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苯酚是重要的有机化工原料，在石油、化工、皮革加工、纺织和制药工业产生的废水中均含有酚类化合物[1-2]。含苯酚废水的处理方法有很多[3-5]。生物法因其处理量大、成本低、二次污染少等优点逐渐成为处理苯酚废水的主要方法[6-8]。生物法主要包括活性污泥法[9]、生物流化床法[10]、固定化细胞法[11]、生物膜法[12-14]等。CHEN等[15]用活性污泥法处理苯酚废水，处理80 d后将进水的苯酚质量浓度提高至350 mg·L−1，此时微生物活性受到抑制，苯酚去除率下降；保持进水苯酚质量浓度不变，在110 d后，活性污泥对苯酚去除率接近于0。LEONG等[16]用序批式反应器(sequencing batch reactor，SBR)处理含苯酚的废水并逐步提高进水苯酚质量浓度，在处理90 d、苯酚质量浓度提高至400 mg·L−1时，污泥活性受苯酚毒性抑制，沉降性能变差。王欢[17]利用填充床电化学生物反应器处理质量浓度为0~250 mg·L−1的苯酚废水，苯酚去除率随其质量浓度的上升而下降，在苯酚质量浓度为250 mg·L−1时去除率为54.59%。上述研究在使用生物膜法和活性污泥法处理苯酚质量浓度逐步递增的废水时，存在苯酚质量浓度提高后微生物活性受到抑制，苯酚去除率下降的问题。
复合式生物膜处理技术兼有生物膜和活性污泥的优点，是污水生物处理中有机物高效消减的主要技术之一，但存在降解速率快时进水苯酚质量浓度低，处理高质量浓度苯酚废水时启动期长的问题。ALVES等[18]用活性污泥－移动床生物膜一体化反应器处理含有高质量浓度苯酚的废水，运行220 d后可以完全处理2 000 mg·L−1的苯酚。ZHUANG等[19]通过投加苯酚降解菌缩短了序批式生物膜反应器(sequencing biofilm batch reactor，SBBR)的启动期，苯酚降解率由75%提高到89%。ISMAIL[20]用SBBR处理苯酚质量浓度为20 mg·L−1的苯酚废水，在150 min时苯酚即可完全降解。YUSOFF等[21]用混合生长序批式反应器(hybrid growth sequencing batch reactor，HG-SBR)处理苯酚质量浓度为200 mg·L−1的苯酚废水，15 min后苯酚质量浓度下降到55 mg·L−1，6 h后苯酚去除率达到98%。
苯酚的生物降解依赖于微生物的功能和活性，微生物特性可以有效地阐明降解机制并影响微生物过程的性能[15]。苯酚毒性会影响活性污泥和生物膜的性能，进而影响苯酚的生物降解，因此，探索在进水苯酚质量浓度提升过程中活性污泥和生物膜性能与苯酚降解的相关性具有重要意义[22-23]。
本研究通过自制的活性污泥－生物膜一体化反应器处理含苯酚废水，测定了在进水苯酚质量浓度逐渐递增的条件下反应器中苯酚和COD的去除率；同时，在此基础上考察了生物膜干质量(suspended solid，SS)、挥发性干质量(volatile suspended solid，VSS)、活性生物量、脱氢酶活性(dehydrogenase activity，DHA)、胞外聚合物(extracellular polymer substances，EPS)的变化特征，并进一步分析了各指标之间的相关性，以期为反应器处理苯酚和其他含酚类化合物废水的应用提供参考。
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如图1所示，反应器主体由有机玻璃制成，反应器容积12 L，长、宽、高分别为200、200、300 mm，有效容积为10 L。在活性污泥中放置填料作为微生物生长的载体，使反应器内同时存在悬浮生长微生物和附着生长微生物，形成生物膜与活性污泥共存的系统。反应器内部填充外径25 mm的圆球状陶粒填料，填充率为70%。使用内置加热棒控制温度，侧壁设有取样口，底部设有排泥口，通过反应器的排泥口定期排出载体上脱落的生物膜，反应器底部设曝气砂头，外部连接曝气泵供气，使用气体流量计控制曝气量。
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实验用水为自配的模拟污水，其主要组成成分为3 000~4 000 mg·L−1 COD、0~500 mg·L−1 苯酚、2 500 mg·L−1葡萄糖、2 500 mg·L−1 蛋白胨、2 500 mg·L−1 酵母浸粉、500 mg·L−1 牛肉膏、440 mg·L−1 NaHCO3 、210 mg·L−1 KH2PO4 、266 mg·L−1 MgSO4·7H2O 、24 mg·L−1 MnSO4·7H2O 、24 mg·L−1 CaCl2 和微量FeSO4，pH为7~8。反应器在挂膜阶段不添加苯酚，以50 mg·L−1为梯度，逐步提高系统进水苯酚质量浓度至500 mg·L−1，并在苯酚为500 mg·L−1下继续稳定15 d。不同阶段的初始苯酚质量浓度设置如表1所示。反应器接种污泥取自湖北省孝昌县污水处理厂二沉池，污泥质量浓度约为2 300 mg·L−1左右，SV30为28%~30%。
