丙烯酸鹽及對甲苯磺酸鹽對乙酸、丙酸產(chǎn)甲烷活性的影響

王百黨，宋玉棟，程家運，陳葉，孫力東，周岳溪* ，崔俊華

1.河北工程大學城市建設學院，河北 邯鄲 056038

2.中國環(huán)境科學研究院水污染控制技術研究中心，北京 100012

3.環(huán)境基準與風險評估國家重點實驗室，中國環(huán)境科學研究院，北京 100012

4.中國石油天然氣股份有限公司吉林石化分公司，吉林 吉林 132022

丙烯酸丁酯是一類重要的化工原料，大量應用于塑料、紡織、涂料、造紙、印刷黏合劑和乳化劑等領域［1-2］。丙烯酸丁酯生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生大量含高濃度丙烯酸(鹽)的有機廢水。丙烯酸丁酯生產(chǎn)廢水化學需氧量(CODCr)高達60 000 ～80 000 mg/L，廢水中主要的污染物丙烯酸鈉和對甲基苯磺酸鈉濃度分別可達52 000 ～65 000 和7 900 ～9 000 mg/L［3］。目前針對該類廢水國內(nèi)外研究和應用的處理方法有焚燒法、濕式催化氧化法［4-5］和生物處理法，其中厭氧生物處理比其他處理方法的運行成本低，并能產(chǎn)生可回收利用的生物能，具有明顯的優(yōu)勢。但廢水中的丙烯酸鹽及對甲基苯磺酸鹽對厭氧污泥的抑制作用可能不利于工藝的穩(wěn)定運行，因此需研究丙烯酸鹽、對甲基苯磺酸鹽對產(chǎn)甲烷活性的影響。

丙烯酸厭氧降解的研究表明，丙烯酸首先轉化為丙酸和乙酸，且以丙酸為主［6-10］，然后進一步降解產(chǎn)生甲烷。通常乙酸可直接被產(chǎn)甲烷菌利用，而丙酸首先由產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌轉化為乙酸和氫氣，然后才能被產(chǎn)甲烷菌利用。許多研究表明，當厭氧處理系統(tǒng)受到有毒物質沖擊時會造成丙酸的積累［11-12］，表明產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌可能對有毒物質更加敏感。現(xiàn)有厭氧毒性試驗多以乙酸、乙酸和丙酸混合物或葡萄糖等為底物［13-16］，鮮有單獨以丙酸為底物的產(chǎn)甲烷活性抑制研究，因此可能會低估有毒物質的毒性效應。對比某種有毒物質對不同底物的厭氧產(chǎn)甲烷活性抑制效應的研究較少，2 種或多種物質聯(lián)合作用抑制產(chǎn)甲烷活性的研究也鮮有報道。為此，筆者考察了丙烯酸鹽、對甲基苯磺酸鹽對乙酸、丙酸分別為底物的厭氧產(chǎn)甲烷活性的抑制效應，并考察了2 種物質的聯(lián)合作用。

1 材料與方法

1.1 試驗裝置

靜態(tài)產(chǎn)甲烷試驗在250 mL 血清瓶中進行。瓶內(nèi)接種50 mL 污泥，190 mL 營養(yǎng)液，10 mL 乙酸鈉或丙酸鈉溶液，置于35 ℃恒溫水浴中，產(chǎn)生的氣體通過堿液吸收排水集氣法收集，以測得甲烷產(chǎn)生量［17］。

1.2 營養(yǎng)液的配制

厭氧微生物生長所需的營養(yǎng)物儲備液配方如表1 所示，各種儲備液在4 ℃下保存。營養(yǎng)液中除厭氧微生物生長所需的各種營養(yǎng)元素及維生素外，還包含氧化還原指示劑刃天青(被氧化時呈粉紅色)和為反應體系提供還原環(huán)境的硫化鈉。

