2018, Vol. 48
2. 青岛水务环境公司，山东 青岛 266021
苯胺作为重要的工业原料，在橡胶、农业、印染等行业有广泛的应用。苯胺具有生物毒性、致癌性等特点，因此被美国EPA列为优先控制的129种污染物之一，也被列为“中国环境优先污染物黑名单”[1]，要求在工业生产中严格控制排放浓度。苯胺废水的生物处理是利用微生物的代谢作用，将苯胺转化为无害稳定的物质。苯胺类废水的生物降解性差，对微生物毒性大，当废水中苯胺类物质的浓度超出1 000 mg/L时，生物处理就不易有效的去除苯胺等污染物。近年来，生物强化技术的广泛应用，使得苯胺废水的生物降解效率有了很大的提高。任随周等[2]从处理印染废水的活性污泥中分离得到的苯胺降解菌AN30，在好氧条件下72 h内对250 mg/ L苯胺的降解率为96.1%。
在实际生产中，含苯胺的化工废水中常含有较高浓度的无机盐。盐对微生物有一定的毒害作用，甚至能够引起细胞的质壁分离，高浓度的盐分通过降低微生物及酶的活性会抑制生物处理[3-4]。对于未经驯化的活性污泥，当NaCl浓度超过30 g/L后，微生物的活性降低70%~80%，但活性污泥在含盐环境中驯化后，微生物的活性高达90%以上[5];赵凯峰等[6]也发现当活性污泥经10 gNaCl/L的条件驯化后，提高盐度至15和20 g/L时，氨氮的去除率依然可维持在99%以上。因此通过驯化能够培养出具有污染物降解性的耐盐微生物。对于含盐苯胺废水的降解已有一些报道。Liu等[7]在高盐条件下筛选出耐盐苯胺降解菌AN2，对盐度的耐受性可达6%。骆新芳等[8]采用驯化的方式筛选出的高盐苯胺废水降解菌对NaCl的耐受性可达120 g/L，对苯胺的降解率最高可达35.71%;金琼[9]发现菌株JQ-AN在30 g NaCl/L条件下降解苯胺时，菌株生长最好，苯胺降解率也达到最大值60%。目前，关于含盐苯胺废水的生物降解主要集中在纯菌条件下的研究，为了考察盐和苯胺共同作用下混合菌群对苯胺、COD和NH4+-N的降解效果，本研究取实验室中培养和驯化的活性污泥(为混合菌群)，通过批量实验在与污泥相同盐度条件下研究了微生物对苯胺、COD和NH4+-N的降解性能，可为含盐苯胺废水的生物处理提供参考。
1 材料与方法 1.1 SBR实验装置与运行方式实验采用圆柱形SBR反应器，有效容积22 L，接种市政污水处理厂的二沉池回流污泥。反应器温度保持在28℃左右，底部放置曝气砂头，由转子流量计控制曝气量，使曝气结束时反应器中的DO能够达到3~4 mg/L; 反应器内装有内循环泵以保证泥水均匀混合。SBR每天运行3个周期，每个周期运行8 h，1个周期各阶段时间为：进水35 min，曝气205 min，缺氧搅拌150 min，后曝气15 min，沉淀60 min，出水10 min。每个周期沉淀结束后排水9.2 L，在下一周期进水阶段泵入相同水量的污水，水力停留时间为19.1 h。由时间继电器自动控制各阶段的运行时间。进水为实验室配置的模拟废水，以CH3COONa、NH4Cl、和KH2PO4分别作为碳源、氮源和磷源，进水水质为：COD=500 mg/L，NH4+-N=40 mg/L，磷=8 mg/L，进水中加入NaCl，使进水NaCl浓度按0，5，10 g/L逐步提高。用碳酸氢钠调节进水pH值在7.8左右。
1.2 实验方法SBR反应器进水NaCl浓度逐步由0g/L提高到5和10 g/L，对活性污泥进行驯化。在进水NaCl浓度为0和10 g/L条件下，SBR对有机物和氮的去除效果达到稳定后，取反应器内活性污泥通过批量实验测定两种污泥对苯胺、有机物和氨氮的降解速率。将活性污泥置于多个锥形瓶中，每个锥形瓶加入相同浓度的营养液，使混合后COD、NH4+-N和总磷(TP)含量为200、15和3 mg/L，同时每个锥形瓶中加入不同量的苯胺溶液，使混合后苯胺初始浓度分别为0、30、60、120、180和240 mg/L; 混合后NaCl浓度与SBR进水一致; 用碳酸氢钠调节pH值在7.8左右。将锥形瓶置于恒温水浴振荡器中，温度保持在28℃，实验过程向锥形瓶内持续充氧使混合液处于好氧状态，每隔30 min取混合液样品，离心后测定苯胺、COD和NH4+-N浓度，实验结束时测定NO3--N和NO2--N浓度。用苯胺浓度与对应的采样时间做出苯胺随时间的降解曲线，曲线斜率与混合液MLVSS的比值即为苯胺的降解速率; 同样的方法可算出COD和NH4+-N的降解速率，NH4+-N降解速率按混合液中实测的浓度进行计算。每个测试实验设置3个平行样。
