王鳴，吳海珍， 2*，劉雷，韋朝海， 3

1. 華南理工大學(xué)環(huán)境與能源學(xué)院，廣東 廣州 510006；2. 華南理工大學(xué)生物科學(xué)與工程學(xué)院，廣東 廣州 510006；3. 工業(yè)聚集區(qū)污染控制與生態(tài)修復(fù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510006

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厭氧條件下不同共基質(zhì)對(duì)焦化污泥降解多環(huán)芳烴的影響

王鳴1，吳海珍1， 2*，劉雷1，韋朝海1， 3

1. 華南理工大學(xué)環(huán)境與能源學(xué)院，廣東 廣州 510006；2. 華南理工大學(xué)生物科學(xué)與工程學(xué)院，廣東 廣州 510006；3. 工業(yè)聚集區(qū)污染控制與生態(tài)修復(fù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510006

摘要：實(shí)際焦化廢水中，存在的有機(jī)物種類繁多，含有多環(huán)芳烴（Polycyclic aromatic hydrocarbons，簡(jiǎn)稱PAHs）、酚類、苯類等物質(zhì)，苯酚是構(gòu)成焦化廢水COD的主要組成部分，也是生物處理過(guò)程中微生物主要利用的碳源。為強(qiáng)化焦化廢水處理過(guò)程中PAHs的生物降解，采集某焦化廢水處理廠厭氧池活性污泥，選擇苯酚、葡萄糖、乙酸鈉、曲拉通（TritonX-100）及其基質(zhì)組合作為苯并［a］芘（benzo［a］pyrene，簡(jiǎn)稱BaP）的代謝基質(zhì)，研究了不同共基質(zhì)降解組BaP的降解情況及其降解動(dòng)力學(xué)。同時(shí)考察了4種易降解基質(zhì)分別與萘、菲、蒽、熒蒽、芘和BaP 6種混合PAHs的共基質(zhì)降解。結(jié)果表明：加入易降解基質(zhì)能夠促進(jìn)污泥對(duì)BaP的降解，不同基質(zhì)作用下污泥對(duì)BaP的降解率有差異。添加單一基質(zhì)降解體系下，乙酸鈉的促進(jìn)作用最明顯，經(jīng)過(guò)30 d的培養(yǎng)，BaP能被降解39.9%，苯酚促進(jìn)效果最弱，為27.1%；添加苯酚與另一種易降解基質(zhì)構(gòu)成的基質(zhì)組合相比單一基質(zhì)對(duì)BaP的降解效果更佳，其中苯酚與乙酸鈉的基質(zhì)組合效果最優(yōu)，其對(duì)BaP的降解率為50.0%，各降解體系BaP濃度與時(shí)間符合一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。6種PAHs存在條件下，乙酸鈉組的效率依然最高，在20 d的時(shí)間內(nèi)，萘、菲、蒽、熒蒽、芘和BaP的降解率分別為66.1%、60.7%、43.2%、22.0%、15.5%和14.7%。焦化污泥會(huì)優(yōu)先降解萘、菲、蒽等低分子量PAHs，高分子量如熒蒽、芘和BaP則只有少量降解。研究結(jié)果表明，易降解基質(zhì)對(duì)PAHs的降解有明顯促進(jìn)作用，可以利用這種方法在實(shí)際焦化廢水處理過(guò)程中添加乙酸鈉等基質(zhì)，實(shí)現(xiàn)廢水中PAHs的高效生物降解。

關(guān)鍵詞：焦化廢水；厭氧污泥；苯并［a］芘；多環(huán)芳烴；共基質(zhì)降解

引用格式：王鳴， 吳海珍， 劉雷， 韋朝海. 厭氧條件下不同共基質(zhì)對(duì)焦化污泥降解多環(huán)芳烴的影響［J］. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào)， 2016，25（3）: 510-516.

WANG Ming， WU Haizhen， LIU Lei， WEI Chaohai. Effects of Different Co-substrates on the Biodegradation of Polycyclic Aromatic Hydrocarbons by Coking Sewage Sludge under Anaerobic Condition ［J］. Ecology and Environmental Sciences， 2016，25（3）: 510-516.

