巴豆醛水解酸化毒性试验影响因素

王 霞，林清武，沈志强，胡 翔，周岳溪*

(1.北京化工大学化学工程学院，北京 100029;2.中国环境科学研究院环境污染控制工程技术研究中心，北京 100012;3.中国昆仑工程有限公司吉林分公司，吉林 132000)

石化废水中所含有的巴豆醛对环境、环境中的生物、甚至人体都有很大的危害，如未经处理排入生物处理单元会对其中的微生物产生抑制作用，从而影响生物处理的效果。现有的巴豆醛废水处理方法如焚烧法因所需热值高、成本高，难以满足经济高效、操作简单的要求[1]。因此寻求一种经济高效的巴豆醛废水处理或预处理方法迫在眉睫。

水解酸化能够有效降低污水中有毒物质的毒性，减少毒性物质对后续生物处理的影响[2-3]，提高可生化性[4-6]。例如，水解酸化对煤气化废水的预处理过程中，显著降低了废水的毒性，提高了生物降解性[7]。水解酸化结合好氧-厌氧处理石化废水能够对多种有机物实现较好的去除[8]。采用水解酸化工艺能够实现对巴豆醛的有效去除，但是水解酸化微生物对物质的降解是有一定限度的，过高的废水毒性会通过影响微生物活性进而改变水解酸化性能[9-11]。

水解酸化过程产酸的变化可以表征水解酸化受试物毒性变化，产酸抑制性也是反映毒性物质毒性的方法之一，这一指标可以通过构建连续流反应器或者模拟的方式来考察，但是构建反应器耗时耗力，因水解酸化过程中添加毒性物质后变化较大，导致现有的模型不能准确地反映水解酸化产酸的变化。采用实验室模拟实验的方式既经济高效又能反映产酸随物质毒性的变化。Tian等[12]研究了水解酸化降解氯代乙醛过程中产酸的变化，孟家兴[13]研究了三羟甲基丙烷废水厌氧处理中的产酸变化，李敦杰[14]研究了纤维素废物厌氧处理过程中的产酸变化。研究均表明产酸随着添加物的毒性变化会有变化。

而且在水解酸化体系中，不同的反应条件会对水解酸化过程产生影响，如温度[15-16]、pH、污泥浓度、接种情况、基质浓度等。其中，基质浓度、pH、污泥浓度对水解酸化产酸影响较为明显。

因此现通过研究基质浓度、污泥浓度和pH对水解酸化产酸量、产酸类型、产酸活性的考察，发现水解酸化产酸和毒性物质对产酸抑制均较为明显的条件，为水解酸化工艺适用性的判断提供简便的方法，为水解酸化毒性实验的开展提供借鉴。

1 材料与方法

1.1 实验材料

污泥取自某污水处理厂厌氧污泥，基质为葡萄糖，营养盐的配比[17]如表1所示。

表1 营养盐组成Table 1 Compositions of nutrient salts

实验所用药品均为分析纯，实验用水均为去离子水。

1.2 实验方法

以某工厂的厌氧颗粒污泥为接种污泥，运行膨胀颗粒污泥床(expanded granular sludge bed，EGSB)反应器，添加葡萄糖为基质，加入营养盐驯化培养一个月后进行试验。其可挥发性悬浮物(volatile suspended solids，VSS)即污泥浓度为22～35 g/L。以200 mg/L的巴豆醛作为受试物，考察毒性物质的厌氧产酸毒性。在每个受试样反应瓶(250 mL锥形瓶)中接种污泥和试液(共200 mL)，试液由化学需氧量(chemical oxygen demand，COD)为100 g/L葡萄糖溶液、营养盐储备液以及不同的受试样品组成。将污泥、试液、受试样品均加入锥形瓶之后，摇匀，氮吹2 min，盖上带两个玻璃管的橡胶塞密封，一个玻璃管连接气袋，收集可能产生的甲烷，另一个玻璃管连接乳胶管，乳胶管的一头用止水夹夹住，方便取样，置于25 ℃水浴锅中反应，定时用带长针管的注射器取样。水样用0.45 μm水系滤膜过滤后调pH至1～2，4 ℃保存待测，置于气相瓶中用气相色谱火焰离子化检测器测定挥发性脂肪酸(volatile fatty acids，VFA)含量。