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反应器填料挂膜采用污泥接种法，分别取3 L接种污泥加入4个反应器中，连续加入不含苯酚的自配模拟废水，控制溶解氧为3.0~5.0 mg·L−1，在25 ℃下曝气培养10 d。在10 d后开始加入自配含苯酚模拟废水进行实验，定时取样测定进出水COD和苯酚的含量，且同步测定SS、VSS、活性生物量、DHA和EPS，考察反应器微生物特性与苯酚处理效果的关系。
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采用便携式溶解氧分析仪(HJ/T99-2003)测定DO，采用数显pH计(上海雷磁PHS-3C)测定pH；采用快速消解法(HJ/T 399-2007)测定COD[24]；采用4-氨基安替比林分光光度法(HJ503-2009)[25]测定苯酚质量浓度；生物膜通过化学法加超声进行剥落[26]；SS、VSS参照国家标准方法(GB 11901-89)测定[27]。采用脂磷法(GB/T11893-1989)测定生物膜活性生物量，以钼酸铵分光光度法测定消解液中磷酸盐含量[28]；生物膜微生物活性采用氯化三苯基四氮唑(TTC)－脱氢酶活性测定法[29]。以热提法提取EPS[30]，苯酚－硫酸法测定多糖(polyacrylamide, PS)含量[31]，采用考马斯亮蓝法测定蛋白质(protein, PN)含量[32]。
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如图2所示，反应器启动期间苯酚和COD去除率均随运行时间呈现先降后升的趋势。当进水苯酚质量浓度为50 mg·L−1时，苯酚和COD去除率分别为98.88%和37.74%。随着进水苯酚质量浓度的进一步提高，一体化反应器启动初期微生物抗苯酚负荷能力变差，苯酚的毒性抑制了微生物生长，导致苯酚和COD去除率下降。此结果与刘国洋等[8]得到的结果相似。经过苯酚适应驯化一定时间后，反应器抗苯酚负荷能力逐渐增强。当苯酚质量浓度持续增加到250~500 mg·L−1时，反应器已适应苯酚。相比其他研究的结果[15-18]，本研究中的反应器启动期更短，苯酚质量浓度提高后反应器仍能稳定地去除苯酚和COD，去除率分别稳定在97%和60%以上。当进水苯酚质量浓度在500 mg·L−1后持续运行15 d，苯酚去除率均在99%以上，反应器仍保持较好的COD去除率。这说明反应器可以维持对苯酚的高效降解。上述结果表明，逐渐提高进水苯酚质量浓度对一体化反应器进行适应性驯化后，反应器适应苯酚负荷的能力增强，能稳定、高效地去除苯酚和COD。
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实验中测定了递增的进水苯酚质量浓度下SS、VSS、活性生物量、DHA、EPS的变化。用SPSS13.0软件分析各指标之间的相关性，结果如表2所示。
1)生物膜量的变化。SS是描述生物膜参数中最为常用的指标，反映生物膜总量；VSS反映生物膜中有机组分的含量，COD可间接估算固定生物量[33-34]。SS与VSS、SS与COD之间均有显著的相关性(P＜0.01)，VSS、COD同SS变化趋势一致，说明反应器内活性微生物在逐渐适应反应器内苯酚浓度的变化。图3反映了启动期间SS、VSS、COD的变化情况。在进水中没有添加苯酚时，微生物初始附着，生物膜缓慢形成；当进水苯酚质量浓度由50 mg·L−1逐渐增大到100 mg·L−1时，SS、VSS、COD均逐渐增大，说明生物膜量缓慢增长；当进水苯酚质量浓度继续增大到150~300 mg·L−1时，SS、VSS、COD同时减少，说明此时部分微生物无法耐受苯酚毒性，生物膜脱落，导致生物膜量迅速减少。随后，生物膜逐渐适应苯酚，生物膜进入新的生长阶段，SS、VSS、COD均逐渐增加。当苯酚质量浓度维持在500 mg·L−1时，生物膜量最高，说明此时生物膜已适应了苯酚浓度的变化。
2)活性生物量的变化。脂磷法测生物量为原位测定，萃取的是全体活细胞的磷脂，所测得的磷含量可以反映全体微生物的真实活性生物量[35]。本研究中在反应器启动期间，使用脂磷法测定了活性生物量。由图4可以看出，随着苯酚质量浓度递增至500 mg·L−1，磷含量由0.98 mg·L−1增至1.72 mg·L−1。当进水苯酚质量浓度为250~500 mg·L−1时，反应器出水磷含量明显高于低浓度苯酚进水所对应的出水磷含量，表明生物膜活性生物量增加，苯酚和COD去除效果得到强化。活性生物量与苯酚去除率显著相关(P＜0.01)。这与苯酚去除率和COD去除率在进水苯酚质量浓度为250 mg·L−1时升高的结果一致(图2)。
