甲苯对UASB反应器中溶解性微生物产物的影响

龙 建，孙文全，吴 伟，李金鑫，周 敏

（1. 南京工业大学 环境学院，江苏 南京 210009；2. 江苏省环境科学研究院，江苏 南京 210036）

溶解性微生物产物（SMP）是指微生物在降解底物及合成代谢过程中产生的物质，如溶解性的胞外酶、多糖等。出水中溶解的SMP降低了出水水质，使出水难以达到排放标准。此外，SMP自身的毒性及其在膜生物反应器中对膜的污染也引起了越来越广泛的关注。目前关于SMP的大部分研究都集中在好氧系统，这与好氧系统在生物处理中应用更广泛以及生物处理的最后环节通常是好氧条件有关。相比较而言，针对厌氧系统SMP的研究则相对较少［1］。然而，厌氧生物处理系统已经在工业废水处理中得到大规模应用，且由于厌氧系统一般置于好氧系统的前端，其产生的SMP必然对后续处理过程存在潜在影响。因此，厌氧处理系统产生的SMP引起学者们越来越多的关注［2］。

本工作采用UASB反应器处理模拟甲苯废水，从系统的COD去除率、TOC去除率、甲苯降解率、出水SMP及三维荧光光谱等方面，研究了甲苯对厌氧系统中SMP产出特性的影响，为高浓度有毒有机工业废水的处理提供技术支持。

1 实验部分

1.1 试剂、材料和仪器

NaAc、NH4Cl、Na2HPO4、KH2PO4、甲苯：分析纯。

实验废水：分别以NaAc、NH4Cl、Na2HPO4和KH2PO4为碳源、氮源和磷源，m（C）∶m（N）∶m（P）=300∶5∶1，并适量投加微生物生长所需的微量元素。实验中根据需要配制成一定甲苯质量浓度的模拟废水。废水的主要成分见表1。活性污泥：取自江苏省南京市某化工企业的污水厌氧处理池。

TOC-VCPH型总有机碳分析仪：日本岛津公司；HQ30d型pH计：美国HACH公司；RE300型ORP计：上海三信仪表厂；F-7000型荧光分光光度计：日本日立公司；DB-WAX石英毛细管型气相色谱柱：美国Agilent公司，30 m×320 μm×0.25 μm；SPH-500型氢火焰离子化检测器：北京中惠分析技术研究所。

表1 废水的主要成分 ρ，mg/L

1.2 实验方法

UASB反应器有效容积2.6 L。启动阶段以乙酸钠（质量浓度约为4 g（COD）/L）为外加碳源，以不含甲苯的模拟废水为培养液（COD约为4 000 mg/L），污泥接种量约为6 g/L。为了保障厌氧微生物快速生长，通过外循环水浴使反应器内温度控制在（35±1）℃，反应器内的pH保持在6.8～7.2之间，HRT控制在22 h，在装置启动时稍微增加氮、磷元素有利于微生物的增殖，提高反应器的缓冲能力。运行中连续进水，并通过内回流使泥水充分混合，产生的气体由反应器上部导管排出。UASB反应器的启动完成后，保持进水COD为4 000 mg/L左右，以20，50，70，100，150，200，250，350，450 mg/L的梯度逐渐提高进水的甲苯质量浓度，进行甲苯的降解与抑制实验。每个甲苯质量浓度条件下连续运行25 d（即达到稳定运行状态）后，取样分析。

1.3 分析方法

采用重铬酸钾法测定COD［3］；采用总有机碳分析仪测定TOC；采用pH计测定pH；采用荧光分光光度计测定三维荧光光谱。

采用气相色谱仪测定甲苯质量浓度：汽化室温度180 ℃，柱温40 ℃（4 min）～100 ℃（1 min），载气流量2 mL/min（4 min）～2 mL/min（6 min），检测器温度250 ℃，顶空自动进样。

SMP含量测定：分别测定废水提取液中蛋白质和多糖的含量，二者之和即为SMP含量。其中，采用改进的Lowry法测定蛋白质质量浓度［4］，以牛血清白蛋白为标样；采用蒽酮法测定多糖［5］，以葡萄糖为标样。

2 结果与讨论

2.1 UASB反应器的启动

UASB反应器启动过程中，进水COD从800 mg/L左右开始，以每14 d为一阶段，每阶段提高COD 800 mg/L，到第57天时将COD提高到4 000 mg/L左右。UASB反应器启动过程中进出水COD及COD去除率的变化见图1。由图1可见，反应器连续运行70 d，COD去除率逐渐稳步提高至90%以上，表明UASB反应器顺利启动。

