酚類物質(zhì)是工業(yè)廢水中常見的有毒污染物，大多城市污水處理廠收納各種工業(yè)廢水〔1〕，酚類有機(jī)物進(jìn)入污水處理廠生化處理系統(tǒng)后會(huì)傷害活性污泥菌體的細(xì)胞膜，對(duì)微生物產(chǎn)生抑制與毒害作用〔2〕，影響污水處理廠的正常運(yùn)行。因此有必要研究確定廢水中這些有機(jī)污染物對(duì)活性污泥的抑制閾值，以控制其在進(jìn)水中的含量，*大限度地減少此類有毒物質(zhì)對(duì)污水處理廠的沖擊。

2，4-二叔丁基苯酚是某污水處理廠檢出的含量較高的一種有機(jī)污染物〔3〕，其是精細(xì)化工產(chǎn)品的重要中間體〔4〕。2，4-二叔丁基苯酚對(duì)某些植物和土壤微生物均可產(chǎn)生顯著影響〔5〕，但是有關(guān)2，4-二叔丁基苯酚對(duì)活性污泥微生物毒性抑制的研究國(guó)內(nèi)外未見報(bào)道。因此筆者通過厭氧產(chǎn)甲烷〔6, 7〕和活性污泥呼吸抑制試驗(yàn)〔8〕來分別研究不同質(zhì)量濃度的2，4-二叔丁基苯酚對(duì)活性污泥微生物的厭氧毒性和好氧毒性，以期為污水處理廠的穩(wěn)定運(yùn)行和對(duì)進(jìn)水水質(zhì)的管理要求提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

2，4-二叔丁基苯酚(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為99.5%)，百靈威科技有限公司;好氧活性污泥取自石家莊某污水處理廠氧化溝曝氣池;厭氧接種污泥取自上述污水廠厭氧反應(yīng)池。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

3K-15型高速冷凍離心機(jī)，美國(guó)SIGMA公司;ProODO溶解氧測(cè)定儀，美國(guó)YSI公司;HJ-6型磁力加熱攪拌器，常州國(guó)華電器有限公司;曝氣裝置、厭氧產(chǎn)甲烷裝置，自制。

1.3 厭氧產(chǎn)甲烷實(shí)驗(yàn)

(1)實(shí)驗(yàn)用水。由超純水、葡萄糖、營(yíng)養(yǎng)液和微量元素(成分見表 1)混合配制，配制時(shí)每克COD加入營(yíng)養(yǎng)液和微量元素各1 mL。

(2)實(shí)驗(yàn)裝置。厭氧產(chǎn)甲烷實(shí)驗(yàn)裝置如圖 1所示。

圖 1 厭氧毒性實(shí)驗(yàn)裝置

分別選用容積為500 mL 的醫(yī)用葡萄糖瓶作為反應(yīng)瓶和堿液吸收瓶，瓶口用醫(yī)用橡皮塞密封。采用恒溫水浴鍋加熱，溫度控制在35 ℃左右。經(jīng)過厭氧消化，反應(yīng)瓶中的有機(jī)物被降解產(chǎn)生甲烷和二氧化碳?xì)怏w，氣體沿導(dǎo)管進(jìn)入裝有0.1 mol/L NaOH溶液的吸收瓶，二氧化碳被吸收，甲烷存留在堿液吸收瓶中，采用排水法測(cè)定甲烷產(chǎn)生量。

(3)實(shí)驗(yàn)操作。取一定量離心洗滌過的接種污泥加入500 mL反應(yīng)瓶中，然后加入一定量的葡萄糖、營(yíng)養(yǎng)母液、微量元素和受試物，用超純水定容至500 mL混勻，使反應(yīng)液的COD為1 000 mg/L、污泥VSS為1 500 mg/L，并加入適量NaHCO3調(diào)節(jié)瓶?jī)?nèi)反應(yīng)物的pH至7.0左右。實(shí)驗(yàn)以不含有毒物質(zhì)的葡萄糖培養(yǎng)液為對(duì)照樣，故對(duì)照樣不加受試物，其他組成與受試樣相同，測(cè)定條件也完全相同。

