三氯乙烯厌氧降解颗粒污泥影响因素分析

张颖，刘洋，李娟，胡淼，王薪

（东北农业大学资源与环境学院，哈尔滨 150030）

三氯乙烯厌氧降解颗粒污泥影响因素分析

张颖，刘洋，李娟，胡淼，王薪

（东北农业大学资源与环境学院，哈尔滨 150030）

通过在上流式厌氧污泥床（UASB）反应器成功驯化TCE厌氧降解颗粒污泥，于小瓶中进行温度、pH和TCE浓度等对TCE厌氧降解颗粒污泥降解特性影响的试验研究。结果表明，35℃是颗粒污泥最适温度，降解速率常数为0.1879，半衰期为3.69 d，TCE降解率为90.15%；颗粒污泥最适pH为7.2，降解速率常数为0.1672，半衰期为4.15 d，TCE降解率为88.74%；在温度为35℃，pH 7.2条件下，试验浓度范围内（14.6～73.0 mg·L-1），TCE初始浓度越小，降解速率越快，降解率越大；当TCE浓度达到73 mg·L-1时，TCE厌氧降解颗粒污泥仍能以较高速率降解TCE，14 d后TCE均可被有效去除，最终降解率在80%以上。

三氯乙烯；厌氧降解颗粒污泥；温度；pH；TCE初始浓度

三氯乙烯（Trichloroethylene，TCE），是具有挥发性、厌水性的氯化碳氢化合物，作为重要化工原料和有机溶剂，被广泛应用于现代工业中。TCE是具有挥发性的有机污染物，有很强的环境毒性。TCE临床研究表明：TCE可引起中枢神经麻醉，头晕、恶心、昏迷甚至死亡；长期吸入TCE挥发性气体可引起突发性心率失常而猝死；肝脏损害、药疹性皮炎等[1-2]。TCE及其降解产物二氯乙烯（DCEs）和氯乙烯（VC）是有毒致癌物质[3]。为此，1976年美国环境保护署（USEPA）就已将TCE列入“优先控制化合物”及“疑似致癌物质”[4]。TCE对土壤和地下水的污染时有发生[3]。

目前，由于厌氧生物技术比化学和物化处理技术效果好、处理费用低，被认为是处理该类污染物应用前景最好的方法。与其他厌氧生物处理装置相比，上流式厌氧污泥床（UASB）反应器以其处理能力大、处理效果好、操作简单等特点，倍受关注，UASB作为高效厌氧处理技术，得到广泛应用[5]。厌氧生物降解是去除高浓度TCE有效途径[6]，但针对TCE在UASB反应器中厌氧生物降解研究甚少。厌氧生物降解含TCE废水污泥颗粒化过程未广泛研究[7]，针对TCE厌氧降解影响因素研究更为鲜见。因此，本文通过对TCE厌氧生物降解影响因素（温度、pH和TCE浓度）的研究，优化运行参数，为生物修复实施提供技术支持与借鉴，为地下水污染防治提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验装置

本试验装置为有机玻璃制成的圆筒式UASB反应器。其中下段为UASB反应器的反应区，圆桶内径为80 mm，高为1 000 mm，上段为三相分离器，内径为120 mm，高为400 mm，总体积为8 L，有效体积5 L，反应器底部是一个孔板配水器。反应器外壁缠有电热丝，温度控制在（35±1）℃。

1.2 接种污泥和试验水质

试验接种污泥取自黑龙江省哈尔滨市啤酒厂污水处理池厌氧池，接种污泥为黑色颗粒状污泥，沉降性较好，MLSS 80.9 g·L-1。借鉴国内外关于TCE生物降解的研究方法[8-11]，本试验使用实验室人工配水。试验配水由基础培养液，葡萄糖和不同浓度TCE组成。基础培养液中含20 mL·L-1矿物盐溶液、10 mL·L-1痕量金属溶液。两种溶液组成如下：

①矿物盐溶液：NaCl 40 g·L-1，KH2PO45 g·L-1，KCl 5 g·L-1，MgSO4·7H2O 10 g·L-1，NH4Cl 50 g·L-1，CaCl2·2H2O 1 g·L-1；

②痕量金属：氨基三乙酸2 g·L-1，CuCl2· 2H2O 0.02 g·L-1，MnSO4·H2O 1 g·L-1，Na2MoO4· 2H2O 0.02 g·L-1，NiCl2·6H2O 0.02 g·L-1，CoCl2· 2H2O 0.2 g·L-1，Fe（NH4）2（SO4）2·6H2O 0.8 g·L-1，ZnSO4·7H2O 0.2 g·L-1。

