強化厭氧處理含酚廢水研究

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摘要：為提高含酚廢水的厭氧降解性能，降低水力停留時間，以導電性強、能加速鐵還原過程的納米Fe3O4為投加物，在上流式厭氧污泥床反應器（UASB）中處理含酚廢水。結果表明，納米Fe3O4的加入使COD、苯酚去除率分別提高約11、26百分點，廢水可生化性提高、生物毒性降低。在納米Fe3O4的作用下污泥結構緊密、粒徑增大。高通量測序分析表明，投加納米Fe3O4可以使微生物群落結構得以改變：古菌Methanothrix豐度提高11.9%，細菌在屬的分類水平上富集Pelotomaculum、Syntrophus、Seditntibacter等功能微生物，提高反應器的降解效率。

關鍵詞：納米Fe3O4；含酚廢水；厭氧生物處理

厭氧生物法存在低運行能耗、高有機負荷和厭氧微生物時代時間長等優點，是處理含酚廢水最為現實有效的方法之一。傳統厭氧法雖然能夠實現酚類污染物的部分去除，但也存在去除效果較差和水力停留時間過長等不足[1-2]。近年來，一些學者提出向厭氧體系投加鐵氧化物，此方法有助于污染物的厭氧降解。其中，納米Fe3O4作為一種粒徑小、導電性強的典型鐵氧化物，廣泛應用于污染物降解、污水處理等環境領域[3-5]。本研究希望通過考察納米Fe3O4對含酚廢水的厭氧降解性能，探究其對于含酚廢水中特征污染物的去除、可生化性及生物毒性的影響，并對反應后污泥體系微生物形態變化及種群豐度進行分析，進而為含酚廢水的實際處理提供實踐及理論依據。

1實驗部分

1.1裝置與材料。連續流實驗設置2個上流式厭氧污泥床反應器（UASB），有效工作體積均為1L，分別為對照組R1，加入納米Fe3O4的R2。HRT為12h，運行溫度為（38±1）℃。納米Fe3O4外購，粒徑為50～100nm。稱取3.3g納米Fe3O4加入適量超純水中，用玻璃棒攪拌均勻。添加0.5g的十二烷基苯磺酸鈉至納米顆粒水溶液中攪拌均勻，在R2加入納米Fe3O4溶液前，將溶液超聲1h，以促進體系的分散。1.2接種污泥與廢水。接種污泥取自大連市夏家河污泥處理廠的厭氧污泥。在2個UASB中內馴化該污泥，每個反應器接種350mL污泥。添加葡萄糖作為碳源（COD為2g/L），NH4Cl和KH2PO4作為氮源和磷源（COD:ρ(N):ρ(P)=200:5:1）。利用NaHCO3調節反應器pH為7.0～7.2。實驗用水包括含酚廢水和葡萄糖廢水2部分。含酚廢水的組分為苯酚、喹啉、吡啶，以理論COD計的比為76:18:4。添加NH4Cl和KH2PO4作為氮源和磷源（COD:ρ(N):ρ(P)=200:5:1）。除碳源、氮源和磷源之外，每升含酚廢水中還加入1mL微量元素[6]。葡萄糖廢水的組分為葡萄糖、NH4Cl、KH2PO4，COD:ρ(N):ρ(P)=200:5:1，每升葡萄糖廢水中加入1mL微量元素。1.3實驗流程。實驗分為2個階段：微生物馴化階段以及反應器穩定階段。在微生物馴化階段，以馴化和富集功能微生物為主要目的。反應器進水由含酚廢水和葡萄糖廢水混合而成，該模擬廢水提供的COD為2g/L。利用NaHCO3調節反應器pH為7.0～7.2。馴化過程中，通過逐步提高含酚廢水占模擬廢水的COD比例來實現功能微生物的富集。在馴化初期，含酚廢水的COD的比例為20%，該階段穩定運行10d后，向R2內加入含有3.3g納米Fe3O4的水溶液，與污泥充分攪拌后靜置，使污泥與納米Fe3O4完全混合。隨后每10d提高一級含酚廢水的COD的比例（40%、80%、100%），直到含酚廢水COD比例達到100%。該階段運行時間為50d。在穩定階段，模擬廢水的COD全部由含酚廢水提供。向R2內再次加入含3.3g納米Fe3O4的水溶液并連續運行10d，待R2的COD去除率達到穩定后，將含酚廢水的COD從2g/L分別提升至3、4g/L，考察反應器抗沖擊能力。該階段運行時間為30d。1.4分析方法。采用重鉻酸鉀法測定水中COD[7]；采用高效液相色譜法檢測出水中苯酚的含量[8]；依據GB7488－87測定并計算廢水BOD5的變化[9]。利用掃描電鏡（SEM）觀察UASB污泥表面的微生物形態[10]。依據OECD的“Fish,AcuteToxicityTest.OECDGuideline203”毒性標準方法評估反應前后廢水急性毒性的變化[11]；以斑馬魚作為受試物分析2個反應器出水急性毒性的差異。斑馬魚購于當地花鳥蟲市場，使用曝氣手段去除自來水中的氯并馴化1周，期間自然死亡率不超過5%，實驗前ld停止喂食[12]。隨機選取7條成年斑馬魚，使其在96h內靜態暴露于3L的玻璃魚缸內。將飼育水作為稀釋水，每個水樣至少選取5個暴露含量，每組均再設置平行實驗。采用96h的半數致死含量（LC50）和相應毒性單位（TU）評價含酚廢水對斑馬魚急性毒性。利用軟件SPSS13.0，通過概率元分析方法（p<0.05）計算LC50。TU的計算式為[13]：TU=l/(100LC50)。1.5高通量測序連續流實驗結束后，反應器內污泥的微生物群落結構采用高通量測序技術進行分析。污泥樣品的DNA利用土壤快速DNA提取試劑盒提取，隨后分別對古菌和細菌的16SrRNA基因進行PCR擴增[14]。將匯集和純化后的PCR產物采用IlluminaTruSeqDNA文庫的制備方案構建出來，放于上海某公司的IlluminaHiseq2000測序儀進行測序[15]。

