一種促進污泥中多環(huán)芳烴厭氧降解的方法

張 佩，沈秋婷，陳銀廣

(同濟大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院污染控制與資源化研究國家重點實驗室，上海 200092)

Fig.3 Effects of HA-Aladdin dosage on the anaetobic biodegradation efficiency of phenanthrene

一種促進污泥中多環(huán)芳烴厭氧降解的方法

張 佩，沈秋婷，陳銀廣

(同濟大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院污染控制與資源化研究國家重點實驗室，上海 200092)

多環(huán)芳烴(Polycyclic aromatic hydrocarbons, PAHs)是目前環(huán)境中廣泛關(guān)注的一類新型有機污染物，具有“三致作用”，常吸附于污泥而影響厭氧發(fā)酵過程。截止至目前，如何提高污泥中PAHs在厭氧發(fā)酵過程中的降解效率的研究還未見報道。本論文首先采用快速準(zhǔn)確測定污泥中菲的方法，在此基礎(chǔ)上，研究了腐殖質(zhì)調(diào)控對菲在污泥厭氧發(fā)酵過程中降解效率的影響，并對其促進機理深入分析。

多環(huán)芳烴；腐殖質(zhì)；促進；生物降解

多環(huán)芳烴(PAHs)是指由兩個或兩個以上苯環(huán)相互連接構(gòu)成的碳氫化合物，是一類在污泥中頻繁被檢出且濃度較高的有毒有害污染物。它們水溶性低，對生物體具有致畸、致癌、致突變的三止作用，被中國、美國及歐盟列為環(huán)境優(yōu)先控制污染物，為對環(huán)境有持久性危害的有機污染物。PAHs的來源包括天然及人文來源，其中人類的生活和生產(chǎn)活動是PAHs的最主要來源，包括工業(yè)生產(chǎn)、垃圾焚燒和填埋、食品加工、交通直接排放以及輪胎磨損和路面磨損產(chǎn)生的瀝青及道路揚塵等[1]。研究表明，這些過程釋放到大氣中的PAHs經(jīng)過大氣的干濕沉降和地表徑流進入城市污水處理廠。由于PAHs的疏水性和親脂性，在城市污水處理過程中，PAHs極易吸附到污泥顆粒上[2]，影響污泥的土地安全利用。

我國污水處理廠城市污泥中的PAHs地域差異大，總體濃度較國外高。趙曉莉等對長江三角洲41座典型城市污水處理廠產(chǎn)生的污泥中的16種PAHs的含量進行了調(diào)查分析，分析結(jié)果表明，污泥中的∑PAHs含量在8.54～55.807mg/kg之間，其中以3環(huán)和4環(huán)的PAHs為主，而2環(huán)、5環(huán)和6環(huán)的PAHs的含量相對較低[3]。Hu等對我國浙江省造紙廠、印染廠和城市污水處理廠污泥中的PAHs進行了相關(guān)研究，研究結(jié)果表明，污泥中的16種PAHs的含量在9.19～23.68mg/kg之間，污泥中的∑PAHs的含量隨污泥的來源不同而發(fā)生變化，其中造紙廠污泥中的∑PAHs最高，印染廠污泥中的∑PAHs最低，污泥在經(jīng)過消解后，∑PAHs含量發(fā)生明顯下降[4]。因此，研究如何高效地降解污泥中的PAHs，尤其是2～4環(huán)PAHs，對污泥的安全土地利用具有重大意義。

目前對PAHs的處理方法有物理法、化學(xué)法和生物降解等，其中生物降解是處理PAHs的主要途徑[5]。生物降解具有降解完全、無污染、經(jīng)濟可行等優(yōu)點。許多細菌、真菌、藻類都有降解PAHs的能力，常見的有紅球菌屬(Rhodococcus)、微球菌屬(Micrococcus)、藍細菌(Cyanobacteria)、諾卡氏菌屬(Nocardia)、棒狀桿菌屬(Corynebacterium)、氣單胞菌屬(Aeromonas)、黃桿菌屬(Flavobacterium)、假單胞菌屬(Pseudomonas)、拜葉林克氏菌屬(Beijernckia)、分枝桿菌(Mycobacterium)、芽胞桿菌屬(Bacillus)和弧菌屬(Vibrio)[6]。

