朱煜

(上海市政工程設(shè)計研究總院(集團(tuán))有限公司，上海 200092)

苯系物(BTEX)是目前地下水污染中一類較為常見的污染物，針對該類污染已經(jīng)開發(fā)了物理、化學(xué)和生物等多種修復(fù)技術(shù)[1-2]。其中微生物修復(fù)因成本低廉和環(huán)境友好等特點而備受關(guān)注[3]。然而，生物修復(fù)通常會受地下水中溶氧濃度的限制，在溶氧濃度不足時會顯著降低微生物的降解效率[4-5]。過氧化鈣等具有釋氧能力的物質(zhì)可以解決地下水的缺氧問題[6-7]。但釋氧化合物在水中快速分解會導(dǎo)致短期供氧過量，長期投加則會增加修復(fù)成本。本研究圍繞微生物降解BTEX過程，制備緩釋氧劑，考察藥劑投加、微生物活性及苯系物的去除效率三者間的關(guān)系，探索緩釋氧顆粒的強化效能和機理。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

聚羥基脂肪酸酯、過氧化鈣、KH2PO4均為優(yōu)級純；苯、甲苯均為分析純。

安捷倫1260高效液相色譜儀；瑞士萬通861雙抑制型離子色譜儀；Gallios流式細(xì)胞儀；WTW 340i多參數(shù)水質(zhì)分析儀。

1.2 實驗方法

實驗中緩釋氧顆粒(OSRG)是采用聚羥基脂肪酸酯(PHA)作為包埋劑，與CP的質(zhì)量比為1∶1，加入總質(zhì)量的15%的KH2PO4制得。選擇苯和甲苯作為苯系物中的典型代表物。苯系物降解菌是采用活性污泥以苯和甲苯混合物作為唯一碳源逐漸馴化而獲得的混合微生物種群，培養(yǎng)7 d后苯和甲苯的降解效率均可穩(wěn)定在75%以上。

1.3 性能測試

釋氧曲線的測試參考Lin等[8]的研究，通過加入亞硫酸鈉控制溶液的溶氧，使其符合地下水的較低溶氧水平(亞硫酸鈉在氯化鈷作用下會與氧氣反應(yīng)生成硫酸鈉)。采用1.2 L密閉三口反應(yīng)瓶，通過探頭同時測定溶液中溶解氧(DO)的變化。

對于苯系物的微生物降解，由于OSRG自身含有P、Ca元素，因此無需添加微量元素溶液，僅采用含有氯化銨濃度為50 mg/L的基礎(chǔ)溶液以提供氮源，苯和甲苯采用少量(約100 μL)甲醇溶解后加入反應(yīng)體系中。緩釋氧顆粒的投加按照與苯和甲苯質(zhì)量總和的不同質(zhì)量比進(jìn)行投加，緩釋氧顆粒加入后立即密閉，進(jìn)行振蕩培養(yǎng)。反應(yīng)體系中的微生物接種濃度為1 000 mg/L。以不加入OSRG作為空白對照，氯化銨、苯和甲苯的濃度與實驗組一致。此外，對照組投加Na2HPO4濃度為30 mg/L，氯化鈣濃度為500 mg/L。

考察OSRG的強化機理時，直接加入苯和甲苯，濃度為100 mg/L，采用平行實驗方式，在相應(yīng)的取樣時間點，將混合液全部取出，離心分離去除OSRG，上清液采用正己烷提取剩余的苯和甲苯進(jìn)行測定。

1.4 降解動力學(xué)

微生物降解動力學(xué)模型通過指數(shù)模型來表達(dá)[9]，見式(1)，其中C是底物濃度(mg/L)；K是降解速率常數(shù)(d-1);t是反應(yīng)時間(d)；n是反應(yīng)級數(shù)。當(dāng)n=1時是一級反應(yīng)， 見式(2)，n=2時是二級反應(yīng)，見式(3)，Ct是t時刻的底物濃度(mg/L)；C0是初始底物濃度(mg/L)。實驗中將苯和甲苯的濃度變化數(shù)據(jù)分別代入式(2)和式(3)即可獲得降解的一級和二級動力學(xué)模型，并通過線性擬合獲得降解速率常數(shù)K。

dS/dt=-KCn

(1)

ln(Ct/C0)=-Kt

(2)