2結果與討論

2.1納米Fe3O4對COD及苯酚去除的影響。為評價納米Fe3O4對含酚廢水厭氧處理性能，R1和R2連續運行80d。圖1和圖2分別是COD及苯酚的去除率。由圖1可知，當納米Fe3O4加入至R2后（第10－20天），逐漸提高含酚廢水在模擬廢水中的COD的比例，R2的COD去除率始終高于R1。當COD提高至4g/L時，最終R2的COD去除率較R1高約11百分點。苯酚屬于難降解污染物，具有生物毒性。作為含酚廢水中的特征污染物，苯酚的去除情況是評價納米Fe3O4對含酚廢水降解性能的重要指標。由圖2可知，當含酚廢水COD比例為20%時，進水中苯酚的質量濃度為150.7mg/L，R1、R2的苯酚去除率均為28%。當納米Fe3O4補充至R2后，R2的苯酚去除率大幅度提高。隨著含酚廢水COD比例的增加，R2的苯酚去除率均高于R1。反應進行至穩定階段后，苯酚的質量濃度從753.6mg/L逐步提高至1507mg/L，此時R2的苯酚去除率穩定在84%，R1的去除率僅為58%。表明納米Fe3O4可以提升COD降解速率，增強反應器對苯酚的去除效果。2.2納米Fe3O4對可生化性和急性毒性的影響。實驗運行結束后，為探究納米Fe3O4對廢水可生化性的影響，分別測定、計算2個反應器進出水BOD5/COD（B/C）。結果表明，進水的B/C為0.18，可生化性較差；經厭氧處理后，R1的B/C為0.57，而R2的B/C達到了0.69，表明納米Fe3O4的投加可以提高廢水可生化性。含酚廢水具有生物毒性，在自然水體中排放不僅可以使魚類中毒死亡，還會威脅到人類的健康[16]。我國工業廢水排放標準中僅包含常規的理化指標，缺少對生物毒性指標的規定。盡管我國已經嚴格執行相關標準，仍然無法有效評估廢水的毒性特征[17]。因此評價含酚廢水在處理過程中的生物毒性削減性能是十分必要的。利用斑馬魚作為受試物，對R1和R2的出水進行急性毒性分析。結果表明，R1的LC50為17.32%，對應的TU為5.77；R2的LC50為25.7%，對應的TU為3.89。與R1相比，R2在反應后出水具有較低的急性毒性。在厭氧條件下，經納米Fe3O4的強化，含酚廢水中有機物容易轉化成可被生物利用的物質，降解速率加快，使含酚廢水可生化性提高，生物毒性得到削減，生物致死率降低。這與COD、苯酚的去除結果一致。2.3污泥體系內微生物形態。連續流實驗結束后R1、R2內污泥表面的微生物形態如圖3所示。由圖3可知，R1內污泥內部結構松散，存在較大空隙，可見絲狀菌和桿狀菌；而R2內污泥內部結構較為緊密，污泥粒徑較大，多見桿狀菌。推測這一結果可能是納米Fe3O4的存在使功能微生物得到富集，微生物間的聯系更加緊密。但該推測的驗證還需要結合微生物群落結構分析。2.4微生物群落結構分析連續流實驗結束后，采用高通量測序技術對R1、R2內污泥樣品的古菌、細菌群落進行分析，結果見表1。