大量研究表明，PAHs具有疏水親脂性，溶解度低，使它的可生物利用性低，限制了PAHs的生物降解[7-8]。表面活性劑可以增加多環(huán)芳烴的溶解度，提高生物可利用性[9]。腐殖酸動、植物殘體通過生物、非生物的降解、聚合等作用形成的天然有機質(zhì)，廣泛存在土壤、水體和沉積物中，含有酚羥基、羧基、醇羥基、烯醇基、磺酸基、取代氨基、醌基、羰基、甲氧基等多種基團，具有較強的配合和吸附能力，能與環(huán)境中的金屬離子、氧化物、氫氧化物、礦化物、有機質(zhì)、污染物等發(fā)生相互作用。因此，腐殖酸的環(huán)境行為對污染物質(zhì)的遷移、轉(zhuǎn)化和降解等過程起著重要的作用[10]。目前已有研究表明，腐殖酸具有表面活性劑作用，增加PAHs的溶解度，促進PAHs的降解[11-12]。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試污泥取自上海曲陽污水處理廠的回流污泥泵房。放置于放置于4 ℃下靜置24 h排出上清液，過2.0 mm篩去除大粒徑雜質(zhì)，根據(jù)試驗所需稀釋或濃縮后待用。對污泥的主要性質(zhì)進行測定，結(jié)果如表1所示。

表1 剩余污泥主要性質(zhì)

注：實驗數(shù)據(jù)為三次實驗平均值，結(jié)果表示為平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差。

供試腐植酸(Humic acds)，簡稱HA。共選取4類腐殖質(zhì)類物質(zhì)，其中3種購自上海阿拉丁試劑公司、(HA-Aladdin)美國 Sigma-Aldrich公司(HA-Sigma)，和天津科密歐化學(xué)試劑有限公司(HA-TJ)，一種腐植酸類似物AQDS購自Sigma-Aldrich公司。供試PAHs選用菲作為目標(biāo)降解物，單品固體樣品購置與J&K百靈威科技公司。丙酮、二氯甲烷、正己烷、乙腈等購置于美國 Sigma-Aldrich公司，純度為色譜HPLC級。

實驗儀器主要為美國安捷倫(Agilent)高效液相色譜儀(HPLC 1260)，配置紫外檢測器(VWD)，色譜柱為Agilent Eclipse PAH (250 mm×4.6 mm×5 μm)，試驗所用流動相為乙腈和超純水，采用梯度淋洗。進樣體積為20 μL，柱溫30℃，流動相流速為1.2 mL/min，紫外檢測器檢測波長為254 nm。

1.2 實驗設(shè)計

污泥厭氧發(fā)酵降解PAHs的批次試驗在600 mL血清瓶中進行。試驗前，菲配置成1g/L的儲備液，即稱取1g 菲，加入1L的甲醇中，置于棕色瓶中4℃保存。污泥濃度為10 g-TSS/L。加入PAHs保證終濃度為100 mg/kg-TSS，加入腐植酸使其最終濃度為0.5g/g-TSS，總反應(yīng)體積為300 mL。反應(yīng)器共分為5組，第一組為空白組，1-1#，1-2#；第2組為HA-Aladdin組，2-1#，2-2#；第3組為HA-Sigma組，3-1#，3-2#，第4組為AQDS組，4-1#，4-2#，第5組為HA-TJ組，5-1#，5-2#。所有反應(yīng)器pH值均調(diào)節(jié)至6.8-7.2并控制反應(yīng)器中的pH值，氮氣吹掃3 min達到厭氧環(huán)境，蓋上橡膠塞密封后置于恒溫搖床中(37℃)振蕩培養(yǎng)，轉(zhuǎn)速150 rpm。

1.3 樣品的處理與分析

PAHs的預(yù)處理流程主要包括：目標(biāo)有機物提取(Extract)、樣品提取液濃縮(Clean-up)、淋洗液收集濃縮(Collect and concentrate)以及最終定容上機分析(Reconstitute volume and analyze)。近年來，研究表明，超聲波萃取技術(shù)可有效提取植物和環(huán)境固體樣品中的有機污染物，且操作簡單，因此具有廣泛的應(yīng)用[13]。

