丙烯酸盐及对甲苯磺酸盐对乙酸、丙酸产甲烷活性的影响

王百党，宋玉栋，程家运，陈叶，孙力东，周岳溪* ，崔俊华

1.河北工程大学城市建设学院，河北 邯郸 056038

2.中国环境科学研究院水污染控制技术研究中心，北京 100012

3.环境基准与风险评估国家重点实验室，中国环境科学研究院，北京 100012

4.中国石油天然气股份有限公司吉林石化分公司，吉林 吉林 132022

丙烯酸丁酯是一类重要的化工原料，大量应用于塑料、纺织、涂料、造纸、印刷黏合剂和乳化剂等领域［1-2］。丙烯酸丁酯生产过程中会产生大量含高浓度丙烯酸(盐)的有机废水。丙烯酸丁酯生产废水化学需氧量(CODCr)高达60 000 ～80 000 mg/L，废水中主要的污染物丙烯酸钠和对甲基苯磺酸钠浓度分别可达52 000 ～65 000 和7 900 ～9 000 mg/L［3］。目前针对该类废水国内外研究和应用的处理方法有焚烧法、湿式催化氧化法［4-5］和生物处理法，其中厌氧生物处理比其他处理方法的运行成本低，并能产生可回收利用的生物能，具有明显的优势。但废水中的丙烯酸盐及对甲基苯磺酸盐对厌氧污泥的抑制作用可能不利于工艺的稳定运行，因此需研究丙烯酸盐、对甲基苯磺酸盐对产甲烷活性的影响。

丙烯酸厌氧降解的研究表明，丙烯酸首先转化为丙酸和乙酸，且以丙酸为主［6-10］，然后进一步降解产生甲烷。通常乙酸可直接被产甲烷菌利用，而丙酸首先由产氢产乙酸菌转化为乙酸和氢气，然后才能被产甲烷菌利用。许多研究表明，当厌氧处理系统受到有毒物质冲击时会造成丙酸的积累［11-12］，表明产氢产乙酸菌可能对有毒物质更加敏感。现有厌氧毒性试验多以乙酸、乙酸和丙酸混合物或葡萄糖等为底物［13-16］，鲜有单独以丙酸为底物的产甲烷活性抑制研究，因此可能会低估有毒物质的毒性效应。对比某种有毒物质对不同底物的厌氧产甲烷活性抑制效应的研究较少，2 种或多种物质联合作用抑制产甲烷活性的研究也鲜有报道。为此，笔者考察了丙烯酸盐、对甲基苯磺酸盐对乙酸、丙酸分别为底物的厌氧产甲烷活性的抑制效应，并考察了2 种物质的联合作用。

1 材料与方法

1.1 试验装置

静态产甲烷试验在250 mL 血清瓶中进行。瓶内接种50 mL 污泥，190 mL 营养液，10 mL 乙酸钠或丙酸钠溶液，置于35 ℃恒温水浴中，产生的气体通过碱液吸收排水集气法收集，以测得甲烷产生量［17］。

1.2 营养液的配制

厌氧微生物生长所需的营养物储备液配方如表1 所示，各种储备液在4 ℃下保存。营养液中除厌氧微生物生长所需的各种营养元素及维生素外，还包含氧化还原指示剂刃天青(被氧化时呈粉红色)和为反应体系提供还原环境的硫化钠。

表1 储备液配方Table 1 Stock solution recipe

营养液配制程序:1)向2 L 的烧瓶中加入1 L去离子水;2)添加S2溶液1.8 mL，S3溶液5.4 mL，S4溶液27 mL;3)用去离子水定容至1.8 L;4)1 L/min氮气吹扫条件下加热煮沸15 min，无菌水定容至1.8 L;5)保持氮气吹扫冷却至室温;6)添加S7溶液18 mL，S5溶液1.8 mL，S6溶液1.8 mL;7)改用30% CO2和70% N2混合气体吹扫(1 L/min);8)加入8.4 g NaHCO3;9)用30% CO2和70 % N2混合气体鼓泡吹脱(1 L/min)至pH 稳定在7.1 附近;10)小心密封待用，使用时定容至2 L。

