隨著中國工業化和城鎮化的不斷發展,污染物的來源和種類變得非常復雜,當前環境污染問題已不僅僅只關注COD、N 和P 等綜合污染指標 。藥物和個人護理品(pharmaceutical and personal care products,PPCPs)等新型微污染物引起了人們的關注。其中,布洛芬(ibuprofen, IBU)為我國醫用常見的消炎鎮痛藥,近年來在水體環境中被頻繁地檢出 ,其被認為是我國環境風險最高和最需優先控制的PPCPs 之一 ,此類新型微污染物對水體COD 的貢獻微小,但往往會造成極大的潛在危害。

　　目前,PPCPs 的處理方法主要有膜處理技術、吸附法、高級氧化法 和生物法四大類及其組合工藝。其中,膜處理技術和吸附法僅發生相與相之間的轉移,均不能完全去除污染物質,含截獲PPCPs 的濾膜、吸附劑和濃縮水仍需進一步處置 。高級氧化法雖能夠徹底氧化污染物質,但有應用成本高、處理水量少的缺陷,難以應用在大規模的市政污水中;其次高級氧化法具物質選擇性,并不是所有污染物質都能被氧化去除。部分PPCPs 在高級氧化降解過程中甚至會生成毒性更強的中間產物 ,若工藝操作不當,則會帶來更嚴重的危害。然而,生物法具有處理水量大、應用成本低的優勢,具有明顯的可持續發展性。但研究表明,傳統生物法對PPCPs 的處理效果較差,且存在剩余污泥產量大,物耗能耗高等問題。因此,開發新型的高效低耗脫除有機微污染物的技術已成為亟待解決的問題。

　　基于上述問題, 本研究提出了新型的硫自養反硝化生物技術,該工藝以硫自養反硝化菌(sulfur denitrifyingbacteria, SDB)為主要功能菌群,在缺氧條件下以無機硫化物為電子供體,進行化能自養脫氮,能夠同時去除硫化物和硝酸鹽污染物 ,無需曝氣、操作運行簡單,動力消耗少。此外,SDB 為自養菌,相對于異養反硝化菌,更易于捕獲微量有機污染物并有效加以利用,同時研究表明,微量有機物的存在會提高反硝化菌的反硝化脫氮效率 ,且由于SDB 是低污泥產率菌群 ,剩余污泥產率較低,同時為工藝提供了更長的污泥齡(SRT),進而提高PPCPs 的處理效率。本研究將利用硫自養反硝化工藝處理含IBU 廢水,探討SDB 對IBU 的處理能力,考察其工藝運行特性,并初步研究布洛芬去除機理,為利用該工藝去除水中有機微污染物提供理論基礎。

　　1　材料與方法

　　1. 1　試劑與儀器

　　(1)主要試劑:IBU(純度> 99% ,Sigma-Aldrich);乙腈、甲醇和甲酸均為色譜純(德國默克股份兩合公司);其他試劑均為分析純:硝酸鉀、氯化鎂(天津市福晨化學試劑廠),磷酸二氫鉀,碳酸氫鈉(天津市大茂化學試劑廠)硫化鈉(廣州市化學試劑廠);

　　(2)主要儀器:高效液相色譜儀(Ultimate 3000, Thermo Scientific),配有二極管陣列檢測器(DAD);離子色譜儀(DIONEX ICS-900, Thermo Scientific) 配有陰離子分析柱(Ionpac As II-HC)、電導檢測器(ICAS23陰離子檢測器)和抑制器(ASRS-4 mm);UV2300Ⅱ 紫外可見分光光度計(島津);恒溫磁力攪拌器(IKA,RCT basic)。

　　1. 2　污泥來源及水質條件

　　實驗污泥均來源于實驗室培養800 d 左右的成熟SDB 活性污泥,污泥氮硫負荷分別為0. 33 kg N·(m3 ·d) - 1 和0. 62 kg N·(m3 ·d) - 1 ,脫氮效率保持在95% 以上。

　　本研究含IBU 廢水均采用人工模擬廢水,因易降解有機碳源的存在會抑制PPCPs 的生物去除,所以本研究廢水中不添加除IBU 以外的有機碳源。廢水主要成分為Na2 S·9H2 O(200 mg· L - 1 ),KNO3(93 mg·L - 1 ),KH2 PO4 (187. 5 mg·L - 1 ),NaHCO3 (125 mg·L - 1 ),MgCl2 (112. 5 mg·L - 1 ),進水pH 控制在7. 5 ± 0. 1,每天進水時投加適量的微量元素儲備液。儲備液成分為ZnSO4 0. 5 g·L - 1 ,CaCl2 2 g·L - 1 ,MnCl2 ·4H2 O 2. 5 g·L - 1 ,(NH4 )6 Mo7 O24 ·4H2 O 0. 5 g·L - 1 ,CuSO4 ·5H2 O 0. 1 g·L - 1 ,CoCl2 ·6H2 O0. 5 g·L - 1 ,FeCl2 ·4H2 O 3. 8 g·L - 1 ,濃HCl 50 mL·L - 1 。