向各反應(yīng)瓶中通入CH4，排走體系中的O2，從而使反應(yīng)瓶?jī)?nèi)達(dá)到厭氧條件。同時(shí)可使CH4在反應(yīng)液體中達(dá)到飽和，減少實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)誤差。按圖 1連接好管路，并在管路上安裝單向閥，防止堿液倒吸進(jìn)入反應(yīng)瓶影響微生物活性。密封瓶口，將反應(yīng)瓶置于恒溫水浴中，計(jì)時(shí)啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)。每24 h記錄各反應(yīng)瓶不同時(shí)刻的甲烷產(chǎn)量，每次讀數(shù)后搖動(dòng)反應(yīng)瓶，使基質(zhì)與厭氧污泥充分接觸。實(shí)驗(yàn)測(cè)定時(shí)間為5 d。

(4)分析方法。厭氧毒性即是確定某種有毒物質(zhì)在一定濃度下使厭氧污泥中甲烷菌的產(chǎn)甲烷活性下降的程度。有毒物質(zhì)對(duì)甲烷菌的抑制強(qiáng)度用相對(duì)活性(RA)來表示，可用式(1)計(jì)算。

 

式中：Vt——t時(shí)刻受試樣的甲烷累計(jì)產(chǎn)量，mL;

V對(duì)照——t時(shí)刻對(duì)照樣的甲烷累計(jì)產(chǎn)量，mL。

RA為75%～95%表示輕度抑制，40%～75%表示中度抑制，<40%表示重度抑制〔9〕。RA數(shù)值的高低可反映出甲烷菌受有毒物質(zhì)的抑制程度，RA越大表示毒性越小，RA越小則毒性越大。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)用Origin 8.5軟件處理，通過Logistic模型方程〔10〕擬合得到質(zhì)量濃度對(duì)相對(duì)活性的曲線，據(jù)此來定量表征2，4-二叔丁基苯酚對(duì)厭氧微生物的毒性，并結(jié)合式(1)評(píng)價(jià)不同質(zhì)量濃度的2，4-二叔丁基苯酚對(duì)厭氧微生物的抑制程度。

1.4 好氧呼吸抑制實(shí)驗(yàn)

(1)營(yíng)養(yǎng)液的配制。取蛋白胨16.0 g、牛肉膏11.0 g 、尿素3 g、氯化鈉0.7 g、二水氯化鈣0.4 g、七水硫酸鎂0.2 g、磷酸氫二鉀2.8 g，用超純水溶解搖勻定容至1 L。

(2)活性污泥微生物接種液的配制。實(shí)驗(yàn)所用好氧活性污泥取自石家莊某污水處理廠的氧化溝曝氣池，取回實(shí)驗(yàn)室后用超純水洗滌、離心，以消除曝氣池中污泥吸附的外源基質(zhì)對(duì)測(cè)定結(jié)果的影響。取少量洗滌后的污泥干燥、稱重，計(jì)算出實(shí)驗(yàn)所需污泥量。配制質(zhì)量濃度為4 g/L的活性污泥懸浮液待用。

(3)實(shí)驗(yàn)操作。取200 mL上述活性污泥接種液，加入16 mL營(yíng)養(yǎng)液及不同量受試物儲(chǔ)備液，稀釋至500 mL混勻，得到一系列含不同質(zhì)量濃度受試物的實(shí)驗(yàn)溶液。將實(shí)驗(yàn)溶液在(20±2) ℃下曝氣培養(yǎng)3 h，曝氣量控制在0.5 ~1 L/min。3 h后停止曝氣，立即將實(shí)驗(yàn)溶液混勻并注滿裝入轉(zhuǎn)子錐形瓶，插入溶解氧測(cè)定儀，保證沒有氣泡并有少量實(shí)驗(yàn)液溢出以達(dá)到水封目的。將錐形瓶置于磁力加熱攪拌器上，恒溫20 ℃。計(jì)時(shí)啟動(dòng)，每隔1 min自動(dòng)記錄1次溶解氧數(shù)值，待溶解氧降至1 mg/L時(shí)，停止實(shí)驗(yàn)。