配好的营养液中氮、磷浓度和碱度(以CaCO3计)分别为122、19、2 500 mg/L［13］。

1.3 接种污泥

厌氧污泥为实验室处理丙烯酸丁酯废水EGSB反应器中的厌氧污泥，悬浮物(SS)浓度为9.07 g/L，挥发性悬浮物(VSS)浓度为7.94 g/L。

1.4 试验方法及数据处理

试验方法参照文献［13，17］。接种时，先向血清瓶中加入一定量的丙烯酸(液态)或对甲基苯磺酸(固态)，加入190 mL 营养液，再加入10 mL CODCr为100 g/L 的乙酸钠(或丙酸钠)溶液，用氢氧化钠调pH 至7.0 ～7.2，加入50 mL 污泥。各系列丙烯酸盐及对甲基苯磺酸盐浓度(以丙烯酸根和对甲基苯磺酸根计，全文同)如表2 所示。每个系列做3 个平行样。摇匀后置于试验装置中，每隔12 h读取甲烷产量。

1.5 毒性的表示方法及半效应浓度(EC50)的计算

厌氧毒性试验可确定毒性物质或有毒废水在一定浓度下对产甲烷活性的抑制程度，其在一定程度上反映了毒性物质对厌氧生物的毒害作用。毒性一般用某一时段内某浓度下使污泥产甲烷速率受到抑制的比例(产甲烷抑制率)来表示。通过对照组(丙烯酸盐及对甲基苯磺酸盐浓度为0 mg/L)和不同浓度试样组的累积产气量(3 个平行样取平均值)随培养时间的变化，选取线性部分(时间跨度一般为48 h)计算产甲烷抑制率(I):

式中，CH4试样为试样组的甲烷产量，mL;CH4对照为对照组的甲烷产量，mL。

以产甲烷抑制率与毒性物质浓度(以10 为底的对数值)进行线性拟合，得到y=ax+b(式中，y 为产甲烷抑制率;x 为毒性物质对数浓度)的拟合方程，根据该方程按照y=50 计算x，10x即为EC50。

产甲烷速率受产甲烷污泥活性、底物浓度、毒性物质浓度、温度、pH 等多种条件的影响。试验过程中控制产甲烷污泥活性、温度、pH 等条件一致，减少由于产甲烷底物消耗、有毒物质降解等因素对毒性评价结果的影响，选择尽可能靠前的线性部分计算产甲烷抑制率。

1.6 主要分析项目及方法

pH 采用在线pH 计(瑞士梅特勒M420 变送器，电极InPro3250i)测定;SS 浓度和VSS 浓度采用重量法［17］测定;甲烷产量采用碱液吸收排水集气法测定。

2 结果与讨论

2.1 对甲基苯磺酸盐对乙酸产甲烷活性的抑制

以乙酸钠为底物，不同对甲基苯磺酸盐浓度下累积产甲烷量随培养时间的变化如图1 所示。选取12 ～60 h 段(共48 h)计算各试样组的产甲烷抑制率，得到浓度为500、2 500、5 000、10 000、15 000 和20 000 mg/L 的对甲基苯磺酸盐产甲烷抑制率分别为- 1.6%、3.1%、- 0.8%、- 1.2%、6.3% 和17.9%。说明对甲基苯磺酸根浓度在10 000 mg/L以下时对乙酸产甲烷活性没有明显抑制作用。尽管对甲基苯磺酸钠也属于有机物，但在144 h 时高浓度组的产甲烷量与对照组产甲烷量接近，这主要是由于对甲基苯磺酸在厌氧条件下不易降解所致［9］。

图1 乙酸钠为底物时不同对甲基苯磺酸盐浓度的累积产甲烷量Fig.1 The cumulative amount of methane produced with sodium acetate as a substrate at different concentrations of p-toluenesulfonate

2.2 对甲基苯磺酸盐对丙酸产甲烷活性的抑制

以丙酸钠为底物，不同对甲基苯磺酸盐浓度下的累积产甲烷量随培养时间的变化如图2 所示。选取12 ～60 h 段计算各试样组的产甲烷抑制率，得到浓度为100、500、2 500、5 000 和10 000 mg/L 对甲基苯磺酸盐的产甲烷抑制率分别-1.3%、-1.9%、2.4%、20.2%和52.4%。表明当对甲基苯磺酸盐浓度在2 500 mg/L 以下时对丙酸产甲烷活性没有明显抑制作用。10 000 mg/L 以下对甲基苯磺酸对乙酸产甲烷活性没有抑制，说明对甲基苯磺酸盐对丙酸产甲烷活性的抑制主要为产乙酸阶段。

