基于UASB反應器構建苯酚反硝化系統(tǒng)及性能研究

牛建增，韓 懿，郭建博

（天津城建大學 環(huán)境與市政工程學院，天津 300384）

苯酚是一種具有苯環(huán)的芳香族化合物，在煉油、化工、造紙等工業(yè)生產過程中有著重要的用途[1].因為其結構穩(wěn)定、腐蝕性強、生物降解性差、且致癌性和誘變性強而被列為重點有機污染物[2-4].人們對于含酚芳香族化合物廢水的治理越來越重視[5].水體中的可溶性芳香族化合物可以通過活性炭吸附[6]、溶劑萃取[7]、化學氧化[8]和生物處理[9]等工藝去除.吸附和溶劑萃取可以實現(xiàn)目標污染物的轉移不能達到芳香族化合物的分解礦化.而化學氧化不僅成本高昂、應用困難且通常氧化不完全而導致去除效率低.生物降解具有效率高、成本低、環(huán)境友好等優(yōu)點.所以，生物處理是最佳選擇，但高濃度芳香族化合物會對微生物具有毒害作用[10]，研究表明它仍然可以被某些微生物降解礦化.例如：產甲烷聚生體細菌、硫酸鹽還原細菌、反硝化細菌以及金屬還原細菌[11]，其中反硝化細菌降解礦化效果尤為突出.

通常某些化工廢水同時含有硝酸鹽和含酚芳香族化合物[12].有研究表明，在生物反硝化體系中芳香族化合物能以NO3--N為電子受體而被分解礦化[10].因此利用微生物將芳香族化合物為電子供體，硝酸鹽為電子受體的特性，可實現(xiàn)同時脫氮和芳香族化合物降解.反硝化降解菌的篩選[13]以及反應工藝對于此類廢水的去除效果探究[9]是目前研究的熱點.但是在這個過程中，芳香族化合物會對細菌產生毒害作用，可能導致細菌裂解，死亡，進而導致反硝化系統(tǒng)惡化.因此，芳香族化合物與生物反硝化之間的相互作用是研究的熱點.有研究表明，胞外聚合物（EPS）是細菌在一定的環(huán)境條件下分泌的有機物，可以有助于建立成熟的生物膜結構，保護微生物免受外部環(huán)境干擾，同時也能起到緩沖作用，降低廢水中大量有毒物質對細菌的不利影響[14].Jain等[15]研究發(fā)現(xiàn)EPS可以改變細菌的表面電荷，進而影響細菌對目標污染物的去除能力.此外，Zhang等[16]研究發(fā)現(xiàn)EPS可以促進電子轉移從而有利于污染物的去除.HE等[17]研究發(fā)現(xiàn)電子傳遞活性、細胞膜通透性、能量的產生是加速污染物降解的必要過程.但是關于此類廢水在UASB反應器運行過程中EPS含量變化對污染物降解的影響機理及從微生物代謝活性角度分析的研究報道較少.

本研究采用上流式厭氧污泥床（UASB）反應器，選用苯酚作為典型的芳香烴化合物，逐步替換乙酸鈉，從而成功構建了苯酚反硝化系統(tǒng).在進水苯酚濃度為0～333 mg/L的條件下探究以下內容：①反硝化系統(tǒng)的硝酸鹽與苯酚的去除性能，并進一步闡明苯酚對反硝化系統(tǒng)中苯酚與硝酸鹽同步去除的影響；②EPS的變化響應以及其對反硝化系統(tǒng)穩(wěn)定高效運行的調控機制；③微生物代謝水平的變化響應及其與反硝化系統(tǒng)下苯酚和氮同步代謝的相關性.

1 材料與方法

1.1 實驗裝置和接種污泥

裝置采用UASB（見圖1），材質是有機玻璃，內徑68 mm，高710 mm，有效容積3.5 L.接種污泥來自天津某污水處理廠的二沉池.反應器由蠕動泵從底部進水，進水方式為硝酸鹽和COD各一個進水桶，該系統(tǒng)以連續(xù)流的方式運行119 d.

圖1 實驗裝置示意

1.2 實驗廢水

實驗采用合成廢水，成分為：NaNO3，CH3COONa，KH2PO4，MgSO4，CaCl2，苯酚，1.00 mL/L微量元素濃縮液.微量元素成分見表1.硝酸鹽由NaNO3提供，化學需氧量（COD）由無水乙酸鈉和苯酚提供.濃度按照實驗需要配置，所用藥品均為分析純.