图1 UASB反应器启动过程中进出水COD及COD去除率的变化● 进水COD；■ 出水COD；▲ COD去除率

2.2 甲苯在UASB反应器中的生物容许浓度

甲苯质量浓度对COD去除率的影响见图2。由图2可见：当甲苯质量浓度为20～200 mg/L时，COD去除率可达80%以上；当甲苯质量浓度大于200 mg/L时，COD去除率迅速减小到10%以下，且此时污泥无增长，常规运行时间内难以达到稳定运行状态。该现象的主要原因是，随着甲苯质量浓度的增加，微生物对甲苯的适应范围存在一个阈值，一旦达到或超过了该值，就会对微生物的生长产生很强的毒害作用，从而导致反应器运行状况的极度恶化，该值即为生物容许浓度［6］。当甲苯质量浓度超过200 mg/L时，表现为污泥活性严重下降，出水COD逐渐升高，对COD的去除效果极差［7］。因此，在本实验条件下厌氧反应器对甲苯的生物容许浓度约为200 mg/L。

图2 甲苯质量浓度对COD去除率的影响

2.3 甲苯对UASB系统中COD和TOC去除率的影响

在UASB系统中，甲苯质量浓度对COD去除率、TOC去除率的影响分别见图3和图4，甲苯在UASB系统的去除效果见图5。由图3～5可见：起始阶段，由于甲苯质量浓度较低（20～70 mg/L），此时的甲苯对反应器中优势菌群有刺激作用，活性污泥增殖速率变小，系统产气量稍有减少，出水COD和TOC有所增大，系统的COD去除率下降约15%～25%，TOC去除率下降约12%～23%；在经过一段时间的驯化后，COD和TOC去除率逐渐恢复正常，分别达到93%和94%以上，甲苯去除率在97%以上。这说明最初系统去除率下降是由于微生物对甲苯作为基质还没有适应。与未投加甲苯时相比，COD和TOC去除率下降趋势较小，絮状污泥活性良好，反应器运行较稳定，说明低浓度的甲苯对系统有刺激作用，抑制作用不太明显。

由图3～5还可见：当甲苯质量浓度超过70 mg/L时，系统出水中COD和TOC逐渐升高，甲苯去除率明显下降；甲苯的毒性作用开始显现，COD和TOC的去除率开始下降，同时甲苯的去除效果也开始下降，因为较高浓度的甲苯在系统中不能充分降解，残余有机毒物对污泥优势菌群产生影响，从而影响了COD和TOC的去除；经过一段时间的驯化后，系统的COD和TOC去除率仍不能恢复到正常水平，分别维持在81%和83%以上，甲苯去除率在84%以上。这说明高浓度的甲苯对系统有抑制作用，从而影响到整个厌氧处理系统的处理效率［8］。当甲苯质量浓度高于200 mg/L时，污泥活性不可恢复，反应器运行状况极差。

图3 甲苯质量浓度对COD去除率的影响● 进水COD；■ 出水COD；▲ COD去除率

图4 甲苯质量浓度对TOC去除率的影响● 进水TOC；■ 出水TOC；▲ TOC去除率

图5 甲苯的去除效果

2.4 甲苯对UASB系统SMP含量的影响

在废水生物处理系统中，由于受到有毒有机物的冲击，活性污泥的代谢活动受到干扰，从而影响到SMP的产出与降解［9］。甲苯质量浓度对UASB系统SMP质量浓度的影响见图6。由图6可见：随着甲苯质量浓度的增加，蛋白质和多糖的质量浓度的变化趋势与SMP质量浓度的变化趋势相似，呈先下降后上升的趋势；甲苯质量浓度为20～70 mg/L时，与未投加甲苯时相比，蛋白质的质量浓度先减小、后略有上升，多糖的质量浓度逐渐减小，SMP的质量浓度也逐渐减小，说明低浓度的甲苯对微生物产生了刺激作用；当甲苯质量浓度大于70 mg/L时，污泥活性下降且增殖缓慢，反应器运行状况开始恶化，蛋白质、多糖的质量浓度增大，SMP的质量浓度也逐渐增大，这说明有机毒物可能对微生物产生了抑制作用，使得微生物衰亡，或者发生自身防疫反应分泌产生一些有机物，从而使SMP的质量浓度不减反增［10］。