1.3 分析方法所有水质指标的测定依照国家规定的标准检测方法进行[10]。COD：重铬酸钾法; NH4+-N：纳氏试剂法; NO3--N：紫外分光光度法; NO2--N：N-(1-萘基)-已二胺分光光度法; TN：NH4+-N、NO3--N和NO2--N的浓度之和; 苯胺：N-(1-萘基)乙二胺偶氮光度法; pH：雷磁PHB-4型便携式pH计。MLVSS为混合液挥发性悬浮固体浓度，采用滤纸重量法测定。
2 结果与分析 2.1 活性污泥驯化过程SBR处理效果活性污泥驯化的目的是使微生物具有适盐性且在含盐条件下具有较高的去除效率。SBR中活性污泥驯化期间，COD去除效果如图 1所示。进水NaCl浓度为0 g/L时，稳定阶段的COD平均去除率为88.7%。进水NaCl浓度提升到5 g/L时，微生物受到盐的冲击，最初3天出水COD浓度有明显的波动，去除率降至61.0%，经过3天的适应后，去除效果恢复到投加盐以前的水平。NaCl浓度继续提升到10 g/L时，COD去除效果并未受到明显的影响，平均去除率为86.5%。
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图 1 不同TiO2 NPs浓度对活性污泥中LB-EPS和TB-EPS含量的影响 Fig. 1 Effect of different TiO2 NPs concentrations on the LB-EPS and TB-EPS contents of activated sludge |
SBR驯化过程中，NH4+-N和TN的去除效果见图 2和3。进水NaCl浓度由0提升到5 g/L时，NH4+-N的去除效果受到短暂的冲击后很快恢复稳定，稳定阶段NH4+-N平均去除率达到96.6%。进水NaCl浓度提高到10 g/L的初期，出水NH4+-N大量积累，平均浓度为14.91 mg/L，这是因为自养氨氧化菌的活性受到高盐浓度的抑制[11-12];经过一段时间适应后，NH4+-N去除率提高、出水NH4+-N浓度降低，反应器逐步达到稳定状态，NH4+-N平均去除率高达97.6%，这说明经过驯化明显提高了活性污泥微生物对盐的耐受能力。整个驯化期间，出水中NO2--N没有明显的积累; 在0和5 g NaCl/L条件下，出水中的氮主要以NO3--N的形式存在，出水NO3--N平均浓度分别为7.38和6.78 mg/L; 进水NaCl浓度提升到10 g/L时，出水NO3--N平均浓度降至0.22 mg/L，这是由于亚硝酸盐氧化菌比氨氧化菌更容易受到盐的影响，从而抑制了NO2--N向NO3--N的转化[13]。进水NaCl浓度为0、5和10 g/L条件下，达到稳定时TN平均去除率分别为82.7%、84.6%和96.4%。
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图 2 不同TiO2 NPs浓度对LB-EPS和TB-EPS中蛋白质和多糖含量的影响 Fig. 2 Effect of different TiO2 NPs concentrations on the PN and PS contents of LB-EPS and TB-EPS |
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图 3 不同TiO2 NPs浓度下LB-EPS (a1~a4)和TB-EPS (b1~b4)三维荧光光谱 Fig. 3 3D-EEM fluorescence spectra of LB-EPS (a1~a4) and TB-EPS (b1~b4) at different TiO2 NPs concentrations |