1.2.1 基质浓度的影响

在pH8，污泥浓度(VSS)为3.93 g/L的条件下，通过改变葡萄糖浓度，考察有机物浓度/污泥浓度(F/M)对水解酸化的影响，以添加200 mg/L巴豆醛体系为对照，具体实验分组如表2所示。

1.2.2 污泥浓度的影响

以1.2.1同样的方法做摇瓶实验，控制pH为8，F/M为1.5，通过改变污泥浓度，考察污泥浓度对水解酸化的影响，以添加200 mg/L巴豆醛体系为对照，具体实验分组如表3所示。

表2 基质浓度优化实验分组Table 2 The experimental groups of optimizing F/M

表3 污泥浓度优化实验分组Table 3 The experimental groups of optimizing sludge concentration

1.2.3 pH的影响

以1.2.1节同样的方法做摇瓶实验，控制污泥浓度为5 g/L，F/M为1.5，通过改变pH，考察pH对水解酸化的影响，以添加200 mg/L巴豆醛体系为对照，具体实验分组如表4所示。

表4 pH优化实验分组Table 4 The experimental groups of pH

1.3 分析方法

采用气相色谱火焰离子化检测器(GC-FID，7890，美国安捷伦公司)测定挥发性脂肪酸(包括乙酸、丙酸和丁酸)的含量，采用pH计(PE-30，瑞士梅特勒-托利多有限公司)测定pH，采用数显恒温水浴锅(DK-98-11，江苏泰斯特有限公司)。

TVFA是单位污泥产生的不同种类的挥发性脂肪酸量所对应的COD之和。

比产酸活性(specific VFA production activity,SVA)是单位质量污泥在单位时间内的挥发性脂肪酸(volatile fatty acid，VFA)产量，计算公式为

(1)

式(1)中：SVA为污泥的比产酸活性，mg TVFA/(gVSS·d)；R为产酸速率，即曲线中最大活性区间的斜率，mg TVFA /h；Vm为反应体系中液体体积，L；VSS为反应体系中污泥浓度，gVSS/L；

抑制率为与不加醛体系SVA0相比，加醛体系的SVA 降低量占SVA0的比值。

2 结果与讨论

2.1 基质浓度的影响

水解酸化体系中基质浓度影响产酸量，也影响巴豆醛对产酸的抑制率。适宜的F/M有利于水解酸化的产酸[18]。图1(a)中，随着反应时间的进行，TVFA的产生量逐渐增加；而随着基质浓度的变化，产酸量先增加后略微降低。F/M在0.74～1.47范围内时，产酸速率随着F/M增大而增大，这与田世杰等[19]的研究一致，有机物浓度的增加促进了产酸活性，产酸量升高；在此范围内，添加巴豆醛体系的比产酸活性先是略高于未加醛体系的比产酸活性，后低于未加醛体系的比产酸活性[图1(c)]。F/M大于1.47时，不加醛的体系中，12 h的产酸量随F/M的升高而略微降低；添加醛的体系中，12 h和36 h的产酸量均随着F/M的升高而略微降低，当F/M达到3左右时，24 h的产酸量也开始降低，说明F/M大于1.47时产酸量开始降低，但降低并不明显。在F/M大于1.47范围内，图1(c)中,添加醛体系的比产酸活性低于未加醛体系比产酸活性，因此加入巴豆醛对产酸有抑制作用。图1(d)中，比产酸活性抑制率随着基质浓度的增加而增加，这与张晓辉[20]的研究结果一致，这是因为基质浓度增加使得污泥可利用的有机物增加，污泥微生物活性升高，污泥对毒性的敏感性也增加，导致产酸抑制率增加。抑制率在F/M大于1.47后升高速率变缓，F/M为2.21时达到最高点，F/M大于2.21时，抑制率基本保持稳定。因此F/M在1.47左右时有最高产酸量，抑制率在F/M为2.21时达到最高点。