1/Ct-1/C0=Kt

(3)

1.5 表征分析

實驗中測定苯和甲苯采用高效液相色譜技術(shù)，色譜柱為C18，檢測器為DAD，檢測波長為254 nm，流動相為10%乙腈和90%磷酸，流速為0.5 mL/min。微生物的活性采用染色技術(shù)結(jié)合流式細(xì)胞儀進(jìn)行分析獲得。取0.1 mL混合微生物樣品稀釋至1 mL，加入20 μL SYBR Green I和碘化丙啶(SGI + PI)，避光室溫孵育15 min后，采用流式細(xì)胞儀分析(激發(fā)波長為488 nm，發(fā)射波長為530 nm，前向角50，10倍變值，側(cè)向角10)，通過熒光計數(shù)的方式獲得SYBR Green I染色的活細(xì)胞比例。硫酸根的檢測采用離子色譜，流動相為10 mmol/L碳酸鈉，流速為1 mL/min，電導(dǎo)檢測器，色譜柱為萬通陰離子交換柱。溶解氧采用溶解氧測試儀進(jìn)行在線采集獲得。

2 結(jié)果與討論

2.1 緩釋氧顆粒及釋氧過程

由圖1可知，實驗中制備的緩釋氧顆粒(OSRG)呈球形，平均粒徑在(8±2)mm，在釋氧開始的第1 d內(nèi)，OSRG釋放的氧氣主要與亞硫酸鈉反應(yīng)生成硫酸鈉，硫酸根的濃度在第12 h迅速從0增加至0.12 mol，因此在DO曲線上，此時的DO濃度維持在較低水平(<0.5 mg/L)，至第48 h基本達(dá)到最高，濃度為0.167 mol，隨后硫酸根濃度基本維持穩(wěn)定。結(jié)合DO曲線可知，在第24 h后，水中DO濃度從0.5 mg/L左右開始逐漸增加，但增加較為緩慢，至第4 d時，DO達(dá)到2.6 mg/L左右，這證實了OSRG具有緩釋氧能力。與已有研究相比，粉末過氧化鈣的釋氧時間一般在8 h內(nèi)[10]，而Lee等[2]制備的釋氧藻酸鹽球(ORABs)也僅能夠維持在2 d左右。因此，本實驗中制備的OSRG具有明顯的緩釋氧效果，能夠維持持續(xù)釋氧4 d以上。

圖1 緩釋氧顆粒形貌及釋氧過程Fig.1 The morphology and oxygen release process of OSRG

2.2 苯系物降解的強化效果及動力學(xué)分析

控制初始的苯和甲苯濃度均為100 mg/L，加入的緩釋氧劑質(zhì)量與苯和甲苯的質(zhì)量比為2∶1，考察污染物降解的動力學(xué)過程，結(jié)果見圖2。

圖2 苯系物降解曲線Fig.2 Degradation curves of BTEX

由圖2可知，馴化的混合種群具有良好的降解苯和甲苯的能力，二者的降解規(guī)律較為類似，均呈現(xiàn)快速降解和慢速降解兩個階段，初始濃度均為100 mg/L，1～6 d屬于快速降解階段，苯和甲苯的濃度從100 mg/L分別降至18.28 mg/L和21.5 mg/L，去除率分別為81.72%和78.5%；從6～9 d屬于慢速降解階段，濃度降低并不顯著，分別降至12.7 mg/L和19.6 mg/L，去除率分別為87.3%和80.4%。

