好氧颗粒污泥法降解苯胺的特性

中国环境科学2010,30(4)：527~532ChinaEnvironmentalScience好氧颗粒污泥法降解苯胺的特性王电站,周立祥*(南京农业大学资源环境学院,环境工程系,江苏南京210095)摘要：在控温摇床上采用好氧振荡的方法,在含有苯胺和硝基苯混合废水处理厂的好氧污泥中,驯化降解苯胺的混合微生物.在驯化过程中发现混合微生物逐渐形成了颗粒污泥,采用此颗粒污泥(混合微生物)进行苯胺降解的实验.结果表明,该混合微生物在以苯胺为唯一碳源和氮源的情况下,具有较强的降解苯胺的能力,且最适宜的温度为28℃,最佳的pH值为7.0,当苯胺的起始浓度为600mg/L时,此条件下在18h内被完全降解,混合微生物降解苯胺的速度达到33.6mg/(L·h).关键词：苯胺；好氧颗粒污泥；混合菌群；生物降解中图分类号：X703.1文献标识码：A文章编号：1000-6923(2010)04-0527-06Characteristicsandbiodegradationofanilinebyaerobicgranularsludge.WANGDian-zhan,ZHOULi-xiang*(DepartmentofEnvironmentalEngineering,CollegeofResourceandEnvironmentalSciences,NanjingAgricultureUniversity,Nanjing210095,China).ChinaEnvironmentalScience,2010,30(4)：527~532Abstract：Mixedmicroorganismswhichcandegradeanilineefficientlywereculturedandacclimatedfromaerobicactivatedsludgeofawastewatertreatmentplantbeingusedtotreatanilineandnitrobenzenewastewater.Intheprocessofacclimation,mixedmicroorganismstransformedintogranularsludgegradually,whichwasusedlatertodegradeaniline.Themixedmicroorganismswoulddegradeanilineefficientlyundertheoptimumconditionsasfollows:temperaturewas28,pH℃was7.0,andanilinewasthesolecarbonandnitrogensource.Whentheinitialconcentrationofanilinewas600mg/L,itcouldbedegradedcompletelyin18hattheoptimumconditionsjustmentioned,andthedegradingvelocityofanilinebymixedmicroorganismsreachedashighas33.6mg/(L·h).Keywords：aniline；aerobicgranularsludge；mixedmicrobe；biodegrading苯胺是多种工业废水的主要污染物,排放到自然环境里会严重污染生态环境和损害人体健康,具有一定的生物降解性[1-3].采用好氧生物处理的方法能够较好地降解苯胺,目前,已经筛选出了能够降解苯胺的纯菌株[4-6],同时也发现把多种菌株混合在一起,组成所谓的复合微生物,其降解效果明显好于单一纯菌株[7].在城市污水处理方面,厌氧/好氧颗粒污泥法一直是研究热点问题之一.