三氯乙烯厭氧降解顆粒污泥影響因素分析

張穎，劉洋，李娟，胡淼，王薪

（東北農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，哈爾濱 150030）

三氯乙烯厭氧降解顆粒污泥影響因素分析

張穎，劉洋，李娟，胡淼，王薪

（東北農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，哈爾濱 150030）

通過(guò)在上流式厭氧污泥床（UASB）反應(yīng)器成功馴化TCE厭氧降解顆粒污泥，于小瓶中進(jìn)行溫度、pH和TCE濃度等對(duì)TCE厭氧降解顆粒污泥降解特性影響的試驗(yàn)研究。結(jié)果表明，35℃是顆粒污泥最適溫度，降解速率常數(shù)為0.1879，半衰期為3.69 d，TCE降解率為90.15%；顆粒污泥最適pH為7.2，降解速率常數(shù)為0.1672，半衰期為4.15 d，TCE降解率為88.74%；在溫度為35℃，pH 7.2條件下，試驗(yàn)濃度范圍內(nèi)（14.6～73.0 mg·L-1），TCE初始濃度越小，降解速率越快，降解率越大；當(dāng)TCE濃度達(dá)到73 mg·L-1時(shí)，TCE厭氧降解顆粒污泥仍能以較高速率降解TCE，14 d后TCE均可被有效去除，最終降解率在80%以上。

三氯乙烯；厭氧降解顆粒污泥；溫度；pH；TCE初始濃度

三氯乙烯（Trichloroethylene，TCE），是具有揮發(fā)性、厭水性的氯化碳?xì)浠衔铮鳛橹匾ぴ虾陀袡C(jī)溶劑，被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)中。TCE是具有揮發(fā)性的有機(jī)污染物，有很強(qiáng)的環(huán)境毒性。TCE臨床研究表明：TCE可引起中樞神經(jīng)麻醉，頭暈、惡心、昏迷甚至死亡；長(zhǎng)期吸入TCE揮發(fā)性氣體可引起突發(fā)性心率失常而猝死；肝臟損害、藥疹性皮炎等[1-2]。TCE及其降解產(chǎn)物二氯乙烯（DCEs）和氯乙烯（VC）是有毒致癌物質(zhì)[3]。為此，1976年美國(guó)環(huán)境保護(hù)署（USEPA）就已將TCE列入“優(yōu)先控制化合物”及“疑似致癌物質(zhì)”[4]。TCE對(duì)土壤和地下水的污染時(shí)有發(fā)生[3]。

目前，由于厭氧生物技術(shù)比化學(xué)和物化處理技術(shù)效果好、處理費(fèi)用低，被認(rèn)為是處理該類污染物應(yīng)用前景最好的方法。與其他厭氧生物處理裝置相比，上流式厭氧污泥床（UASB）反應(yīng)器以其處理能力大、處理效果好、操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，倍受關(guān)注，UASB作為高效厭氧處理技術(shù)，得到廣泛應(yīng)用[5]。厭氧生物降解是去除高濃度TCE有效途徑[6]，但針對(duì)TCE在UASB反應(yīng)器中厭氧生物降解研究甚少。厭氧生物降解含TCE廢水污泥顆?；^(guò)程未廣泛研究[7]，針對(duì)TCE厭氧降解影響因素研究更為鮮見(jiàn)。因此，本文通過(guò)對(duì)TCE厭氧生物降解影響因素（溫度、pH和TCE濃度）的研究，優(yōu)化運(yùn)行參數(shù)，為生物修復(fù)實(shí)施提供技術(shù)支持與借鑒，為地下水污染防治提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置

本試驗(yàn)裝置為有機(jī)玻璃制成的圓筒式UASB反應(yīng)器。其中下段為UASB反應(yīng)器的反應(yīng)區(qū)，圓桶內(nèi)徑為80 mm，高為1 000 mm，上段為三相分離器，內(nèi)徑為120 mm，高為400 mm，總體積為8 L，有效體積5 L，反應(yīng)器底部是一個(gè)孔板配水器。反應(yīng)器外壁纏有電熱絲，溫度控制在（35±1）℃。

1.2 接種污泥和試驗(yàn)水質(zhì)