当SBR在进水未添加NaCl条件下运行稳定时，取SBR中未经盐驯化的活性污泥在不加盐的条件下进行批量实验测定苯胺、COD和NH4+-N的降解速率; 当SBR在进水NaCl浓度为10 g/L条件下运行稳定时，取SBR中经盐驯化的活性污泥放入测试瓶，并加入盐使NaCl浓度为10 g/L，进行批量实验测定污染物降解速率; 分析比较两种条件下的污染物生物降解效果。
2.2.1 苯胺降解效果不同初始苯胺浓度条件下，苯胺的降解速率见图 4。未驯化和经盐驯化污泥的苯胺降解速率都随苯胺初始浓度的升高而逐渐增加，这与任源等[14]的研究结果一致。任源等报道，当初始苯胺浓度低于800 mg/L时，接种等量的菌液，苯胺降解速率随初始浓度的增加而加快。相同初始苯胺浓度时，未驯化的活性污泥在无盐条件下对苯胺的降解速率均高于驯化后的活性污泥加盐条件对苯胺的降解速率，这说明活性污泥虽然经盐驯化后适应了较高盐度，但盐的存在仍会使苯胺的降解受到不利影响; 据Li等[15]的报道，通过富集驯化筛选的耐盐苯胺降解菌HSA6的生长速率随着盐度的升高而下降。初始苯胺浓度为30、60、120和180 mg/L时，两种条件下苯胺的降解速率相差不大; 但当初始苯胺浓度提高到240 mg/L时，未驯化污泥无盐时的苯胺降解速率(21.58 mg/(gVSS×h))为驯化污泥加盐时的(12.08 mg/(gVSS×h))近2倍，这表明苯胺浓度越高，盐对苯胺降解的不利影响越明显，这可能是由于经盐驯化的污泥微生物群落多样性降低，不利于抵御较高的苯胺浓度。
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图 4 不同初始苯胺浓度时苯胺降解速率 Fig. 4 Degradation rate at different concentrations of aniline |
在初始苯胺浓度为0、30、60和120 mg/L的批量实验中，测定了COD的降解速率，结果如图 5所示。两种条件下，未投加苯胺时(初始苯胺浓度为0 mg/L)COD降解速率均远高于投加苯胺时，未驯化污泥无盐条件和盐驯化污泥加盐条件下投加苯胺时的COD降解速率仅为未投加苯胺的8.1%和17.8%，说明苯胺的加入严重抑制了有机物的降解; COD降解速率在未驯化污泥无盐条件下远大于盐驯化污泥加盐条件下，前者为后者的2.44倍，说明盐的存在会导致有机物降解效能的下降。初始苯胺浓度为30、60和120 mg/L时，随着初始苯胺浓度的升高，COD降解速率逐渐增加，这与苯胺降解速率的变化趋势一致。未驯化污泥无盐条件和盐驯化污泥加盐条件下，COD降解速率分别为12.72~26.47和16.83~19.23 mg/(gVSS×h)，苯胺(折合为COD)降解速率分别为4.02~9.90和2.07~8.56 mg/(gVSS×h)，说明相同条件下COD降解速率高于苯胺降解速率，这是因为实验过程中测得的COD包含乙酸钠、苯胺及其降解中间产物，单位时间内COD的降解量为三种成分降解量之和。
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图 5 不同初始苯胺浓度时COD降解速率 Fig. 5 COD degradation rate at different concentrations of aniline |