圖1 污泥中的多環(huán)芳烴提取檢測流程圖

如圖1，將賦存PAHs的污泥樣品取出后冷凍干燥，碾磨得到粉末狀樣品。加入二氯甲烷：正己烷(1:1)以及活化的去硫銅粉超聲萃取60 min后至旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀濃縮。濃縮液進一步轉(zhuǎn)移至SPE裝置進行固相分離并用Si SPE小柱分離純化。最后通過氮吹儀吹縮洗脫液，乙腈定容后進入液相分析測定濃度。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同腐殖質(zhì)類物質(zhì)對菲在污泥厭氧發(fā)酵過程中降解效率的影響

試驗首先考察了不同種類腐殖質(zhì)條件下菲厭氧生物降解的效率。對于PAHs的厭氧生物降解主要集中于反硝化還原體系、硫酸鹽還原體系、金屬還原體系和產(chǎn)甲烷體系[14-18]。由圖3可得，初始菲濃度為100 mg/kg-TSS，在經(jīng)過10 d的厭氧發(fā)酵后，空白組中剩余的菲濃度為57.33 mg/kg-TSS，而添加HA-Aladdin、HA-Sigma、AQDS和HA-TJ的反應(yīng)器中菲的剩余濃度分別為14.82、52.58、35.55和26.84 mg/kg-TSS。相較于空白組，不同腐殖質(zhì)類物質(zhì)對菲的降解效率均有所提高?？瞻捉M的降解去除率為28.34%，而HA-Aladdin、HA-Sigma、AQDS和HA-TJ四種腐殖質(zhì)類物質(zhì)存在條件下，菲的降解去除率分別為81.48%，34.28%，55.56%和66.45%，其中，對菲降解促進作用最強的是HA-Aladdin。

圖2 不同種類HAs對菲厭氧降解的影響

PAHs的厭氧降解緩慢，其機理研究尚不十分清楚，目前的研究主要集中于萘的厭氧生物降解途徑，也有少量關(guān)于菲的厭氧代謝途徑的報道。Fava等報道1.5%的腐殖質(zhì)能加速PAHs的降解速率，有利于土壤的脫毒，增加水相中的PAHs及好氧降解PAHs的細菌[19]。也有研究發(fā)現(xiàn)HAs對PAHs的降解無明顯作用甚至有抑制作用[20-21]。

2.2 不同濃度的pH值對菲在污泥厭氧發(fā)酵過程中降解效率的影響

圖3 HA-Aladdin 濃度對菲厭氧降解的影響

Fig.3 Effects of HA-Aladdin dosage on the anaetobic biodegradation efficiency of phenanthrene

由2.1節(jié)可知，不同的腐殖質(zhì)類物質(zhì)對菲的厭氧降解效率起到不同程度的促進作用，選取其中對菲降解的促進作用最強的HA-Aladdin作為主要研究對象，探究不同濃度下HA-Aladdin對菲厭氧降解效率的影響。試驗采用在反應(yīng)器中加入0.02，0.1和0.5 g/g-TSS三種不同濃度的HA-Aladdin，于37℃條件下厭氧發(fā)酵10 d。由圖3可知，在一定的HA-Aladdin濃度范圍內(nèi)，菲的降解率隨著HA-Aladdin投加濃度的增加而增加。空白組中菲的降解率為26.35%，0.02，0.1和0.5 g/g-TSS HA濃度下，菲的降解率分別為27.27%，40.07%和81.95%。因此，污泥中菲的厭氧降解效果與HA的濃度有密切相關(guān)， Liang等發(fā)現(xiàn)在pH值 7時ESHA沒有表面活性劑的作用，而在pH值 11.8時，隨著ESHA濃度的增加，表面張力下降，同時0～200 μg/g的ESHA能增加芘的礦化效率[12]，與本試驗結(jié)果相一致。

