寒冷地区含酚废水的厌氧处理技术研究

贾学斌，邹 燚，杨梦成，董全胜，孙云龙，孙 辉

(1. 黑龙江大学 建筑工程学院，150080 哈尔滨；2. 哈尔滨工业大学 市政环境工程学院，150090 哈尔滨)

寒冷地区含酚废水的厌氧处理技术研究

贾学斌1，邹 燚2，杨梦成2，董全胜2，孙云龙1，孙 辉2

(1. 黑龙江大学 建筑工程学院，150080 哈尔滨；2. 哈尔滨工业大学 市政环境工程学院，150090 哈尔滨)

针对北方寒冷地区酚类废水处理效能低下，课题以苯酚废水为研究对象，在低温条件下，通过向原水中梯度增加苯酚质量浓度，考察改进型高效厌氧反应器对其的去除效能，同时采用PCR扩增、克隆文库构建、生物信息学与统计学分析等分析手段，探究适应低温条件下酚类废水的优势菌群，结果表明，在温度为10～150 ℃，纯苯酚废水进水时COD的去除率稳定在50%，且驯化后B/C值由0.08增加到0.21，同比增加162.5%，基因分析得出系统内优势菌群是絮状束毛球菌属(Trichococcus sp.)，占细菌培养总数的68%.

低温；苯酚；厌氧处理；优势菌群；PCR

目前苯酚废水的处理方法主要有物化法和生物法两种，物化法存在占地面积大、操作条件苛刻和处理效果不理想等问题，而生物降解法主要是利用微生物作用降解去除苯酚，具有成本低、运行相对简单、无二次污染等优势，但苯酚对微生物有严重的毒性作用，常规的生物处理方法存在苯酚降解细菌生长缓慢，易大量流失等问题，严重影响了苯酚的处理效果[1].而且北方寒冷地区冬季气温很低,致使生化池水温降至12 ℃左右，微生物降解速率(活性)明显下降,使出水中的苯酚含量超标,给冬季污水厂的正常运行造成困难.因此本研究利用改进型EGSB反应器(在传统EGSB反应器的污泥床区固定安装有导流扰流装置以及柔性纤维填料生物膜)处理含酚废水，强化优势菌种的培养，同时通过PCR扩增技术，分离鉴定优势菌种，以期为高效厌氧反应器大规模的应用于含含酚废水的高效处理提供理论和技术支撑[2-4].

1 实验材料与方法

1.1 实验用水水质

原水：用葡萄糖配制进水实验用原水，COD 质量浓度控制在2 000 mg/L左右，pH值控制在6.8～7.2，温度为10～150 ℃.

模拟苯酚废水：苯酚从100 mg/L按5%的比例逐量增加至844.5mg/L(即纯苯酚废水进水).

1.2 实验装置图

实验装置如图1示，该试验装置为自制的升流式强制环流外循环反应器，反应器的反应区增设了导流扰流装置，有利于控制颗粒污泥床的膨胀度和泥水混合强度，提高传质效果，同时还在反应区增加了柔性纤维填料，大大增加了系统的生物量.

1—进水桶；2—进水泵；3—转子流量计；4—控制阀；5—回流泵；6—取样口；7—取料口；8—保温材料；9—污泥床区；10—污泥沉降区；11—三相分离器；12—水封瓶；13—阀门；14—CO2吸收瓶；15—马氏瓶；16—量筒；17—出水桶图1 升流式强制环流外循环反应器示意图

1.3 实验方法

1.3.1 高效厌氧废水处理器的运行

试验用水为自配苯酚废水，试验接种污泥采用哈高科EGSB厌氧反应器中的颗粒污泥，实验过程中逐步提高进水中苯酚质量浓度到设计苯酚质量浓度，研究COD、苯酚、BOD的变化情况，其中COD 、BOD的测定参见《水和废水监测分析方法(第四版)》，苯酚的质量浓度通过气相色谱-质谱联用(GC-MS)进行测定.

1.3.2 基因组DNA提取和PCR扩增

对反应器稳定运行后的活性污泥样品进行 16S rDNA 测序.按照上海华舜生物公司生产的 DNA 提取试剂盒的步骤提取筛选得到的活性污泥 DNA 后，用细菌通用引物BSF 8/27：5′-AGAGTTTGATCCTGGCTCAG-3′ 和BSR 1525/1541：5′-AAGGAGGTGATCCAGCC-3′进行16S rRNA 基因扩增加.

