鐘 美 ， 阮?lèi)?ài)東

（1.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院， 江蘇 南京 210098；2.水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 江蘇 南京 210098）

0 引言

煙堿（俗稱(chēng)尼古丁）是眾多煙草屬植物中主要的生物堿類(lèi)物質(zhì)[1]。煙草中的煙堿能輕易穿透生物膜與血腦屏障[2]，使人患上肺癌及相關(guān)的外周動(dòng)脈疾病[3]。我國(guó)是世界上最大的煙草種植和生產(chǎn)國(guó)[4]，僅制造1 t香煙就會(huì)產(chǎn)生多達(dá)60 t廢水[5]。煙堿獨(dú)特的化學(xué)結(jié)構(gòu)特征造成其水溶性強(qiáng)，難以被絮凝劑絮凝沉淀，不易自然降解等特點(diǎn)[6]，且煙草廢水中總有機(jī)碳質(zhì)量濃度很高（12 620.0 mg/L）[7]，污染物成分復(fù)雜，其中煙堿含量較高[8]，一旦進(jìn)入土壤和水體會(huì)破壞生態(tài)平衡，所以降低煙草生產(chǎn)廢水及廢棄物對(duì)環(huán)境的污染已迫在眉睫。相比物理化學(xué)法，煙草廢水的生物處理具有高效經(jīng)濟(jì)特點(diǎn)[9]。目前，主要采用煙堿降解菌添加到活性污泥中的方法，馴化出能夠處理煙草廢水的好氧活性污泥[10]。關(guān)于煙堿廢水降解厭氧活性污泥方面的研究成果，尚少見(jiàn)報(bào)道。

本研究采用自然馴化法，利用受煙堿污染的深層土壤中存在的厭氧降解煙堿的微生物，通過(guò)煙堿脅迫被培養(yǎng)馴化成厭氧活性污泥，監(jiān)測(cè)馴化過(guò)程的出水煙堿濃度、pH值、氨氮和觀察污泥性狀，對(duì)厭氧活性污泥降解煙堿廢水和污泥形成機(jī)制進(jìn)行探討。從實(shí)踐應(yīng)用角度出發(fā)，探索能夠培養(yǎng)出具有煙堿降解效果的厭氧活性污泥生物強(qiáng)化技術(shù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 模擬煙堿廢水

模擬煙堿廢水添加一定量的葡萄糖和磷酸二氫鉀與磷酸氫二鉀補(bǔ)充碳源和磷源，同時(shí)添加ρ（煙堿）約為100mg/L，使得進(jìn)水中ρ（COD）約為 1000mg/L，ρ（COD）∶ρ（N）∶ρ（P）=200∶5∶1，ρ（Ca2+）約為 100mg/L，ρ（Mg2+）約為 100 mg/L，補(bǔ)充微量金屬元素，pH 值控制在7，反應(yīng)池中溫度控制在35℃，氧化還原電位控制在-200 mV以下。

1.2 試劑與儀器

實(shí)驗(yàn)儀器包括SBR反應(yīng)器（有效容積2 L，自制），帶水浴外筒的UASB厭氧反應(yīng)器（有效容積7.4L，自制），BT100-2J精密蠕動(dòng)泵（保定蘭格），EXO2多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀（YSI，美國(guó)），1260Infinity高效液相色譜儀（安捷倫，美國(guó)），UV-5100紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)（元析，上海），50I光學(xué)顯微鏡（NIKON，日本）。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