不同的基质浓度同样会影响产酸类型，图1(b)显示，反应过程中，主要产酸类型以丁酸和乙酸为主，这与之前的研究结果一致[21-22]，碱性条件下，乙酸和丁酸所占比例较高。通过不同基质浓度的产酸量对比发现，随着基质浓度的升高，乙酸的产生量大致呈上升趋势，这可能是因为基质浓度的上升促进了产乙酸微生物的活性，从而导致乙酸产量的上升；在添加醛的体系中，丁酸的产生量在12 h和36 h随着基质浓度升高而下降，24 h随着基质浓度升高而上升，未加醛的体系中，12 h随着基质浓度升高而下降，24 h和36 h随着基质浓度升高而上升，丁酸量的变化与总产酸量的变化趋势一致，因为丁酸产量在总产酸量中占比较大。厌氧反应中VFA的变化与微生物的种类和活性联系紧密[23]，产丁酸量的变化可能是因为基质浓度的不同影响了产丁酸微生物活性以及相关酶的活性，进而影响了丁酸产量。而且，乙酸转变成COD的比例小于丁酸，所以乙酸产量的上升导致后期有部分TVFA有略微的下降趋势。

因此在既要保证产酸量高又要保证毒性敏感性强的条件下，醛的毒性抑制实验最佳F/M区间为1.47～2.21。

2.2 污泥浓度的影响

水解酸化体系中污泥浓度的变化影响TVFA的产生量，也影响醛对产酸的抑制率。根据图2(a)，整个反应过程中TVFA随着反应时间逐渐升高，随污泥浓度的变化幅度不大，但各时间点产酸量在2.42～6.29 g/L范围内较高。由图2(c)可知，加入巴豆醛体系的比产酸活性低于不加醛体系的比产酸活性，说明巴豆醛的加入在实验的污泥浓度范围内均对产酸有抑制作用。图2(d)中，巴豆醛的抑制率在污泥浓度为2.42～3.87 g/L范围内随污泥浓度的升高而略微升高，这可能是由于在此范围内，加入巴豆醛体系的产丁酸量降低，未加巴豆醛的产丁酸量升高，因为丁酸换算成COD比例较高，且丁酸占比较大，导致添加和未添加巴豆醛的体系产酸有略微的差别；大于3.87 g/L后，抑制率下降。这也与纪海涛等[24]的研究结果一致，其研究结果表明污泥浓度在4.3～13 g/L的范围内，产酸情况随污泥浓度升高而降低。这是因为随着污泥浓度的升高，微生物丰度升高，进行水解酸化的微生物量也相应提高，导致产酸得到促进。

图1 基质浓度对产酸情况和产酸活性的影响Fig.1 The influence of substrate concentration on VFA yields and SVA

图2 污泥浓度对产酸情况和产酸活性的影响Fig.2 The influence of sludge concentration on VFA yields and SVA

不同污泥浓度同样会对产酸类型产生影响，图2(b)中显示，该过程中主要产酸类型是丁酸，丁酸产生量随着污泥浓度的变化整体呈上升趋势，这可能是污泥浓度升高使得微生物量升高，相应的产丁酸微生物得到促进，活性上升，酶活性上升，导致丁酸产量上升。

综上所述，2.42～4.84 g/L范围内产酸量高，而且醛的抑制率明显，因此该范围是醛的毒性抑制实验最佳污泥浓度区间。

2.3 pH的影响

pH影响水解酸化体系微生物群落[25]，从而影响体系产酸量[26]，也影响巴豆醛对体系产酸的抑制性。根据图3(a)，整个反应过程中TVFA随着反应时间逐渐升高，pH在6～8范围内产酸量随pH增大而升高，pH大于8开始呈现略微下降的趋势，pH大于9快速下降，因此最大产酸量在pH为7～9范围内。一些研究[23，27-28]结果也表明，pH在中性和偏碱性的时候产VFA量较高。因此，碱性条件比酸性条件更有利于产酸，但过碱性条件也会降低微生物活性，从而抑制产酸[12]。

由图3(c)可知，加入巴豆醛之后体系中比产酸活性均低于不加醛的体系，这说明在实验设置的pH范围内，巴豆醛的加入均对产酸有抑制作用，图3(d)中，抑制率在pH在6～7范围内随pH升高而升高，而在pH在7～8范围内下降，当pH大于8时，抑制率随着pH的升高呈现升高的趋势，因此抑制率在pH为7～9时较高。