在初始苯胺浓度为0、30、60和120 mg/L的批量实验时，测定了氨氮的降解速率(见图 6)。不投加苯胺时，两种条件下NH4+-N降解速率均远高于投加苯胺时，这与是否投加苯胺对COD降解速率的影响一致。不投加苯胺时，未驯化污泥无盐条件下的NH4+-N降解速率是盐驯化污泥加盐条件下的1.49倍，说明盐对NH4+-N的降解有不利影响。在未驯化污泥无盐条件下，随着苯胺浓度由30 mg/L提升到60和120 mg/L，NH4+-N降解速率逐渐减小，分别为2.43、2.30和2.22 mg/(gVSS×h); 在初始苯胺浓度为60和120 mg/L时，盐驯化污泥加盐条件下的NH4+-N降解速率低于未驯化污泥无盐条件，这可能是由于盐和苯胺的共同作用强化了对氨氧化菌的抑制作用。投加苯胺后，两种条件下的NH4+-N降解速率均明显降低，原因有两个，一是苯胺是毒性物质，对氨氧化菌的活性产生了抑制作用，水中NO3--N或NO2--N浓度在投加苯胺后比未投加苯胺时明显降低(见表 1)也说明苯胺对氨氧化过程有明显抑制作用; 二是苯胺的降解释放出NH4+-N[16]，如果这部分NH4+-N没有进一步完全转化为NO2--N或NO3--N，会增加水中NH4+-N浓度，使所测定的NH4+-N降解速率偏低。
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图 6 不同初始苯胺浓度时NH4+-N降解速率 Fig. 6 NH4+-N degradation rate at different concentrations of aniline |
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表 1 生成NO2--N和NO3--N的浓度 Table 1 Generate the concentration of NO2--N and NO3--N/ |
在初始苯胺浓度为0、30、60和120 mg/L的批量实验中，实验结束时测定了NO2--N和NO3--N浓度(见表 1)。未驯化污泥无盐条件下，没有产生NO2--N，只有NO3--N的生成; 盐驯化污泥加盐条件下，NO2--N和NO3--N都有生成。未驯化污泥无盐条件下，未投加苯胺时，大部分NH4+-N(80.2%)转化为NO3--N，水中NO3--N浓度较高; 投加苯胺后NO3--N产生量比未投加苯胺时低得多，且随苯胺浓度的升高NO3--N生成量逐渐降低，说明苯胺对硝化过程产生了抑制作用。盐驯化污泥加盐条件下，未投加苯胺时，较多的NH4+-N(56.8%)转化为NO2--N，而NO3--N浓度很低，这是因为盐的加入降低了亚硝酸盐氧化菌的活性，使NO2--N进一步转化为NO3--N的过程受到抑制，这一结果与Liu和邹高龙等[17-18]报道的一致。这些学者的研究表明，经过盐的长期作用，污泥中亚硝酸盐氧化菌逐渐被淘汰。盐驯化污泥加盐条件下，投加苯胺后水中NO2--N浓度(0.009~1.379 mg/L)明显低于未投加苯胺时的浓度(8.623 mg/L)，说明苯胺对亚硝化过程产生了明显抑制作用; 初始苯胺浓度为30，60和120 mg/L时，水中NO2--N浓度略有不同，初步分析有可能是污泥对NO2--N的吸附和解吸作用引起的，原因有待进一步研究。
3 结论(1) 在SBR中对活性污泥进行驯化的过程中，COD的去除效果受进水NaCl浓度的影响较小; 进水NaCl浓度为10 g/L时，经驯化稳定后NH4+-N和TN的平均去除率分别为97.6%和96.4%。
(2) 批量实验结果表明，在30~240 mg/L苯胺浓度范围内，苯胺降解速率随初始苯胺浓度的升高而加快; 盐对苯胺降解会产生不利影响，未驯化污泥无盐条件下的苯胺降解速率高于盐驯化污泥加盐条件。投加苯胺对COD和NH4+-N的降解均产生较大抑制作用，投加苯胺时COD和NH4+-N的降解速率远低于不投加苯胺时。未驯化污泥无盐条件下氨氮氧化产物只有NO3--N，且随苯胺浓度的升高NO3--N浓度逐渐降低，说明苯胺对硝化过程产生了抑制作用。盐驯化污泥加盐条件下，亚硝酸盐氧化菌受盐的抑制，未投加苯胺时氨氮氧化产物主要是NO2--N，投加苯胺后，水中NO2--N浓度明显降低，说明苯胺对亚硝化过程也有明显抑制作用。
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