图6 甲苯质量浓度对UASB系统SMP质量浓度的影响● 蛋白质；■ 多糖；▲ SMP

2.5 甲苯对UASB系统SMP中蛋白质、多糖组分的影响

不同甲苯质量浓度下出水的三维荧光光谱谱图见图7。出水中荧光类溶解性有机物主要成分是蛋白质（色氨酸）、多糖类物质和腐殖质，三者的特征荧光峰中心位置分别位于激发波长/发射波长（λex/λem）为230 nm/340 nm，320 nm/375 nm，340 nm/430 nm附近［11］。由图7可见：与图7a相比较，图7b中蛋白质、多糖的荧光峰有所减弱，可能是低浓度的甲苯对微生物产生了刺激作用，使污泥活性减弱；而图7c中，蛋白质、多糖的荧光峰明显增强，说明污泥的活性受到高浓度甲苯的影响，增殖变慢，进而分泌出一些有机物，使得蛋白质、多糖的荧光峰增强［12］。

图7 不同甲苯质量浓度下出水的三维荧光光谱谱图

3 结论

a）在本实验条件下，UASB反应器对甲苯的生物容许浓度约为200 mg/L。

b）当甲苯质量浓度为20～70 mg/L时，COD和TOC的去除率下降幅度较小；当甲苯浓度超过70 mg/L时，COD和TOC的去除率下降幅度明显，甲苯的毒性作用开始显现，污泥活性变差，反应器运行状况较差；当甲苯浓度超过200 mg/L时，表现为污泥活性严重下降，对底物的去除效果极差。

c）低浓度甲苯可对微生物产生刺激作用，SMP的质量浓度逐渐减小，系统去除率下降，但经过一段时间的驯化即可恢复；高浓度的甲苯会影响整个系统的出水COD、出水TOC及SMP产出，表现出对微生物的抑制作用，SMP的质量浓度逐渐增大，系统恢复缓慢，甚至难以恢复。

［1］ Aquino S F，Stuckey D C. Soluble microbial products formation in anaerobic chemostats in the presence of toxic compounds［J］. Water Res，2004，38（2）：255-266.

［2］ Aquino S F，Stuckey D C. Integrated model of the production of soluble microbial products (SMP) and extracellular polymeric substances (EPS) in anaerobic chemostats during transient conditions［J］. Biochem Eng J，2008，38（2）：138-146.

［3］ 原国家环境保护局《水和废水监测分析方法》编委会. 水和废水监测分析方法［M］. 3版. 北京：中国环境科学出版社，1989：362-368.

［4］ Lowry O H，Rosebrough N J，Farr A L，et al. Protein measurement with the folin phenol reagent［J］. J Biol Chem，1951，193（1）：265-275.

［5］ Roe J H. The determiation of sugar in blood and spinal fluid with anthrone reagent［J］. J Biol Chem，1955，212（1）：335-343.

［6］ Mesquita P L，Aquino S F，Xavier A L P，et al. Soluble microbial products (SMP) characterization in benchscale aerobic and anaerobic CSTRs under different operational conditions［J］. Braz J Chem Eng，2010，27（1）：101-111.

［7］ Xie Wenming，Ni Bingjie，Yu Hanqing，et al. Characterization of autotrophic and heterotrophic soluble microbial product (SMP) fractions from activated sludge［J］. Water Res，2012，46（19）：6210-6217.

［8］ 王文文，李爱民，吴伟，等. 甲苯在两相厌氧系统中降解及其抑制作用［J］. 环境工程学报，2012，6（8）：2755-2758.

［9］ Wang Zhiping，Zhang Tong. Characterization soluble microbial products (SMP) under stressful conditions［J］.Water Res，2010，44（18）：5499-5509.

［10］ Xie Wenming，Ni Bingjie，Yu Hanqing，et al.Evaluating the impact of operational parameters on the formation of soluble microbial products (SMP) by activated sludge［J］. Water Res，2013，47（3）：1073 -1079.

［11］ Zhou Weili，Wu Bingtao，She Qianhong，et al. Investigation of soluble microbial products in a full-scale UASB reactor running at low organic loading rate［J］.Bioresour Technol，2009，100（14）：3471-3476.

［12］ Ni Bingjie，Zeng R J，Fang Fang，et al. Fractionating soluble microbial products in the activated sludge process［J］. Water Res，2010，44（7）：2292-2302.