图3 pH对产酸情况和产酸活性的影响Fig.3 The influence of pH on VFA yields and SVA

由图3(b)可知，主要产酸类型以丁酸和乙酸为主，这与基质浓度优化部分和污泥浓度优化部分的结果基本一致。而且随着pH的增加，乙酸和丁酸均呈现先升高后下降的趋势，pH小于9时，乙酸和丁酸均随pH的增加而增加，pH大于9时，乙酸和丁酸均随pH的增加而降低，这也与TVFA的变化趋势相吻合。pH对产酸量和产酸抑制率的影响可能是由于其对拟杆菌门和厚壁菌门微生物的影响[29]，随pH的先增加后降低的趋势是因为7～9为适宜水解酸化微生物的pH条件，大于或小于此范围的pH条件都会降低水解酸化相关微生物和相关酶活性，从而导致体系中水解酸化产酸速率和毒性物质抑制率低，这与张晓辉[20]的研究结果一致，碱性条件下，产酸量和毒性敏感性均较高。

因此，pH为7～9产酸量较高，毒性敏感性较强，是醛的水解酸化毒性抑制实验较为适宜的条件。

2.4 优化条件下的优势菌

考察F/M为1.5，污泥浓度为4 g/L，pH 8条件下36 h水解酸化微生物情况，如表5所示。表5中显示，在优化条件下，TVFA达到了较高的水平，微生物测序结果表明门水平的微生物主要是厚壁菌门、变形菌门、拟杆菌门、互养菌门、放线菌门、绿弯菌门。厚壁菌门是参与水解酸化的微生物，能够耐不利环境，分解有机物，产生胞外酶，参与TVFA的产生[30-31]。

变形菌门微生物、厚壁菌门微生物、拟杆菌门微生物对物质降解起主要作用，属于水解菌，能够水解有机物[32]。放线菌含有水解酸化菌，参与水解酸化[33]。

互养菌门微生物也属于水解酸化菌。绿弯菌门耐恶劣环境，适应环境迅速。绿弯菌门是水解细菌，降解有机物，驱动水解酸化[34]。

上述水解酸化微生物的生长需要适宜的生长条件，在优化的基质浓度、污泥浓度和pH条件下，微生物活性较大，产酸情况良好，且对毒性物质的敏感性也较强，能够很好地以产酸情况的变化来表明受试物毒性的变化。

表5 优化条件下水解酸化优势菌Table 5 Hydrolytic acidification predominant bacteria under optimal conditions

3 结论

通过分析基质浓度、污泥浓度和pH对水解酸化毒性实验的影响得出以下结论。

(1)产酸量随基质浓度的升高而升高，最终达到平衡，产酸量随污泥浓度变化不大，产酸量随pH变化有一个最佳pH条件(7～9)，高于或低于此范围产酸量下降；基质浓度和pH对不同类型酸的占比影响较大，污泥浓度影响较小；比产酸活性和抑制率随基质浓度的升高而升高，比产酸活性和抑制率随污泥浓度和pH的变化，分别存在一个最佳污泥浓度和最佳pH。

(2)F/M在小于1.47时，产酸量随着F/M的增加而增加，大于1.47时逐渐降低，F/M在1.47左右时有最高产酸量，抑制率随F/M增大而升高，在F/M大于1.47后升高变缓，大于2.21后基本达到稳定，在F/M为2.21时达到最高点，因此既要保证产酸量高又要保证毒性敏感性高的条件下，水解酸化毒性抑制实验最佳F/M区间在1.47～2.21。

(3)产酸量在污泥浓度为2.42～6.29 g/L范围内较高，抑制率随着污泥浓度升高逐渐降低，在2.42～4.84 g/L范围内较高，因此2.42～4.84 g/L范围内产酸量高，而且毒性敏感性强，是水解酸化毒性抑制实验的适宜污泥浓度。

(4)产酸量在pH7～9范围内较高，抑制率在pH7～9时较高。因此7～9是水解酸化毒性抑制实验适宜的pH。