　　1. 3　分析方法

　　IBU 的濃度采用高效液相色譜檢測,檢測條件如下:色譜柱:AcclaimTM 120 C18 (3 × 150 μm,3 μm),流動相A 為乙腈,B 為0. 1% 甲酸水溶液,A ∶ B = 65 ∶ 35,流速0. 3 mL·min - 1 ,柱溫30 ℃ ,進樣量25 μL,UV 檢測波長為205 nm。S2 - 反應前后的濃度采用亞甲藍分光光度法檢測。NO3- 、PO4^3- 、SO4^2- 和NO2- 反應前后的濃度采用離子色譜儀檢測。

　　1. 4　硫自養反硝化工藝實驗

　　1. 4. 1　反應器裝置

　　本研究采用的反應器如圖1 所示。反應器由有機玻璃制成,內徑50 mm,有效高度555 mm,有效容積1. 08 L,反應溫度控制為室溫。反應器系統包括進水系統、反應系統、內循環系統和出水系統,整個系統控制為缺氧狀態。

　　1. 4. 2　反應器啟動與運行

　　反應器進水每天更換以保證水質不會有太大變化,并通過蠕動泵將其輸送到反應器中與SDB 污泥接觸反應,出水以溢流的方式從出水管流出,水力停留時間( hydraulic retention time,HRT) 控制為4 h。為使SDB 污泥與污水能更好地混合接觸,提高傳質效果,內循環流量設計為5 Q。在反應器運行初始階段,添加IBU 到進水中,馴化系統中微生物以達到更好的去除效果,反應器在40 d 左右運行效果趨于穩定。

　　有研究表明,IBU 在污水處理廠進水及醫院出水中檢出頻率及濃度較高,其中在污水處理廠進水口IBU 檢出濃度最高達0. 4 ~ 84. 0 μg·L - 1,在醫院出水中IBU 檢出濃度在10 - 2 ~ 103 μg·L - 1 范圍內。因此,本研究實驗設計反應器共包括3 組,1 號反應器為低濃度實驗組,以模擬生活污水,IBU 進水濃度為100 μg·L - 1 ,濃度略高于實際生活污水IBU 濃度水平;2 號反應器為高濃度實驗組,以模擬醫院出水,IBU 進水濃度為1 000 μg·L - 1 ;研究指出當PPCPs 濃度與污泥濃度的比值低于2 × 10 - 3 時,PPCPs 的生物轉化動力學常數不受影響。3 號反應器為未添加IBU 的空白組。反應器的進出水水樣定期進行采集,并用0. 22 μm 的水相濾膜進行過濾,保存于4 ℃ ,24 h 內測樣。

　　1. 5　批次實驗

　　1. 5. 1　吸附實驗

　　準備適量的SDB 活性污泥,在高壓滅菌鍋中121 ℃ 條件下滅菌30 min,對污泥中的微生物進行滅活,考察滅活污泥對IBU 的吸附作用。批次實驗中,向錐形瓶(0. 5 L)內加入一定量沉降后的SDB 滅活污泥(約50 mL),使MLVSS 控制為1. 5 g·L - 1 ,隨后加人工配水至500 mL,最后加入適量的IBU 儲備液,使其濃度分別為0、100、500、1 000 和5 000 μg·L - 1 ,使用封口膜隔絕空氣,采用磁力攪拌進行攪拌(室溫,200 r·min - 1 ),反應進行6 d。每隔一定時間取上清液,并用0. 22 μm 的水相濾膜過濾到樣品瓶中,將樣品保存在4 ℃ 的冷庫中于24 h 內測樣。比較不同IBU 濃度下,SDB 污泥對IBU 的吸附。同時設置空白對照組,每組實驗均設置3 個平行。