實驗中甲苯的降解效率略低于苯，這可以歸因于化學(xué)結(jié)構(gòu)的差異，甲苯結(jié)構(gòu)中的甲基存在增加了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和氧化難度。比較來看，加入OSRG后，苯和甲苯的去除效率均高于在好氧條件下振蕩培養(yǎng)的對照組。此外，根據(jù)本實驗中污染物濃度的變化過程，可以將后續(xù)的微生物降解實驗周期控制在7 d。

根據(jù)有機物降解的動力學(xué)模型，分別進(jìn)行了一級動力學(xué)和二級動力學(xué)擬合，結(jié)果見圖3。

圖3 苯系物降解動力學(xué)模型Fig.3 Degradation kinetics models of BTEXA、B.一級動力學(xué)；C、D.二級動力學(xué)

由圖3可知，一級動力學(xué)擬合方程的R2均高于二級動力學(xué)，說明苯和甲苯的微生物降解動力學(xué)過程符合一級動力學(xué)模型，此時，加入OSRG的苯和甲苯的速率常數(shù)分別為0.23 d-1和0.22 d-1，高于對照組的0.21 d-1和0.18 d-1。Chiang等[11]認(rèn)為，符合一級動力學(xué)模型意味著反應(yīng)過程中的底物濃度小于半飽和常數(shù)，這說明OSRG作為釋氧劑可以提高水中苯和甲苯的去除效率，并且實驗中的初始濃度(100 mg/L)并未對微生物的降解過程產(chǎn)生抑制作用。

2.3 OSRG的強化機理

進(jìn)一步考察不加菌株條件下，OSRG與苯和甲苯的作用機理，結(jié)果見圖4。

圖4 緩釋氧顆粒的強化機理Fig.4 The improvement mechanism of OSRG

2.4 OSRG投加量的影響

2.4.1 對苯系物去除的影響 調(diào)整OSRG的投加量進(jìn)一步確定供氧量對混合菌群降解苯和甲苯的影響，結(jié)果見圖5。

由圖5可知，緩釋氧劑比例的逐漸增加，苯和甲苯的去除效率也隨之增加，這說明二者的降解依賴于供氧量，呈正相關(guān)性。最適的比例為2∶1，繼續(xù)增加OSRG的投加量，苯和甲苯的去除效率只有很小幅度(2%以內(nèi))的提高，去除率均高于80%。而當(dāng)比例較低時，出現(xiàn)了供氧量不足，導(dǎo)致體系中的苯和甲苯因缺乏電子受體而去除率降低，在1∶4的條件下，二者的去除率僅有40%左右。

圖5 OSRG投加量對苯和甲苯去除效果的影響Fig.5 Effect of OSRG dosage on removal rate of benzene and toluene

2.4.2 對微生物活性的影響 在微生物降解苯和甲苯過程中，微生物面臨多重脅迫作用，首先是來自苯和甲苯自身的毒性，其次是緩釋氧過程導(dǎo)致的pH波動，此外還包括緩釋氧投加后帶來的鹽度較高問題,這些都會影響緩釋氧劑在實際應(yīng)用中的有效性。依靠活死細(xì)菌熒光染色及流式細(xì)胞儀，可以獲得活細(xì)菌的比例,結(jié)果見圖6。

圖6 OSRG投加量對微生物活性的影響Fig.6 Effect of OSRG dosage on microbial activity A.初始接種菌液；B.不同OSRG投加量的微生物活性

3 結(jié)論

本研究證實了將所制備的緩釋氧顆粒應(yīng)用于強化水中苯和甲苯類苯系物的生物降解是完全可行的。強化微生物降解污染物過程中，緩釋氧顆粒除了提供氧氣外，還通過吸附和氧化作用來去除苯和甲苯。實驗中優(yōu)化的降解周期為7 d，緩釋氧顆粒與苯系物的質(zhì)量比為2∶1時，可以獲得80%以上的去除率，并且緩釋氧劑幾乎不影響微生物細(xì)胞的活性，具有重要的應(yīng)用價值。