基于UASB反应器构建苯酚反硝化系统及性能研究

牛建增，韩 懿，郭建博

（天津城建大学 环境与市政工程学院，天津 300384）

苯酚是一种具有苯环的芳香族化合物，在炼油、化工、造纸等工业生产过程中有着重要的用途[1].因为其结构稳定、腐蚀性强、生物降解性差、且致癌性和诱变性强而被列为重点有机污染物[2-4].人们对于含酚芳香族化合物废水的治理越来越重视[5].水体中的可溶性芳香族化合物可以通过活性炭吸附[6]、溶剂萃取[7]、化学氧化[8]和生物处理[9]等工艺去除.吸附和溶剂萃取可以实现目标污染物的转移不能达到芳香族化合物的分解矿化.而化学氧化不仅成本高昂、应用困难且通常氧化不完全而导致去除效率低.生物降解具有效率高、成本低、环境友好等优点.所以，生物处理是最佳选择，但高浓度芳香族化合物会对微生物具有毒害作用[10]，研究表明它仍然可以被某些微生物降解矿化.例如：产甲烷聚生体细菌、硫酸盐还原细菌、反硝化细菌以及金属还原细菌[11]，其中反硝化细菌降解矿化效果尤为突出.

通常某些化工废水同时含有硝酸盐和含酚芳香族化合物[12].有研究表明，在生物反硝化体系中芳香族化合物能以NO3--N为电子受体而被分解矿化[10].因此利用微生物将芳香族化合物为电子供体，硝酸盐为电子受体的特性，可实现同时脱氮和芳香族化合物降解.反硝化降解菌的筛选[13]以及反应工艺对于此类废水的去除效果探究[9]是目前研究的热点.但是在这个过程中，芳香族化合物会对细菌产生毒害作用，可能导致细菌裂解，死亡，进而导致反硝化系统恶化.因此，芳香族化合物与生物反硝化之间的相互作用是研究的热点.有研究表明，胞外聚合物（EPS）是细菌在一定的环境条件下分泌的有机物，可以有助于建立成熟的生物膜结构，保护微生物免受外部环境干扰，同时也能起到缓冲作用，降低废水中大量有毒物质对细菌的不利影响[14].Jain等[15]研究发现EPS可以改变细菌的表面电荷，进而影响细菌对目标污染物的去除能力.此外，Zhang等[16]研究发现EPS可以促进电子转移从而有利于污染物的去除.HE等[17]研究发现电子传递活性、细胞膜通透性、能量的产生是加速污染物降解的必要过程.但是关于此类废水在UASB反应器运行过程中EPS含量变化对污染物降解的影响机理及从微生物代谢活性角度分析的研究报道较少.

本研究采用上流式厌氧污泥床（UASB）反应器，选用苯酚作为典型的芳香烃化合物，逐步替换乙酸钠，从而成功构建了苯酚反硝化系统.在进水苯酚浓度为0～333 mg/L的条件下探究以下内容：①反硝化系统的硝酸盐与苯酚的去除性能，并进一步阐明苯酚对反硝化系统中苯酚与硝酸盐同步去除的影响；②EPS的变化响应以及其对反硝化系统稳定高效运行的调控机制；③微生物代谢水平的变化响应及其与反硝化系统下苯酚和氮同步代谢的相关性.

1 材料与方法

1.1 实验装置和接种污泥

装置采用UASB（见图1），材质是有机玻璃，内径68 mm，高710 mm，有效容积3.5 L.接种污泥来自天津某污水处理厂的二沉池.反应器由蠕动泵从底部进水，进水方式为硝酸盐和COD各一个进水桶，该系统以连续流的方式运行119 d.

图1 实验装置示意

1.2 实验废水

实验采用合成废水，成分为：NaNO3，CH3COONa，KH2PO4，MgSO4，CaCl2，苯酚，1.00 mL/L微量元素浓缩液.微量元素成分见表1.硝酸盐由NaNO3提供，化学需氧量（COD）由无水乙酸钠和苯酚提供.浓度按照实验需要配置，所用药品均为分析纯.

