降解烟碱的厌氧活性污泥培养驯化研究

钟 美 ， 阮爱东

（1.河海大学水文水资源学院， 江苏 南京 210098；2.水文水资源与水利工程科学国家重点实验室， 江苏 南京 210098）

0 引言

烟碱（俗称尼古丁）是众多烟草属植物中主要的生物碱类物质[1]。烟草中的烟碱能轻易穿透生物膜与血脑屏障[2]，使人患上肺癌及相关的外周动脉疾病[3]。我国是世界上最大的烟草种植和生产国[4]，仅制造1 t香烟就会产生多达60 t废水[5]。烟碱独特的化学结构特征造成其水溶性强，难以被絮凝剂絮凝沉淀，不易自然降解等特点[6]，且烟草废水中总有机碳质量浓度很高（12 620.0 mg/L）[7]，污染物成分复杂，其中烟碱含量较高[8]，一旦进入土壤和水体会破坏生态平衡，所以降低烟草生产废水及废弃物对环境的污染已迫在眉睫。相比物理化学法，烟草废水的生物处理具有高效经济特点[9]。目前，主要采用烟碱降解菌添加到活性污泥中的方法，驯化出能够处理烟草废水的好氧活性污泥[10]。关于烟碱废水降解厌氧活性污泥方面的研究成果，尚少见报道。

本研究采用自然驯化法，利用受烟碱污染的深层土壤中存在的厌氧降解烟碱的微生物，通过烟碱胁迫被培养驯化成厌氧活性污泥，监测驯化过程的出水烟碱浓度、pH值、氨氮和观察污泥性状，对厌氧活性污泥降解烟碱废水和污泥形成机制进行探讨。从实践应用角度出发，探索能够培养出具有烟碱降解效果的厌氧活性污泥生物强化技术。

1 实验部分

1.1 模拟烟碱废水

模拟烟碱废水添加一定量的葡萄糖和磷酸二氢钾与磷酸氢二钾补充碳源和磷源，同时添加ρ（烟碱）约为100mg/L，使得进水中ρ（COD）约为 1000mg/L，ρ（COD）∶ρ（N）∶ρ（P）=200∶5∶1，ρ（Ca2+）约为 100mg/L，ρ（Mg2+）约为 100 mg/L，补充微量金属元素，pH 值控制在7，反应池中温度控制在35℃，氧化还原电位控制在-200 mV以下。

1.2 试剂与仪器

实验仪器包括SBR反应器（有效容积2 L，自制），带水浴外筒的UASB厌氧反应器（有效容积7.4L，自制），BT100-2J精密蠕动泵（保定兰格），EXO2多参数水质监测仪（YSI，美国），1260Infinity高效液相色谱仪（安捷伦，美国），UV-5100紫外可见分光光度计（元析，上海），50I光学显微镜（NIKON，日本）。

1.3 实验方法

供试样品采自合肥卷烟厂老厂区堆放烟草废弃物达30 a之久的地表以下20～30 cm层的土壤。

采用自然培菌法，利用土壤中自然生长的烟碱耐受微生物，经过富集培养，烟碱胁迫驯化形成具有降解烟碱的厌氧活性污泥。具体方法:第1步，将土壤加入含烟碱的模拟烟碱废水，富集土壤中的厌氧烟碱耐受微生物；第2步，在SBR中，加入土壤混合液、模拟烟碱废水和粉末活性炭1 g，曝氮气，控制氧化还原电位-200 mV以下，间歇曝氮气使得反应器泥水混合均匀；每隔一个静置时期（5d）将SBR中1/4体积上清液排出，然后补充相同体积的模拟烟碱废水，待测SBR出水的烟碱浓度达到稳定，调整进水烟碱质量浓度200 mg/L，待测SBR出水的烟碱浓度达到稳定，再次调整进水烟碱质量浓度，直到500 mg/L。进水烟碱浓度呈梯度变化，在于让厌氧烟碱降解微生物逐步适应新的进水水质，以防高负荷的烟碱带来冲击，从而获得较高的烟碱去除效果和系统稳定性；第3步，SBR循环周期过长，驯化过程中会产生有毒有害物质，影响厌氧活性污泥生长。驯化70 d后采用UASB系统，投加SBR中污泥和模拟烟碱废水，烟碱进水质量浓度保持100 mg/L左右，控制氧化还原电位-200 mV以下，水力停留时间为48 h，待测UASB出水的烟碱浓度，直到烟碱的日均降解量达到稳定,驯化完成。

1.4 分析方法

反应器出水上清液经离心并过0.22 μm滤膜，待测。烟碱浓度采用高效液相色谱（Agilent 1260Infinity）测定，色谱条件：C18 色谱柱（Thermo，250 mm ×4.6 mm），流动相为V（甲醇）：V（0.1%三乙胺水）=50∶50，流速 1 min/mL，柱温 35℃，检测波长254 nm，进样量5 μL。COD采用重铬酸钾快速消解分光光度法(HJ/T 399—2007)进行测定[11]。氨氮和pH值采用电极法监测。污泥的外观形态采用显微镜观察并拍照。

