導(dǎo)語：強(qiáng)化厭氧處理含酚廢水研究一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要：為提高含酚廢水的厭氧降解性能，降低水力停留時(shí)間，以導(dǎo)電性強(qiáng)、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(yīng)器（UASB）中處理含酚廢水。結(jié)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(diǎn)，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(jié)構(gòu)緊密、粒徑增大。高通量測(cè)序分析表明，投加納米Fe3O4可以使微生物群落結(jié)構(gòu)得以改變：古菌Methanothrix豐度提高11.9%，細(xì)菌在屬的分類水平上富集Pelotomaculum、Syntrophus、Seditntibacter等功能微生物，提高反應(yīng)器的降解效率。

關(guān)鍵詞：納米Fe3O4；含酚廢水；厭氧生物處理

厭氧生物法存在低運(yùn)行能耗、高有機(jī)負(fù)荷和厭氧微生物時(shí)代時(shí)間長等優(yōu)點(diǎn)，是處理含酚廢水最為現(xiàn)實(shí)有效的方法之一。傳統(tǒng)厭氧法雖然能夠?qū)崿F(xiàn)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(shí)間過長等不足[1-2]。近年來，一些學(xué)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(dǎo)電性強(qiáng)的典型鐵氧化物，廣泛應(yīng)用于污染物降解、污水處理等環(huán)境領(lǐng)域[3-5]。本研究希望通過考察納米Fe3O4對(duì)含酚廢水的厭氧降解性能，探究其對(duì)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(duì)反應(yīng)后污泥體系微生物形態(tài)變化及種群豐度進(jìn)行分析，進(jìn)而為含酚廢水的實(shí)際處理提供實(shí)踐及理論依據(jù)。

1實(shí)驗(yàn)部分

1.1裝置與材料。連續(xù)流實(shí)驗(yàn)設(shè)置2個(gè)上流式厭氧污泥床反應(yīng)器（UASB），有效工作體積均為1L，分別為對(duì)照組R1，加入納米Fe3O4的R2。HRT為12h，運(yùn)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(jìn)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(gè)UASB中內(nèi)馴化該污泥，每個(gè)反應(yīng)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(diào)節(jié)反應(yīng)器pH為7.0～7.2。實(shí)驗(yàn)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(jì)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(shí)驗(yàn)流程。實(shí)驗(yàn)分為2個(gè)階段：微生物馴化階段以及反應(yīng)器穩(wěn)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(yīng)器進(jìn)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(diào)節(jié)反應(yīng)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(shí)現(xiàn)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(wěn)定運(yùn)行10d后，向R2內(nèi)加入含有3.3g納米Fe3O4的水溶液，與污泥充分?jǐn)嚢韬箪o置，使污泥與納米Fe3O4完全混合。隨后每10d提高一級(jí)含酚廢水的COD的比例（40%、80%、100%），直到含酚廢水COD比例達(dá)到100%。該階段運(yùn)行時(shí)間為50d。在穩(wěn)定階段，模擬廢水的COD全部由含酚廢水提供。向R2內(nèi)再次加入含3.3g納米Fe3O4的水溶液并連續(xù)運(yùn)行10d，待R2的COD去除率達(dá)到穩(wěn)定后，將含酚廢水的COD從2g/L分別提升至3、4g/L，考察反應(yīng)器抗沖擊能力。該階段運(yùn)行時(shí)間為30d。1.4分析方法。采用重鉻酸鉀法測(cè)定水中COD[7]；采用高效液相色譜法檢測(cè)出水中苯酚的含量[8]；依據(jù)GB7488－87測(cè)定并計(jì)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(tài)[10]。依據(jù)OECD的“Fish,AcuteToxicityTest.OECDGuideline203”毒性標(biāo)準(zhǔn)方法評(píng)估反應(yīng)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(gè)反應(yīng)器出水急性毒性的差異。斑馬魚購于當(dāng)?shù)鼗B蟲市場(chǎng)，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(shí)驗(yàn)前l(fā)d停止喂食[12]。隨機(jī)選取7條成年斑馬魚，使其在96h內(nèi)靜態(tài)暴露于3L的玻璃魚缸內(nèi)。將飼育水作為稀釋水，每個(gè)水樣至少選取5個(gè)暴露含量，每組均再設(shè)置平行實(shí)驗(yàn)。采用96h的半數(shù)致死含量（LC50）和相應(yīng)毒性單位（TU）評(píng)價(jià)含酚廢水對(duì)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(jì)算LC50。TU的計(jì)算式為[13]：TU=l/(100LC50)。1.5高通量測(cè)序連續(xù)流實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，反應(yīng)器內(nèi)污泥的微生物群落結(jié)構(gòu)采用高通量測(cè)序技術(shù)進(jìn)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(duì)古菌和細(xì)菌的16SrRNA基因進(jìn)行PCR擴(kuò)增[14]。將匯集和純化后的PCR產(chǎn)物采用IlluminaTruSeqDNA文庫的制備方案構(gòu)建出來，放于上海某公司的IlluminaHiseq2000測(cè)序儀進(jìn)行測(cè)序[15]。