表1 微量元素主要成分

1.3 实验内容

反应器以初始状态运行时，进水以乙酸钠作为唯一碳源并使进水COD保持为800 mg/L，NO3--N浓度为200 mg/L，进而驯化污泥适应反硝化条件.启动完成后，进水中加入苯酚来改变进水中COD，同时改变进水碳氮比（C/N）.在阶段Ⅰ—Ⅲ中考察不同C/N（4.0/1，4.3/1，4.6/1）下反硝化的性能和苯酚去除效果，阶段Ⅳ—Ⅶ保持碳氮比（C/N）为4.0，增加苯酚浓度逐渐替换乙酸钠，并检测胞外聚合物（EPS）含量分析反应器性能与EPS的关系.通过对反应器运行过程中ATP含量、细胞膜通透性、ETSA的检测，进一步从微生物代谢活性角度进行分析.具体运行过程如表2所示（1 g乙酸钠相当0.8 gCOD，1 g苯酚相当2.4 gCOD）.

表2 运行过程

1.4 分析方法

硝酸盐（NO3--N）采用紫外分光光度法测定[18].亚硝酸盐（NO2--N）采用N-（1-萘基）-乙二胺分光光度法[18].本实验采用可见比色法，用消解仪（Hach，DRB200）和分光光度计（Hach，DR3900）测定COD浓度.苯酚采用高效液相色谱仪分析[19].三磷酸腺苷（ATP）按文献报道的方法提取，ATP的测定用高效液相色谱仪分析[17].细胞膜通透性测定方法是基于领硝基苯酚β-D-半乳吡喃糖苷（ONPG）的水解反应，即ONPG法[20].电子传递系统活性（ETSA）的测定采用INT-ETSA检测方法[21].胞外聚合物（EPS）采用热提法提取[22].用考马斯亮蓝法和蒽酮-硫酸法测定EPS中的蛋白质（PN）和多糖（PS）的浓度[23].混合液体悬浮物（MLSS）采用烘箱烘至恒重，混合液体悬浮物（MLVSS）采用马弗炉灼烧质量法测定[18].

2 结果与讨论

2.1 UASB反应器运行性能

根据进水苯酚浓度及进水碳氮比（C/N），将整个实验过程分为7个阶段，系统中脱氮性能、苯酚和COD去除效果如图2所示.

图2 苯酚反硝化系统运行过程中脱氮性能、苯酚去除效果、COD去除效果

阶段I（1～29 d）：苯酚浓度为0 mg/L，乙酸钠作为碳源浓度为1 000 mg/L（COD800 mg/L），硝酸盐浓度200 mg/L，C/N为4.0，经过29 d运行，反硝化颗粒污泥成功培养；硝酸盐和COD的去除率分别达到99.5%和95.13%，系统出水COD为38.98 mg/L.结果表明：反硝化污泥已经驯化成熟.阶段II（30～44 d）：苯酚浓度和乙酸钠浓度分别为25 mg/L（COD60 mg/L）和1000 mg/L（COD800 mg/L）；该阶段C/N为4.3，系统稳定后，硝酸盐去除率可达99.5%；COD去除率为93.78%；苯酚去除率为80.41%.阶段Ⅲ（45～54 d）：苯酚为50 mg/L（COD 120 mg/L）；乙酸钠浓度为1 000 mg/L（COD800 mg/L）；苯酚反硝化系统该阶段C/N为4.6；稳定后硝酸盐去除率可达99.5%；COD去除率为89.29%；苯酚去除率为55.42%.阶段Ⅳ（55～69 d）：苯酚浓度为50 mg/L（COD 120 mg/L）；减少乙酸钠使C/N稳定为4.0；稳定后硝酸盐去除率可达99.5%；COD去除率为94.61%；苯酚去除率可达99.6%.阶段Ⅴ（70～84 d）和阶段Ⅵ（85～99 d）：苯酚浓度分别为100 mg/L（COD240 mg/L）和200 mg/L（COD480 mg/L）；乙酸钠浓度分别为700 mg/L（COD 560 mg/L）和400 mg/L（COD320 mg/L）；苯酚反硝化体系该时期C/N为4.0；硝氮、总氮和苯酚去除率均可达99.5%以上；COD去除率分别为94.77%和94.64%.阶段Ⅶ（100～119 d）：苯酚浓度为333 mg/L（COD800 mg/L）；乙酸钠浓度为0 mg/L；C/N为4.0；开始时反硝化受到抑制，硝氮、总氮和苯酚去除率分别为76.99%、70.80%和66.31%；但是经过4 d适应后硝氮、总氮和苯酚去除率分别为99.5%、99.5%和98.78%；苯酚反硝化体系运行平稳后三者去除率均可提升到99.5%以上，系统COD去除率稳定在95.30%.结果表明：UASB反应器中驯化的反硝化污泥在不同的C/N（4.0/1，4.3/1，4.6/1）条件下优先利用乙酸钠作为碳源；在UASB反应器的HRT为4.0 h，C/N为4.0，进水苯酚浓度（0～333 mg/L）的情况下，苯酚可以作为反硝化的碳源且被完全降解，并成功构建苯酚反硝化系统且对苯酚胁迫表现出很强的耐受性.系统出水COD为37.59 mg/L（＜50 mg/L），符合《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918—2002）一级A标准.