1.3 试验设计

在UASB反应器启动过程中，形成沉降性能优越的厌氧颗粒化污泥。经过驯化的TCE厌氧降解颗粒污泥可以进行TCE降解研究。因为一般有TCE污染的地下水中TCE浓度较低[12]，可进行厌氧降解影响因素研究。

向120 mL细口点滴瓶中冲入氮气，约5 min后将在UASB反应器中培养好的TCE厌氧降解污泥悬浊液20.0 mL加入到120 mL细口点滴瓶中，补充20.0 mL左右的基础培养液，使瓶中水泥混合物体积保持在40.0 mL。迅速用橡胶塞塞紧瓶口，并用压盖器加盖铝盖。试验开始前将试验瓶置于35℃恒温培养箱中培养2 d，耗尽试验瓶内污泥悬浊液中残留的TCE及葡萄糖。

试验开始时，在加入TCE及葡萄糖溶液1 mL（80 mg·mL-1，使试验瓶中COD维持在2 000 mg·L-1）后放在35℃恒温振荡器上振荡约1 h，目的是使TCE和葡萄糖在瓶中均匀分布，之后根据试验计划进行试验，定期取样检测TCE浓度变化。

选择影响TCE降解性能的温度、pH和TCE浓度作单一因素优化试验。由于研究区地下水温度为12℃，选择12℃为温度中的一个梯度；考虑到实际地下水环境中，pH 7.0～8.0。试验分3批进行，共进行15组试验（同时设置15个对照组，每个对照组加入20 mL蒸馏水取代20 mL污泥悬浊液，其他条件均与试验组相同），各组相关参数见表1。

1.4 分析方法

试验中TCE含量测定采用气相色谱法。用岛津GC-2014气相色谱，Angilen毛细管色谱柱GSGasPro（30 m×0.32 mm），氢火焰离子化检测器（FID），进样量为100 μL顶空气体。具体条件：柱流量3.5 mL·min-1；分流比为1∶50；进样口温度220℃；FID检测器温度250℃；柱温采用程序升温60℃保留1 min，由70℃·min-1升至180℃保留4 min。

表1 影响因素试验参数Table 1 Parameters design of influencing factors

2 结果与分析

2.1 温度

温度是一个重要物理参数，通过改变生长速率、酶活性、细胞成分等对微生物起直接作用[13]。据报道，微生物生长环境温度为12～100℃，但大多数细菌适宜生长温度为20～55℃[14]。由于研究区地下水温度为12℃，因此温度选择12℃为一个影响因素，以检验试验室培养的微生物在12℃环境下还原脱氯性能。另外，根据文献报道[15-16]，选择20、30、35和40℃温度梯度进行试验研究。

在试验进行的14 d中，定期取样分析TCE含量变化，在pH为7.2，TCE初始浓度为14.6 mg·L-1条件下，将各个温度条件下，TCE浓度随时间变化的数据与一级降解动力学曲线ln(C/C0)=-kt进行拟合，结果见图1。

图1 不同温度条件下TCE降解拟合曲线Fig.1 TCE degradation fitting curves in different temperature conditions

由图1可知，TCE厌氧降解颗粒污泥在温度为12、20、30、35和40℃下均能将TCE降解，其降解过程均符合一级降解动力学方程，降解速率常数分别为0.0482、0.0500、0.1326、0.1879和0.0382，降解半衰期分别为14.38、13.86、5.23、3.69和18.15 d。在温度由12℃上升到35℃的过程中，随温度的升高TCE降解速率常数k值逐渐增大，半衰期逐渐减小；而当温度由35℃升至40℃时，TCE降解速率常数k值迅速减小，半衰期明显增加，说明在35℃时TCE能以最大降解速率发生降解，TCE厌氧降解颗粒污泥有最佳降解效果。

在试验的第14天时TCE降解率与温度的关系如图2所示。

图2 不同温度时TCE降解情况Fig.2 TCE removal in different temperature conditions

由图2可知，试验第14天TCE降解率分别为43.15%、50.32%、83.78%、90.15%、40.60%，而从12℃升高到20℃、从20℃升高到30℃、从30℃升高到35℃时，TCE降解率分别仅增加7.17%、33.46%和6.37%，而从35℃上升到40℃时TCE降解率下降49.55%。说明在12～35℃时，随温度增加，TCE降解率逐渐提高，且增加速度越来越小，而超过35℃时其降解率出现下降趋势，体现TCE厌氧降解颗粒污泥的处理能力，在温度约为35℃时已达到顶峰，且较高温度抑制TCE厌氧降解颗粒污泥活性，导致降解率下降。温度较低时，使微生物活性受到抑制，进而造成系统内挥发性酸积累，大幅降低TCE降解速率，所以在持续低温条件下TCE降解效果不理想。35℃时TCE厌氧降解颗粒污泥保持良好活性，能有效降解环境中的TCE，TCE降解率可达90%。