多環(huán)芳烴（Polycyclic aromatic hydrocarbons，簡(jiǎn)稱PAHs）是一類廣泛存在于環(huán)境中的強(qiáng)疏水性有機(jī)物，具有高毒性和致癌性（Von et al.，2014），煤化工及石油化工工業(yè)是PHAs的大污染源。在PAHs的污染控制技術(shù)中微生物降解占主要地位，許多細(xì)菌、真菌、藻類都具有降解PAHs的能力，將PAHs完全礦化。隨著苯環(huán)數(shù)目增多，PAHs的生物降解速率逐漸減慢，低分子量PAHs（萘、菲、蒽等）相比高分子量PAHs在環(huán)境中存在的時(shí)間短，能較快地被降解，對(duì)其降解機(jī)制的了解比較深入，而高分子量PAHs由于其化學(xué)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性以及在水環(huán)境中的低溶解度，導(dǎo)致其難以被微生物代謝。苯并（a）芘（benzo［a］pyrene，簡(jiǎn)稱BaP）是第一個(gè)被發(fā)現(xiàn)的環(huán)境化學(xué)致癌物，具有五元苯環(huán)結(jié)構(gòu)，其性質(zhì)穩(wěn)定，致癌性很強(qiáng)，故常以BaP作為PAHs的代表。在實(shí)際焦化廢水原水中，含有萘、菲、芘、BaP、茚并（1，2，3-c，d）芘等一系列的PAHs。張萬(wàn)輝（2013）84-85研究了南方某焦化廠廢水中各PAHs的含量，結(jié)果表明：PAHs在焦化廢水原水水相中的總質(zhì)量濃度達(dá)到（101.97±12.36）μg·L-1，其中BaP的質(zhì)量濃度達(dá)到（8.16±1.48）μg·L-1，BaP是焦化廢水PAHs的典型代表。中國(guó)2012年開始實(shí)行的《煉焦化學(xué)工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 16171─2012）明確了廢水中PAHs的排放限值，并單列了BaP的排放限值，工業(yè)廢水中PAHs的排放和控制越來(lái)越受到人們的重視。國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者對(duì)BaP的降解開展了廣泛研究，證明BaP可被細(xì)菌、真菌和藻類等分別進(jìn)行降解（Juhasz et al.，2000）。從目前的文獻(xiàn)報(bào)道看，能降解BaP的微生物有數(shù)十種（鄭天凌等，2006），但以BaP為唯一碳源與能源對(duì)其進(jìn)行降解（Hui et al.，2012；Hadibarata et al.，2012）的報(bào)道有限，普遍認(rèn)為，大多數(shù)微生物對(duì)4環(huán)以上的PAHs的降解是以共代謝的方式進(jìn)行（Juhasz et al.，2000；Yao et al.，2015）。且在共基質(zhì)和補(bǔ)充營(yíng)養(yǎng)的條件下，BaP的降解可以被加速。例如，Armillaria sp.F02能夠以BaP為唯一碳源與能源對(duì)其進(jìn)行降解，但添加葡萄糖以后，Armillaria sp.F02降解BaP的速度提高了2～5倍（Hadibarata et al.，2012）；在不加共基質(zhì)底物時(shí)細(xì)菌Sphingomonas paucimobilis EPA 505對(duì)BaP幾乎不降解，當(dāng)向培養(yǎng)基中添加葡萄糖后，2 d內(nèi)BaP降解了31.5%（Ye et al.，1995）；水楊酸能夠強(qiáng)化Sphingomonas yanoikuyae JAR02 對(duì)BaP的降解（Rentz et al.，2008）。補(bǔ)充葡萄糖（10 g·L-1）作為共基質(zhì)后，經(jīng)過(guò)12 d的培養(yǎng)，真菌FS10-C能夠?qū)⒊跏假|(zhì)量濃度為15 mg·L-1的BaP降解掉54.0%（Yao et al.，2015）。Dave et al.（2014）發(fā)現(xiàn)屈、葡萄糖以及曲拉通的基質(zhì)組合較添加單個(gè)基質(zhì)，能夠增強(qiáng)鹽漬土中PAHs的生物降解。