供試樣品采自合肥卷煙廠老廠區(qū)堆放煙草廢棄物達(dá)30 a之久的地表以下20～30 cm層的土壤。

采用自然培菌法，利用土壤中自然生長(zhǎng)的煙堿耐受微生物，經(jīng)過(guò)富集培養(yǎng)，煙堿脅迫馴化形成具有降解煙堿的厭氧活性污泥。具體方法:第1步，將土壤加入含煙堿的模擬煙堿廢水，富集土壤中的厭氧煙堿耐受微生物；第2步，在SBR中，加入土壤混合液、模擬煙堿廢水和粉末活性炭1 g，曝氮?dú)?，控制氧化還原電位-200 mV以下，間歇曝氮?dú)馐沟梅磻?yīng)器泥水混合均勻；每隔一個(gè)靜置時(shí)期（5d）將SBR中1/4體積上清液排出，然后補(bǔ)充相同體積的模擬煙堿廢水，待測(cè)SBR出水的煙堿濃度達(dá)到穩(wěn)定，調(diào)整進(jìn)水煙堿質(zhì)量濃度200 mg/L，待測(cè)SBR出水的煙堿濃度達(dá)到穩(wěn)定，再次調(diào)整進(jìn)水煙堿質(zhì)量濃度，直到500 mg/L。進(jìn)水煙堿濃度呈梯度變化，在于讓厭氧煙堿降解微生物逐步適應(yīng)新的進(jìn)水水質(zhì)，以防高負(fù)荷的煙堿帶來(lái)沖擊，從而獲得較高的煙堿去除效果和系統(tǒng)穩(wěn)定性；第3步，SBR循環(huán)周期過(guò)長(zhǎng)，馴化過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生有毒有害物質(zhì)，影響厭氧活性污泥生長(zhǎng)。馴化70 d后采用UASB系統(tǒng)，投加SBR中污泥和模擬煙堿廢水，煙堿進(jìn)水質(zhì)量濃度保持100 mg/L左右，控制氧化還原電位-200 mV以下，水力停留時(shí)間為48 h，待測(cè)UASB出水的煙堿濃度，直到煙堿的日均降解量達(dá)到穩(wěn)定,馴化完成。

1.4 分析方法

反應(yīng)器出水上清液經(jīng)離心并過(guò)0.22 μm濾膜，待測(cè)。煙堿濃度采用高效液相色譜（Agilent 1260Infinity）測(cè)定，色譜條件：C18 色譜柱（Thermo，250 mm ×4.6 mm），流動(dòng)相為V（甲醇）：V（0.1%三乙胺水）=50∶50，流速 1 min/mL，柱溫 35℃，檢測(cè)波長(zhǎng)254 nm，進(jìn)樣量5 μL。COD采用重鉻酸鉀快速消解分光光度法(HJ/T 399—2007)進(jìn)行測(cè)定[11]。氨氮和pH值采用電極法監(jiān)測(cè)。污泥的外觀形態(tài)采用顯微鏡觀察并拍照。

2 結(jié)果與討論

2.1 馴化期間煙堿日均降解量變化

煙堿降解厭氧活性污泥的馴化時(shí)長(zhǎng)為126 d，馴化過(guò)程由2個(gè)階段組成，即間歇進(jìn)水階段（SBR）和持續(xù)進(jìn)水階段（UASB）。煙堿的去除效果采用煙堿日均降解量表示。其厭氧活性污泥對(duì)煙堿日均降解量變化狀況見(jiàn)圖1。前70 d為間歇進(jìn)水階段，總體上，煙堿日均降解量隨著時(shí)間逐步增大。進(jìn)水煙堿質(zhì)量濃度為100～200 mg/L時(shí)，煙堿日均降解量隨著時(shí)間呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。值得關(guān)注的是，當(dāng)進(jìn)水煙堿質(zhì)量濃度達(dá)到300 mg/L，第1個(gè)靜置時(shí)期（5 d）煙堿日均降解量輕微下降，并隨進(jìn)水煙堿濃度增加，下降幅度增大。第1個(gè)靜置時(shí)期（5 d）煙堿日均降解量下降可能是因?yàn)檫^(guò)高的煙堿濃度對(duì)厭氧活性污泥產(chǎn)生毒性作用，導(dǎo)致其活性下降。在每一個(gè)進(jìn)水煙堿濃度馴化時(shí)期，煙堿日均降解量在10～20 d基本達(dá)到穩(wěn)定，表示該階段厭氧活性污泥已經(jīng)適應(yīng)水質(zhì)變化，因此可以開(kāi)始下一步的廢水處理試驗(yàn)。

71 d后為間歇進(jìn)水階段，煙堿日均降解量隨著馴化時(shí)間逐步上升，最終穩(wěn)定在240～250 mg/d之間，出水煙堿質(zhì)量濃度在20 mg/L左右，去除率達(dá)到80%。在SBR向UASB轉(zhuǎn)移過(guò)程中，圖1中煙堿日均降解量突然降低，可能是因?yàn)楦鼡Q反應(yīng)器導(dǎo)致活性污泥所處的水力負(fù)荷增大和環(huán)境條件變化所引起。由圖1可知，持續(xù)進(jìn)水階段中煙堿日均降解量上升速度較間歇進(jìn)水階段快，表明持續(xù)進(jìn)水能夠降低反應(yīng)器中被污泥分解代謝產(chǎn)生的產(chǎn)物對(duì)污泥的有害影響。

