王百黨，宋玉棟，程家運(yùn)，陳葉，孫力東，周岳溪* ，崔俊華

1.河北工程大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院，河北 邯鄲 056038

2.中國環(huán)境科學(xué)研究院水污染控制技術(shù)研究中心，北京 100012

3.環(huán)境基準(zhǔn)與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國環(huán)境科學(xué)研究院，北京 100012

4.中國石油天然氣股份有限公司吉林石化分公司，吉林 吉林 132022

丙烯酸丁酯是一類重要的化工原料，大量應(yīng)用于塑料、紡織、涂料、造紙、印刷黏合劑和乳化劑等領(lǐng)域［1-2］。丙烯酸丁酯生產(chǎn)過程中會(huì)產(chǎn)生大量含高濃度丙烯酸(鹽)的有機(jī)廢水。丙烯酸丁酯生產(chǎn)廢水化學(xué)需氧量(CODCr)高達(dá)60 000 ～80 000 mg/L，廢水中主要的污染物丙烯酸鈉和對(duì)甲基苯磺酸鈉濃度分別可達(dá)52 000 ～65 000 和7 900 ～9 000 mg/L［3］。目前針對(duì)該類廢水國內(nèi)外研究和應(yīng)用的處理方法有焚燒法、濕式催化氧化法［4-5］和生物處理法，其中厭氧生物處理比其他處理方法的運(yùn)行成本低，并能產(chǎn)生可回收利用的生物能，具有明顯的優(yōu)勢。但廢水中的丙烯酸鹽及對(duì)甲基苯磺酸鹽對(duì)厭氧污泥的抑制作用可能不利于工藝的穩(wěn)定運(yùn)行，因此需研究丙烯酸鹽、對(duì)甲基苯磺酸鹽對(duì)產(chǎn)甲烷活性的影響。

丙烯酸厭氧降解的研究表明，丙烯酸首先轉(zhuǎn)化為丙酸和乙酸，且以丙酸為主［6-10］，然后進(jìn)一步降解產(chǎn)生甲烷。通常乙酸可直接被產(chǎn)甲烷菌利用，而丙酸首先由產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌轉(zhuǎn)化為乙酸和氫氣，然后才能被產(chǎn)甲烷菌利用。許多研究表明，當(dāng)厭氧處理系統(tǒng)受到有毒物質(zhì)沖擊時(shí)會(huì)造成丙酸的積累［11-12］，表明產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌可能對(duì)有毒物質(zhì)更加敏感。現(xiàn)有厭氧毒性試驗(yàn)多以乙酸、乙酸和丙酸混合物或葡萄糖等為底物［13-16］，鮮有單獨(dú)以丙酸為底物的產(chǎn)甲烷活性抑制研究，因此可能會(huì)低估有毒物質(zhì)的毒性效應(yīng)。對(duì)比某種有毒物質(zhì)對(duì)不同底物的厭氧產(chǎn)甲烷活性抑制效應(yīng)的研究較少，2 種或多種物質(zhì)聯(lián)合作用抑制產(chǎn)甲烷活性的研究也鮮有報(bào)道。為此，筆者考察了丙烯酸鹽、對(duì)甲基苯磺酸鹽對(duì)乙酸、丙酸分別為底物的厭氧產(chǎn)甲烷活性的抑制效應(yīng)，并考察了2 種物質(zhì)的聯(lián)合作用。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置

靜態(tài)產(chǎn)甲烷試驗(yàn)在250 mL 血清瓶中進(jìn)行。瓶內(nèi)接種50 mL 污泥，190 mL 營養(yǎng)液，10 mL 乙酸鈉或丙酸鈉溶液，置于35 ℃恒溫水浴中，產(chǎn)生的氣體通過堿液吸收排水集氣法收集，以測得甲烷產(chǎn)生量［17］。

1.2 營養(yǎng)液的配制

厭氧微生物生長所需的營養(yǎng)物儲(chǔ)備液配方如表1 所示，各種儲(chǔ)備液在4 ℃下保存。營養(yǎng)液中除厭氧微生物生長所需的各種營養(yǎng)元素及維生素外，還包含氧化還原指示劑刃天青(被氧化時(shí)呈粉紅色)和為反應(yīng)體系提供還原環(huán)境的硫化鈉。

