时间：2022-08-02 12:43:55
摘要:通过改变苯酚的浓度，研究厌氧颗粒污泥的产甲烷比活性(SMA)、胞外多聚物(EPS)产生量和组分多糖、蛋白质以及辅酶 F420的变化情况，以明确苯酚对厌氧颗粒污泥的毒性作用影响，并采用红外光谱分析了不同浓度苯酚作用对 EPS 分子结构的影响. 结果表明，苯酚浓度 < 100 mg/L时，对厌氧颗粒污泥的影响很小，污泥的产甲烷活性、辅酶 F420和 EPS 都基本没发生变化. 当苯酚浓度从 100 mg/L上升至 400 mg/L时，厌氧颗粒污泥的产甲烷比活性从 173. 4 mL/(g・d)下降至 57. 6 mL/(g・d)［对照组为 259. 6 mL/(g・d)］;厌氧颗粒污泥 VSS 中 辅 酶 F420含 量 从 0. 14 μmol/g减 少 至 0. 08 μmol/g( 对 照 组 为 0. 154μmol/g);厌氧颗粒污泥 VSS 中 EPS 的总量(用 TOC 表示)从 33. 1 mg/g 降低至 15. 0 mg/g(对照组为 38. 5 mg/g). 当苯酚浓度增加至 800 mg/L时，从红外光谱分析 EPS 分子结构表明，EPS 的分子结构发生了改变，苯酚对 EPS 分子结构影响很大.
关键词:苯酚;产甲烷比活性;胞外多聚物;辅酶 F420;分子结构
中图分类号： [TU992.3]文献标识码：A 文章编号：
厌氧生物法处理含苯酚废水具有能耗低、容积负荷高、可产生能源等优势［1］. 但苯酚会引起微生物体内蛋白质的凝固和变性，从而在很大程度上抑制厌氧微生物的活性，使厌氧生物法处理含酚废水的应用受到限制. 目前国内外厌氧生物法处理含苯酚废水的研究集中在如何提高系统对高浓度废水的处理能力和抗冲击负荷能力，文献［1］采用 UASB 处理含苯酚废水，发现在常温和高温条件下苯酚去除率均能达到 98% ，但是反应器于常温条件下运行比在高温条件下更加稳定，而且常温和高温条件下污泥的活性都比较低. Bajaj等［2］是在高温厌氧消化的环境下延长反应器的启动时间，提高苯酚的去除率至 94% ，但是由于苯酚抑制了微生物的活性，反应器的启动周期过长. 然而目前对其微生物的毒性抑制的研究还不够深入. 因此，研究苯酚对厌氧颗粒污泥的毒性作用很有必要，而且对工程上厌氧生物法处理含酚废水有实际的指导作用.为揭示苯酚对厌氧颗粒污泥的抑制机制，本研究从以下 3 个方面考察了苯酚对 IC 厌氧反应器中颗粒污泥的毒性作用:①厌氧颗粒污泥产甲烷比活性(specific methanogenic activity，SMA) 随苯酚浓度增加发生的变化;②厌氧颗粒污泥中辅酶 F420及胞外多聚物(extracellular polymeric substances，EPS)的含量受苯酚影响而发生的改变;③利用红外光谱分析探讨厌氧颗粒污泥中 EPS 的组分和分子结构的变化.
1 材料与方法
1. 1 厌氧颗粒污泥
以广纸集团 IC 厌氧反应器中的颗粒污泥为接种污泥，将葡萄糖合成废水在 12 L IC 厌氧反应器中长期培养.
1. 2 实验用水
采用自配的有机废水，COD 为2 000 mg/L，用葡萄糖、氯化铵、磷酸二氢钾按 COD∶ N∶ P =200∶5∶1的质量比配制而成. 同时加入 Fe2 +、Co2 +、Mn2 +、Ni2 +、Mo2 +等微量元素，并根据运行情况加入适量 NaHCO3以维持反应器内部的 pH 值在 6. 8 ～7. 2 之间.