污水生物处理过程中产生的剩余污泥大部分是由生长代谢衰老死亡的微生物菌体构成的,在适宜的条件下能够形成颗粒污泥[8],具有非常复杂的生物相,特别是好氧颗粒污泥,其表层属于好氧环境,内部是典型的厌氧环境,在二者之间具有明显的兼性特性,使得好氧微生物、厌氧微生物以及兼性微生物共同存在于同一个体系中,形成一个完整的生物群落,因此城市污水的生物处理效果得到提高[9-10].由于苯胺的毒性,用城市废水培养出来的颗粒污泥不能用于此类化工废水的处理,到目前为止一直都没有关于颗粒污泥处理苯胺类化工废水的研究报道.本课题组曾在硝基苯的生物降解研究中发现,使用未经纯化的混合微生物形成了颗粒污泥[11],但将该颗粒污泥用于苯胺的降解时,发现颗粒污泥会解体.因此推测,在驯化能够降解苯胺的好氧微生物时,采用相同的培养方法,先不纯化,随着驯化周期的增加、苯胺浓度的不断提高,保留下来的混合微生物种类会越来越少,并会因长期的互作而形成良好的协同关系,本研究考察采用这种驯化方法能否获得高效降解苯胺的混合微生物及其能否颗粒化,并研究其降解苯胺的特性,以期为颗粒污泥应用于收稿日期：2009-09-18基金项目：国家“863”项目(2006AA06Z314);国家自然科学基金资助项目(20377023)*责任作者,教授,[e-mail]528中国环境科学30卷苯胺类污染废水的工程治理提供参考.1材料与方法1.1材料将南京某化工厂苯胺和硝基苯混合废水处理厂曝气池活性污泥和排污口底泥混合成原始泥样,作为菌种来源.无机盐培养液配方:在1L自来水中加入3gK2HPO4、3gKH2PO4、0.2gMgSO4·7H2O和5gNaCl,并调节其pH值至7.4左右.主要仪器与试剂:显微摄影仪(Cannon,日本),高效液相色谱仪(waters1525光学,美国),pH计,苯胺和其他化学试剂均为国产分析纯.1.2方法1.2.1混合微生物的驯化在500mL三角瓶中加入60g原始泥样,并加入240g无机盐培养液,设定摇床的转速为180r/min,温度控制在28℃.驯化时设定苯胺的浓度变化梯度为10,20,40,80,100,200,400,600,800,1000mg/L,每个浓度下以7d为1个培养周期.先用含低浓度苯胺的无机盐培养液驯化,每个驯化周期结束后取样,在光学显微摄影仪上观测培养物中生物相组成,并采用液相色谱法测定苯胺的含量[12],确定苯胺降解完全后,保留一部分培养物备用,并将60g培养物转接到含高一级浓度梯度苯胺的培养液中继续驯化,依次类推,最后根据各浓度梯度的培养情况,将200~1000mg/L浓度级所获得的培养物混合,再继续振荡1d,作为以下实验用的混合微生物.1.2.2混合微生物对不同浓度苯胺的降解在不同的500mL的三角瓶中加入60g颗粒化的混合菌群作为接种物(由1.2.1得到)以及240g无机盐培养液,加入苯胺使其浓度分别为200,400,600,800,1000mg/L,摇床的转速为180r/min,恒温至28℃,调节pH值至7.4左右.每个实验3次重复,每隔12h取样1次,在光学显微摄影仪上观测生物相组成,并采用液相色谱法[12]测定苯胺的浓度,下同.1.2.3起始pH值对混合菌群降解苯胺的影响将60g颗粒化的培养物加入到500mL三角瓶中、并加入240g无机盐培养液,根据1.2.2的实验结果,确定实验用苯胺的浓度为600mg/L(下同),用2mol/L的H2SO4和2mol/L的NaOH调节起始pH值分别为5.0,6.0,7.0,8.0,9.0.摇床的转速为180r/min,温度控制在28℃.1.2.4温度对混合微生物降解苯胺的影响将60g颗粒化的培养物加入到500mL三角瓶中、并加入240g无机盐培养液,加入苯胺使其浓度为600mg/L,并根据1.2.3的实验结果,起始pH值调节为7.0,摇床的转速设定为180r/min,按照15,20,25,28,35℃改变摇床温度.1.2.5不同碳源种类及C/N对混合微生物降解苯胺的影响将60g颗粒化的培养物加入到500mL三角瓶中,并加入240g无机盐培养液,加入苯胺使其浓度为600mg/L,振荡摇床的转速设定在180r/min,温度控制在28℃,起始pH值调节至7.0,然后在添加相等碳量的前提下,分别添加乙酸钠0.80g、蔗糖0.52g、葡萄糖0.60g、乳糖0.55g作为外加第二碳源(苯胺为第一碳源),并与不加任何其他碳源(即仅以苯胺为唯一碳源)对比.