此外，探究了在进水苯酚质量浓度为500 mg·L−1时反应器内活性生物量和磷含量随时间的变化。如图5所示，反应器运行12 d后，出水磷含量达到最高，为33.76 mg·L−1；随后开始下降，运行到24 d时出水磷含量降至11.18 mg·L−1。此结果表明，在反应器持续运行前12 d，反应器内异养菌被丰富的养料供给而大量繁殖，活性生物量快速增长；而在12 d后，随着苯酚的降解和有机物的消耗，微生物缺乏营养物质，自身增殖的速度减慢，导致活性生物量下降。总体来看，0~12 d为微生物最活跃阶段，活性生物量增加，这有利于苯酚降解。
3)脱氢酶活性分析。DHA可以表示微生物活性及生物代谢苯酚等有机物的能力[36]。磷含量与DHA、DHA和苯酚降解率之间有显著的相关性(P＜0.01)，DHA与磷含量变化趋势一致，说明DHA能反映微生物活性；两者含量增加时，苯酚去除率同时增加，说明两者的变化能反映反应器代谢苯酚能力。如图6所示，随着进水苯酚浓度的提高，DHA先增后降。当进水苯酚质量浓度为0~300 mg·L−1时，DHA逐渐升高至57.02 mg·g−1；随着进水苯酚质量浓度的增加，苯酚作为有机碳源对微生物活性有增强作用，但苯酚质量浓度超过300 mg·L−1时，其毒性抑制了微生物活性，导致DHA降低。这与XIAO[33]的研究结果一致。DHA的增加说明反应器对苯酚和COD去除效果有所增强。
此外，还探究了在进水苯酚质量浓度为500 mg·L−1时反应器内DHA的变化趋势，结果如图7所示。随着处理时间的延长，DHA先逐渐升高，而后趋于稳定，再逐渐降低。在0~9 d内，DHA逐渐增大到57.26 mg·g−1，DHA增长率达到最大值37.72%。第12~21 天，DHA基本稳定在50.48 mg·g−1，此时反应器内微生物的增长与衰亡处于动态平衡阶段，能稳定有效地处理苯酚废水。第24 天开始，DHA逐渐降低至8.63 mg·g−1，与DHA稳定值相比，降低了82.9%。结合COD数值的上升趋势，推测产生此现象的原因是生物膜逐渐衰老，死亡微生物大大超出新生的微生物，使得DHA值降低，从而导致反应器对含酚废水的处理效果下降。
4)胞外聚合物的变化特征。EPS是在一定条件下微生物分泌于体外的高分子黏性聚合物，还包括一些细胞脱落物以及从环境中吸附的有机物。EPS可减少有毒物质对微生物的损害，其含量大小可反映出生物膜的活性水平[37]。由图8可见，启动初期进水苯酚质量浓度为0~150 mg·L−1时，反应器尚未适应苯酚，微生物通过分泌大量EPS以对抗苯酚对微生物的毒害，EPS最高可达到310.52 mg·g−1，PN为150.70 mg·g−1，PS为150.82 mg·g−1。当苯酚质量浓度为200 mg·L−1时，反应器苯酚去除率仅为26%，EPS作为营养物质被微生物消耗，EPS下降至164.92 mg·g−1，这与CHEN[15]的研究结果一致。随着进水苯酚初始质量浓度增加到250~500 mg·L−1，反应器苯酚去除率在97%以上，微生物对苯酚适应性增强，EPS含量开始逐渐下降。
EPS主要由PN和PS组成，EPS的亲水性随着PN/PS比率的增加而降低，而低亲水性有利于微生物与酚类化合物的接触，可以诱导微生物分泌更多酶降解苯酚[37]。当进水苯酚质量浓度为50 mg·L−1时，PN/PS比率为0.71。当苯酚质量浓度增大到250 mg·L−1时，PN/PS比值达到最高，为1.39，此时PN在胞外聚合物中的比重最大，EPS亲水性最低，从而促进微生物和苯酚的接触，因此，反应器适应苯酚，对苯酚的去除率达到97.70%。当进水苯酚质量浓度为250~350 mg·L−1时，反应器适应苯酚质量浓度变化期间，随着活性生物量的增加，微生物将PN、PS作为营养物质消耗[38]，PN/PS比率下降。当进水苯酚质量浓度为350 ~500 mg·L−1时，因苯酚浓度上升对微生物的抑制作用使活性生物量减少，导致生物膜分泌更多的PN降低亲水性，以维持反应器对苯酚的适应能力和对苯酚的降解率。
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1)使用一体化反应器处理初始质量浓度逐渐提高的苯酚废水，苯酚和COD去除率均呈先降后升的趋势。在进水苯酚质量浓度超过250 mg·L−1后，反应器适应了苯酚负荷的冲击，苯酚和COD的去除率较为稳定，分别保持在97%和60%以上。