　　1. 5. 2　生物降解實驗

　　為考察SDB 活性污泥對IBU 的生物降解作用,實驗采用未滅活的SDB 活性污泥來進行研究。其他實驗操作同上述吸附實驗。

　　2　結果與分析

　　2. 1　反應器運行效果

　　為保證反應器在穩定條件下運行,對反應器運行效果進行長期監測,每周取3 次樣,對NO3- 、NO2- 、S2 - 、SO4^2- 、S0 及污泥濃度進行長期監測。3 個反應器污泥濃度為MLSS = 7. 5 g·L - 1 ,VSS/ SS = 0. 4。反應器系統穩定運行120 d,反應器進出水各硫氮物質的運行效果如表1 所示。其中,3 號反應器為未添加IBU的空白組,其出水中NO3- 含量最高,NO3- 去除效率平均低于20% ,脫氮效率較低。而1 號和2 號反應器均為添加IBU 的實驗組,其反硝化脫氮效果均優于3 號反應器,NO3- 去除效率達到70% ~ 80% 。3 個反應器均沒有NO2- 的積累,且出水中均不存在硫化物,硫化物轉化率為100% 。硫化物在系統中的轉化途徑為:S2 - →S0 →SO4^2- 。3 個反應器出水中SO4^2- 濃度如表1 所示,且多余的硫化物被氧化成了硫單質(沒有檢測出S2O3^2- 、SO3^2- 等中間產物,故根據質量守恒可計算出出水中硫單質濃度)。3 號反應器為未添加IBU 的空白組,S2 - 為反應器系統中唯一的電子供體。從表1 可以看出,3 個反應器進水中65% 左右的S2 -被完全氧化成了SO4^2- ,35% 左右的S2 - 被氧化成了S0 。在3 個反應系統的反硝化過程中,硫化物作為電子供體,提供的電子數量是相當的。而1 號、2 號和3 號反應系統中,參與到反硝化過程的NO3- 分別為79% 、60% 和17% 左右。在硫化物提供相同數量的電子條件下,1 號和2 號反應器中被還原的NO3- 數量明顯多于3 號反應器。因此推測,在1 號和2 號反應器中,IBU 可為自養反硝化反應提供電子供體,促進反硝化脫氮效率。

表1　自養反硝化反應器運行效果

　　2. 2　IBU 去除效果

　　對進出水中IBU 濃度進行長期監測,1 號和2 號反應器中IBU 的進出水濃度如圖2 所示。從圖中可以看出,該工藝對低濃度及高濃度IBU 均有較好的去除效果,平均去除效率均大于95% ,平均比去除量分別為8. 3 和83. 8 μg·(g MLVSS·h) - 1 ,去除效果穩定。可見,硫自養反硝化系統能夠有效地去除廢水中的IBU。滑熠龍等利用SND 工藝去除IBU的研究中發現,當IBU 進水濃度從1 μg·L - 1 增加至100 μg·L - 1 時,IBU 的去除率從95% 下降至69% ,而本研究中IBU 進水濃度達到1 000 μg·L - 1 ,其去除率均大于95% 。與此同時,ALVARINO 等 研究發現布洛芬在缺氧和厭氧條件下的處理效果很差,去除率低于20% ,在好氧條件下則能達到較高的去除率(80% ),而本研究中在缺氧條件下,IBU 的去除率均能高于95% , 相比于好氧條件更節省能耗。CARBALLA 等 研究利用厭氧消化技術在常溫下處理IBU 時,發現IBU 的處理效果能達到40% ~60% ,但是其HRT > 15 d,而本研究中的HRT = 4 h已經有很好的處理效果。這可能由于生物菌群種類不同,而特定的生物菌群胞內或胞外存在某種功能酶可以催化IBU 的降解。硫自養反硝化工藝對不同初始濃度(100 μg·L - 1 和1 000 μg·L - 1 ) IBU去除率相近,原因可能為,在長期馴化過程中SDB 產生了促進IBU 生物轉化的關鍵酶或酶系,從而促進IBU 實現生物轉化,部分IBU 為自養反硝化提供電子,部分轉化為其他代謝產物,故出水中IBU 濃度較低。為進一步探討SDB 去除IBU 的機理,設計了吸附和生物降解批次實驗進行探究。