在此实验结果的基础上,选用葡萄糖作外加第二碳源,添加不同量的葡萄糖使C/N分别为5:1、10:1、15:1、20:1、25:1、30:1,其他实验条件与1.2.4相同.1.2.6不同氮源种类及外加不同氮量对混合微生物降解苯胺的影响将60g颗粒化的培养物加入到500mL三角瓶中,并加入240g无机盐培养液,加入苯胺使其浓度为600mg/L,设置摇床的转速为180r/min,恒温在28℃左右,起始pH值调节至7.0,然后按照添加相等量的氮,分别添加硫酸铵0.73g、硝酸铵0.91、氯化铵0.60g、尿素0.34g作为外加第二氮源(苯胺视作第一碳源),并与不加其他氮源(即仅以苯胺为唯一氮源)对比.在此实验结果的基础上,选用氯化铵作为外加第二氮源,添加量分别为三角瓶中物料总质量的0,0.1%,0.3%,0.5%,其他实验条件相同.2结果与讨论2.1苯胺浓度对混合微生物降解效果的影响混合微生物在驯化培养1个月后,第5个培4期王电站等：好氧颗粒污泥法降解苯胺的特性529养周期结束时观察到三角瓶中形成大量的絮状物,在随后的培养周期里,又逐渐观察到三角瓶中有颗粒物形成,并随着培养周期数的增加,三角瓶中颗粒物的数量和大小在逐渐增加,经3个多月的驯化培养,发现三角瓶中形成浅灰色颗粒物[图1(a)],微生物菌体形成了颗粒化,此即为颗粒污泥.在显微镜下观测,颗粒污泥粒径0.2~3.0mm左右,在光学显微摄影仪(10×100倍)下观测,发现混合微生物以酵母菌为主[图1(b)],以及比较丰富的丝状菌和少量的短杆菌[图1(c)].abc图1好氧颗粒污泥及其生物相观测Fig.1Photoandmicroscopeimagesofmicrobeintheaerobicgranularsludge(a)数码相机拍摄的颗粒污泥外观;(b)酵母菌显微照片;(c)短杆菌、酵母菌和丝状菌显微照片颗粒污泥中酵母菌、杆菌、丝状菌等微生物独自降解苯胺的能力以及它们之间相互协同作用的效果等问题尚在研究之中.在本课题组硝基苯的混合微生物降解过程中也形成了颗粒污泥,然而2种颗粒污泥中优势菌并不相同,硝基苯处理过程中形成的颗粒污泥以细菌为主[11],而苯胺则以酵母菌为主,但2种颗粒污泥中都发现了丝状菌.汪善全等[13]曾在城市废水生物处理的研究过程中,发现丝状菌的大量存在有益于微生物菌体颗粒化,但是苯胺(以及硝基苯)在生物降解过程中,丝状菌对污泥颗粒化的形成具有怎样的作用需要进一步研究,本研究采用含有颗粒化的混合微生物作为接种物,不同起始苯胺浓度的降解结果如图2所示.由图2可知,苯胺的浓度在1000mg/L以内,混合微生物都能够不同程度地降解苯胺,对图2中每一条变化曲线进行线性相关分析可知,当苯胺的起始浓度为600mg/L时,根据拟合的线性方程,其降解速率最大,达到为33.6mg/(L·h)(R2=0.87),而起始浓度为200,400,800,1000mg/L时,经拟合后所得的降解速度分别为16.7mg/(L·h)(R2=0.98)、22.0mg/(L·h)(R2=0.82)、27.6mg/(L·h)(R2=0.98)、22.9mg/(L·h)(R2=0.98),综合考虑采用600mg/L作为苯胺的起始浓度进行以下实验.0612182430020040060080010001200苯胺浓度(mg/L)时间(h)200mg/L400mg/L600mg/L800mg/L1000mg/L0图2混合菌群降解不同浓度苯胺的效果Fig.2Biodegradationofanilinewithdifferentconcentrationsbythemixedmicrobe2.2不同起始pH值对混合微生物降解苯胺的影响由图