2) SS、活性生物量、DHA整体呈上升趋势，在苯酚质量浓度为500 mg·L−1时，SS达到41 mg，磷含量达到1.72 mg·L−1，DHA达到46.36 mg·g−1，说明反应器降解苯酚的能力有所加强；在进水苯酚质量浓度为500 mg·L−1时，微生物活性在第12 天达到最高。
3)逐渐提高苯酚质量浓度会刺激反应器内的微生物分泌更多EPS。当进水苯酚质量浓度为250 mg·L−1时，PN/PS比值最高，EPS亲水性最低，因而有利于微生物与苯酚接触，可促进反应器对苯酚负荷冲击的适应能力。
活性污泥-生物膜一体化反应器对废水中苯酚的降解性能
Degradation performance of phenol in wastewater by activated sludge - biofilm integrated reactor
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摘要: 利用活性污泥-生物膜一体化反应器处理含苯酚废水，考察了反应器对苯酚和COD的处理效果以及反应器运行中生物膜干质量(SS)、挥发性干质量(VSS)、活性生物量、脱氢酶活性(DHA)、胞外聚合物(EPS)的变化，探究了生物膜特性与废水处理效果之间的关系。结果表明：在进水苯酚质量浓度由50 mg·L−1逐步提高到500 mg·L−1的过程中，苯酚和COD去除率均呈先降后升的趋势；当进水苯酚质量浓度为250 mg·L−1时，反应器能适应苯酚冲击，苯酚和COD去除率分别稳定在97%和60%以上；当进水苯酚质量浓度为500 mg·L−1时，苯酚去除率可达到99%，同期SS、VSS、活性生物量及DHA(22.03~57.07 mg·g−1)的变化亦反映出生物膜性能的提升，说明反应器对苯酚质量浓度变化的适应能力较强。此外，EPS质量分数为42.99~310.51 mg·g−1，蛋白质(PN)与多糖(PS)的质量比为0.67~1.39，且当初始苯酚质量浓度为250 mg·L−1时，PN/PS值最高，EPS亲水性低，生物膜可高效降解苯酚。以上研究结果表明，逐渐提高进水苯酚质量浓度能有效提高活性污泥－生物膜一体化反应器对苯酚的适应性和降解率。
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关键词:
- 苯酚 /
- 活性污泥-生物膜一体化反应器 /
- 脱氢酶活性 /
- 胞外聚合物
Abstract: An activated sludge-biofilm integrated reactor was used to treat phenol wastewater. The removal efficiencies of phenol and COD by the reactor, as well as the variations of suspended solid (SS), volatile suspended solid (VSS), active biomass, dehydrogenase activity (DHA) and extracellular polymer substances (EPS) of biofilm, were investigated. The results showed that the removal efficiencies of phenol and COD decreased firstly and then increased with the increasing of phenol concentration from 50 mg·L−1 to 500 mg·L−1. When the phenol concentration increased to 250 mg·L−1, the reactor was able to phenol shock, and the removal efficiencies of phenol and COD stabilized above 97% and 60%, respectively. When the initial phenol concentration was 500 mg·L−1, the phenol removal efficiency could reach 99%. The changes of SS, VSS, active biomass and DHA(22.03~57.07 mg·g−1) during the same period could reflect the improvement of the reactor treatment efficiency, implying that the adaptability to phenol for the reactor was enhanced. In