超聲處理污泥加速喹啉的生物降解

王猷珂　張雨婷　陸沁園　張辰媛　張永明

摘 要： 采用超聲波處理活性污泥，利用其釋放出的有機(jī)質(zhì)作為電子供體.搖瓶實(shí)驗(yàn)表明，喹啉的生物降解速率與處理或未處理的污泥量成正比，將25%未處理污泥和75%處理過(guò)的污泥混合用于降解喹啉時(shí)，喹啉的降解速率最快.在此過(guò)程中，處理的污泥主要起著電子供體的作用，而未處理的污泥主要起著生物催化劑的作用.對(duì)喹啉生物降解過(guò)程進(jìn)行電子平衡計(jì)算，結(jié)果表明，18 mL處理污泥的上清液作為電子供體相當(dāng)于3.65 mmol/L草酸的作用.

關(guān)鍵詞： 喹啉； 生物降解； 活性污泥； 電子供體； 超聲處理

中圖分類號(hào)： TQ 174.75 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號(hào)： 1000-5137（2018）04-0412-08

Abstract： In this work，ultrasound was used for treating sludge，and released organics was used as electron donors for accelerating quinoline biodegradation.Flask experimental results showed that quinoline removal rates are proportional to the biomass of treated and untreated sludge，but 25% untreated sludge and 75% treated sludge were mixed for quinoline biodegradation to achieve the fastest removal rate，during which treated sludge played the role of electron donor mainly，and untreated sludge played the role bio-catalyzer.Electron balance was carried out to show that 18 mL supernatants of treated sludge played the same role of 3.65 mmol/L oxalate for accelerating quinoline biodegradation.

Key words： quinoline； biodegradation； activated sludge； electron donors； ultrasound treatment

0 前 言

喹啉是一種典型的含氮雜環(huán)類化合物，被廣泛地應(yīng)用于染料、制藥和橡膠工業(yè)[1-4].若生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的廢水未經(jīng)有效處理而排放到天然環(huán)境中，則會(huì)帶來(lái)很大的危害[5-6].喹啉和它的衍生物很容易在生物體內(nèi)富集，這對(duì)自然界的動(dòng)植物有很大的危害.因此，在廢水處理過(guò)程中，通過(guò)某種方法來(lái)加快喹啉的生物降解速率具有現(xiàn)實(shí)意義[7-10].

喹啉的生物降解途徑中的前兩步是需要電子供體和分子氧共基質(zhì)作用的單加氧反應(yīng)，且該步驟是喹啉生物降解的控制步驟[11-12].足夠的電子供體和分子氧可以確保喹啉的單加氧反應(yīng)順利進(jìn)行.通常來(lái)說(shuō)，分子氧比較容易提供，而提供適量的電子供體則是加速喹啉生物降解的關(guān)鍵.最近的研究表明，增加有效的電子供體可以明顯地增加喹啉和吡啶的單加氧反應(yīng)[13-14].一個(gè)典型的例子就是利用喹啉的中間產(chǎn)物（草酸）作為內(nèi)源電子供體可以有效地加速喹啉的生物降解，在相關(guān)的實(shí)驗(yàn)中，添加外源電子供體也可以取得同樣的效果[13].

若在含有類似污染物的污水處理過(guò)程中，添加諸如甲醇、葡萄糖或有機(jī)酸等作為電子供體來(lái)提高有機(jī)物的生物降解速率，雖然有效但顯然是不經(jīng)濟(jì)的，也是不可持續(xù)的.而一種非常經(jīng)濟(jì)可行的方法就是利用污水處理廠的剩余污泥作為外源電子供體，污泥中釋放出的有機(jī)質(zhì)是一種非常理想的電子供體的物質(zhì)[15-17].傳統(tǒng)的污水處理廠，每天都會(huì)產(chǎn)生大量的剩余污泥，而剩余污泥的處理或處置往往又耗費(fèi)成本 [18-19].如果這些剩余污泥能用來(lái)作為加速難降解有機(jī)污染物的電子供體，則是一個(gè)一舉兩得的事情.

要使污泥作為有效電子供體，關(guān)鍵涉及到預(yù)處理工藝.目前對(duì)污泥的預(yù)處理已有許多方法，包括超聲-芬頓法[20]、電脈沖法[15，20]、臭氧法[21-23]和加熱水解法[24-25].而利用超聲波進(jìn)行污泥預(yù)處理相對(duì)來(lái)講是一種更為簡(jiǎn)單的方法.