試驗(yàn)接種污泥取自黑龍江省哈爾濱市啤酒廠污水處理池厭氧池，接種污泥為黑色顆粒狀污泥，沉降性較好，MLSS 80.9 g·L-1。借鑒國(guó)內(nèi)外關(guān)于TCE生物降解的研究方法[8-11]，本試驗(yàn)使用實(shí)驗(yàn)室人工配水。試驗(yàn)配水由基礎(chǔ)培養(yǎng)液，葡萄糖和不同濃度TCE組成。基礎(chǔ)培養(yǎng)液中含20 mL·L-1礦物鹽溶液、10 mL·L-1痕量金屬溶液。兩種溶液組成如下：

①礦物鹽溶液：NaCl 40 g·L-1，KH2PO45 g·L-1，KCl 5 g·L-1，MgSO4·7H2O 10 g·L-1，NH4Cl 50 g·L-1，CaCl2·2H2O 1 g·L-1；

②痕量金屬：氨基三乙酸2 g·L-1，CuCl2· 2H2O 0.02 g·L-1，MnSO4·H2O 1 g·L-1，Na2MoO4· 2H2O 0.02 g·L-1，NiCl2·6H2O 0.02 g·L-1，CoCl2· 2H2O 0.2 g·L-1，F(xiàn)e（NH4）2（SO4）2·6H2O 0.8 g·L-1，ZnSO4·7H2O 0.2 g·L-1。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在UASB反應(yīng)器啟動(dòng)過(guò)程中，形成沉降性能優(yōu)越的厭氧顆?；勰?。經(jīng)過(guò)馴化的TCE厭氧降解顆粒污泥可以進(jìn)行TCE降解研究。因?yàn)橐话阌蠺CE污染的地下水中TCE濃度較低[12]，可進(jìn)行厭氧降解影響因素研究。

向120 mL細(xì)口點(diǎn)滴瓶中沖入氮?dú)?，約5 min后將在UASB反應(yīng)器中培養(yǎng)好的TCE厭氧降解污泥懸濁液20.0 mL加入到120 mL細(xì)口點(diǎn)滴瓶中，補(bǔ)充20.0 mL左右的基礎(chǔ)培養(yǎng)液，使瓶中水泥混合物體積保持在40.0 mL。迅速用橡膠塞塞緊瓶口，并用壓蓋器加蓋鋁蓋。試驗(yàn)開(kāi)始前將試驗(yàn)瓶置于35℃恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)2 d，耗盡試驗(yàn)瓶?jī)?nèi)污泥懸濁液中殘留的TCE及葡萄糖。

試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，在加入TCE及葡萄糖溶液1 mL（80 mg·mL-1，使試驗(yàn)瓶中COD維持在2 000 mg·L-1）后放在35℃恒溫振蕩器上振蕩約1 h，目的是使TCE和葡萄糖在瓶中均勻分布，之后根據(jù)試驗(yàn)計(jì)劃進(jìn)行試驗(yàn)，定期取樣檢測(cè)TCE濃度變化。

選擇影響TCE降解性能的溫度、pH和TCE濃度作單一因素優(yōu)化試驗(yàn)。由于研究區(qū)地下水溫度為12℃，選擇12℃為溫度中的一個(gè)梯度；考慮到實(shí)際地下水環(huán)境中，pH 7.0～8.0。試驗(yàn)分3批進(jìn)行，共進(jìn)行15組試驗(yàn)（同時(shí)設(shè)置15個(gè)對(duì)照組，每個(gè)對(duì)照組加入20 mL蒸餾水取代20 mL污泥懸濁液，其他條件均與試驗(yàn)組相同），各組相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1。

1.4 分析方法

試驗(yàn)中TCE含量測(cè)定采用氣相色譜法。用島津GC-2014氣相色譜，Angilen毛細(xì)管色譜柱GSGasPro（30 m×0.32 mm），氫火焰離子化檢測(cè)器（FID），進(jìn)樣量為100 μL頂空氣體。具體條件：柱流量3.5 mL·min-1；分流比為1∶50；進(jìn)樣口溫度220℃；FID檢測(cè)器溫度250℃；柱溫采用程序升溫60℃保留1 min，由70℃·min-1升至180℃保留4 min。

表1 影響因素試驗(yàn)參數(shù)Table 1 Parameters design of influencing factors

2 結(jié)果與分析

2.1 溫度

溫度是一個(gè)重要物理參數(shù)，通過(guò)改變生長(zhǎng)速率、酶活性、細(xì)胞成分等對(duì)微生物起直接作用[13]。據(jù)報(bào)道，微生物生長(zhǎng)環(huán)境溫度為12～100℃，但大多數(shù)細(xì)菌適宜生長(zhǎng)溫度為20～55℃[14]。由于研究區(qū)地下水溫度為12℃，因此溫度選擇12℃為一個(gè)影響因素，以檢驗(yàn)試驗(yàn)室培養(yǎng)的微生物在12℃環(huán)境下還原脫氯性能。另外，根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道[15-16]，選擇20、30、35和40℃溫度梯度進(jìn)行試驗(yàn)研究。