2.2 pH

环境中pH对微生物生命活动影响较大，引起细胞膜电荷变化，影响微生物对营养物质的吸收；影响代谢过程中酶活性；改变生长环境中营养物质的可给性及有害物质毒性。多数自然环境pH在5.0～9.0[17]。

在试验进行14 d中，定期取样分析TCE含量变化，在温度为35℃，TCE初始浓度为14.6 mg·L-1条件下，将各个pH条件下，TCE浓度随时间变化的数据与一级降解动力学曲线ln(C/C0)=-kt进行拟合，结果如图3所示。

图3 不同pH条件下TCE降解拟合曲线Fig.3 TCE degradation fitting curves in different pH conditions

由图3可知，TCE厌氧降解颗粒污泥在pH为6.5、7.0、7.2、7.5和8.0时均能将TCE降解，其降解过程均符合一级降解动力学方程，降解速率常数分别为0.1166、0.1424、0.1672、0.1467和0.1269，降解半衰期分别为5.94、4.87、4.15、4.72和5.47 d。在pH由6.5上升到7.2的过程中，随pH升高TCE降解速率常数k值逐渐增大，半衰期逐渐减小；而当pH由7.2上升到8.0时，TCE降解速率常数k值逐渐减小，半衰期逐渐增加，说明在pH 7.2时TCE能以最大降解速率发生降解，TCE厌氧降解颗粒污泥有最佳降解效果。

在温度为35℃，TCE初始浓度为14.6 mg·L-1条件下，试验开始的第14天，TCE降解率与pH关系如图4所示。

由图4可知，pH在6.5、7.0、7.2、7.5和8.0时，TCE均能发生降解，TCE厌氧降解颗粒污泥能保持良好活性，且能保持相对较高降解率，降解率分别为78.93%、85.34%、88.74%、86.85%和83.24%。pH从6.5升高到7.2时，随着pH增加，TCE降解率逐渐增加；而从7.2上升到8.0时，随着pH增加，TCE降解率逐渐下降。这说明TCE厌氧降解颗粒污泥处理能力在pH 7.2时达最大值。且pH＜7.2时TCE降解率明显低于pH＞7.2时TCE降解速率，说明偏酸环境对TCE降解率影响更大。厌氧还原脱氯过程是氢气以氢原子置换氯原子，生成氯化氢，这样偏碱环境发生酸碱中和反应能使装置内部维持一个相对适合微生物生长的中性环境[18]，因而pH 8.0对TCE降解影响比pH 6.5对TCE降解影响小。

图4 不同pH时TCE降解情况Fig.4 TCE removal efficiencies in different pH conditions

2.3 TCE浓度

在温度35℃，pH 7.2条件下，将各个TCE初始浓度条件下TCE浓度随时间变化数据与一级降解动力学曲线ln(C/C0)=-kt进行拟合，结果见图5。

图5 不同TCE初始浓度条件下TCE降解拟合曲线Fig.5 TCE degradation fitting curve in different initial TCE concentration conditions

TCE初始浓度分别为14.6、29.2、43.8、58.4和73.0 mg·L-1，TCE降解速率常数k分别为0.1949、0.1585、0.1369、0.1238和0.1206，半衰期为3.56、4.37、5.06、5.60和5.75 d。并且在反应开始的第1天，TCE初始浓度越大，对反应的抑制作用越明显。较低浓度时（14.6～43.8 mg·L-1），在反应进行的第2～10天，TCE降解反应以较高速率进行，第10天后趋于稳定，最终降解率分别为90.46%、89.30%和87.38%；较高浓度时（58.4～73.0 mg·L-1），在反应进行的14 d，TCE降解反应速率变化不大，最终降解率分别为84.98%和80.98%。可见在TCE浓度较低的范围内（14.6～73.0 mg·L-1），TCE初始浓度越小，降解速率越快。

在试验开始的第14天TCE降解率随TCE初始浓度变化情况见图6。

图6 不同TCE浓度时TCE的降解情况Fig.6 TCE removal efficiencies in different initial TCE concentration conditions