本研究采用超聲波方法對(duì)污泥進(jìn)行預(yù)處理，并將其用作電子供體，同時(shí)評(píng)價(jià)其作為電子供體的效果.此外，在超聲處理過(guò)程中，雖然會(huì)有一部分污泥的活性受損[26]，但不會(huì)導(dǎo)致污泥完全滅活.因此，通過(guò)實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)處理后的污泥既能作為電子供體又能作為生物催化劑.本研究結(jié)果對(duì)合理利用污泥提供了理論和實(shí)踐基礎(chǔ).

1 材料與方法

1.1 喹啉降解菌的馴化

活性污泥取自上海某污水處理廠.首先將300 mL的污泥與700 mL的自來(lái)水加入到1 000 mL的量筒內(nèi)，再加入0.3 g的葡萄糖后曝氣馴化.此馴化持續(xù)1周，期間每天更換1次新鮮溶液.1周之后，葡萄糖逐漸由喹啉替代，但總的化學(xué)需氧量（COD）不變，維持在300 mg/L左右，此馴化過(guò)程進(jìn)行2周.馴化時(shí)的溫度為（30±2）℃.2周之后，所馴化的污泥可以在6 h內(nèi)將初始濃度為2 mmol/L的喹啉完全降解.

1.2 污泥處理

采用型號(hào)為JYD-650L，頻率為20～25 kHz的超聲細(xì)胞破碎儀處理污泥.處理過(guò)程中，將超聲桿浸沒(méi)于燒杯中的污泥中，功率設(shè)定為180 W.處理總的時(shí)間為20 min，振動(dòng)周期是3 s振動(dòng)和9 s停歇以保證污泥溫度低于25 ℃.

1.3 污泥的掃描電子顯微（SEM）鏡

在對(duì)污泥進(jìn)行SEM拍攝前，分別取干重為180 mg的處理和未處理的污泥，經(jīng)6 000 r/min離心濃縮，然后加入到5 mL的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%戊二醛和物質(zhì)的量濃度為0.1 mmol/L的磷酸緩沖液中混合均勻.15 min后，通過(guò)離心去除該懸浮污泥的上清液，此過(guò)程重復(fù)3次.所得到的污泥通過(guò)乙醇溶液分8步逐步脫水，前5次的乙醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為30%、50%、70%、85%和95%，后面3步乙醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于99.7%.最后，以二氧化碳為臨界干燥點(diǎn)，用離子濺射法對(duì)預(yù)處理后的樣品進(jìn)行噴金處理[27].預(yù)處理得到的處理和未處理污泥均用型號(hào)為Hitachi S-4800的掃描電子顯微鏡（日本產(chǎn)）進(jìn)行拍攝.

1.4 喹啉的降解

喹啉的降解在250 mL的搖瓶中進(jìn)行，轉(zhuǎn)速為200 r/min，溫度為30 ℃，初始喹啉物質(zhì)的量濃度為1.3～1.4 mmol/L.實(shí)驗(yàn)方法分兩部分：第一部分的實(shí)驗(yàn)主要考察處理和未處理污泥物質(zhì)的量對(duì)喹啉生物降解速率的影響，以及兩種污泥相互混合之后的交互作用；第二部分的實(shí)驗(yàn)則是考察電子供體對(duì)喹啉降解的加速作用.

第一部分實(shí)驗(yàn)分3步，分別是：1） 使用未經(jīng)超聲處理的污泥降解喹啉，污泥加入量為5～25 mL，共5組，對(duì)應(yīng)的質(zhì)量濃度為800～4 000 mg/L （干重）； 2） 利用經(jīng)過(guò)超聲處理的污泥降解喹啉，污泥加入量與方法1）一樣，即也是5～25 mL，共5組，對(duì)應(yīng)的質(zhì)量濃度同樣是800～4 000 mg/L （干重）；3） 使用不同比例的未處理與處理后的污泥混合進(jìn)行喹啉降解，但總的質(zhì)量濃度為3 200 mg/L.

第二部分的實(shí)驗(yàn)同樣也分3步進(jìn)行，所用污泥的濃度均為3 200 mg/L.方法1）是不加任何電子供體的方法處理初始濃度為1 mmol/L喹啉；方法2）是在方法1）的基礎(chǔ)上，加入2 mmol/L草酸；方法3）則是將18 mL處理后的污泥上清液在搖瓶中進(jìn)行喹啉降解實(shí)驗(yàn).上述實(shí)驗(yàn)均重復(fù)2次.實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，每間隔一定時(shí)間取樣分析喹啉的濃度.

1.5 分析方法

污泥干重的分析方法是：取100 mL的污泥，在120 ℃的烘箱中干燥24 h，然后稱重求出污泥的干重，用型號(hào)為ultimate 3000的高效液相色譜（美國(guó)產(chǎn)）進(jìn)行分析測(cè)試.流動(dòng)相為甲醇水溶液，體積比例為V甲醇 ∶ V水=80 ∶ 20，流速為1 mL/min.COD的測(cè)試采用重鉻酸鉀法進(jìn)行[28].