addition, the mass fraction of EPS and mass ratio of protein (PN) / polysaccharides (PS) were in the range of 42.99~310.51 mg·g-1 and 0.67~1.39, respectively. When the initial phenol concentration was 250 mg·L−1, the highest PN/PS ratio occurred and EPS had low hydrophilicity, which indicated that biofilms could efficiently degrade phenol. The results showed that gradually increasing phenol concentration could effectively improve the adaptability of the biofilm reactor to phenol and its removal efficiency. -
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图 2 不同初始苯酚质量浓度下苯酚和COD去除效果
Figure 2. Phenol and COD removal efficiencies at different phenol concentrations
图 3 不同初始苯酚质量浓度下出水SS、VSS、COD的变化趋势
Figure 3. The changing trend of SS、VSS、COD in the effluent with different initial phenol mass concentrations
图 4 不同初始苯酚质量浓度下磷含量的变化趋势
Figure 4. The changing trend of phosphorus content with different initial phenol mass concentration
图 5 进水初始苯酚质量浓度 500 mg·L−1时磷含量随时间变化
Figure 5. Variation of phosphorus content with time at the initial phenol concentration of 500 mg·L−1
图 6 不同初始苯酚质量浓度下脱氢酶活性变化
Figure 6. Variation of dehydrogenase activity with different initial phenol concentration
图 7 进水初始苯酚质量浓度 500 mg·L−1 时DHA随时间变化
Figure 7. Variation of DHA with time at the initial phenol concentration in the influent of 500 mg·L−1
图 8 胞外聚合物随不同初始苯酚质量浓度的变化
Figure 8. Variation of extracellular polymers with different initial phenol mass concentrations
表 1 不同阶段苯酚质量浓度
Table 1. Phenol concentration at different stages
运行时
间/d初始苯酚质量
浓度/(mg·L−1)运行时
间/d初始苯酚质量
浓度/(mg·L−1)1~5 50 31~35 350 6~10 100 36~40 400 11~15 150 41~45 450 16~20 200 46~50 500 21~25 250 51~55 500 26~30 300 56~60 500 
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表 2 各指标之间的相关性分析
Table 2. Correlation analysis between indicators
指标1 指标2 相关系数r P SS VSS 0.88 ＜0.01 SS COD 0.94 ＜0.01 SS 磷含量 0.31 ＞0.05 磷含量 苯酚去除率 0.88 ＜0.01 DHA 苯酚去除率 0.88 ＜0.01 磷含量 DHA 1 ＜0.01 PN/PS 苯酚去除率 0.30 ＞0.05 注：相关系数r为2个指标的皮尔森相关系数，P＜0.01表示2个指标有显著的相关性。
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