由图6可知，在温度为35℃，pH 7.2条件下，当TCE初始浓度为14.6、29.2、43.8、58.4和73.0 mg·L-1时，试验第14天TCE降解率分别为90.46%、89.30%、87.38%、84.98%和80.98%，而TCE浓度从14.6 mg·L-1升高到29.2 mg·L-1、从29.2 mg·L-1升高到43.8 mg·L-1、从43.8 mg·L-1升高到58.4 mg·L-1、从58.4 mg·L-1升高到73.0 mg·L-1时，TCE降解率分别降低0.94%、1.92%、2.40%和4.00%。说明TCE浓度在14.6～73.0 mg·L-1时，随初始浓度增加，TCE降解率逐渐降低，在试验浓度范围内，相对较高浓度的TCE对降解反应有抑制作用，且浓度越大影响作用越大。TCE浓度增加，可能对组成TCE厌氧降解颗粒污泥的微生物产生毒害作用，使微生物间相互作用受到影响，从而影响TCE厌氧降解颗粒污泥对TCE降解[18]。

3 结论

a.温度由12℃升高到35℃时，随温度升高，TCE厌氧降解颗粒污泥活性逐渐增大；而超过35℃时，TCE厌氧降解颗粒污泥活性受抑制。30～35℃时，TCE降解速率较快，降解率可达85%以上，30～35℃时TCE厌氧降解颗粒污泥活性较高，35℃是TCE厌氧降解颗粒污泥最适温度（设为研究控制温度），降解速率常数0.1879，半衰期3.69 d，降解率90.15%。

b.pH从6.5升高到7.2时，随pH升高，TCE厌氧降解颗粒污泥活性逐渐增大；而从7.2上升到8.0时，随pH升高，TCE厌氧降解颗粒污泥活性逐渐降低。pH 7.2是TCE厌氧降解颗粒污泥最适pH（设为研究控制pH），降解速率常数为0.1672，半衰期为4.15 d，降解率88.74%。发现pH在7.0～7.5时，TCE降解速率较快，并且降解率可达85%以上，pH为7.0～7.5时污泥活性较高。

c.试验浓度范围内（14.6～73.0 mg·L-1）TCE初始浓度越小，TCE厌氧降解颗粒污泥活性越高。TCE初始浓度为14.6 mg·L-1时，最大降解率约为90%。但总体上看，驯化得到的TCE厌氧降解菌能够有效降解环境中的TCE，当TCE浓度达73 mg·L-1时，TCE厌氧降解颗粒污泥仍能以较高速率降解TCE，14 d后TCE均被有效去除，最终降解率在80%以上。

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Research on influencing factors of trichloroethylene(TCE)anaerobic degradation granular sludge

ZHANG Ying,LIU Yang,LI Juan,HU Miao,WANG Xin
(School of Resources and Environmental Science,Northeast Agricultural University,Harbin 150030, China)

Acclimation of trichloroethylene(TCE)-degrading anaerobic granular sludge was successful by using upflow anaerobic sludge blanket(UASB)reactor.The influences of temperature,pH and initial concentration of TCE on the degradation characteristics of TCE-degrading anaerobic granular sludge were investigated in serum bottles.The results showed that 35℃was the optimum temperature of the granular sludge,the degradation rate constant was 0.1879,the half-life was 3.69 d,and the TCE degradation rate was 90.15%;7.2 was the optimum pH of granular sludge,the degradation rate constant was 0.1672,the half-life was 4.15 d,and the TCE degradation rate was 88.74%;Under the conditions of temperature of 35℃,pH of 7.2,and the TCE test concentration range from 14.6 to 73.0 mg·L-1,the smaller the initial TCE concentration was,the faster the degradation rate was;When TCE concentration was 73 mg·L-1,TCE-degrading anaerobic granular sludge still had higher ability to degrade TCE.After 14 d,TCE could be effectively removed and the final TCE degradation rate was over 80%.

trichloroethylene;anaerobic degradation granular sludge;temperature;pH;initial TCE concentration

X703.1

A

1005-9369（2014）11-0052-07

2013-01-17

国际科技合作与交流专项（2013DFG62260）；黑龙江省高校创新团队建设计划项目（2013TD003）

张颖（1972-），女，教授，博士，博士生导师，研究方向为环境污染生物修复。E-mail:zhangyinghr@hotmail.com

时间2014-11-21 16:44:25[URL]http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1391.S.20141121.1644.017.html

张颖,刘洋,李娟,等.三氯乙烯厌氧降解颗粒污泥影响因素分析[J].东北农业大学学报,2014,45(11):52-58.

Zhang Ying,Liu Yang,Li Juan,et al.Research on influencing factors of trichloroethylene(TCE)anaerobic degradation granular sludge[J].Journal of Northeast Agricultural University,2014,45(11):52-58.(in Chinese with English abstract)