强化厌氧处理含酚废水研究

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摘要：为提高含酚废水的厌氧降解性能，降低水力停留时间，以导电性强、能加速铁还原过程的纳米Fe3O4为投加物，在上流式厌氧污泥床反应器（UASB）中处理含酚废水。结果表明，纳米Fe3O4的加入使COD、苯酚去除率分别提高约11、26百分点，废水可生化性提高、生物毒性降低。在纳米Fe3O4的作用下污泥结构紧密、粒径增大。高通量测序分析表明，投加纳米Fe3O4可以使微生物群落结构得以改变：古菌Methanothrix丰度提高11.9%，细菌在属的分类水平上富集Pelotomaculum、Syntrophus、Seditntibacter等功能微生物，提高反应器的降解效率。

关键词：纳米Fe3O4；含酚废水；厌氧生物处理

厌氧生物法存在低运行能耗、高有机负荷和厌氧微生物时代时间长等优点，是处理含酚废水最为现实有效的方法之一。传统厌氧法虽然能够实现酚类污染物的部分去除，但也存在去除效果较差和水力停留时间过长等不足[1-2]。近年来，一些学者提出向厌氧体系投加铁氧化物，此方法有助于污染物的厌氧降解。其中，纳米Fe3O4作为一种粒径小、导电性强的典型铁氧化物，广泛应用于污染物降解、污水处理等环境领域[3-5]。本研究希望通过考察纳米Fe3O4对含酚废水的厌氧降解性能，探究其对于含酚废水中特征污染物的去除、可生化性及生物毒性的影响，并对反应后污泥体系微生物形态变化及种群丰度进行分析，进而为含酚废水的实际处理提供实践及理论依据。

1实验部分

1.1装置与材料。连续流实验设置2个上流式厌氧污泥床反应器（UASB），有效工作体积均为1L，分别为对照组R1，加入纳米Fe3O4的R2。HRT为12h，运行温度为（38±1）℃。纳米Fe3O4外购，粒径为50～100nm。称取3.3g纳米Fe3O4加入适量超纯水中，用玻璃棒搅拌均匀。添加0.5g的十二烷基苯磺酸钠至纳米颗粒水溶液中搅拌均匀，在R2加入纳米Fe3O4溶液前，将溶液超声1h，以促进体系的分散。1.2接种污泥与废水。接种污泥取自大连市夏家河污泥处理厂的厌氧污泥。在2个UASB中内驯化该污泥，每个反应器接种350mL污泥。添加葡萄糖作为碳源（COD为2g/L），NH4Cl和KH2PO4作为氮源和磷源（COD:ρ(N):ρ(P)=200:5:1）。利用NaHCO3调节反应器pH为7.0～7.2。实验用水包括含酚废水和葡萄糖废水2部分。含酚废水的组分为苯酚、喹啉、吡啶，以理论COD计的比为76:18:4。添加NH4Cl和KH2PO4作为氮源和磷源（COD:ρ(N):ρ(P)=200:5:1）。除碳源、氮源和磷源之外，每升含酚废水中还加入1mL微量元素[6]。葡萄糖废水的组分为葡萄糖、NH4Cl、KH2PO4，COD:ρ(N):ρ(P)=200:5:1，每升葡萄糖废水中加入1mL微量元素。1.3实验流程。实验分为2个阶段：微生物驯化阶段以及反应器稳定阶段。在微生物驯化阶段，以驯化和富集功能微生物为主要目的。反应器进水由含酚废水和葡萄糖废水混合而成，该模拟废水提供的COD为2g/L。利用NaHCO3调节反应器pH为7.0～7.2。驯化过程中，通过逐步提高含酚废水占模拟废水的COD比例来实现功能微生物的富集。在驯化初期，含酚废水的COD的比例为20%，该阶段稳定运行10d后，向R2内加入含有3.3g纳米Fe3O4的水溶液，与污泥充分搅拌后静置，使污泥与纳米Fe3O4完全混合。随后每10d提高一级含酚废水的COD的比例（40%、80%、100%），直到含酚废水COD比例达到100%。该阶段运行时间为50d。在稳定阶段，模拟废水的COD全部由含酚废水提供。向R2内再次加入含3.3g纳米Fe3O4的水溶液并连续运行10d，待R2的COD去除率达到稳定后，将含酚废水的COD从2g/L分别提升至3、4g/L，考察反应器抗冲击能力。该阶段运行时间为30d。1.4分析方法。采用重铬酸钾法测定水中COD[7]；采用高效液相色谱法检测出水中苯酚的含量[8]；依据GB7488－87测定并计算废水BOD5的变化[9]。利用扫描电镜（SEM）观察UASB污泥表面的微生物形态[10]。依据OECD的“Fish,AcuteToxicityTest.OECDGuideline203”毒性标准方法评估反应前后废水急性毒性的变化[11]；以斑马鱼作为受试物分析2个反应器出水急性毒性的差异。斑马鱼购于当地花鸟虫市场，使用曝气手段去除自来水中的氯并驯化1周，期间自然死亡率不超过5%，实验前ld停止喂食[12]。随机选取7条成年斑马鱼，使其在96h内静态暴露于3L的玻璃鱼缸内。将饲育水作为稀释水，每个水样至少选取5个暴露含量，每组均再设置平行实验。采用96h的半数致死含量（LC50）和相应毒性单位（TU）评价含酚废水对斑马鱼急性毒性。利用软件SPSS13.0，通过概率元分析方法（p<0.05）计算LC50。TU的计算式为[13]：TU=l/(100LC50)。1.5高通量测序连续流实验结束后，反应器内污泥的微生物群落结构采用高通量测序技术进行分析。污泥样品的DNA利用土壤快速DNA提取试剂盒提取，随后分别对古菌和细菌的16SrRNA基因进行PCR扩增[14]。将汇集和纯化后的PCR产物采用IlluminaTruSeqDNA文库的制备方案构建出来，放于上海某公司的IlluminaHiseq2000测序仪进行测序[15]。