1. 3 苯酚对厌氧颗粒污泥毒性实验
在 250 mL 的反应瓶中加入 150 mL 合成废水，再加入厌氧颗粒污泥，使挥发性悬浮物(VSS) 浓度为 15 g・L－ 1左右，调节 pH 至 7. 0，并设不加苯酚的对照组，置于 25℃ 水浴条件中. 反应一共进行 4 d.第 1 d，加入 150 mL 合成废水，并加入不同质量的苯酚，使反应瓶中苯酚的浓度分别为 25、50、100、200、400、800 mg・L－ 1，测定累积产甲烷量，并在第24 h 时分析反应瓶中厌氧颗粒污泥的辅酶 F420及胞外多聚物(EPS). 接下来的 72 h 是恢复性实验. 第 2d，将第 1 d 的反应瓶中的溶液全部倒掉，并用少量水淘洗污泥，再加入 150 mL 不含苯酚的合成废水，测定累积产甲烷量. 第 3 d 和第 4 d 的工作与第 2 d一样.
1. 4 测定方法
VSS 的测定，采用重量法;产甲烷比活性，采用排水法;厌氧颗粒污泥中辅酶 F420的测定，采用紫外分光光度法;胞外多聚物的提取与测定，采用硫 酸 法提 取，多 糖 的 测 定 采 用 苯 酚 硫 酸法，蛋白质的测定采用考马斯亮蓝 G-250 法;EPS 总量用 TOC 表示;胞外多聚物组分变化和分子结构的测定，采用超声波法提取胞外多聚物，红外光谱仪扫描分析，傅里叶变换红外光谱仪(Fouriertransform infrared spectroscopy， FTIR ) Nicolet6700(美国).
2 结果与讨论
由图 1 可知，随着反应瓶中苯酚浓度的增加，其累积产甲烷量在递减，而且污泥的活性恢复难度逐渐递增，甚至无法恢复. 说明水样中不同浓度的苯酚对污泥活性产生不同程度的影响.
图 1 厌氧颗粒污泥的 SMA 随苯酚浓度的变化
在恢复实验中，将前一天反应瓶中的溶液倒掉，并用少量水淘洗污泥，再加入 150 mL 不含苯酚的合成废水，测定了此条件下厌氧颗粒污泥的累积产甲烷量. 从图 1 可知，苯酚浓度为 25 mg/L和 50 mg/L时，苯酚对厌氧颗粒污泥的累积产甲烷量基本上没有影响. 苯酚浓度为 100 mg/L时，在第 3 d 的恢复实验中，厌氧颗粒污泥的 SMA 基本上得到了恢复. 苯酚浓度为 200 mg/L时，累积产甲烷量降为 61 mL/d(对照组为 88 mL/d)，在第 3 d 的恢复实验中，累积产甲烷量勉强恢复到对照组的 80% ，而且在第 4 d基本上没什么变化. 苯酚浓度为 400 mg/L时，累积产甲烷量降为 36 mL/d，在第 2 d 的恢复实验中，累积产甲烷量恢复到对照组的 50% ，在第 3 d 和第 4 d基本上没有变化. 苯酚浓度为 800 mg/L时，累积产甲烷量降为 33 mL/d，而且接下来的恢复性实验中累积产甲烷量几乎没有发生变化，说明苯酚对厌氧颗粒污泥菌体有致死作用，污泥活性无法恢复.
为考察苯酚毒性与其浓度的关系，测定了不同质量浓度的苯酚(25 ～ 800 mg/L)对 IC 厌氧反应器中厌氧颗粒污泥 SMA 的影响. 以 SMA 抑制分数表示苯酚对厌氧颗粒污泥的抑制程度. SMA 及其抑制分数的计算公式如下:
式中，λ为 适 应 颗 粒 污 泥 的 产 甲 烷 比 活 性，mL・(g・d)－ 1;R 为产甲烷速率 ( 即曲线中最大活性区间的平均斜率)，mL/h;V 为反应器中液体体积，L;VSS 为反应器中污泥浓度，g / L;I 为 SMA 抑制分数，% ;λ0和 λ1分别为对照实验颗粒污泥产甲烷比活性和受苯酚毒性作用 24 h 后的实验颗粒污泥产甲烷比活性，mL・(g・d)－ 1.
3 结论
苯酚对厌氧颗粒污泥的产甲烷比活性有明显的抑制作用. 在苯酚浓度 < 100 mg/L时，污泥的产甲烷活性无明显变化;当苯酚浓度 > 100 mg/L时，产甲烷比活性开始降低，累积产甲烷量恢复速度明显下降，当苯酚浓度为从 100 mg/L上升至 400 mg/L时，污泥的产甲烷比活性下降了 66. 8% . 当苯酚浓度为 800 mg/L时，污泥活性已无法恢复.
参考文献:
［1］ 李江，白涛，饶军，等. 苯酚高效降解菌的筛选和降解特性研究［J］. 微生物学通报，2007，34(3):492-495.