表1 儲(chǔ)備液配方Table 1 Stock solution recipe

營養(yǎng)液配制程序:1)向2 L 的燒瓶中加入1 L去離子水;2)添加S2溶液1.8 mL，S3溶液5.4 mL，S4溶液27 mL;3)用去離子水定容至1.8 L;4)1 L/min氮?dú)獯祾邨l件下加熱煮沸15 min，無菌水定容至1.8 L;5)保持氮?dú)獯祾呃鋮s至室溫;6)添加S7溶液18 mL，S5溶液1.8 mL，S6溶液1.8 mL;7)改用30% CO2和70% N2混合氣體吹掃(1 L/min);8)加入8.4 g NaHCO3;9)用30% CO2和70 % N2混合氣體鼓泡吹脫(1 L/min)至pH 穩(wěn)定在7.1 附近;10)小心密封待用，使用時(shí)定容至2 L。

配好的營養(yǎng)液中氮、磷濃度和堿度(以CaCO3計(jì))分別為122、19、2 500 mg/L［13］。

1.3 接種污泥

厭氧污泥為實(shí)驗(yàn)室處理丙烯酸丁酯廢水EGSB反應(yīng)器中的厭氧污泥，懸浮物(SS)濃度為9.07 g/L，揮發(fā)性懸浮物(VSS)濃度為7.94 g/L。

1.4 試驗(yàn)方法及數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)方法參照文獻(xiàn)［13，17］。接種時(shí)，先向血清瓶中加入一定量的丙烯酸(液態(tài))或?qū)谆交撬?固態(tài))，加入190 mL 營養(yǎng)液，再加入10 mL CODCr為100 g/L 的乙酸鈉(或丙酸鈉)溶液，用氫氧化鈉調(diào)pH 至7.0 ～7.2，加入50 mL 污泥。各系列丙烯酸鹽及對(duì)甲基苯磺酸鹽濃度(以丙烯酸根和對(duì)甲基苯磺酸根計(jì)，全文同)如表2 所示。每個(gè)系列做3 個(gè)平行樣。搖勻后置于試驗(yàn)裝置中，每隔12 h讀取甲烷產(chǎn)量。

1.5 毒性的表示方法及半效應(yīng)濃度(EC50)的計(jì)算

厭氧毒性試驗(yàn)可確定毒性物質(zhì)或有毒廢水在一定濃度下對(duì)產(chǎn)甲烷活性的抑制程度，其在一定程度上反映了毒性物質(zhì)對(duì)厭氧生物的毒害作用。毒性一般用某一時(shí)段內(nèi)某濃度下使污泥產(chǎn)甲烷速率受到抑制的比例(產(chǎn)甲烷抑制率)來表示。通過對(duì)照組(丙烯酸鹽及對(duì)甲基苯磺酸鹽濃度為0 mg/L)和不同濃度試樣組的累積產(chǎn)氣量(3 個(gè)平行樣取平均值)隨培養(yǎng)時(shí)間的變化，選取線性部分(時(shí)間跨度一般為48 h)計(jì)算產(chǎn)甲烷抑制率(I):

式中，CH4試樣為試樣組的甲烷產(chǎn)量，mL;CH4對(duì)照為對(duì)照組的甲烷產(chǎn)量，mL。

以產(chǎn)甲烷抑制率與毒性物質(zhì)濃度(以10 為底的對(duì)數(shù)值)進(jìn)行線性擬合，得到y(tǒng)=ax+b(式中，y 為產(chǎn)甲烷抑制率;x 為毒性物質(zhì)對(duì)數(shù)濃度)的擬合方程，根據(jù)該方程按照y=50 計(jì)算x，10x即為EC50。

產(chǎn)甲烷速率受產(chǎn)甲烷污泥活性、底物濃度、毒性物質(zhì)濃度、溫度、pH 等多種條件的影響。試驗(yàn)過程中控制產(chǎn)甲烷污泥活性、溫度、pH 等條件一致，減少由于產(chǎn)甲烷底物消耗、有毒物質(zhì)降解等因素對(duì)毒性評(píng)價(jià)結(jié)果的影響，選擇盡可能靠前的線性部分計(jì)算產(chǎn)甲烷抑制率。

1.6 主要分析項(xiàng)目及方法

pH 采用在線pH 計(jì)(瑞士梅特勒M420 變送器，電極InPro3250i)測定;SS 濃度和VSS 濃度采用重量法［17］測定;甲烷產(chǎn)量采用堿液吸收排水集氣法測定。