2结果与讨论

2.1纳米Fe3O4对COD及苯酚去除的影响。为评价纳米Fe3O4对含酚废水厌氧处理性能，R1和R2连续运行80d。图1和图2分别是COD及苯酚的去除率。由图1可知，当纳米Fe3O4加入至R2后（第10－20天），逐渐提高含酚废水在模拟废水中的COD的比例，R2的COD去除率始终高于R1。当COD提高至4g/L时，最终R2的COD去除率较R1高约11百分点。苯酚属于难降解污染物，具有生物毒性。作为含酚废水中的特征污染物，苯酚的去除情况是评价纳米Fe3O4对含酚废水降解性能的重要指标。由图2可知，当含酚废水COD比例为20%时，进水中苯酚的质量浓度为150.7mg/L，R1、R2的苯酚去除率均为28%。当纳米Fe3O4补充至R2后，R2的苯酚去除率大幅度提高。随着含酚废水COD比例的增加，R2的苯酚去除率均高于R1。反应进行至稳定阶段后，苯酚的质量浓度从753.6mg/L逐步提高至1507mg/L，此时R2的苯酚去除率稳定在84%，R1的去除率仅为58%。表明纳米Fe3O4可以提升COD降解速率，增强反应器对苯酚的去除效果。2.2纳米Fe3O4对可生化性和急性毒性的影响。实验运行结束后，为探究纳米Fe3O4对废水可生化性的影响，分别测定、计算2个反应器进出水BOD5/COD（B/C）。结果表明，进水的B/C为0.18，可生化性较差；经厌氧处理后，R1的B/C为0.57，而R2的B/C达到了0.69，表明纳米Fe3O4的投加可以提高废水可生化性。含酚废水具有生物毒性，在自然水体中排放不仅可以使鱼类中毒死亡，还会威胁到人类的健康[16]。我国工业废水排放标准中仅包含常规的理化指标，缺少对生物毒性指标的规定。尽管我国已经严格执行相关标准，仍然无法有效评估废水的毒性特征[17]。因此评价含酚废水在处理过程中的生物毒性削减性能是十分必要的。利用斑马鱼作为受试物，对R1和R2的出水进行急性毒性分析。结果表明，R1的LC50为17.32%，对应的TU为5.77；R2的LC50为25.7%，对应的TU为3.89。与R1相比，R2在反应后出水具有较低的急性毒性。在厌氧条件下，经纳米Fe3O4的强化，含酚废水中有机物容易转化成可被生物利用的物质，降解速率加快，使含酚废水可生化性提高，生物毒性得到削减，生物致死率降低。这与COD、苯酚的去除结果一致。2.3污泥体系内微生物形态。连续流实验结束后R1、R2内污泥表面的微生物形态如图3所示。由图3可知，R1内污泥内部结构松散，存在较大空隙，可见丝状菌和杆状菌；而R2内污泥内部结构较为紧密，污泥粒径较大，多见杆状菌。推测这一结果可能是纳米Fe3O4的存在使功能微生物得到富集，微生物间的联系更加紧密。但该推测的验证还需要结合微生物群落结构分析。2.4微生物群落结构分析连续流实验结束后，采用高通量测序技术对R1、R2内污泥样品的古菌、细菌群落进行分析，结果见表1。