表1 微量元素主要成分

1.3 實驗內容

反應器以初始狀態(tài)運行時，進水以乙酸鈉作為唯一碳源并使進水COD保持為800 mg/L，NO3--N濃度為200 mg/L，進而馴化污泥適應反硝化條件.啟動完成后，進水中加入苯酚來改變進水中COD，同時改變進水碳氮比（C/N）.在階段Ⅰ—Ⅲ中考察不同C/N（4.0/1，4.3/1，4.6/1）下反硝化的性能和苯酚去除效果，階段Ⅳ—Ⅶ保持碳氮比（C/N）為4.0，增加苯酚濃度逐漸替換乙酸鈉，并檢測胞外聚合物（EPS）含量分析反應器性能與EPS的關系.通過對反應器運行過程中ATP含量、細胞膜通透性、ETSA的檢測，進一步從微生物代謝活性角度進行分析.具體運行過程如表2所示（1 g乙酸鈉相當0.8 gCOD，1 g苯酚相當2.4 gCOD）.

表2 運行過程

1.4 分析方法

硝酸鹽（NO3--N）采用紫外分光光度法測定[18].亞硝酸鹽（NO2--N）采用N-（1-萘基）-乙二胺分光光度法[18].本實驗采用可見比色法，用消解儀（Hach，DRB200）和分光光度計（Hach，DR3900）測定COD濃度.苯酚采用高效液相色譜儀分析[19].三磷酸腺苷（ATP）按文獻報道的方法提取，ATP的測定用高效液相色譜儀分析[17].細胞膜通透性測定方法是基于領硝基苯酚β-D-半乳吡喃糖苷（ONPG）的水解反應，即ONPG法[20].電子傳遞系統(tǒng)活性（ETSA）的測定采用INT-ETSA檢測方法[21].胞外聚合物（EPS）采用熱提法提取[22].用考馬斯亮藍法和蒽酮-硫酸法測定EPS中的蛋白質（PN）和多糖（PS）的濃度[23].混合液體懸浮物（MLSS）采用烘箱烘至恒重，混合液體懸浮物（MLVSS）采用馬弗爐灼燒質量法測定[18].

2 結果與討論

2.1 UASB反應器運行性能

根據進水苯酚濃度及進水碳氮比（C/N），將整個實驗過程分為7個階段，系統(tǒng)中脫氮性能、苯酚和COD去除效果如圖2所示.

圖2 苯酚反硝化系統(tǒng)運行過程中脫氮性能、苯酚去除效果、COD去除效果

階段I（1～29 d）：苯酚濃度為0 mg/L，乙酸鈉作為碳源濃度為1 000 mg/L（COD800 mg/L），硝酸鹽濃度200 mg/L，C/N為4.0，經過29 d運行，反硝化顆粒污泥成功培養(yǎng)；硝酸鹽和COD的去除率分別達到99.5%和95.13%，系統(tǒng)出水COD為38.98 mg/L.結果表明：反硝化污泥已經馴化成熟.階段II（30～44 d）：苯酚濃度和乙酸鈉濃度分別為25 mg/L（COD60 mg/L）和1000 mg/L（COD800 mg/L）；該階段C/N為4.3，系統(tǒng)穩(wěn)定后，硝酸鹽去除率可達99.5%；COD去除率為93.78%；苯酚去除率為80.41%.階段Ⅲ（45～54 d）：苯酚為50 mg/L（COD 120 mg/L）；乙酸鈉濃度為1 000 mg/L（COD800 mg/L）；苯酚反硝化系統(tǒng)該階段C/N為4.6；穩(wěn)定后硝酸鹽去除率可達99.5%；COD去除率為89.29%；苯酚去除率為55.42%.階段Ⅳ（55～69 d）：苯酚濃度為50 mg/L（COD 120 mg/L）；減少乙酸鈉使C/N穩(wěn)定為4.0；穩(wěn)定后硝酸鹽去除率可達99.5%；COD去除率為94.61%；苯酚去除率可達99.6%.階段Ⅴ（70～84 d）和階段Ⅵ（85～99 d）：苯酚濃度分別為100 mg/L（COD240 mg/L）和200 mg/L（COD480 mg/L）；乙酸鈉濃度分別為700 mg/L（COD 560 mg/L）和400 mg/L（COD320 mg/L）；苯酚反硝化體系該時期C/N為4.0；硝氮、總氮和苯酚去除率均可達99.5%以上；COD去除率分別為94.77%和94.64%.階段Ⅶ（100～119 d）：苯酚濃度為333 mg/L（COD800 mg/L）；乙酸鈉濃度為0 mg/L；C/N為4.0；開始時反硝化受到抑制，硝氮、總氮和苯酚去除率分別為76.99%、70.80%和66.31%；但是經過4 d適應后硝氮、總氮和苯酚去除率分別為99.5%、99.5%和98.78%；苯酚反硝化體系運行平穩(wěn)后三者去除率均可提升到99.5%以上，系統(tǒng)COD去除率穩(wěn)定在95.30%.結果表明：UASB反應器中馴化的反硝化污泥在不同的C/N（4.0/1，4.3/1，4.6/1）條件下優(yōu)先利用乙酸鈉作為碳源；在UASB反應器的HRT為4.0 h，C/N為4.0，進水苯酚濃度（0～333 mg/L）的情況下，苯酚可以作為反硝化的碳源且被完全降解，并成功構建苯酚反硝化系統(tǒng)且對苯酚脅迫表現(xiàn)出很強的耐受性.系統(tǒng)出水COD為37.59 mg/L（＜50 mg/L），符合《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》（GB18918—2002）一級A標準.