在試驗(yàn)進(jìn)行的14 d中，定期取樣分析TCE含量變化，在pH為7.2，TCE初始濃度為14.6 mg·L-1條件下，將各個(gè)溫度條件下，TCE濃度隨時(shí)間變化的數(shù)據(jù)與一級(jí)降解動(dòng)力學(xué)曲線ln(C/C0)=-kt進(jìn)行擬合，結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 不同溫度條件下TCE降解擬合曲線Fig.1 TCE degradation fitting curves in different temperature conditions

由圖1可知，TCE厭氧降解顆粒污泥在溫度為12、20、30、35和40℃下均能將TCE降解，其降解過(guò)程均符合一級(jí)降解動(dòng)力學(xué)方程，降解速率常數(shù)分別為0.0482、0.0500、0.1326、0.1879和0.0382，降解半衰期分別為14.38、13.86、5.23、3.69和18.15 d。在溫度由12℃上升到35℃的過(guò)程中，隨溫度的升高TCE降解速率常數(shù)k值逐漸增大，半衰期逐漸減??；而當(dāng)溫度由35℃升至40℃時(shí)，TCE降解速率常數(shù)k值迅速減小，半衰期明顯增加，說(shuō)明在35℃時(shí)TCE能以最大降解速率發(fā)生降解，TCE厭氧降解顆粒污泥有最佳降解效果。

在試驗(yàn)的第14天時(shí)TCE降解率與溫度的關(guān)系如圖2所示。

圖2 不同溫度時(shí)TCE降解情況Fig.2 TCE removal in different temperature conditions

由圖2可知，試驗(yàn)第14天TCE降解率分別為43.15%、50.32%、83.78%、90.15%、40.60%，而從12℃升高到20℃、從20℃升高到30℃、從30℃升高到35℃時(shí)，TCE降解率分別僅增加7.17%、33.46%和6.37%，而從35℃上升到40℃時(shí)TCE降解率下降49.55%。說(shuō)明在12～35℃時(shí)，隨溫度增加，TCE降解率逐漸提高，且增加速度越來(lái)越小，而超過(guò)35℃時(shí)其降解率出現(xiàn)下降趨勢(shì)，體現(xiàn)TCE厭氧降解顆粒污泥的處理能力，在溫度約為35℃時(shí)已達(dá)到頂峰，且較高溫度抑制TCE厭氧降解顆粒污泥活性，導(dǎo)致降解率下降。溫度較低時(shí)，使微生物活性受到抑制，進(jìn)而造成系統(tǒng)內(nèi)揮發(fā)性酸積累，大幅降低TCE降解速率，所以在持續(xù)低溫條件下TCE降解效果不理想。35℃時(shí)TCE厭氧降解顆粒污泥保持良好活性，能有效降解環(huán)境中的TCE，TCE降解率可達(dá)90%。

2.2 pH

環(huán)境中pH對(duì)微生物生命活動(dòng)影響較大，引起細(xì)胞膜電荷變化，影響微生物對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收；影響代謝過(guò)程中酶活性；改變生長(zhǎng)環(huán)境中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的可給性及有害物質(zhì)毒性。多數(shù)自然環(huán)境pH在5.0～9.0[17]。

在試驗(yàn)進(jìn)行14 d中，定期取樣分析TCE含量變化，在溫度為35℃，TCE初始濃度為14.6 mg·L-1條件下，將各個(gè)pH條件下，TCE濃度隨時(shí)間變化的數(shù)據(jù)與一級(jí)降解動(dòng)力學(xué)曲線ln(C/C0)=-kt進(jìn)行擬合，結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同pH條件下TCE降解擬合曲線Fig.3 TCE degradation fitting curves in different pH conditions

由圖3可知，TCE厭氧降解顆粒污泥在pH為6.5、7.0、7.2、7.5和8.0時(shí)均能將TCE降解，其降解過(guò)程均符合一級(jí)降解動(dòng)力學(xué)方程，降解速率常數(shù)分別為0.1166、0.1424、0.1672、0.1467和0.1269，降解半衰期分別為5.94、4.87、4.15、4.72和5.47 d。在pH由6.5上升到7.2的過(guò)程中，隨pH升高TCE降解速率常數(shù)k值逐漸增大，半衰期逐漸減??；而當(dāng)pH由7.2上升到8.0時(shí)，TCE降解速率常數(shù)k值逐漸減小，半衰期逐漸增加，說(shuō)明在pH 7.2時(shí)TCE能以最大降解速率發(fā)生降解，TCE厭氧降解顆粒污泥有最佳降解效果。