2 結(jié)果與討論

2.1 超聲對(duì)污泥中細(xì)胞的影響

圖1為未處理和處理過(guò)污泥的SEM照片.從圖1（a）可以看出，未經(jīng)過(guò)超聲處理的污泥，細(xì)胞輪廓圓滑；而經(jīng)過(guò)超聲處理的污泥，其邊緣不平整，見(jiàn)圖1（b）.可以看出，經(jīng)過(guò)超聲處理后的污泥，細(xì)胞受到了一定程度的破壞，其上清液的COD也有所增加，這表明處理后的污泥，其細(xì)胞內(nèi)部的有機(jī)質(zhì)釋放出來(lái)了.這或許可以為后續(xù)的生物降解喹啉提供電子供體.

2.2 污泥量對(duì)喹啉降解速率的影響

將5組處理和未處理的污泥分別進(jìn)行喹啉的生物降解，加入的污泥質(zhì)量濃度依次是800、1 600、2 400、3 200和4 000 mg/L （干重）.圖2（a）是未處理污泥加入量與喹啉降解速率的關(guān)系，圖2（b）則是處理過(guò)的污泥的加入量與喹啉降解速率的關(guān)系.相關(guān)的降解速率值列于表1中.結(jié)果表明，喹啉的降解速率與污泥量成正比.比較兩種方法可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)超聲處理后的污泥，污泥量對(duì)喹啉降解加速的作用更明顯.這是因?yàn)榻?jīng)過(guò)超聲處理后的污泥釋放出來(lái)的有機(jī)物，起到了電子供體的作用，從而加速了喹啉的單加氧反應(yīng)，這也說(shuō)明處理過(guò)的污泥仍具有生物催化活性.

2.3 未處理與處理的污泥相互混合對(duì)喹啉降解速率的影響

將未處理的污泥與處理過(guò)的污泥進(jìn)行混合來(lái)降解喹啉，其中污泥總質(zhì)量濃度為3 200 mg/L.喹啉的降解規(guī)律也呈現(xiàn)零級(jí)反應(yīng).相關(guān)的喹啉降解速率值列于表2.由表2的數(shù)據(jù)可以看出，將污泥混合之后，當(dāng)800 mg/L未處理污泥與2 400 mg/L處理過(guò)污泥混合之后，喹啉的降解速率最快，達(dá)到0.42 mmol·L-1·h-1，比單獨(dú)未處理污泥和處理污泥降解喹啉的速率分別提高了75%和40%.該結(jié)果說(shuō)明，經(jīng)過(guò)超聲處理的污泥可能會(huì)釋放出有機(jī)物作為電子供體，從而加速了喹啉的單加氧反應(yīng).

2.4 電子供體與喹啉生物降解速率的關(guān)系

圖3所示的3組數(shù)據(jù)分別是直接用未處理的污泥作為對(duì)照，加入2 mmol/L的草酸，以及加入經(jīng)過(guò)處理污泥的上清液后喹啉的降解速率.草酸和上清液的加入，溶液的COD分別增加了32 mg/L和60 mg/L.從圖3可以看出，加入了草酸之后，喹啉的降解速率提高了25%，而加入了上清液之后，喹啉的降解速率提高了37.5%.主要原因是污泥經(jīng)過(guò)處理后，微生物細(xì)胞受到了一定程度的破壞，釋放出了有機(jī)質(zhì)，起到了電子供體的作用.

2.5 污泥釋放出電子當(dāng)量的計(jì)算

圖4是喹啉的生物降解途徑[13].步驟A和B是需要電子的單加氧反應(yīng)，分別生成2-羥基喹啉和2，8-二羥基喹啉；步驟C則是一個(gè)需要電子的還原過(guò)程.這3步共需要6H（電子當(dāng)量）.對(duì)圖4所示的3個(gè)過(guò)程進(jìn)行電子當(dāng)量計(jì)算，求解所加入的草酸和處理污泥上清液提供的電子當(dāng)量.計(jì)算過(guò)程如表3所示.其中X、Y、Z、M、N待定.