馬等[12]在SBR反應器中經過149 d的馴化實現(xiàn)了以葡萄糖和苯酚為碳源同時脫氮的反硝化過程，而本實驗在UASB反應器中119 d內即實現(xiàn)了以苯酚為唯一碳源且高效脫氮的苯酚反硝化.此外，王等[24]的研究中以苯酚為唯一碳源在C/N為4.0時苯酚去除率為83.3%，而本實驗中C/N為4.0時苯酚去除率可達99.5%以上.Sylvia等[25]的研究中在處理進水濃度為335 mg/L苯酚時，采用5.8的C/N和23 h的HRT，苯酚去除率達到99%.而在本研究中采用4.0的C/N和4 h的HRT，對進水濃度為333 mg/L的苯酚去除率超過99.5%.更低的C/N和更短的HRT表明，本研究相比于其他工藝有著高效低耗的優(yōu)勢.

2.2 UASB反應器內EPS、PN與PS變化規(guī)律分析

高濃度的苯酚會對細菌的生長代謝產生不利影響，進而會影響反硝化菌的脫氮性能[26].而微生物自身分泌的EPS不僅可以通過增加細菌的穩(wěn)定性來增加負荷能力，還能作為緩沖物質來減少體系中的苯酚對細菌的毒害作用[27].因此，系統(tǒng)不同階段中EPS的濃度是有必要進行檢測的.如圖3所示，總EPS含量從階段Ⅰ中的105.16 mg/gVSS升至階段Ⅱ—Ⅶ中的270.00，320.84，260.40，164.29，131.69，124.88 mg/gVSS.PN含量從階段Ⅰ的23.02 mg/gVSS升至階段Ⅱ—Ⅶ中的81.40，124.18，116.46，82.49，70.46，67.31 mg/gVSS.PS含量從階段Ⅰ中的82.14 mg/gVSS升至階段Ⅱ—Ⅳ中的188.61、196.67和143.94 mg/gVSS，隨后下降至階段Ⅴ—Ⅶ中的81.80，61.23，57.57 mg/gVSS.PN/PS從階段Ⅰ中 的0.28升 至 階 段Ⅱ—Ⅶ中 的0.43，0.63，0.81，1.01，1.15，1.17.階段Ⅰ—Ⅲ總EPS含量隨著苯酚濃度的增加而大幅增加.階段Ⅳ—Ⅶ總EPS含量逐漸降低歸因為微生物逐漸適應了苯酚壓迫；且從階段Ⅳ開始控制C/N比為4.0并逐步增加苯酚占比，微生物也可能利用EPS作為碳源[28].階段Ⅳ—Ⅶ中的PS逐漸降低且階段Ⅴ—Ⅶ低于階段Ⅰ，表明可通過降低PS含量來減小苯酚對微生物的毒害作用，且可通過提高電子傳遞能力來增加微生物的代謝活性，這在Zhao等[29]的研究中得到證明.階段Ⅱ—Ⅶ中的PN較階段Ⅰ均有大幅增加，PN可以促進微生物顆粒的形成和微生物聚集[30].此外，PN/PS在階段Ⅰ—Ⅶ不斷增加.微生物絮體的疏水性與PN/PS呈正相關，可能有助于增強微生物顆粒的穩(wěn)定性和聚集[31].因此，反應器中較高的PN和PN/PS為形成穩(wěn)定的顆粒污泥提供可能，從而導致較好的脫氮和苯酚降解性能.綜上所述，苯酚濃度的增加會刺激EPS的分泌且PN/PS不斷增加，說明EPS含量和PN/PS的變化會對反硝化的性能產生影響.