在溫度為35℃，TCE初始濃度為14.6 mg·L-1條件下，試驗(yàn)開(kāi)始的第14天，TCE降解率與pH關(guān)系如圖4所示。

由圖4可知，pH在6.5、7.0、7.2、7.5和8.0時(shí)，TCE均能發(fā)生降解，TCE厭氧降解顆粒污泥能保持良好活性，且能保持相對(duì)較高降解率，降解率分別為78.93%、85.34%、88.74%、86.85%和83.24%。pH從6.5升高到7.2時(shí)，隨著pH增加，TCE降解率逐漸增加；而從7.2上升到8.0時(shí)，隨著pH增加，TCE降解率逐漸下降。這說(shuō)明TCE厭氧降解顆粒污泥處理能力在pH 7.2時(shí)達(dá)最大值。且pH＜7.2時(shí)TCE降解率明顯低于pH＞7.2時(shí)TCE降解速率，說(shuō)明偏酸環(huán)境對(duì)TCE降解率影響更大。厭氧還原脫氯過(guò)程是氫氣以氫原子置換氯原子，生成氯化氫，這樣偏堿環(huán)境發(fā)生酸堿中和反應(yīng)能使裝置內(nèi)部維持一個(gè)相對(duì)適合微生物生長(zhǎng)的中性環(huán)境[18]，因而pH 8.0對(duì)TCE降解影響比pH 6.5對(duì)TCE降解影響小。

圖4 不同pH時(shí)TCE降解情況Fig.4 TCE removal efficiencies in different pH conditions

2.3 TCE濃度

在溫度35℃，pH 7.2條件下，將各個(gè)TCE初始濃度條件下TCE濃度隨時(shí)間變化數(shù)據(jù)與一級(jí)降解動(dòng)力學(xué)曲線ln(C/C0)=-kt進(jìn)行擬合，結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5 不同TCE初始濃度條件下TCE降解擬合曲線Fig.5 TCE degradation fitting curve in different initial TCE concentration conditions

TCE初始濃度分別為14.6、29.2、43.8、58.4和73.0 mg·L-1，TCE降解速率常數(shù)k分別為0.1949、0.1585、0.1369、0.1238和0.1206，半衰期為3.56、4.37、5.06、5.60和5.75 d。并且在反應(yīng)開(kāi)始的第1天，TCE初始濃度越大，對(duì)反應(yīng)的抑制作用越明顯。較低濃度時(shí)（14.6～43.8 mg·L-1），在反應(yīng)進(jìn)行的第2～10天，TCE降解反應(yīng)以較高速率進(jìn)行，第10天后趨于穩(wěn)定，最終降解率分別為90.46%、89.30%和87.38%；較高濃度時(shí)（58.4～73.0 mg·L-1），在反應(yīng)進(jìn)行的14 d，TCE降解反應(yīng)速率變化不大，最終降解率分別為84.98%和80.98%?？梢?jiàn)在TCE濃度較低的范圍內(nèi)（14.6～73.0 mg·L-1），TCE初始濃度越小，降解速率越快。

在試驗(yàn)開(kāi)始的第14天TCE降解率隨TCE初始濃度變化情況見(jiàn)圖6。

圖6 不同TCE濃度時(shí)TCE的降解情況Fig.6 TCE removal efficiencies in different initial TCE concentration conditions

由圖6可知，在溫度為35℃，pH 7.2條件下，當(dāng)TCE初始濃度為14.6、29.2、43.8、58.4和73.0 mg·L-1時(shí)，試驗(yàn)第14天TCE降解率分別為90.46%、89.30%、87.38%、84.98%和80.98%，而TCE濃度從14.6 mg·L-1升高到29.2 mg·L-1、從29.2 mg·L-1升高到43.8 mg·L-1、從43.8 mg·L-1升高到58.4 mg·L-1、從58.4 mg·L-1升高到73.0 mg·L-1時(shí)，TCE降解率分別降低0.94%、1.92%、2.40%和4.00%。說(shuō)明TCE濃度在14.6～73.0 mg·L-1時(shí)，隨初始濃度增加，TCE降解率逐漸降低，在試驗(yàn)濃度范圍內(nèi)，相對(duì)較高濃度的TCE對(duì)降解反應(yīng)有抑制作用，且濃度越大影響作用越大。TCE濃度增加，可能對(duì)組成TCE厭氧降解顆粒污泥的微生物產(chǎn)生毒害作用，使微生物間相互作用受到影響，從而影響TCE厭氧降解顆粒污泥對(duì)TCE降解[18]。