研究表明，易降解基質(zhì)，如葡萄糖、乙酸鈉等的加入，能夠?yàn)镻AHs的降解菌提供碳源和能源，甚至誘導(dǎo)其產(chǎn)生PAHs的降解酶。曲拉通等表面活性劑的加入，不但提供了碳源，同時(shí)增加了PAHs的溶解度，從而提高了PAHs的生物可利用性（Dave et al.，2014）。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于PAHs的生物降解研究主要集中在純菌的好氧降解，而在厭氧及缺氧條件下的研究亦主要集中在對(duì)自然土壤、沉積物中PAHs的削減研究（孫明明等，2012），針對(duì)實(shí)際廢水中PAHs的生物降解研究則鮮見報(bào)道。實(shí)際焦化廢水中，存在的有機(jī)物種類繁多，除PAHs外，酚類和苯類含量相對(duì)較高，亦是國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)所限制的指標(biāo)，因此有必要考察廢水生物處理過(guò)程中苯酚作為基質(zhì)與其他組分的微生物共基質(zhì)降解關(guān)系，有助于理解實(shí)際工程目標(biāo)污染物的生物化學(xué)機(jī)制。關(guān)于焦化廢水中PAHs受苯酚的作用以及可能存在的與苯酚進(jìn)行共基質(zhì)降解的研究還鮮見報(bào)道。何苗（1995）50-121研究了焦化廢水中萘、蒽等低環(huán)PAHs以及吡啶、喹啉等雜環(huán)芳烴在與苯酚共基質(zhì)條件下的好氧降解和與葡萄糖共基質(zhì)的厭氧酸化過(guò)程，然而對(duì)BaP等高環(huán)PAHs的降解、以及多種PAHs存在情況下的共基質(zhì)降解卻沒(méi)有涉及。針對(duì)以上問(wèn)題，本研究采集焦化廢水處理廠的厭氧污泥作為微生物來(lái)源，分別選擇葡萄糖、乙酸鈉、苯酚以及曲拉通作為PAHs的生長(zhǎng)基質(zhì)，研究易降解物質(zhì)、焦化廢水中核心碳源物質(zhì)和表面活性劑的降解增效作用，在BaP共基質(zhì)降解及其動(dòng)力學(xué)觀察基礎(chǔ)上，分析了6種PAHs（萘、菲、蒽、芘、熒蒽和BaP）共存情況下的復(fù)合降解效果，以期達(dá)到模擬實(shí)際焦化廢水的目的。

1 材料與方法

1.1 主要試劑及儀器

PAHs（萘Naphthalene、菲Phenanthrene、蒽Anthracene、芘Pyrene、熒蒽Fluoranethene、苊烯Acenaphthylene、苊Acenaphthene、芴Florene、苯并［a］蒽Benzo ［a］ anthracene、屈Chrysene、苯并［b］熒蒽Benzo ［b］ fluoranethene、BaP及萘-d8、苊-d10、菲-d10、屈-d12、二萘嵌苯-d12和六甲基苯的標(biāo)樣由美國(guó)SIGMA公司提供，純度>97%；丙酮、二氯甲烷、甲醇購(gòu)自德國(guó)默克公司，為色譜純級(jí)；葡萄糖（Glucose）、曲拉通（TritonX-100）、無(wú)水乙酸鈉（Sodium acetate）、苯酚（Phenol）均為分析純?cè)噭粺o(wú)機(jī)鹽培養(yǎng)液：NH4Cl 50 mg·L-1；KH2PO450 mg·L-1；K2HPO450 mg·L-1；NaHCO3600 mg·L-1；MgSO450 mg·L-1；CaCl250 mg·L-1；FeCl225 mg·L-1；NaCl 10 mg·L-1；CoCl2·6H2O 5 mg·L-1；MnCl2·4H2O 5 mg·L-1；AlCl32.5 mg·L-1；（NH4）6Mo7O2415 mg·L-1；H3BO45 mg·L-1；NiCl2·6H2O 5 mg·L-1；CuCl2·5H2O 5 mg·L-1；ZnCl25 mg·L-1。主要儀器：高效液相色譜（Shimadzu LC-20A，色譜柱為C18柱）；GC/MS-7890A-5975C（安捷倫，HP-5MS石英毛細(xì)管柱（30 m×0.25 mm×0.25 μm）；LDZX-50KBS型高壓滅菌鍋（上海申安）；JBQ-ZD型全溫振蕩培養(yǎng)箱（江蘇晶玻）。

1.2 供試污泥

供試焦化厭氧污泥取自韶關(guān)市韶鋼焦化廠污水處理站厭氧池，取回后用焦化廢水原水恢復(fù)活性1周左右，通過(guò)35 ℃恒溫生化培養(yǎng)箱馴化后進(jìn)行碳源共基質(zhì)降解實(shí)驗(yàn)。