2 结果与讨论

2.1 驯化期间烟碱日均降解量变化

烟碱降解厌氧活性污泥的驯化时长为126 d，驯化过程由2个阶段组成，即间歇进水阶段（SBR）和持续进水阶段（UASB）。烟碱的去除效果采用烟碱日均降解量表示。其厌氧活性污泥对烟碱日均降解量变化状况见图1。前70 d为间歇进水阶段，总体上，烟碱日均降解量随着时间逐步增大。进水烟碱质量浓度为100～200 mg/L时，烟碱日均降解量随着时间呈现上升趋势。值得关注的是，当进水烟碱质量浓度达到300 mg/L，第1个静置时期（5 d）烟碱日均降解量轻微下降，并随进水烟碱浓度增加，下降幅度增大。第1个静置时期（5 d）烟碱日均降解量下降可能是因为过高的烟碱浓度对厌氧活性污泥产生毒性作用，导致其活性下降。在每一个进水烟碱浓度驯化时期，烟碱日均降解量在10～20 d基本达到稳定，表示该阶段厌氧活性污泥已经适应水质变化，因此可以开始下一步的废水处理试验。

71 d后为间歇进水阶段，烟碱日均降解量随着驯化时间逐步上升，最终稳定在240～250 mg/d之间，出水烟碱质量浓度在20 mg/L左右，去除率达到80%。在SBR向UASB转移过程中，图1中烟碱日均降解量突然降低，可能是因为更换反应器导致活性污泥所处的水力负荷增大和环境条件变化所引起。由图1可知，持续进水阶段中烟碱日均降解量上升速度较间歇进水阶段快，表明持续进水能够降低反应器中被污泥分解代谢产生的产物对污泥的有害影响。

图1 驯化期间厌氧活性污泥对烟碱日均降解量变化

2.2 驯化期间出水氨氮和pH值的变化

在UASB运行期间，过酸或过碱会影响酶的活性，因此进水pH值保持7左右[12]，进水氨氮质量浓度在4～5 mg/L左右。在驯化初期，出水pH值和氨氮浓度变化幅度较大。随着驯化时间的延长，pH值和氨氮浓度变化逐渐稳定。由于烟碱是含氮杂环化合物，目前已经研究的烟碱降解菌对其代谢途径[13-15]可知，烟碱的吡咯环和吡啶环分别被打开，分解成小分子含氮化合物，另一方面，厌氧微生物对氮元素的利用量少，从而导致出水氨氮浓度比进水高。驯化期间出水氨氮和pH值的变化情况见图2。

图2 驯化期间出水氨氮和pH值的变化情况

2.3 厌氧活性污泥对COD去除情况

向反应器中加入新鲜的烟碱人工配水，其他条件不变，连续测定5 d内COD。厌氧活性污泥在对COD去除情况见图3。COD去除率24 h内上升到41.5%，24 h后突然下降，72 h达到最低点4.5%，转而又呈现上升趋势。进水初期，烟碱人工配水中含有碳源是葡萄糖和烟碱，容易被微生物利用的葡萄糖代谢最快，表观上呈现为COD去除率上升；24 h后，葡萄糖代谢完毕，烟碱成为主要碳源，而微生物为对于烟碱的降解，需要经过吡啶途径或吡咯途径转化为小分子的物质进入三羧酸循环，相对葡萄糖来说，降解速度慢。另外，烟碱降解中间产物在COD测定中可能比烟碱更加容易被消解检测，从而使得24 h至72 h的COD去除率呈下降状态。72 h后，微生物对烟碱的代谢进入迟缓期，转而消耗烟碱的中间产物，使得COD去除率再次上升。

图3 厌氧活性污泥对5 d的COD去除率和烟碱浓度变化

2.4 驯化期间活性污泥形态变化

驯化第10天污泥量很少。在显微镜下，大部分微生物以粉末活性炭为附着点聚集，部分活性炭表面观察到细菌同时最外层还有丝状物体存在。经过126 d的驯化后，污泥量显著增多，外观呈黑色絮状，在显微镜下，仍然有大部分是以污泥和活性炭的结合形式存在。反应器表面暴露于空气中，有部分原生生物能够耐受低浓度烟碱，并活跃在反应器表面。驯化初期，粉末活性炭可以吸附进水中的有机物质，使得微生物容易从溶液中聚集到活性炭表面，形成活性炭为核心的菌胶团。驯化前后时期活性污泥的光学显微镜照片见图4。

图4 驯化前后时期活性污泥的光学显微镜照片

3 结论

（1）采用投加受烟碱污染的深层土壤自然驯化方式，经过126 d的间歇进水与持续进水驯化，烟碱日均降解量达到250 mg，烟碱去除率达到80%，持续进水（UASB）的烟碱日均降解量变化速率较间歇进水（SBR）快。

（2）氨氮浓度比进水高，出水氨氮和pH值变化随着时间逐渐稳定。

（3）厌氧活性污泥对COD去除变化复杂，由于葡萄糖比烟碱更易代谢和烟碱代谢会产生小分子的中间产物，导致COD去除率呈现先增后降再增的变化。

（4）驯化结束的污泥量显著增多，外观呈黑色絮状，厌氧活性污泥主要以粉末活性炭为核心的菌胶团形式存在。

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