(4)分析方法。根據(jù)溶解氧測(cè)定值繪制溶解氧與測(cè)定時(shí)間的關(guān)系曲線，并對(duì)曲線進(jìn)行線性回歸得到其斜率，即為待測(cè)廢水的活性污泥耗氧速率R。受試物呼吸抑制率Rin可用式(2)表示。

 

式中： Rin——受試物呼吸抑制率，%;

Rs——受試物受試濃度下的耗氧速率，mg/(L·min);

Rc——對(duì)照組耗氧速率，mg/(L·min)。

按式(2)計(jì)算每一實(shí)驗(yàn)濃度下的抑制率，用Origin 8.5軟件根據(jù)Logistic方程擬合抑制率對(duì)濃度的曲線，分析毒性抑制情況，并計(jì)算出2，4-二叔丁基苯酚對(duì)活性污泥的半數(shù)抑制濃度(EC50)。

2 結(jié)果與討論 
2.1 厭氧毒性實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

在反應(yīng)液COD為1 000 mg/L、污泥VSS為1 500mg/L 、反應(yīng)溫度為35 ℃，2，4-二叔丁基苯酚質(zhì)量濃度分別為10、50、100、 200、400 mg/L時(shí)，甲烷累計(jì)產(chǎn)量變化趨勢(shì)如圖 2所示。從圖 2可以看出，同一時(shí)刻不同質(zhì)量濃度受試樣的甲烷累計(jì)產(chǎn)量隨著受試物質(zhì)量濃度的增加逐漸降低，并且除10 mg/L的受試樣甲烷累計(jì)產(chǎn)量在第96、120 h接近對(duì)照組外，其他質(zhì)量濃度下的甲烷累計(jì)產(chǎn)量均低于對(duì)照樣，由此看出2，4-二叔丁基苯酚對(duì)厭氧污泥具有較為顯著的抑制作用。不同質(zhì)量濃度的2，4-二叔丁基苯酚的相對(duì)產(chǎn)甲烷活性如圖 3所示。

 圖 2 2，4-二叔丁基苯酚厭氧

圖 3 2，4-二叔丁基苯酚

從圖 3可看出，隨著時(shí)間的增加，不同質(zhì)量濃度的受試樣對(duì)產(chǎn)甲烷菌的抑制作用均有一定程度的恢復(fù)趨勢(shì)，這應(yīng)該是厭氧污泥對(duì)2，4-二叔丁基苯酚慢慢適應(yīng)并得到一定馴化的結(jié)果。當(dāng)2，4-二叔丁基苯酚質(zhì)量濃度為10 mg/L時(shí)，實(shí)驗(yàn)1~2 d的RA為42%~68%，表現(xiàn)為中度抑制，第3天的RA上升為84%，為輕度抑制，第4、5天RA接近100%，抑制作用消失，說明此濃度下2，4-二叔丁基苯酚對(duì)厭氧微生物的抑制作用隨時(shí)間的增加而逐漸減弱，直至*后厭氧污泥對(duì)受試物完全適應(yīng)，抑制作用消失;當(dāng)2，4-二叔丁基苯酚質(zhì)量濃度分別為50、100 mg/L時(shí)，第1天RA均在30%左右，屬重度抑制，第2天~第5天RA為45%~70%，屬中度抑制;當(dāng)2，4-二叔丁基苯酚質(zhì)量濃度為200、400 mg/L時(shí)，5 d內(nèi)的RA均<30%，表現(xiàn)為重度抑制。

反應(yīng)時(shí)間為120 h不同質(zhì)量濃度的2，4-二叔丁基苯酚與所對(duì)應(yīng)的相對(duì)產(chǎn)甲烷活性擬合Logistic模型曲線如圖 4所示。

