苯酚反硝化降解特征分析

2016-12-23王孝维韩钰洁岳秀萍

中北大学学报(自然科学版) 2016年6期

关键词：苯酚硝化反应器

王孝维，韩钰洁，岳秀萍

(太原理工大学环境科学与工程学院，山西太原 030024)

苯酚反硝化降解特征分析

王孝维，韩钰洁，岳秀萍

(太原理工大学环境科学与工程学院，山西太原 030024)

苯酚；反硝化；亚硝酸盐积累；氧化还原电位；菌群结构

苯酚是炼焦、炼油、造纸等工业废水的主要污染物，具有强致癌性. 苯酚降解主要方法有生物降解、活性炭吸附、萃取、化学氧化等. 厌氧生物降解有低成本、高效率、运行稳定等优点而被广泛应用. 已发现苯酚厌氧降解微生物主要分为四类：产甲烷聚生体细菌、硫酸盐还原细菌、反硝化细菌及金属还原细菌[1]，其中尤以反硝化细菌降解效果最为突出，并对高酚高氮类工业废水，如焦化废水，具有极高的应用价值. 李本玉、孔惠等研究了苯在缺氧反硝化条件下的生物降解性能，结果表明苯可以作为反硝化碳源进行生物降解[2-3]；王文燕、全向春、李晓波等分别研究了厌氧滤池(AF)、上流式厌氧污泥床 (UASB)反应器、连续流亚硝化反应器在反硝化条件下对芳香族化合物废水的处理效果及运行参数[4-6]. 吴晓琴、张玉秀、黄丹等分别筛选了红球菌、 Shewanella sp.XB等高效苯系降解菌并对其特性进行了研究分析[7-9]. 目前，反硝化去除苯酚研究主要集中在运行效率和反硝化菌种筛选分离等方向，对苯酚反硝化条件下降解特征，过程控制条件，微生物群落分析有待进一步深入. 本文以苯酚为唯一碳源，考察研究了： ① 反硝化过程中苯酚降解动力学特征； ② 苯酚反硝化过程pH和ORP的变化规律； ③ 利用PCR-DGGE技术分析苯酚反硝化体系菌群结构.

1 实验材料和方法

1.1 实验用水水质及接种污泥

接种污泥取自实验室处理焦化废水的厌氧复合床(UBF)反应器反硝化污泥.

1.2 实验装置及分析方法

取反硝化污泥0.3 L置入实验装置中，如图 1 所示，实验温度维持30 ℃左右，投加NaHCO3保持pH在7.5左右. 对污泥曝气，清洗去除残留杂质，并吹入N2，使实验装置ORP降低至-100 mV 以下，迅速加入1.2 L配水，污泥浓度为5.3 g/L. 每隔15～30 min取样一次， pH和ORP在线连续测定.

图 1 实验装置Fig.1 Experimental device

1.3 反硝化菌群的PCR-DGGE分析

从实验装置取污泥样本，以12 000 r/min离心5 min，取上清液不少于0.5 g，采用K-CTAB法对DNA提纯[11]， PCR(Polymerase Chain Reaction)扩增引物采用16SrRNA对应通用引物338F-534R[12]， PCR扩增反应液采用琼脂糖凝胶电泳检测后，对目标片段进行回收，并溶解于灭菌的Milli-Q水进行DGGE(Denaturing Gradient Gel Electro-phoresis)分析. 扩增反应液送交生物公司(Biogenro，北京)DNA测序.

2 实验结果与讨论

2.1 苯酚反硝化降解动力学特征

图 2 苯酚、硝酸盐及pH， ORP变化规律Fig.

图 3 苯酚降解速率拟合Fig.

2.2 pH和ORP变化规律

图 4 苯酚厌氧降解途径Fig.4 Phenol anaerobic degradation pathway

2.3 苯酚反硝化降解菌群分析

DGGE凝胶图谱上共有19条明显的条带， NCBI测序比对结果见表 1，菌纲相对丰度见图 5.

表 1 NCBI测序比对分析结果

图 5 菌纲相对丰度分析Fig.5 Class of bacteria relative abundance analysis

苯酚反硝化体中已测菌种主要属于4个菌纲， Alphaproteobacteria， Gammaprotobacteria ， Betaproteobacteria为变形菌门， Bacteroidetes为拟杆菌门. 变形菌门是缺氧、厌氧反应中常见优势类群[19]，该类细菌在降解污染物的过程中发挥着十分重要的代谢功能. 拟杆菌门可在活性污泥大量检出，该菌门是污水生物处理细菌菌群的重要组成部分[20].