表1 儲備液配方Table 1 Stock solution recipe

營養(yǎng)液配制程序:1)向2 L 的燒瓶中加入1 L去離子水;2)添加S2溶液1.8 mL，S3溶液5.4 mL，S4溶液27 mL;3)用去離子水定容至1.8 L;4)1 L/min氮氣吹掃條件下加熱煮沸15 min，無菌水定容至1.8 L;5)保持氮氣吹掃冷卻至室溫;6)添加S7溶液18 mL，S5溶液1.8 mL，S6溶液1.8 mL;7)改用30% CO2和70% N2混合氣體吹掃(1 L/min);8)加入8.4 g NaHCO3;9)用30% CO2和70 % N2混合氣體鼓泡吹脫(1 L/min)至pH 穩(wěn)定在7.1 附近;10)小心密封待用，使用時定容至2 L。

配好的營養(yǎng)液中氮、磷濃度和堿度(以CaCO3計)分別為122、19、2 500 mg/L［13］。

1.3 接種污泥

厭氧污泥為實驗室處理丙烯酸丁酯廢水EGSB反應器中的厭氧污泥，懸浮物(SS)濃度為9.07 g/L，揮發(fā)性懸浮物(VSS)濃度為7.94 g/L。

1.4 試驗方法及數(shù)據(jù)處理

試驗方法參照文獻［13，17］。接種時，先向血清瓶中加入一定量的丙烯酸(液態(tài))或對甲基苯磺酸(固態(tài))，加入190 mL 營養(yǎng)液，再加入10 mL CODCr為100 g/L 的乙酸鈉(或丙酸鈉)溶液，用氫氧化鈉調pH 至7.0 ～7.2，加入50 mL 污泥。各系列丙烯酸鹽及對甲基苯磺酸鹽濃度(以丙烯酸根和對甲基苯磺酸根計，全文同)如表2 所示。每個系列做3 個平行樣。搖勻后置于試驗裝置中，每隔12 h讀取甲烷產(chǎn)量。

1.5 毒性的表示方法及半效應濃度(EC50)的計算

厭氧毒性試驗可確定毒性物質或有毒廢水在一定濃度下對產(chǎn)甲烷活性的抑制程度，其在一定程度上反映了毒性物質對厭氧生物的毒害作用。毒性一般用某一時段內(nèi)某濃度下使污泥產(chǎn)甲烷速率受到抑制的比例(產(chǎn)甲烷抑制率)來表示。通過對照組(丙烯酸鹽及對甲基苯磺酸鹽濃度為0 mg/L)和不同濃度試樣組的累積產(chǎn)氣量(3 個平行樣取平均值)隨培養(yǎng)時間的變化，選取線性部分(時間跨度一般為48 h)計算產(chǎn)甲烷抑制率(I):

式中，CH4試樣為試樣組的甲烷產(chǎn)量，mL;CH4對照為對照組的甲烷產(chǎn)量，mL。

以產(chǎn)甲烷抑制率與毒性物質濃度(以10 為底的對數(shù)值)進行線性擬合，得到y(tǒng)=ax+b(式中，y 為產(chǎn)甲烷抑制率;x 為毒性物質對數(shù)濃度)的擬合方程，根據(jù)該方程按照y=50 計算x，10x即為EC50。

產(chǎn)甲烷速率受產(chǎn)甲烷污泥活性、底物濃度、毒性物質濃度、溫度、pH 等多種條件的影響。試驗過程中控制產(chǎn)甲烷污泥活性、溫度、pH 等條件一致，減少由于產(chǎn)甲烷底物消耗、有毒物質降解等因素對毒性評價結果的影響，選擇盡可能靠前的線性部分計算產(chǎn)甲烷抑制率。

1.6 主要分析項目及方法

pH 采用在線pH 計(瑞士梅特勒M420 變送器，電極InPro3250i)測定;SS 濃度和VSS 濃度采用重量法［17］測定;甲烷產(chǎn)量采用堿液吸收排水集氣法測定。