3 結(jié)論

a.溫度由12℃升高到35℃時(shí)，隨溫度升高，TCE厭氧降解顆粒污泥活性逐漸增大；而超過(guò)35℃時(shí)，TCE厭氧降解顆粒污泥活性受抑制。30～35℃時(shí)，TCE降解速率較快，降解率可達(dá)85%以上，30～35℃時(shí)TCE厭氧降解顆粒污泥活性較高，35℃是TCE厭氧降解顆粒污泥最適溫度（設(shè)為研究控制溫度），降解速率常數(shù)0.1879，半衰期3.69 d，降解率90.15%。

b.pH從6.5升高到7.2時(shí)，隨pH升高，TCE厭氧降解顆粒污泥活性逐漸增大；而從7.2上升到8.0時(shí)，隨pH升高，TCE厭氧降解顆粒污泥活性逐漸降低。pH 7.2是TCE厭氧降解顆粒污泥最適pH（設(shè)為研究控制pH），降解速率常數(shù)為0.1672，半衰期為4.15 d，降解率88.74%。發(fā)現(xiàn)pH在7.0～7.5時(shí)，TCE降解速率較快，并且降解率可達(dá)85%以上，pH為7.0～7.5時(shí)污泥活性較高。

c.試驗(yàn)濃度范圍內(nèi)（14.6～73.0 mg·L-1）TCE初始濃度越小，TCE厭氧降解顆粒污泥活性越高。TCE初始濃度為14.6 mg·L-1時(shí)，最大降解率約為90%。但總體上看，馴化得到的TCE厭氧降解菌能夠有效降解環(huán)境中的TCE，當(dāng)TCE濃度達(dá)73 mg·L-1時(shí)，TCE厭氧降解顆粒污泥仍能以較高速率降解TCE，14 d后TCE均被有效去除，最終降解率在80%以上。

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Research on influencing factors of trichloroethylene(TCE)anaerobic degradation granular sludge

ZHANG Ying,LIU Yang,LI Juan,HU Miao,WANG Xin
(School of Resources and Environmental Science,Northeast Agricultural University,Harbin 150030, China)

Acclimation of trichloroethylene(TCE)-degrading anaerobic granular sludge was successful by using upflow anaerobic sludge blanket(UASB)reactor.The influences of temperature,pH and initial concentration of TCE on the degradation characteristics of TCE-degrading anaerobic granular sludge were investigated in serum bottles.The results showed that 35℃was the optimum temperature of the granular sludge,the degradation rate constant was 0.1879,the half-life was 3.69 d,and the TCE degradation rate was 90.15%;7.2 was the optimum pH of granular sludge,the degradation rate constant was 0.1672,the half-life was 4.15 d,and the TCE degradation rate was 88.74%;Under the conditions of temperature of 35℃,pH of 7.2,and the TCE test concentration range from 14.6 to 73.0 mg·L-1,the smaller the initial TCE concentration was,the faster the degradation rate was;When TCE concentration was 73 mg·L-1,TCE-degrading anaerobic granular sludge still had higher ability to degrade TCE.After 14 d,TCE could be effectively removed and the final TCE degradation rate was over 80%.

trichloroethylene;anaerobic degradation granular sludge;temperature;pH;initial TCE concentration

X703.1

A

1005-9369（2014）11-0052-07

2013-01-17

國(guó)際科技合作與交流專項(xiàng)（2013DFG62260）；黑龍江省高校創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)建設(shè)計(jì)劃項(xiàng)目（2013TD003）

張穎（1972-），女，教授，博士，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)榄h(huán)境污染生物修復(fù)。E-mail:zhangyinghr@hotmail.com

時(shí)間2014-11-21 16:44:25[URL]http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1391.S.20141121.1644.017.html

張穎,劉洋,李娟,等.三氯乙烯厭氧降解顆粒污泥影響因素分析[J].東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2014,45(11):52-58.

Zhang Ying,Liu Yang,Li Juan,et al.Research on influencing factors of trichloroethylene(TCE)anaerobic degradation granular sludge[J].Journal of Northeast Agricultural University,2014,45(11):52-58.(in Chinese with English abstract)