1.3.3 克隆文库构建

将目的基因片段进行PCR扩增之后，进行产物纯化，纯化PCR产物与pMD19-T载体连接，转化入DH5α感受态细胞中，涂平板，随机挑取克隆进行转化子鉴定.每个样品挑取50个阳性转化子利用ABI 3730测序仪测序.

1.3.4 生物信息学与统计学分析

16S rRNA基因序列在GenBank数据库通过BLAST功能进行比对分析.进化树构建和分类单元(OTU)分析使用软件phylip-4.0进行，通过Jukes-Cantor计算方法，以Neighbor-Joining法绘制系统进化树，自展评估1 000次.

2 结果与讨论

2.1 驯化过程中COD去除效能

逐渐增加进水中苯酚质量浓度主要是强化对反应器内颗粒污泥的驯化，筛选出能够降解苯酚废水的优势菌种，颗粒污泥驯化分为三个阶段：首先在不改变原进水COD质量浓度的前提下，按5%的比例逐量增加苯酚废水；然后按糖废水∶苯酚废水为1∶1的比例进水；第三阶段为纯苯酚废水进水.

图2为驯化过程中进水COD质量浓度和COD去除率的变化情况，由图2可见，驯化过程中反应器进水的COD质量浓度一直维持在2 000 mg/L上下.随着驯化过程的进行，反应器的COD去除率持续降低，由85%降到了50%；在第一阶段，去除率由85%降到76%，下降了9%，占总下降去除率的25.7%，COD去除率平均每天下降0.64%；在第二阶段刚开始时，COD去除率降幅最快，去除率由76%降到53%，占总下降去除率的65.7% ， COD去除率平均每天下降1.64%；在驯化的第三阶段，产气量平稳，去除率由53%降到50%左右，占总下降去除率的8.6% ， COD去除率平均每天下降0.37%；出水COD稳定在1 000 mg/L左右，COD去除率维持到了50%左右.由于苯酚对颗粒污泥具有毒性，随着苯酚质量浓度的增大，其对颗粒污泥的毒性也逐渐增强，故初期COD去除率高，随后逐渐降低，最后稳定在50%左右，这也是颗粒污泥对苯酚逐渐适应的一个过程，即降解苯酚的优势菌种缓慢形成的一个过程[5].

图2 进出水COD质量浓度和COD去除率

2.2 苯酚质量浓度对苯酚去除率的影响

从图3可以看出，在前 6 d，苯酚去除率比较低，在 10%左右，这是因为长期用葡萄糖培养的颗粒污泥几乎没有降解苯酚的能力，而COD 去除率达 80%左右.第8天开始苯酚去除率逐渐上升，说明污泥逐渐具备了降解苯酚的能力.在第二阶段，苯酚去除率快速提高，在第28天达到45%，而COD去除率去除率由76%降到53%，说明颗粒污泥对苯酚的适应性增强，苯酚降解菌开始大量繁殖，污泥的苯酚去除活性变强.29 d开始将进水苯酚质量浓度提高到844.5 mg/L(即纯苯酚废水)，经过一段时间的适应苯酚去除率稳定在 50%左右，COD去除率也稳定在 50%左右.说明厌氧颗粒污泥驯化成功[6]，系统具备了较好的降解苯酚作用.

图3 进出水苯酚质量浓度和苯酚去除率

2.3 驯化前后出水可生化性分析

通常以BOD5/CODMn(即B/C值)衡量污水的可生化性，一般B/C低于0.2时，则认为该污水的可生化性差.本实验用苯酚废水的B/C值仅为0.08，可生化性极差，微生物难以分解利用，常规的污水处理工艺难以保证苯酚的去除效果[7].

本实验通过改进传统EGSB反应器，强化了水力循环效果，增强厌氧酸化效果，将部分难以降解的有机物分解为易降解的小分子物质，有效提高出水的可生化性，如表1示.驯化前B/C值为0.08，驯化后B/C值为0.21，同比增加了162.5%，可生化性大大提高，该类污泥微生物在厌氧环境不但能够较好的适应苯酚的能力，优势菌种不断增长繁殖，而且能起到降解和转化作用.