由表1可知，2个反应器污泥中，Methanothrix、Methanoregula、Methanolinea、Methanobacterium4种古菌含量较高，其中Methanothrix（耗乙酸产甲烷菌）为主导古菌。钱风越在利用Fe3O4纳米颗粒厌氧消化产甲烷的实验中也证明了纳米Fe3O4的加入能提高Methanothrix的丰度[5]。这与本研究中获得的结论相似。Methanothrix丰度的显著提高，可能是纳米Fe3O4的加入使大分子有机物加速分解，同时产生较多乙酸，而乙酸进一步刺激污泥体系内产甲烷菌群落，使Methanothrix得以富集。对细菌群落多样性进行评估发现，R2中微生物的香浓指数（4.52）与Chao1指数（31282）均高于R1（分别为4.49、27755）。TRABLY等发现，在其它有毒芳香化合物的选择压力下，微生物演替和功能微生物种群丰度逐渐增加[17]。这与本研究结果相似。提高生物多样性和种群丰度能够促进微生物间的共代谢作用，从而加快污染物的代谢。R1与R2中的细菌在属分类水平上基本类似，但各细菌所占的比例较为不同，见表2。由表2可知，Pelotomaculum在2个反应器中均为优势菌属。Pelotomaculum的成员P.Thermopropionicum是一种典型的发酵型铁还原菌，能够通过异化铁还原作用实现有机物的去除[18]。反应器内还检测到Bacillus、Geobacter等铁还原菌，R2中铁还原菌的比例总体高于R1。此外，在投加纳米Fe3O4后，R2出水中Fe2+的含量较高（表3）。这些结果表明纳米Fe3O4作为电子受体触发了异化铁还原过程，为铁还原菌的生长提供支持，进而富集铁还原菌，使其能够利用多种复杂有机物，加速有机物的降解。另外，其他功能微生物的富集也可能是投加纳米Fe3O4后反应器性能提高的原因之一。Syntrophus菌被报道可以有效降解苯酚[19]。其在R1、R2中的相对丰度分别为4.09%、8.21%。有文献报道，Seditntibacter在厌氧处理焦化废水的微生物群落中占主导地位，它与焦化废水中苯酚等有机物的降解有明显的相关性[20]。其在R1、R2中的相对丰度分别为2.17%和3.46%。据此推断，纳米Fe3O4还可能通过高效富集Syntrophus、Seditntibacter等功能微生物以促进苯酚等特征污染物的降解。

3结论

研究了纳米Fe3O4在UASB内对含酚废水降解性能的影响，结果表明，在厌氧条件下，纳米Fe3O4能够实现苯酚等特征污染物的有效去除，同时提高出水可生化性、降低生物毒性。纳米Fe3O4可使反应器内污泥结构紧密、粒径增大；通过改变反应器内微生物群落结构，提高古菌Methanothrix丰度，富集Pelotomaculum、Syntrophus、Seditntibacter等功能微生物，通过异化铁还原作用加速降解有机物，提高反应器的降解效率。

作者:车碧宁 张耀斌 单位:大连理工大学