马等[12]在SBR反应器中经过149 d的驯化实现了以葡萄糖和苯酚为碳源同时脱氮的反硝化过程，而本实验在UASB反应器中119 d内即实现了以苯酚为唯一碳源且高效脱氮的苯酚反硝化.此外，王等[24]的研究中以苯酚为唯一碳源在C/N为4.0时苯酚去除率为83.3%，而本实验中C/N为4.0时苯酚去除率可达99.5%以上.Sylvia等[25]的研究中在处理进水浓度为335 mg/L苯酚时，采用5.8的C/N和23 h的HRT，苯酚去除率达到99%.而在本研究中采用4.0的C/N和4 h的HRT，对进水浓度为333 mg/L的苯酚去除率超过99.5%.更低的C/N和更短的HRT表明，本研究相比于其他工艺有着高效低耗的优势.

2.2 UASB反应器内EPS、PN与PS变化规律分析

高浓度的苯酚会对细菌的生长代谢产生不利影响，进而会影响反硝化菌的脱氮性能[26].而微生物自身分泌的EPS不仅可以通过增加细菌的稳定性来增加负荷能力，还能作为缓冲物质来减少体系中的苯酚对细菌的毒害作用[27].因此，系统不同阶段中EPS的浓度是有必要进行检测的.如图3所示，总EPS含量从阶段Ⅰ中的105.16 mg/gVSS升至阶段Ⅱ—Ⅶ中的270.00，320.84，260.40，164.29，131.69，124.88 mg/gVSS.PN含量从阶段Ⅰ的23.02 mg/gVSS升至阶段Ⅱ—Ⅶ中的81.40，124.18，116.46，82.49，70.46，67.31 mg/gVSS.PS含量从阶段Ⅰ中的82.14 mg/gVSS升至阶段Ⅱ—Ⅳ中的188.61、196.67和143.94 mg/gVSS，随后下降至阶段Ⅴ—Ⅶ中的81.80，61.23，57.57 mg/gVSS.PN/PS从阶段Ⅰ中 的0.28升 至 阶 段Ⅱ—Ⅶ中 的0.43，0.63，0.81，1.01，1.15，1.17.阶段Ⅰ—Ⅲ总EPS含量随着苯酚浓度的增加而大幅增加.阶段Ⅳ—Ⅶ总EPS含量逐渐降低归因为微生物逐渐适应了苯酚压迫；且从阶段Ⅳ开始控制C/N比为4.0并逐步增加苯酚占比，微生物也可能利用EPS作为碳源[28].阶段Ⅳ—Ⅶ中的PS逐渐降低且阶段Ⅴ—Ⅶ低于阶段Ⅰ，表明可通过降低PS含量来减小苯酚对微生物的毒害作用，且可通过提高电子传递能力来增加微生物的代谢活性，这在Zhao等[29]的研究中得到证明.阶段Ⅱ—Ⅶ中的PN较阶段Ⅰ均有大幅增加，PN可以促进微生物颗粒的形成和微生物聚集[30].此外，PN/PS在阶段Ⅰ—Ⅶ不断增加.微生物絮体的疏水性与PN/PS呈正相关，可能有助于增强微生物颗粒的稳定性和聚集[31].因此，反应器中较高的PN和PN/PS为形成稳定的颗粒污泥提供可能，从而导致较好的脱氮和苯酚降解性能.综上所述，苯酚浓度的增加会刺激EPS的分泌且PN/PS不断增加，说明EPS含量和PN/PS的变化会对反硝化的性能产生影响.