　　2. 3　IBU 的去除機理

　　2. 3. 1　IBU 的吸附

　　本研究中考察了SDB 滅活污泥對不同濃度IBU的處理能力。從圖3 可以看出,隨著時間的延長,SDB 滅活污泥對IBU 的吸附量在增加, 在24 h 時,吸附達到平衡,IBU 的吸附量達到最高,不同IBU 的初始濃度100、500、1 000 和5 000 μg·L - 1 對應最大吸附量分別為9. 3、47. 0、135. 6 和520. 5 μg · ( gMLSS) - 1 。可見,隨著IBU 初始濃度增加,單位吸附量隨之增加,這是由于濃度梯度變大提高了反應驅動力,克服了傳質阻力,使IBU 和生物細胞之間的碰撞幾率增加,從而提高吸附量。而隨著實驗的進行,經歷短暫的吸附平衡(24 ~ 40 h),在40 h 后,IBU 又發生解吸過程,且IBU 起始濃度越大解吸過程越明顯,在72 h 達到吸附解吸平衡。平衡時,SDB 滅活污泥對IBU 的吸附去除率分別為21. 7% 、17. 0% 、29. 9% 和14. 8% ,單位吸附量分別為4. 4、16. 9、71. 3 和140. 9 μg·(g MLSS) - 1 。可見,SDB 滅活污泥對不同濃度的IBU 去除效果較差,去除率均< 30% 。BENIOT 等在死體/ 活體生物吸附有機物的研究中發現,惰性吸附主要是發生在生物細胞表面上的快速吸附,且該過程是可逆的。在本研究中惰性吸附隨著時間的延長,吸附在生物表面的污染物質會發生解吸,且到一定時間,吸附率與解吸率一致,從而達到吸附平衡狀態。

　　2. 3. 2　IBU 的生物降解

　　通過惰性吸附實驗和生物降解實驗的對比,可以探討SDB 活性污泥對IBU 的處理能力及其去除機理。從圖4 可以看出,在反應時間24 h 內,IBU 濃度下降緩慢,去除率為6. 7% ~ 18. 1% 。此時,SDB 主要通過吸附作用將水相中的IBU 轉移至胞體上 ,IBU 的比去除量分別達到0. 5、1. 6、3. 1 和6. 8 μg·(g MLVSS·h) - 1 。對比圖3 可知,活性污泥的生物吸附作用比較弱,這是由于滅活污泥的細胞表面發生了結構變化,通透性增強,污染物易進出細胞內部,因此細胞會表現出更好的污染物積累效果,同時污染物也容易發生解吸,故在24 h 內,滅活污泥比活性污泥對IBU 的吸附作用強。在生物降解反應后期,隨著培養時間的延長,生物降解作用逐漸增強,從60 h 后,SDB 開始加快對IBU 的降解作用,IBU 濃度急劇下降,直至降為零。隨著IBU 起始濃度的增加,SDB 完全降解IBU 所需的時間增加,時間跨度為82 ~ 106 h,而SDB 對IBU 的單位去除速率進一步增加,比去除量分別為0. 76、2. 49、6. 5 和23. 8 μg·(g MLVSS·h) - 1 。

　　2. 3. 3　SDB 降解IBU 作用機理討論

　　通過惰性吸附和生物降解實驗,研究發現SDB 去除IBU 的機制主要為吸附和生物降解,且生物降解起主要作用。

　　一般而言,水處理過程中生物降解作用主要有直接作用和共代謝作用。直接作用即微生物以目標降解物質為主要碳源和能源,對于一些有毒有害物質,微生物不能以其為碳源和能源生長,但在其他生長基質存在的前提下能夠改變這種有害物的化學結構使其降解,即為共代謝作用。

　　IBU 在天然環境和污水處理系統中的濃度水平很低(ng·L - 1 ~ μg·L - 1 )。因此,對于微生物而言,它不足以充當唯一的碳源及能量來源,以保障微生物的新陳代謝。國內外研究表明IBU 的降解最大可能是由于微生物的共代謝行為,特別是自養菌主要通過共代謝作用降解IBU 等有機微污染物。本研究的SDB 為硫自養反硝化菌,由實驗結果推測,IBU 可能是以共代謝的形式實現生物轉化,從理論上分析,可能是硫自養反硝化菌在生長代謝過程中產生了促進IBU 降解的關鍵酶或酶系,從而促進IBU 的轉化去除 。但要驗證并完好闡述硫自養反硝化共代謝IBU 的機理還需進一步深入的研究。具體參見污水寶商城資料或http://m.xhxdt.com更多相關技術文檔。

　　3　結論

　　1)硫自養反硝化實驗室小試中,低濃度(100 μg·L - 1 )和高濃度(1 000 μg·L - 1 )的IBU 均能被有效去除,平均去除率> 95% ,說明了該工藝去除IBU 的可行性。

　　2)SDB 滅活污泥和活性污泥均對IBU 有去除效果,滅活污泥的去除率為30% ,活性污泥的去除率則為100% ,說明SDB 處理IBU 的機理有吸附和生物降解兩種作用,而生物降解起主要作用。

　　3)添加IBU 的硫自養反硝化反應系統中,反硝化效果要明顯優于未添加IBU 的反應系統,表明當電子供體不足時,IBU 可作為電子供體補充SDB 的反硝化脫氮過程電子需求。

　　4)與其他技術相比,硫自養反硝化技術去除IBU,無需曝氣,能耗低;污泥產率低,無剩余污泥,是一種低耗高效的生物處理技術。