2 結果與討論

2.1 對甲基苯磺酸鹽對乙酸產(chǎn)甲烷活性的抑制

以乙酸鈉為底物，不同對甲基苯磺酸鹽濃度下累積產(chǎn)甲烷量隨培養(yǎng)時間的變化如圖1 所示。選取12 ～60 h 段(共48 h)計算各試樣組的產(chǎn)甲烷抑制率，得到濃度為500、2 500、5 000、10 000、15 000 和20 000 mg/L 的對甲基苯磺酸鹽產(chǎn)甲烷抑制率分別為- 1.6%、3.1%、- 0.8%、- 1.2%、6.3% 和17.9%。說明對甲基苯磺酸根濃度在10 000 mg/L以下時對乙酸產(chǎn)甲烷活性沒有明顯抑制作用。盡管對甲基苯磺酸鈉也屬于有機物，但在144 h 時高濃度組的產(chǎn)甲烷量與對照組產(chǎn)甲烷量接近，這主要是由于對甲基苯磺酸在厭氧條件下不易降解所致［9］。

圖1 乙酸鈉為底物時不同對甲基苯磺酸鹽濃度的累積產(chǎn)甲烷量Fig.1 The cumulative amount of methane produced with sodium acetate as a substrate at different concentrations of p-toluenesulfonate

2.2 對甲基苯磺酸鹽對丙酸產(chǎn)甲烷活性的抑制

以丙酸鈉為底物，不同對甲基苯磺酸鹽濃度下的累積產(chǎn)甲烷量隨培養(yǎng)時間的變化如圖2 所示。選取12 ～60 h 段計算各試樣組的產(chǎn)甲烷抑制率，得到濃度為100、500、2 500、5 000 和10 000 mg/L 對甲基苯磺酸鹽的產(chǎn)甲烷抑制率分別-1.3%、-1.9%、2.4%、20.2%和52.4%。表明當對甲基苯磺酸鹽濃度在2 500 mg/L 以下時對丙酸產(chǎn)甲烷活性沒有明顯抑制作用。10 000 mg/L 以下對甲基苯磺酸對乙酸產(chǎn)甲烷活性沒有抑制，說明對甲基苯磺酸鹽對丙酸產(chǎn)甲烷活性的抑制主要為產(chǎn)乙酸階段。

圖2 丙酸鈉為底物時不同對甲基苯磺酸鹽濃度的累積產(chǎn)甲烷量Fig.2 The cumulative amount of methane produced with sodium propionate as a substrate at different concentrations of p-toluenesulfonate

將產(chǎn)甲烷抑制率與對甲基苯磺酸濃度(2 500 ～10 000 mg/L)對數(shù)進行擬合(圖3)，利用圖3 中擬合方程y =83.048x-282.19，令y =50，計算出x 值，EC50=10x，計算得對甲基苯磺酸對丙酸產(chǎn)甲烷抑制的EC50為9 500 mg/L。

圖3 產(chǎn)甲烷抑制率與對甲基苯磺酸鹽濃度對數(shù)的關系Fig.3 The curve for inhibition rate of methane production and mass concentration of methyl p-toluenesulfonate

2.3 丙烯酸鹽對乙酸和丙酸產(chǎn)甲烷活性的影響

乙酸鈉和丙酸鈉為底物時不同丙烯酸鹽濃度下累積產(chǎn)甲烷量隨培養(yǎng)時間的變化分別如圖4 和圖5所示。選取24 ～72 h 段(乙酸鈉)和60 ～108 h 段(丙酸鈉)計算出各試樣組的產(chǎn)甲烷抑制率(表3)。

圖4 乙酸鈉為底物時不同丙烯酸鹽濃度的累積產(chǎn)甲烷量Fig.4 The cumulative amount of methane produced with sodium acetate as substrate at different concentrations of acrylate

圖5 丙酸鈉為底物時不同丙烯酸鹽濃度的累積產(chǎn)甲烷量Fig.5 The cumulative amount of methane produced with sodium propionate as a substrate at different concentrations of acrylate

表3 丙烯酸鹽濃度對乙酸、丙酸的產(chǎn)甲烷抑制率Table 3 Inhibition rate of methanogenic activity of acetic acid and propionic acid by different concentrations of acrylate