2結(jié)果與討論

2.1納米Fe3O4對(duì)COD及苯酚去除的影響。為評(píng)價(jià)納米Fe3O4對(duì)含酚廢水厭氧處理性能，R1和R2連續(xù)運(yùn)行80d。圖1和圖2分別是COD及苯酚的去除率。由圖1可知，當(dāng)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(dāng)COD提高至4g/L時(shí)，最終R2的COD去除率較R1高約11百分點(diǎn)。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(píng)價(jià)納米Fe3O4對(duì)含酚廢水降解性能的重要指標(biāo)。由圖2可知，當(dāng)含酚廢水COD比例為20%時(shí)，進(jìn)水中苯酚的質(zhì)量濃度為150.7mg/L，R1、R2的苯酚去除率均為28%。當(dāng)納米Fe3O4補(bǔ)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(yīng)進(jìn)行至穩(wěn)定階段后，苯酚的質(zhì)量濃度從753.6mg/L逐步提高至1507mg/L，此時(shí)R2的苯酚去除率穩(wěn)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(qiáng)反應(yīng)器對(duì)苯酚的去除效果。2.2納米Fe3O4對(duì)可生化性和急性毒性的影響。實(shí)驗(yàn)運(yùn)行結(jié)束后，為探究納米Fe3O4對(duì)廢水可生化性的影響，分別測(cè)定、計(jì)算2個(gè)反應(yīng)器進(jìn)出水BOD5/COD（B/C）。結(jié)果表明，進(jìn)水的B/C為0.18，可生化性較差；經(jīng)厭氧處理后，R1的B/C為0.57，而R2的B/C達(dá)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(huì)威脅到人類的健康[16]。我國工業(yè)廢水排放標(biāo)準(zhǔn)中僅包含常規(guī)的理化指標(biāo)，缺少對(duì)生物毒性指標(biāo)的規(guī)定。盡管我國已經(jīng)嚴(yán)格執(zhí)行相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，仍然無法有效評(píng)估廢水的毒性特征[17]。因此評(píng)價(jià)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(duì)R1和R2的出水進(jìn)行急性毒性分析。結(jié)果表明，R1的LC50為17.32%，對(duì)應(yīng)的TU為5.77；R2的LC50為25.7%，對(duì)應(yīng)的TU為3.89。與R1相比，R2在反應(yīng)后出水具有較低的急性毒性。在厭氧條件下，經(jīng)納米Fe3O4的強(qiáng)化，含酚廢水中有機(jī)物容易轉(zhuǎn)化成可被生物利用的物質(zhì)，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(jié)果一致。2.3污泥體系內(nèi)微生物形態(tài)。連續(xù)流實(shí)驗(yàn)結(jié)束后R1、R2內(nèi)污泥表面的微生物形態(tài)如圖3所示。由圖3可知，R1內(nèi)污泥內(nèi)部結(jié)構(gòu)松散，存在較大空隙，可見絲狀菌和桿狀菌；而R2內(nèi)污泥內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為緊密，污泥粒徑較大，多見桿狀菌。推測(cè)這一結(jié)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(lián)系更加緊密。但該推測(cè)的驗(yàn)證還需要結(jié)合微生物群落結(jié)構(gòu)分析。