系统中优势菌种为Pseudomonas baetica和Stenotrophomonas sp.. Pseudomonas baetica为假单胞杆菌，与Thermomonas sp.是主要的反硝化菌[21]. Stenotrophomonas sp.是寡养单胞菌，有报道显示对六氯环己烷(HCH)和有机磷、酚氰类有机物有降解功能[22]. 系统中检出的Altererythrobacter sp.和Bacteroides sp.具有降解多环芳烃的功能[23].

3 结论

3) 反硝化降解苯酚的细菌菌纲主要以Alphaproteobacteria， Gammaprotobacteria ， Betaproteobacteria变形菌门和Bacteroidetes拟杆菌门为主；检出了Altererythrobacter sp.， Bacteroides sp. ， Pseudomonas baetica, Thermomonas sp.等苯酚、硝酸盐有效降解菌.

[1]柯水洲, 张明, 胡翔, 等. 苯酚厌氧降解的研究及应用[J]. 工业水处理, 2007, 27(02)： 9-12. Ke Shuizhou, Zhang Ming, Hu Xiang, et al. Research progress and application of anaerobic phenol degradation[J]. Industrial Water Treatment, 2007, 27(2)： 9-12. (in Chinese)

[2]李本玉, 顾国维, 李咏梅. 利用缺氧反硝化去除苯的试验研究[J]. 给水排水, 2005, 27(3)： 51-54. Li Benyu, Gu Guowei, Li Yongmei. Study on anoxic degradation of benzene[J]. Water and Wasterwater Engineering, 2005, 27(3)： 51-54. (in Chinese)

[3]孔惠, 李东艳, 钟佐燊. 反硝化苯降解的微环境研究[J]. 环境科学与技术, 2006, 29(8)： 12-14. Kong Hui, Li Dongyan, Zhong Zuoshen. Microcosms study of benzene biodegradation under denitrifying condition[J]. Environmental Science and Technology, 2006, 29(8)： 12-14. (in Chinese)

[4]王文燕, 全向春, 杨志峰, 等. AF反应器对芳香族化合物反硝化降解特性研究[J]. 环境科学, 2007, 28(3)： 540-544. Wang Wenyan, Quan Xiangchun, Yang Zhifeng, et al. Study on the treatment of aromatic hydrocarbon containing wastewater by an anaerobic filter reactor under denitrifying condition[J]. Environmental Science, 2007, 28(3)： 540-544. (in Chinese)

[5]全向春, 王文燕, 杨志峰, 等. UASB反应器对芳香族化合物反硝化降解特性研究[J]. 环境工程学报, 2008, 2(12)： 1589-1593. Quan Xiangchun, Wang Wenyan, Yang Zhifeng, et al. Biodegradation of aromatic hydrocarbons in an UASB reactor under denitrifying conditions[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2008, 2(12)： 1589-1593.(in Chinese)

[6]李晓波, 熊奕, 康媞, 等. 苯酚对连续流亚硝化反应器运行效能的影响[J]. 中国给水排水, 2013, 29(13)： 83-86. Li Xiaobo, Xiong Yi, Kang Ti, et al. Effect of phenol on operation performance of continuous flow short-cut nitrification reactor[J]. China Water & Wastewater, 2013, 29(13)： 83-86. (in Chinese)

[7]吴晓琴, 张梦思, 周卫, 等. 高效联苯降解菌的筛选及其特性[J]. 环境工程学报, 2012, 6(9)： 3356-3360. Wu Xiaoqing, Zhang Mensi, Zhou Wei, et al. Isolation of high efficient biphenyl-biodegrading strain and its characteristics[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2012, 6(9)： 3356-3360. (in Chinese)

[8]张玉秀, 蒙小俊, 柴团耀. 苯酚降解菌红球菌(Rhodococcus sp.)P1的鉴定及其在焦化废水中的应用[J]. 微生物学报, 2013, 53(10)： 1117-1124. Zhang Yuxiu, Men Xiaojun, Cai Tuanyao. Characterization of phenol-degrading Rhodococcus sp.strain P1 from coking wastewater[J]. Acta Microbiologica Sinica, 2013, 53(10)： 1117-1124. (in Chinese)

