃圾無害化處理設(shè)施479項,其中垃圾焚燒廠 82座,占 17.1%,平均單座焚燒廠的日處理能力約為 810t.并且“十一五”期間,計劃城市生活垃圾無害化處理率達到70%,城市生活垃圾無害化處理設(shè)施建設(shè)規(guī)劃總投資為589億元.

摘自《中國環(huán)境報》

2010-03-30