Bai等 [13]和Tang等[29]的實(shí)驗(yàn)表明，外源電子量越多，單加氧反應(yīng)速率越快，且速率與電子當(dāng)量數(shù)成正比.據(jù)此，假設(shè)喹啉的降解速率與凈生成的總電子當(dāng)量成線性關(guān)系.由總電子當(dāng)量（表3項(xiàng)目8）對(duì)喹啉降解速率（表3項(xiàng)目12）作圖可以得到一個(gè)線性方程：y=0.025x+0.44 （圖未畫出）.將表3項(xiàng)目12的數(shù)據(jù)1.38代入該公式可以計(jì)算得到X=38.37.由此可以根據(jù)（表3項(xiàng)目9）公式Y(jié)=X÷22.94，得到參數(shù)Y值為1.67.而Z值可以由表3項(xiàng)目10公式Z=X÷5.83計(jì)算，得Z=6.58.而N的值根據(jù)表3項(xiàng)目8公式X=31.07+N，計(jì)算得N=7.3.

如果上清液的電子數(shù)依據(jù)草酸計(jì)，則M值為3.65.即加入的處理污泥上清液相當(dāng)于加入了3.04 mmol/L的草酸.根據(jù)這一計(jì)算，如果分別以甲酸、乙酸或丁二酸計(jì)算，則相當(dāng)于分別加入了3.04 mmol/L甲酸，0.91 mmol/L乙酸或 0.52 mmol/L 丁二酸.

圖5（A）和（B）是喹啉的降解速率分別對(duì)表3項(xiàng)目7和項(xiàng)目9的數(shù)據(jù)作圖.從中可以看出，它們的線性關(guān)系很好，相關(guān)系數(shù)R2分別為0.984和0.995.這表明，前述的假設(shè)是合理的.

2.6 處理和未處理污泥對(duì)喹啉生物降解的綜合作用

結(jié)合表1和表2的數(shù)據(jù)，可以得出一個(gè)混合一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型：r=kuXu+kutXuXt+ktXt，

（1）式中：r 為反應(yīng)速率；ku，kt，kut為分別為未處理污泥、處理污泥以及未處理污泥與處理污泥混合降解喹啉的速率常數(shù)；Xu，Xt，Xut為分別為未處理污泥、處理污泥和未處理污泥與處理污泥混合的污泥質(zhì)量濃度.

式（1）表示，當(dāng)處理和未處理污泥混合后，喹啉的生物降解同時(shí)受到這兩種污泥的綜合影響.式（1）中包括未處理污泥項(xiàng)（kuXu）和處理項(xiàng)（ktXt）以及混合項(xiàng)kutXuXt.

當(dāng)實(shí)驗(yàn)僅僅用未處理污泥降解喹啉時(shí)，式（1）簡(jiǎn)化為r=kuXu.

（2） 根據(jù)表1的數(shù)據(jù)可以計(jì)算出ku值為0.009 h-1.當(dāng)實(shí)驗(yàn)僅僅用處理后的污泥進(jìn)行降解喹啉時(shí)，式（1）簡(jiǎn)化為r=ktXt.

（3） 根據(jù)表1中的數(shù)值可以計(jì)算出kt值為0.0112 h-1.比較這兩種情況，處理后的污泥比未處理污泥降解喹啉的速率要高出25%.這說(shuō)明電子供體的作用比生物量的作用更大，因?yàn)榻?jīng)過(guò)超聲處理后污泥雖然損失了一部分生物活性，但是提供了更多的電子供體.

將表2的數(shù)據(jù)代入式（1），再結(jié)合前述計(jì)算得到的ku和kt值，可以得到kut = 0.0140 h-1.因此對(duì)式（1）求解得到：r=0.0091Xu+0.0140XuXt+0.0112Xt.

依據(jù)式（4）作圖，可以得到圖6.由圖6可以看出，根據(jù)式（4）所計(jì)算的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值吻合的很好，相關(guān)系數(shù)為0.978.若忽略式（4）等號(hào)右邊的中間項(xiàng)，則表示處理與未處理污泥混合后沒(méi)有交互作用，所得的結(jié)果如圖6中的雙點(diǎn)劃線所示，這個(gè)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值相差很大，相關(guān)系數(shù)僅僅為0.087.這就說(shuō)明，通過(guò)在正常污泥體系中，加入適量的處理后的污泥可以明顯提高喹啉的生物降解速率.該研究結(jié)果對(duì)如何加速難降解有機(jī)物污染物具有重要的理論和實(shí)踐意義.

3 結(jié) 論

添加外源電子供體可以明顯地加速喹啉初始的單加氧反應(yīng)，而經(jīng)過(guò)處理后的污泥可以釋放出適量的有機(jī)質(zhì)作為電子供體.雖然部分污泥的活性會(huì)受損，但電子供體對(duì)加速喹啉生物降解的作用比提高質(zhì)量濃度來(lái)說(shuō)更大.利用處理后的剩余污泥的上清液，可以起到提供電子供體的作用，利用剩余污泥來(lái)加速難降解有機(jī)污染物具有良好的應(yīng)用前景.

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（責(zé)任編輯：郁 慧）