2.3 HAs對菲厭氧生物降解過程中電子傳遞的影響

目前HAs對PAHs降解影響的相關(guān)研究主要集中于土壤中的PAHs的降解以及好氧環(huán)境中PAHs的降解，HAs對PAHs降解的機理普遍認為是由于腐殖酸的增溶作用及吸附作用。對于厭氧環(huán)境中，由于HAs結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不同HAs在結(jié)構(gòu)上和組成上差異較大，HAs對PAHs降解的影響以及不同HAs結(jié)構(gòu)對PAHs降解機理的影響研究較少。PAHs的生物降解其本質(zhì)為物質(zhì)的氧化和還原，也必定涉及電子的遷移和轉(zhuǎn)運，是生物代謝過程中的重要過程。如圖4所示，通過電化學(xué)工作站對空白(不添加腐植質(zhì)的)，僅為二甲基亞砜溶液(DMSO)及添加了四種不同腐殖質(zhì)類物質(zhì)的DMSO溶液的伏安特性分析發(fā)現(xiàn)，腐殖質(zhì)類物質(zhì)反應(yīng)組有別于空白組的電化學(xué)特性。從圖中可看出，加入HA-Aladdin的溶液電流最大，而HA-Sigma和AQDS其次，但所有的含腐殖質(zhì)類溶液電流均高于空白組，表明HA-Aladdin具有更強的電子傳遞能力。眾所周知，腐殖酸能作為電子穿梭體，加快電子傳遞速率。當(dāng)然，HAs是一類含有大量含氧官能團且結(jié)構(gòu)復(fù)雜的有機物，其與菲的作用機理也相當(dāng)復(fù)雜，需查閱大量的文獻及結(jié)合大量的實驗深入探究。

圖4 不同腐殖質(zhì)類物質(zhì)的伏安特性曲線分析

3 結(jié)論

采用課題組之前前期已建立的一套測定PAHs的有效方法(一種促進污泥中多環(huán)芳烴厭氧降解的方法：CN 104310739 A)，快速準(zhǔn)確的對多環(huán)芳烴分析測定。采用高效液相色譜-紫外檢測器聯(lián)用的方法可實現(xiàn)PAHs的高響應(yīng)值和靈敏度，超聲萃取法能有效萃取污泥中PAHs，利用Si SPE小柱固相萃取分離純化，回收率高。此外，影響污泥系統(tǒng)微生物降解PAHs的因素包括pH值，溫度，營養(yǎng)鹽，污染物化學(xué)結(jié)構(gòu)等，但主要限制因素為PAHs在水相中的溶解度低。通過類比表面活性劑或者堿性條件提高了PAHs的生物可利用性和降解率等有效途徑，發(fā)現(xiàn)腐殖質(zhì)類物質(zhì)也可有效促進菲的厭氧降解。研究發(fā)現(xiàn)，不同的腐殖質(zhì)類物質(zhì)對菲的促進效果不同，但均有促進作用，其中HA-Aladdin的促進作用最強。進一步研究發(fā)現(xiàn)，在一定的濃度范圍內(nèi)，隨著HA-Aladdin濃度的升高，其對菲在污泥中的厭氧降解效率也隨之增加。機理研究發(fā)現(xiàn)，腐殖質(zhì)類物質(zhì)可作為有機物增溶劑或者電子傳遞體的作用增加PAHs在水相中的溶解性能，并可加速微生物細胞間的電子傳遞能力，有利于菲的降解，為腐殖質(zhì)類物質(zhì)與PAHs之間的相互作用及PAHs的生物降解提供一定的理論基礎(chǔ)。

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(本文文獻格式：張 佩，沈秋婷，陳銀廣.一種促進污泥中多環(huán)芳烴厭氧降解的方法[J].山東化工，2017，46(06)：168-171.)

A Method for Promoting Anaerobic Degradation of Polycyclic Aromatic Hydrocarbons in Sludge

ZhangPei，ShenQiuting，ChenYinguang

(State Key Laboratory of Pollution Control and Resource Reuse，School of Environmental Science and Engineering，Tongji University，Shanghai 200092，China)

Polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) is one of persistent organic pollutants, which existed in the waste activated sludge (WAS) and would influence the anaerobic fermentation process due to great toxicity. However, little information is currently available on how to enhance the anaerobic biodegradation efficiency of PAHs in WAS. The concentration of phenantherne was determined fast and accurately by the high-performance liquid chromatogram. On this basis, the effects of phenantherne on the WAS anaerobic fermentation were investigated and the mechanisms were further explored.

PAHs；humic acids；promotion；anaerobic biodegradation

2017-03-07

X703

A

1008-021X(2017)06-0168-04