[9]黄丹，王竞，李培良，等. Shewanella sp.XB缺氧反硝化降解苯酚[J]. 环境工程学报, 2014, 8(4)： 1345-1349. Huang Dan， Wang Jin， Li Peiliang， et al. Nitrate-dependent phenol degradation by Shewanella sp.XB[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2014, 8(4)： 1345-1349. (in Chinese)

[10]马召坤，严喜鸾，刘国金，等. SBR反应器中反硝化条件下去除苯酚工艺[J]. 工业水处理, 2007, 27(3)： 34-37. Ma Zhaokun, Yan Xiluan, Liu Guojin, et al. Phenol removal under denitrifying conditions in SBR bioreactor[J]. Industrial Water Treatment, 2007, 27(3)： 34-37. (in Chinese)

[11]Yang P C, Smith P A, Krupoka J, et al. The losses of microwave ferrites at communication frequencies [J]. Journal of the European Ceramic Society, 2006,27(8)： 2765-2770.

[12]Ishii K, Fukui M. Optimization of annealing temperature to reduce bias caused by a primer mismatch in multitemplate PCR[J]. Appl Environ Microbiol, 2001,67(8)： 3753-3755.

[13]葛士建, 王淑莹, 杨岸明, 等. 反硝化过程中亚硝酸盐积累特性分析[J]. 土木建筑与环境工程, 2011， 33(1)： 140-146. Ge Shijian, Wang Shuying, Yang Anming, et al. Analysis of nitrite accumulation during denitrification[J], Journal of Civil , Architectural and Environmental Engineering, 2011, 33(1)： 140-146. (in Chinese)

[14]Korner H ， Zumft W G． Expression of denitrification enzymes in response to the dissolved-oxygen level and respiratory substrate in continuous culture of pseudomonas-stutzeri[J]. Applied and Environmental Microbiology, 1989, 55 (7)： 1670-1675.

[15]杜宪, 岳秀萍, 王孝维, 等. 厌氧复合床处理模拟焦化废水的反硝化动力学[J]. 化工学报, 2013, 64(7)： 2650-2655. Du Xian， Yue Xiuping， Wang Xiaowei， et al. Denitrification dynamics of treating analog coking wastewater in upflow blanket filter[J]. CIESC Journal, 2013, 64(7)： 2650-2655. (in Chinese)

[16]Drtil M, Nemeth P, Karol K, et al．Acidobasic balances in the course of heterotrophic denitrification[J]. Water Research, 1995, 29(5)： 1353-1360.

[18]李杰. 吡啶缺氧降解动力学与过程控制因素研究[D]. 上海：同济大学, 2006.

[19]Jurtschk O S, Loy A, Lehner, et al. The microbial community composition of a nitrifying-denitrifying activate sludge from an industrial sewage treatment plant analyzed by the full-cycle rRNA approach[J]. Systematic and Applied Microbiology, 2002, 25(1)： 84-99.

[20]Moura A, Tacao M, Henriques I, et al. Characterization of bacterial diversity in two aerated lagoons of a wasterwater treatment plant using PCR-DGGE analysis[J]. Microbiological Research, 2009, 164(5)： 560-569

[21]常玉梅，杨琦，郝春博，等．城市污水厂活性污泥强化自养反硝化菌研究[J]. 环境科学， 2011, 32(4)： 1210-1216. Chang Yumei, Yang Qi, Hao Chunbo, et al. Experimental study of autotrophic denitrification bacteria through bioaugmentation of activated sludge from municipal wastewater plant[J]. Chinese Journal of Environmental Science， 2011, 32(4)： 1210-1216. (in Chinese)

[22]Zhang Heng, Yang Chao, Zhao Qiao， et al. Development of an autofluorescent organophosphates degrading Stenotrophomonas sp. with dehalogenase activity for the biodegradation of hexachlorocyclohexane (HCH) [J].Bioresource Technology, 2009, 100(13)： 3199-3204.

[23]丁鹏元，初里冰，张楠，等．O池溶解氧水平对石化废水A/O工艺污染物去除效果和污泥微生物群落的影响[J].环境科学, 2015, 36(2)： 604-611. Ding Pengyuan, Chu Libing, Zhang Nan, et al. Effects of dissolved oxygen in the oxic parts of A/O reactor on degradation of organic pollutants and analysis of microbial community for treating petrochemical wastewater[J]. Environmental Science, 2015, 36(2)： 604-611. (in Chinese)

Degradation Characteristics Analysis of Phenol During Denitrification

WANG Xiao-wei， HAN Yu-jie， YUE Xiu-ping

(College of Environmental Science and Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, China)