2.4微生物群落結(jié)構(gòu)分析連續(xù)流實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，采用高通量測(cè)序技術(shù)對(duì)R1、R2內(nèi)污泥樣品的古菌、細(xì)菌群落進(jìn)行分析，結(jié)果見表1。由表1可知，2個(gè)反應(yīng)器污泥中，Methanothrix、Methanoregula、Methanolinea、Methanobacterium4種古菌含量較高，其中Methanothrix（耗乙酸產(chǎn)甲烷菌）為主導(dǎo)古菌。錢風(fēng)越在利用Fe3O4納米顆粒厭氧消化產(chǎn)甲烷的實(shí)驗(yàn)中也證明了納米Fe3O4的加入能提高M(jìn)ethanothrix的豐度[5]。這與本研究中獲得的結(jié)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(jī)物加速分解，同時(shí)產(chǎn)生較多乙酸，而乙酸進(jìn)一步刺激污泥體系內(nèi)產(chǎn)甲烷菌群落，使Methanothrix得以富集。對(duì)細(xì)菌群落多樣性進(jìn)行評(píng)估發(fā)現(xiàn)，R2中微生物的香濃指數(shù)（4.52）與Chao1指數(shù)（31282）均高于R1（分別為4.49、27755）。TRABLY等發(fā)現(xiàn)，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(jié)果相似。提高生物多樣性和種群豐度能夠促進(jìn)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(xì)菌在屬分類水平上基本類似，但各細(xì)菌所占的比例較為不同，見表2。由表2可知，Pelotomaculum在2個(gè)反應(yīng)器中均為優(yōu)勢(shì)菌屬。Pelotomaculum的成員P.Thermopropionicum是一種典型的發(fā)酵型鐵還原菌，能夠通過異化鐵還原作用實(shí)現(xiàn)有機(jī)物的去除[18]。反應(yīng)器內(nèi)還檢測(cè)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(jié)果表明納米Fe3O4作為電子受體觸發(fā)了異化鐵還原過程，為鐵還原菌的生長提供支持，進(jìn)而富集鐵還原菌，使其能夠利用多種復(fù)雜有機(jī)物，加速有機(jī)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(yīng)器性能提高的原因之一。Syntrophus菌被報(bào)道可以有效降解苯酚[19]。其在R1、R2中的相對(duì)豐度分別為4.09%、8.21%。有文獻(xiàn)報(bào)道，Seditntibacter在厭氧處理焦化廢水的微生物群落中占主導(dǎo)地位，它與焦化廢水中苯酚等有機(jī)物的降解有明顯的相關(guān)性[20]。其在R1、R2中的相對(duì)豐度分別為2.17%和3.46%。據(jù)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(jìn)苯酚等特征污染物的降解。

3結(jié)論

研究了納米Fe3O4在UASB內(nèi)對(duì)含酚廢水降解性能的影響，結(jié)果表明，在厭氧條件下，納米Fe3O4能夠?qū)崿F(xiàn)苯酚等特征污染物的有效去除，同時(shí)提高出水可生化性、降低生物毒性。納米Fe3O4可使反應(yīng)器內(nèi)污泥結(jié)構(gòu)緊密、粒徑增大；通過改變反應(yīng)器內(nèi)微生物群落結(jié)構(gòu)，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(jī)物，提高反應(yīng)器的降解效率。

作者:車碧寧 張耀斌 單位:大連理工大學(xué)