圖3 UASB內PS、PN、EPS及PN/PS的變化

2.3 微生物代謝活性分析

據報道，在微生物代謝過程中幾乎所有的酶促反應都需要能量的支持[32].此外，三磷酸腺苷（ATP）含量、細胞膜通透性、ETSA可以作為評價微生物代謝活性的關鍵指標.因此有必要檢測反應器中ATP含量、細胞膜通透性、ETSA的變化.如圖4a所示，ATP含量從階段Ⅰ中的2.71 mg/gVSS增加到階段Ⅱ—Ⅶ中的6.59，6.83，6.95，7.06，9.66，11.39 mg/gVSS.ATP含量的逐漸增加表明反應器中的細菌仍具有良好的代謝活性，即使在高濃度苯酚的條件下，也能為EPS分泌、顆粒污泥的形成、苯酚的生物降解等生理過程提供更多的能量.ATP含量的增加可能是由于細胞膜通透性的升高[33]，因此利用ONPG法測量了細胞膜通透性.如圖4b所示，細胞膜通透性從階段Ⅰ中的20 μmol/L提升至階段Ⅱ—Ⅶ中的33.11，40.67，46.22，53.56，67.56，70.45 μmol/L.表明在反應器運行期間細胞膜通透性增加.細胞膜通透性增加可能是由于細菌中的β-半乳糖苷酶活性提高[34].在反應器脫氮和苯酚生物降解過程中，細胞膜通透性的提高可以使細菌更容易吸收營養(yǎng)物質，從而促進ATP的合成以提高代謝活性.因此，可通過檢測ETSA來表征微生物代謝活性.如圖4c所示，ETSA從階段Ⅰ中的4.24 μg/mg/h提升至階段Ⅱ—Ⅶ中 的5.76，8.43，9.19，11.36，13.86，14.44 μg/mg/h.ETSA增加可能是因為脫氮和苯酚生物降解過程中細菌的細胞膜通透性增加，從而有利于電子穿梭體（如EPS中的氧化還原性物質）介導的電子傳遞[35].因此，反應器運行過程中ETSA的增加，使得微生物代謝活性增加有助于脫氮和苯酚生物降解.綜上可以得到苯酚濃度的增加刺激了電子傳遞系統(tǒng)的增加，有助于電子傳遞；膜通透性的增加有利于電子穿梭體轉移；大量的ATP為苯酚反硝化過程中各種生命活動提供能量.

圖4 系統(tǒng)運行過程中ATP、細胞膜通透性、電子傳遞活性（ETSA）的變化

3 結論

（1）UASB反應器中馴化的反硝化污泥在不同的C/N（4.0∶1，4.3∶1，4.6∶1）條件下優(yōu)先利用乙酸鈉作為碳源；在UASB反應器的HRT為4.0 h，C/N為4.0，進水苯酚濃度（0～333 mg/L）的情況下，苯酚可以作為反硝化的碳源且被完全降解并成功構建苯酚反硝化系統(tǒng)且對苯酚脅迫表現(xiàn)出很強的耐受性.系統(tǒng)出水COD為37.59 mg/L（＜50 mg/L），符合《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》（GB18918—2002）一級A標準.

（2）通過不同苯酚濃度對系統(tǒng)EPS的影響分析以及EPS作用分析，可以觀察到苯酚濃度的增加會刺激UASB內微生物分泌EPS且PN/PS不斷增加，為形成穩(wěn)定的顆粒污泥提供可能，進而對反硝化性能產生影響.

（3）通過對微生物代謝活性的分析，反應器運行過程中ATP含量、細胞膜通透性、ETSA均不斷增加.ATP含量的逐漸增加代表著反應器中的微生物一直具有良好的代謝活性.細胞膜通透性的增加使細菌更容易吸收營養(yǎng)物質，從而促進ATP的合成以提高代謝活性.ETSA的增加使微生物代謝活性增加有助于脫氮和苯酚生物降解.