表1 厌氧污泥与苯酚废水接触实验数据

类别驯化前驯化后COD/(mg·L-1)BOD/(mg·L-1)B/CCOD/(mg·L-1)BOD/(mg·L-1)B/C累计产气量/mL反应器2120169．60．081484318．80．21134．3

图4 由Neighbor-Joining法绘制的系统进化树图

2.4 耐酚及降解酚类微生物的筛选及鉴定

由Neighbor-Joining法绘制的系统进化树(图4)可以看出，b01，b11，b18等34个菌株的16SrDNA序列与Trichococcus sp.同源性的最大相似数为99%；b07菌株的 b16SrDNA序列与Propionigenium sp.同源性的最大相似数为89%；b23，b47的16SrDNA序列与Clostridium sp.同源性的最大相似数为99%、93%；b28的16SrDNA序列与Citrobacter sp.同源性的最大相似数为99%；b38，b44的16SrDNA序列与Bacteroidetes sp.同源性的最大相似数为86%、97%；b43的16SrDNA序列与Endophytic bacteriumsp.同源性的最大相似数为95%；b49的16SrDNA序列与Syntrophobacter sp.(产乙酸杆菌属)同源性的最大相似数为88%，基本上可以确定这些菌株就是上述菌种[8-10].

该耐酚活性污泥系统中的微生物最主要的细菌Trichococcus sp.，占细菌培养总数的68%，如图5所示，该菌革兰氏阳性，不运动，不生芽孢.在液体培养基中形成絮状.在固体培养上有弯曲的链.兼性厌氧.化能异养，发酵型，生长缓慢.从各种碳水化合物类产酸，接触酶阳性，氧化酶阴性，吲哚阴性，不还原硝酸盐，MR阳性[11].

图5 耐酚细菌的优势菌群分析

此外，经过耐酚富集培养实验中存在有产酸5株4个菌种：Syntrophobacter sp.、Propionigenium sp.、Clostridium sp.、Citrobacter sp.虽然占的个数比例较少，但显得格外受关注，除了本身能够耐受酚类的毒害之外，有可能与Trichococcus sp.及大量的其他Uncultured Bacteroidetes sp.在低温环境下，经诱导酶的作用，进行共代谢，这些产酸细菌能够将酚类物质的甲基、醛基及羟基转化为有机酸，破解酚类苯环结构以化解毒性和降解有机物[12-13].

3 结 论

在低温条件下，通过改进EGSB工艺去除苯酚废水效能研究，得出以下几点结论：

1)当进水苯酚为100 mg/L时，COD去除率达到85%，随着苯酚质量浓度的增高COD去除率逐渐降低至50%左右；同时驯化前B/C值为0.08，驯化后B/C值为0.21，同比增加了162.5%，可生化性大大提高.

2)随着苯酚质量浓度的升高，颗粒污泥逐渐对苯酚废水得以适应，苯酚去除率逐渐提高，当纯苯酚(844.5 mg/L)进水时，去除率控制在50%左右.

3)通过分类进化树确定被苯酚驯化后的优势菌群是絮状束毛球菌属(Trichococcus sp.)，占细菌培养总数的68%，与一般发现的杆菌属不同.针对北方寒冷地区情况,筛选出的高效低温苯酚降解菌，能够切实有效地改善低温条件下污水生物处理的效果.因此，开发菌剂推广使用，对于处理含酚废水不仅具有一定的理论意义，而且具有重大的工程应用价值和广阔的市场前景.

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Study on anaerobic treatment of phenolic wastewater in cold area

JIA Xue-bin1, ZOU Yi2, YANG Meng-cheng2, DONG Quan-sheng2, SUN Yun-long1, SUN Hui2

(1. School of Civil Engineering, Heilongjiang University, Harbin 150080, China; 2.School of Municipal Environmental Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150090, China)

Since phenol wastewater treatment efficiency was low in cold areas of northern China. Therefore, there is an urgent need to search for novel strategies for phenolic wastewater treatment. The experiment, with phenolic wastewater as the object of the research, was performed in a gradient of increasing phenol-containing raw water in low temperature to evaluated removal efficiency of modified high-rate anaerobic apparatus. Dominant bacteria was separated and identified. It was shown that COD removal rate was up to 50% for pure phenol wastewater (844.5 mg/L) when the temperature varied from 10 °C to 15 °C and B/C value increased from 0.08 to 0.21 after domestication with a rise of 162.5%.The results of genetic analysis suggested that the Trichococcus sp. was dominant bacteria accounting for 68% of the total bacterial.

low temperatures; phenol; anaerobic; dominant microflora; PCR

2016-05-10.

贾学斌(1972-)，男，博士，副教授，硕士研究生导师，研究方向：污水及工业废水厌氧处理.

X703

A

1672-0946(2017)01-0033-04