由表1可知，2個反應器污泥中，Methanothrix、Methanoregula、Methanolinea、Methanobacterium4種古菌含量較高，其中Methanothrix（耗乙酸產甲烷菌）為主導古菌。錢風越在利用Fe3O4納米顆粒厭氧消化產甲烷的實驗中也證明了納米Fe3O4的加入能提高Methanothrix的豐度[5]。這與本研究中獲得的結論相似。Methanothrix豐度的顯著提高，可能是納米Fe3O4的加入使大分子有機物加速分解，同時產生較多乙酸，而乙酸進一步刺激污泥體系內產甲烷菌群落，使Methanothrix得以富集。對細菌群落多樣性進行評估發現，R2中微生物的香濃指數（4.52）與Chao1指數（31282）均高于R1（分別為4.49、27755）。TRABLY等發現，在其它有毒芳香化合物的選擇壓力下，微生物演替和功能微生物種群豐度逐漸增加[17]。這與本研究結果相似。提高生物多樣性和種群豐度能夠促進微生物間的共代謝作用，從而加快污染物的代謝。R1與R2中的細菌在屬分類水平上基本類似，但各細菌所占的比例較為不同，見表2。由表2可知，Pelotomaculum在2個反應器中均為優勢菌屬。Pelotomaculum的成員P.Thermopropionicum是一種典型的發酵型鐵還原菌，能夠通過異化鐵還原作用實現有機物的去除[18]。反應器內還檢測到Bacillus、Geobacter等鐵還原菌，R2中鐵還原菌的比例總體高于R1。此外，在投加納米Fe3O4后，R2出水中Fe2+的含量較高（表3）。這些結果表明納米Fe3O4作為電子受體觸發了異化鐵還原過程，為鐵還原菌的生長提供支持，進而富集鐵還原菌，使其能夠利用多種復雜有機物，加速有機物的降解。另外，其他功能微生物的富集也可能是投加納米Fe3O4后反應器性能提高的原因之一。Syntrophus菌被報道可以有效降解苯酚[19]。其在R1、R2中的相對豐度分別為4.09%、8.21%。有文獻報道，Seditntibacter在厭氧處理焦化廢水的微生物群落中占主導地位，它與焦化廢水中苯酚等有機物的降解有明顯的相關性[20]。其在R1、R2中的相對豐度分別為2.17%和3.46%。據此推斷，納米Fe3O4還可能通過高效富集Syntrophus、Seditntibacter等功能微生物以促進苯酚等特征污染物的降解。

3結論

研究了納米Fe3O4在UASB內對含酚廢水降解性能的影響，結果表明，在厭氧條件下，納米Fe3O4能夠實現苯酚等特征污染物的有效去除，同時提高出水可生化性、降低生物毒性。納米Fe3O4可使反應器內污泥結構緊密、粒徑增大；通過改變反應器內微生物群落結構，提高古菌Methanothrix豐度，富集Pelotomaculum、Syntrophus、Seditntibacter等功能微生物，通過異化鐵還原作用加速降解有機物，提高反應器的降解效率。

作者:車碧寧 張耀斌 單位:大連理工大學