2 結(jié)果與討論

2.1 對(duì)甲基苯磺酸鹽對(duì)乙酸產(chǎn)甲烷活性的抑制

以乙酸鈉為底物，不同對(duì)甲基苯磺酸鹽濃度下累積產(chǎn)甲烷量隨培養(yǎng)時(shí)間的變化如圖1 所示。選取12 ～60 h 段(共48 h)計(jì)算各試樣組的產(chǎn)甲烷抑制率，得到濃度為500、2 500、5 000、10 000、15 000 和20 000 mg/L 的對(duì)甲基苯磺酸鹽產(chǎn)甲烷抑制率分別為- 1.6%、3.1%、- 0.8%、- 1.2%、6.3% 和17.9%。說明對(duì)甲基苯磺酸根濃度在10 000 mg/L以下時(shí)對(duì)乙酸產(chǎn)甲烷活性沒有明顯抑制作用。盡管對(duì)甲基苯磺酸鈉也屬于有機(jī)物，但在144 h 時(shí)高濃度組的產(chǎn)甲烷量與對(duì)照組產(chǎn)甲烷量接近，這主要是由于對(duì)甲基苯磺酸在厭氧條件下不易降解所致［9］。

圖1 乙酸鈉為底物時(shí)不同對(duì)甲基苯磺酸鹽濃度的累積產(chǎn)甲烷量Fig.1 The cumulative amount of methane produced with sodium acetate as a substrate at different concentrations of p-toluenesulfonate

2.2 對(duì)甲基苯磺酸鹽對(duì)丙酸產(chǎn)甲烷活性的抑制

以丙酸鈉為底物，不同對(duì)甲基苯磺酸鹽濃度下的累積產(chǎn)甲烷量隨培養(yǎng)時(shí)間的變化如圖2 所示。選取12 ～60 h 段計(jì)算各試樣組的產(chǎn)甲烷抑制率，得到濃度為100、500、2 500、5 000 和10 000 mg/L 對(duì)甲基苯磺酸鹽的產(chǎn)甲烷抑制率分別-1.3%、-1.9%、2.4%、20.2%和52.4%。表明當(dāng)對(duì)甲基苯磺酸鹽濃度在2 500 mg/L 以下時(shí)對(duì)丙酸產(chǎn)甲烷活性沒有明顯抑制作用。10 000 mg/L 以下對(duì)甲基苯磺酸對(duì)乙酸產(chǎn)甲烷活性沒有抑制，說明對(duì)甲基苯磺酸鹽對(duì)丙酸產(chǎn)甲烷活性的抑制主要為產(chǎn)乙酸階段。

圖2 丙酸鈉為底物時(shí)不同對(duì)甲基苯磺酸鹽濃度的累積產(chǎn)甲烷量Fig.2 The cumulative amount of methane produced with sodium propionate as a substrate at different concentrations of p-toluenesulfonate

將產(chǎn)甲烷抑制率與對(duì)甲基苯磺酸濃度(2 500 ～10 000 mg/L)對(duì)數(shù)進(jìn)行擬合(圖3)，利用圖3 中擬合方程y =83.048x-282.19，令y =50，計(jì)算出x 值，EC50=10x，計(jì)算得對(duì)甲基苯磺酸對(duì)丙酸產(chǎn)甲烷抑制的EC50為9 500 mg/L。

圖3 產(chǎn)甲烷抑制率與對(duì)甲基苯磺酸鹽濃度對(duì)數(shù)的關(guān)系Fig.3 The curve for inhibition rate of methane production and mass concentration of methyl p-toluenesulfonate

2.3 丙烯酸鹽對(duì)乙酸和丙酸產(chǎn)甲烷活性的影響

乙酸鈉和丙酸鈉為底物時(shí)不同丙烯酸鹽濃度下累積產(chǎn)甲烷量隨培養(yǎng)時(shí)間的變化分別如圖4 和圖5所示。選取24 ～72 h 段(乙酸鈉)和60 ～108 h 段(丙酸鈉)計(jì)算出各試樣組的產(chǎn)甲烷抑制率(表3)。

圖4 乙酸鈉為底物時(shí)不同丙烯酸鹽濃度的累積產(chǎn)甲烷量Fig.4 The cumulative amount of methane produced with sodium acetate as substrate at different concentrations of acrylate

圖5 丙酸鈉為底物時(shí)不同丙烯酸鹽濃度的累積產(chǎn)甲烷量Fig.5 The cumulative amount of methane produced with sodium propionate as a substrate at different concentrations of acrylate

表3 丙烯酸鹽濃度對(duì)乙酸、丙酸的產(chǎn)甲烷抑制率Table 3 Inhibition rate of methanogenic activity of acetic acid and propionic acid by different concentrations of acrylate

產(chǎn)甲烷抑制率與丙烯酸濃度對(duì)數(shù)的擬合如圖6所示。由圖6 可知，相同濃度丙烯酸對(duì)丙酸產(chǎn)甲烷活性的抑制明顯強(qiáng)于對(duì)乙酸產(chǎn)甲烷活性的抑制。依據(jù)圖6 擬合方程，令y=50，計(jì)算出丙烯酸對(duì)乙酸產(chǎn)甲烷活性的EC50為717 mg/L，對(duì)丙酸產(chǎn)甲烷活性的EC50為235 mg/L。