產(chǎn)甲烷抑制率與丙烯酸濃度對數(shù)的擬合如圖6所示。由圖6 可知，相同濃度丙烯酸對丙酸產(chǎn)甲烷活性的抑制明顯強于對乙酸產(chǎn)甲烷活性的抑制。依據(jù)圖6 擬合方程，令y=50，計算出丙烯酸對乙酸產(chǎn)甲烷活性的EC50為717 mg/L，對丙酸產(chǎn)甲烷活性的EC50為235 mg/L。

圖6 產(chǎn)甲烷抑制率與丙烯酸濃度對數(shù)的關系Fig.6 The curve for inhibition rate of methane production and mass concentration of acrylate

與對甲基苯磺酸鹽的抑制試驗不同，投加低濃度丙烯酸鈉試樣組在試驗結束時的甲烷產(chǎn)生量高于對照組(圖1 和圖2)，這是由于在厭氧條件下丙烯酸可降解轉化生成乙酸和丙酸，并進一步被轉化為甲烷，使甲烷產(chǎn)生量增加［9］。

由于丙烯酸對產(chǎn)甲烷活性的抑制作用，其進入產(chǎn)甲烷反應器的濃度應得到有效控制。李沙等［8］采用微氧流化床處理高濃度丙烯酸廢水，可在丙烯酸容積負荷為6.0 ～18.0 kg/(m3·d)的條件下，去除95%以上的丙烯酸，并轉化生成丙酸和乙酸。流化床反應器內(nèi)丙烯酸濃度在2 000 mg/L 以下時，隨著丙烯酸濃度的升高，丙烯酸轉化速率升高［8］。已有的研究結果證明［18］，厭氧污泥經(jīng)過馴化可處理濃度為EC501 ～5 倍的毒性物質。從保證后續(xù)厭氧產(chǎn)甲烷單元穩(wěn)定運行的角度出發(fā)，進入產(chǎn)甲烷反應器的丙烯酸濃度應保持在235 mg/L 以下。

2.4 丙烯酸鹽及對甲基苯磺酸鹽對產(chǎn)甲烷活性的聯(lián)合作用效應

由于丙烯酸鹽及對甲基苯磺酸鹽對丙酸的產(chǎn)甲烷活性抑制作用強于乙酸，因此選取丙烯酸鹽濃度為200 mg/L，對甲基苯磺酸鹽濃度為5 000 mg/L，考察丙烯酸鹽及對甲基苯磺酸鹽單獨投加和組合投加對丙酸產(chǎn)甲烷活性的抑制作用，其累積產(chǎn)甲烷量如圖7 所示。選取36 ～84 h 段計算產(chǎn)甲烷抑制率。單獨作用的產(chǎn)甲烷抑制率之和(48.2% +19.6% =67.8%)與組合作用的產(chǎn)甲烷抑制率(64.3%)相近，表明二者對產(chǎn)甲烷活性的抑制沒有明顯協(xié)同效應。

圖7 丙烯酸鹽、對甲基苯磺酸鹽單獨和組合投加下丙酸的累積產(chǎn)甲烷量Fig.7 The cumulative amount of methane produced with sodium propionate as substrate at separate dosage of acrylate or p-toluenesulfonate and their combination

3 結論

(1)對甲基苯磺酸鹽濃度在10 000 mg/L 以下時對乙酸的產(chǎn)甲烷活性無明顯抑制作用;在20 000 mg/L 時的產(chǎn)甲烷抑制率僅為17.9%。

(2)對甲基苯磺酸鹽對丙酸產(chǎn)甲烷活性的抑制作用強于乙酸，對丙酸的產(chǎn)甲烷的EC50為9 500 mg/L。

(3)丙烯酸鹽對丙酸產(chǎn)甲烷活性的抑制作用強于乙酸，對丙酸和乙酸產(chǎn)甲烷的EC50分別為235 和717 mg/L，丙烯酸酯廢水處理厭氧產(chǎn)甲烷單元進水丙烯酸濃度應參照其對丙酸產(chǎn)甲烷的抑制濃度進行控制。

(4)丙烯酸鹽與對甲基苯磺酸鹽對產(chǎn)甲烷活性的抑制沒有明顯的協(xié)同效應。

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