图2 丙酸钠为底物时不同对甲基苯磺酸盐浓度的累积产甲烷量Fig.2 The cumulative amount of methane produced with sodium propionate as a substrate at different concentrations of p-toluenesulfonate

将产甲烷抑制率与对甲基苯磺酸浓度(2 500 ～10 000 mg/L)对数进行拟合(图3)，利用图3 中拟合方程y =83.048x-282.19，令y =50，计算出x 值，EC50=10x，计算得对甲基苯磺酸对丙酸产甲烷抑制的EC50为9 500 mg/L。

图3 产甲烷抑制率与对甲基苯磺酸盐浓度对数的关系Fig.3 The curve for inhibition rate of methane production and mass concentration of methyl p-toluenesulfonate

2.3 丙烯酸盐对乙酸和丙酸产甲烷活性的影响

乙酸钠和丙酸钠为底物时不同丙烯酸盐浓度下累积产甲烷量随培养时间的变化分别如图4 和图5所示。选取24 ～72 h 段(乙酸钠)和60 ～108 h 段(丙酸钠)计算出各试样组的产甲烷抑制率(表3)。

图4 乙酸钠为底物时不同丙烯酸盐浓度的累积产甲烷量Fig.4 The cumulative amount of methane produced with sodium acetate as substrate at different concentrations of acrylate

图5 丙酸钠为底物时不同丙烯酸盐浓度的累积产甲烷量Fig.5 The cumulative amount of methane produced with sodium propionate as a substrate at different concentrations of acrylate

表3 丙烯酸盐浓度对乙酸、丙酸的产甲烷抑制率Table 3 Inhibition rate of methanogenic activity of acetic acid and propionic acid by different concentrations of acrylate

产甲烷抑制率与丙烯酸浓度对数的拟合如图6所示。由图6 可知，相同浓度丙烯酸对丙酸产甲烷活性的抑制明显强于对乙酸产甲烷活性的抑制。依据图6 拟合方程，令y=50，计算出丙烯酸对乙酸产甲烷活性的EC50为717 mg/L，对丙酸产甲烷活性的EC50为235 mg/L。

图6 产甲烷抑制率与丙烯酸浓度对数的关系Fig.6 The curve for inhibition rate of methane production and mass concentration of acrylate

与对甲基苯磺酸盐的抑制试验不同，投加低浓度丙烯酸钠试样组在试验结束时的甲烷产生量高于对照组(图1 和图2)，这是由于在厌氧条件下丙烯酸可降解转化生成乙酸和丙酸，并进一步被转化为甲烷，使甲烷产生量增加［9］。

由于丙烯酸对产甲烷活性的抑制作用，其进入产甲烷反应器的浓度应得到有效控制。李沙等［8］采用微氧流化床处理高浓度丙烯酸废水，可在丙烯酸容积负荷为6.0 ～18.0 kg/(m3·d)的条件下，去除95%以上的丙烯酸，并转化生成丙酸和乙酸。流化床反应器内丙烯酸浓度在2 000 mg/L 以下时，随着丙烯酸浓度的升高，丙烯酸转化速率升高［8］。已有的研究结果证明［18］，厌氧污泥经过驯化可处理浓度为EC501 ～5 倍的毒性物质。从保证后续厌氧产甲烷单元稳定运行的角度出发，进入产甲烷反应器的丙烯酸浓度应保持在235 mg/L 以下。

2.4 丙烯酸盐及对甲基苯磺酸盐对产甲烷活性的联合作用效应

由于丙烯酸盐及对甲基苯磺酸盐对丙酸的产甲烷活性抑制作用强于乙酸，因此选取丙烯酸盐浓度为200 mg/L，对甲基苯磺酸盐浓度为5 000 mg/L，考察丙烯酸盐及对甲基苯磺酸盐单独投加和组合投加对丙酸产甲烷活性的抑制作用，其累积产甲烷量如图7 所示。选取36 ～84 h 段计算产甲烷抑制率。单独作用的产甲烷抑制率之和(48.2% +19.6% =67.8%)与组合作用的产甲烷抑制率(64.3%)相近，表明二者对产甲烷活性的抑制没有明显协同效应。