圖1 馴化期間厭氧活性污泥對(duì)煙堿日均降解量變化

2.2 馴化期間出水氨氮和pH值的變化

在UASB運(yùn)行期間，過(guò)酸或過(guò)堿會(huì)影響酶的活性，因此進(jìn)水pH值保持7左右[12]，進(jìn)水氨氮質(zhì)量濃度在4～5 mg/L左右。在馴化初期，出水pH值和氨氮濃度變化幅度較大。隨著馴化時(shí)間的延長(zhǎng)，pH值和氨氮濃度變化逐漸穩(wěn)定。由于煙堿是含氮雜環(huán)化合物，目前已經(jīng)研究的煙堿降解菌對(duì)其代謝途徑[13-15]可知，煙堿的吡咯環(huán)和吡啶環(huán)分別被打開(kāi)，分解成小分子含氮化合物，另一方面，厭氧微生物對(duì)氮元素的利用量少，從而導(dǎo)致出水氨氮濃度比進(jìn)水高。馴化期間出水氨氮和pH值的變化情況見(jiàn)圖2。

圖2 馴化期間出水氨氮和pH值的變化情況

2.3 厭氧活性污泥對(duì)COD去除情況

向反應(yīng)器中加入新鮮的煙堿人工配水，其他條件不變，連續(xù)測(cè)定5 d內(nèi)COD。厭氧活性污泥在對(duì)COD去除情況見(jiàn)圖3。COD去除率24 h內(nèi)上升到41.5%，24 h后突然下降，72 h達(dá)到最低點(diǎn)4.5%，轉(zhuǎn)而又呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。進(jìn)水初期，煙堿人工配水中含有碳源是葡萄糖和煙堿，容易被微生物利用的葡萄糖代謝最快，表觀上呈現(xiàn)為COD去除率上升；24 h后，葡萄糖代謝完畢，煙堿成為主要碳源，而微生物為對(duì)于煙堿的降解，需要經(jīng)過(guò)吡啶途徑或吡咯途徑轉(zhuǎn)化為小分子的物質(zhì)進(jìn)入三羧酸循環(huán)，相對(duì)葡萄糖來(lái)說(shuō)，降解速度慢。另外，煙堿降解中間產(chǎn)物在COD測(cè)定中可能比煙堿更加容易被消解檢測(cè)，從而使得24 h至72 h的COD去除率呈下降狀態(tài)。72 h后，微生物對(duì)煙堿的代謝進(jìn)入遲緩期，轉(zhuǎn)而消耗煙堿的中間產(chǎn)物，使得COD去除率再次上升。

圖3 厭氧活性污泥對(duì)5 d的COD去除率和煙堿濃度變化

2.4 馴化期間活性污泥形態(tài)變化

馴化第10天污泥量很少。在顯微鏡下，大部分微生物以粉末活性炭為附著點(diǎn)聚集，部分活性炭表面觀察到細(xì)菌同時(shí)最外層還有絲狀物體存在。經(jīng)過(guò)126 d的馴化后，污泥量顯著增多，外觀呈黑色絮狀，在顯微鏡下，仍然有大部分是以污泥和活性炭的結(jié)合形式存在。反應(yīng)器表面暴露于空氣中，有部分原生生物能夠耐受低濃度煙堿，并活躍在反應(yīng)器表面。馴化初期，粉末活性炭可以吸附進(jìn)水中的有機(jī)物質(zhì)，使得微生物容易從溶液中聚集到活性炭表面，形成活性炭為核心的菌膠團(tuán)。馴化前后時(shí)期活性污泥的光學(xué)顯微鏡照片見(jiàn)圖4。

圖4 馴化前后時(shí)期活性污泥的光學(xué)顯微鏡照片

3 結(jié)論

（1）采用投加受煙堿污染的深層土壤自然馴化方式，經(jīng)過(guò)126 d的間歇進(jìn)水與持續(xù)進(jìn)水馴化，煙堿日均降解量達(dá)到250 mg，煙堿去除率達(dá)到80%，持續(xù)進(jìn)水（UASB）的煙堿日均降解量變化速率較間歇進(jìn)水（SBR）快。

（2）氨氮濃度比進(jìn)水高，出水氨氮和pH值變化隨著時(shí)間逐漸穩(wěn)定。

（3）厭氧活性污泥對(duì)COD去除變化復(fù)雜，由于葡萄糖比煙堿更易代謝和煙堿代謝會(huì)產(chǎn)生小分子的中間產(chǎn)物，導(dǎo)致COD去除率呈現(xiàn)先增后降再增的變化。

（4）馴化結(jié)束的污泥量顯著增多，外觀呈黑色絮狀，厭氧活性污泥主要以粉末活性炭為核心的菌膠團(tuán)形式存在。

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