 圖 4 反應(yīng)120 h厭氧微生物的相對(duì)活性

該曲線對(duì)應(yīng)擬合方程為：RA=203.81/〔1+(C/303.71)0.62〕-83.36，R2=0.956。由此方程可以確定第5天相對(duì)產(chǎn)甲烷活性分別為95%、75%、40%時(shí)，2，4-二叔丁基苯酚的相對(duì)抑制質(zhì)量濃度分別為13.14、40.56、152.41 mg/L?？梢缘贸觯寒?dāng)2，4-二叔丁基苯酚質(zhì)量濃度<13.14 mg/L，對(duì)厭氧微生物基本沒有抑制作用;當(dāng)其質(zhì)量濃度為13.14~40.56 mg/L時(shí)產(chǎn)生輕度抑制;當(dāng)質(zhì)量濃度為40.56~152.41 mg/L時(shí)產(chǎn)生中度抑制;質(zhì)量濃度>152.41 mg/L時(shí)產(chǎn)生重度抑制。

2.2 好氧毒性實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2，4-二叔丁基苯酚質(zhì)量濃度分別為30、60、90、120、150、250 mg/L時(shí)，對(duì)活性污泥的抑制效應(yīng)見圖 5。由圖 5中呼吸速率曲線可以看出2，4-二叔丁基苯酚的加入使得活性污泥微生物的呼吸速率降低，且呼吸速率隨著2，4-二叔丁基苯酚質(zhì)量濃度的增加逐漸減弱，由此可見2，4-二叔丁基苯酚對(duì)活性污泥微生物具有一定的生物毒性。

 圖 5 2，4-二叔丁基苯酚對(duì)好氧活性污泥的抑制效應(yīng)

不同質(zhì)量濃度的2，4-二叔丁基苯酚對(duì)活性污泥微生物的抑制率擬合曲線見圖 5，曲線擬合方程為Rin=-88.18/〔1+(C/37.55)0.96〕+88.23，R2=0.992，由此方程計(jì)算出2，4-二叔丁基苯酚的EC50為49.61 mg/L。當(dāng)2，4-二叔丁基苯酚質(zhì)量濃度為10 mg/L時(shí)對(duì)活性污泥微生物的抑制率接近20%，說明2，4-二叔丁基苯酚對(duì)好氧污泥微生物的抑制作用比較顯著;當(dāng)2，4-二叔丁基苯酚為10~60 mg/L時(shí)，其對(duì)活性污泥的抑制率呈直線上升;當(dāng)2，4-二叔丁基苯酚增加到90 mg/L后，其對(duì)活性污泥的抑制率逐漸趨于平緩，此后其繼續(xù)增加至120~250 mg/L，對(duì)活性污泥的抑制率基本穩(wěn)定在75%左右。

2.3 厭氧和好氧毒性的比較

2，4-二叔丁基苯酚對(duì)厭氧污泥和好氧活性污泥微生物的毒性大小不同，為便于比較兩者的毒性作用強(qiáng)度，將不同質(zhì)量濃度2，4-二叔丁基苯酚的厭氧和好氧抑制率繪制成圖 6。

圖 6 2，4-二叔丁基苯酚的厭氧與好氧抑制效應(yīng)

從圖 6可以看出2，4-二叔丁基苯酚質(zhì)量濃度在0~250 mg/L范圍內(nèi)時(shí)，其對(duì)好氧微生物的毒性大于厭氧微生物的毒性，質(zhì)量濃度超過250 mg/L后，厭氧毒性開始逐漸高于好氧毒性。

3 結(jié)論

(1)當(dāng)2，4-二叔丁基苯酚<13.14 mg/L時(shí)，對(duì)厭氧微生物無抑制作用;13.14~40.56 mg/L時(shí)為輕度抑制;40.56~152.41 mg/L時(shí)為中度抑制;>152.41 mg/L時(shí)為重度抑制。

(2)2，4-二叔丁基苯酚對(duì)好氧微生物的半數(shù)抑制濃度(EC50)為49.24 mg/L。

(3)2，4-二叔丁基苯酚質(zhì)量濃度為<250 mg/L時(shí)，好氧毒性大于厭氧毒性，質(zhì)量濃度>250 mg/L時(shí)，厭氧毒性高于好氧毒性。

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