图7 丙烯酸盐、对甲基苯磺酸盐单独和组合投加下丙酸的累积产甲烷量Fig.7 The cumulative amount of methane produced with sodium propionate as substrate at separate dosage of acrylate or p-toluenesulfonate and their combination

3 结论

(1)对甲基苯磺酸盐浓度在10 000 mg/L 以下时对乙酸的产甲烷活性无明显抑制作用;在20 000 mg/L 时的产甲烷抑制率仅为17.9%。

(2)对甲基苯磺酸盐对丙酸产甲烷活性的抑制作用强于乙酸，对丙酸的产甲烷的EC50为9 500 mg/L。

(3)丙烯酸盐对丙酸产甲烷活性的抑制作用强于乙酸，对丙酸和乙酸产甲烷的EC50分别为235 和717 mg/L，丙烯酸酯废水处理厌氧产甲烷单元进水丙烯酸浓度应参照其对丙酸产甲烷的抑制浓度进行控制。

(4)丙烯酸盐与对甲基苯磺酸盐对产甲烷活性的抑制没有明显的协同效应。

［1］钱伯章.丙烯酸及酯的技术进展和应用［J］.精细化工原料及中间体，2011(11):33-36.

［2］李海燕，肖华飞，马林，等.丙烯酸及丙烯酸酯生产废水处理工程［J］.给水排水，2010，36(3):58-61.

［3］范志庆，宋玉栋，周岳溪，等.三相生物流化床处理高浓度丙烯酸丁酯生产废水［J］.环境科学，2011，32(5):1382-1387.

［4］袁霞光，冷冰，余启炎. 丙烯酸废水湿式氧化催化剂的研究［J］.石油化工，2005，34(7):684-687.

［5］李万海，黄江丽，王红，等. 催化湿式氧化处理丙烯酸废水［J］.吉林化工学院学报，2007，24(3):3-6.

［6］JANSSEN P H. Isolation of Clostridium propionicum strain 19 acry3 and further characteristics of the species［J］. Archives of Microbiology，1991，155(6):566-571.

［7］郑盛之，宋玉栋，周岳溪，等.厌氧接触式反应器预处理高浓度丙烯酸废水［J］.环境工程学报，2011，5(3):533-536.

［8］李莎，郑盛之，宋玉栋，等.多级微氧生物流化床预处理高浓度丙烯酸废水［J］.环境科学，2012，33(9):3167-3171.

［9］徐洁，宋玉栋，周岳溪，等.曝气量对生物流化床处理丙烯酸丁酯废水的影响［J］. 环境工程技术学报，2013，3(3):215-219.

［10］DURÁN U，MONROY O，GÓMEZ J，et al. Biological wastewater treatment for removal of polymeric resins in UASB reactor:influence of oxygen［J］. Water Science ＆ Technology，2008，57(7):1047-1052.

［11］CHEN Y，CHENG J J，CREAMER K S. Inhibition of anaerobic digestion process:a review［J］. Bioresource Technology，2008，99:4044-4064.

［12］CHOU W L，SPEECE R E，SIDDIQI R H，et al. The effect of petrochemical structure on methane fermentation toxicity［J］.Progress in Water Technology，1978，10(5/6):545-558.

［13］OWEN W F，STUCKEY D C，HEALY J B，et al. Bioassay for monitoring biochemical methane potential and anaerobic toxicity［J］.Water Research，1979，13(6):485-492.

［14］刘子旭，孙力平，李玉友，等. 红霉素对产甲烷菌的抑制及其驯化［J］.环境科学，2013，34(4):1540-1544.

［15］汤改风，佘宗莲，吴美玲.葡萄糖共基质下硝基酚产甲烷毒性研究［J］.中国给水排水，2006，22(1):62-65.

［16］马小云，万金泉. 苯酚对厌氧颗粒污泥的毒性研究［J］. 环境科学，2011，32(5):1402-1406.

［17］贺延龄. 废水的厌氧生物处理［M］. 北京:中国轻工业出版社，1998.

［18］SPEESE R E.工业废水的厌氧生物技术［M］. 李亚新译. 北京:中国建筑工业出版社，2001:123. ○