圖6 產(chǎn)甲烷抑制率與丙烯酸濃度對(duì)數(shù)的關(guān)系Fig.6 The curve for inhibition rate of methane production and mass concentration of acrylate

與對(duì)甲基苯磺酸鹽的抑制試驗(yàn)不同，投加低濃度丙烯酸鈉試樣組在試驗(yàn)結(jié)束時(shí)的甲烷產(chǎn)生量高于對(duì)照組(圖1 和圖2)，這是由于在厭氧條件下丙烯酸可降解轉(zhuǎn)化生成乙酸和丙酸，并進(jìn)一步被轉(zhuǎn)化為甲烷，使甲烷產(chǎn)生量增加［9］。

由于丙烯酸對(duì)產(chǎn)甲烷活性的抑制作用，其進(jìn)入產(chǎn)甲烷反應(yīng)器的濃度應(yīng)得到有效控制。李沙等［8］采用微氧流化床處理高濃度丙烯酸廢水，可在丙烯酸容積負(fù)荷為6.0 ～18.0 kg/(m3·d)的條件下，去除95%以上的丙烯酸，并轉(zhuǎn)化生成丙酸和乙酸。流化床反應(yīng)器內(nèi)丙烯酸濃度在2 000 mg/L 以下時(shí)，隨著丙烯酸濃度的升高，丙烯酸轉(zhuǎn)化速率升高［8］。已有的研究結(jié)果證明［18］，厭氧污泥經(jīng)過馴化可處理濃度為EC501 ～5 倍的毒性物質(zhì)。從保證后續(xù)厭氧產(chǎn)甲烷單元穩(wěn)定運(yùn)行的角度出發(fā)，進(jìn)入產(chǎn)甲烷反應(yīng)器的丙烯酸濃度應(yīng)保持在235 mg/L 以下。

2.4 丙烯酸鹽及對(duì)甲基苯磺酸鹽對(duì)產(chǎn)甲烷活性的聯(lián)合作用效應(yīng)

由于丙烯酸鹽及對(duì)甲基苯磺酸鹽對(duì)丙酸的產(chǎn)甲烷活性抑制作用強(qiáng)于乙酸，因此選取丙烯酸鹽濃度為200 mg/L，對(duì)甲基苯磺酸鹽濃度為5 000 mg/L，考察丙烯酸鹽及對(duì)甲基苯磺酸鹽單獨(dú)投加和組合投加對(duì)丙酸產(chǎn)甲烷活性的抑制作用，其累積產(chǎn)甲烷量如圖7 所示。選取36 ～84 h 段計(jì)算產(chǎn)甲烷抑制率。單獨(dú)作用的產(chǎn)甲烷抑制率之和(48.2% +19.6% =67.8%)與組合作用的產(chǎn)甲烷抑制率(64.3%)相近，表明二者對(duì)產(chǎn)甲烷活性的抑制沒有明顯協(xié)同效應(yīng)。

圖7 丙烯酸鹽、對(duì)甲基苯磺酸鹽單獨(dú)和組合投加下丙酸的累積產(chǎn)甲烷量Fig.7 The cumulative amount of methane produced with sodium propionate as substrate at separate dosage of acrylate or p-toluenesulfonate and their combination

3 結(jié)論

(1)對(duì)甲基苯磺酸鹽濃度在10 000 mg/L 以下時(shí)對(duì)乙酸的產(chǎn)甲烷活性無明顯抑制作用;在20 000 mg/L 時(shí)的產(chǎn)甲烷抑制率僅為17.9%。

(2)對(duì)甲基苯磺酸鹽對(duì)丙酸產(chǎn)甲烷活性的抑制作用強(qiáng)于乙酸，對(duì)丙酸的產(chǎn)甲烷的EC50為9 500 mg/L。

(3)丙烯酸鹽對(duì)丙酸產(chǎn)甲烷活性的抑制作用強(qiáng)于乙酸，對(duì)丙酸和乙酸產(chǎn)甲烷的EC50分別為235 和717 mg/L，丙烯酸酯廢水處理厭氧產(chǎn)甲烷單元進(jìn)水丙烯酸濃度應(yīng)參照其對(duì)丙酸產(chǎn)甲烷的抑制濃度進(jìn)行控制。

(4)丙烯酸鹽與對(duì)甲基苯磺酸鹽對(duì)產(chǎn)甲烷活性的抑制沒有明顯的協(xié)同效應(yīng)。

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