图3 UASB内PS、PN、EPS及PN/PS的变化

2.3 微生物代谢活性分析

据报道，在微生物代谢过程中几乎所有的酶促反应都需要能量的支持[32].此外，三磷酸腺苷（ATP）含量、细胞膜通透性、ETSA可以作为评价微生物代谢活性的关键指标.因此有必要检测反应器中ATP含量、细胞膜通透性、ETSA的变化.如图4a所示，ATP含量从阶段Ⅰ中的2.71 mg/gVSS增加到阶段Ⅱ—Ⅶ中的6.59，6.83，6.95，7.06，9.66，11.39 mg/gVSS.ATP含量的逐渐增加表明反应器中的细菌仍具有良好的代谢活性，即使在高浓度苯酚的条件下，也能为EPS分泌、颗粒污泥的形成、苯酚的生物降解等生理过程提供更多的能量.ATP含量的增加可能是由于细胞膜通透性的升高[33]，因此利用ONPG法测量了细胞膜通透性.如图4b所示，细胞膜通透性从阶段Ⅰ中的20 μmol/L提升至阶段Ⅱ—Ⅶ中的33.11，40.67，46.22，53.56，67.56，70.45 μmol/L.表明在反应器运行期间细胞膜通透性增加.细胞膜通透性增加可能是由于细菌中的β-半乳糖苷酶活性提高[34].在反应器脱氮和苯酚生物降解过程中，细胞膜通透性的提高可以使细菌更容易吸收营养物质，从而促进ATP的合成以提高代谢活性.因此，可通过检测ETSA来表征微生物代谢活性.如图4c所示，ETSA从阶段Ⅰ中的4.24 μg/mg/h提升至阶段Ⅱ—Ⅶ中 的5.76，8.43，9.19，11.36，13.86，14.44 μg/mg/h.ETSA增加可能是因为脱氮和苯酚生物降解过程中细菌的细胞膜通透性增加，从而有利于电子穿梭体（如EPS中的氧化还原性物质）介导的电子传递[35].因此，反应器运行过程中ETSA的增加，使得微生物代谢活性增加有助于脱氮和苯酚生物降解.综上可以得到苯酚浓度的增加刺激了电子传递系统的增加，有助于电子传递；膜通透性的增加有利于电子穿梭体转移；大量的ATP为苯酚反硝化过程中各种生命活动提供能量.

图4 系统运行过程中ATP、细胞膜通透性、电子传递活性（ETSA）的变化

3 结论

（1）UASB反应器中驯化的反硝化污泥在不同的C/N（4.0∶1，4.3∶1，4.6∶1）条件下优先利用乙酸钠作为碳源；在UASB反应器的HRT为4.0 h，C/N为4.0，进水苯酚浓度（0～333 mg/L）的情况下，苯酚可以作为反硝化的碳源且被完全降解并成功构建苯酚反硝化系统且对苯酚胁迫表现出很强的耐受性.系统出水COD为37.59 mg/L（＜50 mg/L），符合《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918—2002）一级A标准.

（2）通过不同苯酚浓度对系统EPS的影响分析以及EPS作用分析，可以观察到苯酚浓度的增加会刺激UASB内微生物分泌EPS且PN/PS不断增加，为形成稳定的颗粒污泥提供可能，进而对反硝化性能产生影响.

（3）通过对微生物代谢活性的分析，反应器运行过程中ATP含量、细胞膜通透性、ETSA均不断增加.ATP含量的逐渐增加代表着反应器中的微生物一直具有良好的代谢活性.细胞膜通透性的增加使细菌更容易吸收营养物质，从而促进ATP的合成以提高代谢活性.ETSA的增加使微生物代谢活性增加有助于脱氮和苯酚生物降解.