1.3 不同共基質(zhì)降解BaP

采用100 mL血清瓶，加入污泥、無(wú)機(jī)鹽培養(yǎng)液、不同碳源，共設(shè)5個(gè)實(shí)驗(yàn)組，分別為：BaP、BaP+葡萄糖、BaP+曲拉通、BaP+乙酸鈉、BaP+苯酚和滅菌對(duì)照組（121 ℃高溫滅菌60 min，用以對(duì)照BaP的非生物損失）?？刂茥l件：初始COD為2000 mg·L-1；C/N=10；BaP初始質(zhì)量濃度15 mg·L-1；NaNO3為20 mmol·L-1（實(shí)驗(yàn)采用硝酸鹽還原條件）；初始pH=7；每組3個(gè)平行樣。將裝好污泥、培養(yǎng)液和碳源的血清瓶通N25 min后用鋁蓋膠塞封好后放入35 ℃恒溫生化培養(yǎng)箱中連續(xù)避光培養(yǎng)，100 r·min-1，每隔5 d用注射器從頂部取泥水混合樣（取樣前搖勻），將定時(shí)取樣的5 mL泥水混合樣品通過(guò)濾紙過(guò)濾進(jìn)行泥水分離，濾液進(jìn)行固相萃取，方法步驟如（張萬(wàn)輝，2013）20-21所述，所得濾紙及附在其上的污泥經(jīng)冷凍干燥48 h后進(jìn)行超聲萃取（徐榮等，2006），合并萃取液并將萃取液按方法（張萬(wàn)輝，2013）20-21凈化，最后由HPLC或GC/MS分析測(cè)定質(zhì)量濃度。BaP由HPLC檢測(cè)，分析條件為流動(dòng)相甲醇∶水（90∶10），流速1.0 mL·min-1，柱溫40 ℃，紫外檢測(cè)器（287 nm）。污泥中PAHs的定性定量分析采用GC/MS，GC/MS分析條件：載氣為氦氣；流速為1 mL·min-1；進(jìn)樣口溫度250 ℃；電子能量70 eV；離子源溫度230 ℃，質(zhì)量掃描范圍（m·z-1）60～640 amu；初始溫度45 ℃，以5 ℃·min-1上升至310 ℃；進(jìn)樣量1 μL；不分流進(jìn)樣。

1.4 苯酚存在條件下不同共基質(zhì)降解BaP

考慮焦化廢水中苯酚普遍存在的情況，分別添加葡萄糖、乙酸鈉、曲拉通作為生長(zhǎng)基質(zhì)，考察苯酚存在條件下，這些基質(zhì)的添加是否有助于BaP的降解，為實(shí)際工程中BaP的控制提供參考。共設(shè)4個(gè)實(shí)驗(yàn)組，分別為：（苯酚+BaP）+葡萄糖、（苯酚+BaP）+乙酸鈉、（苯酚+BaP）+曲拉通和滅菌對(duì)照組。苯酚初始質(zhì)量濃度選取300 mg·L-1（參考工程實(shí)際值），初始COD質(zhì)量濃度為2700 mg·L-1，分別添加的3種基質(zhì)的量、其他控制條件與1.3相同。

1.5 厭氧池污泥中典型PAHs質(zhì)量濃度分布

采集焦化廢水工程厭氧池單元污泥，經(jīng)抽濾后進(jìn)行冷凍干燥。稱取2.0 g干污泥進(jìn)行超聲萃?。ㄐ鞓s等，2006），萃取液處理及儀器分析方法如1.3所述。PAHs采用內(nèi)標(biāo)法進(jìn)行定量，采用氘代物萘-d8、苊-d10、菲-d10、屈-d12和二萘嵌苯-d12計(jì)算回收率。

1.6 不同共基質(zhì)降解6種PAHs

實(shí)驗(yàn)采用100 mL血清瓶進(jìn)行，降解污泥取自1.3 BaP單碳源實(shí)驗(yàn)組污泥，目標(biāo)降解物由單一BaP換成由萘、菲、蒽、芘、熒蒽和BaP組成的混合PAHs，每種PAH初始質(zhì)量濃度均為10 mg·L-1，其他控制條件與1.3一致，分別在0、10、20 d取樣測(cè)定5 mL泥水混合物中PAHs的殘留量，每種處理設(shè)3個(gè)平行。

1.7 PAHs測(cè)定方法回收率

PAHs測(cè)定回收率方法采用對(duì)過(guò)濾過(guò)程進(jìn)行空白加標(biāo)來(lái)驗(yàn)證，具體步驟為：量取5 mL泥水混合物進(jìn)行過(guò)濾操作，加入一定量配制好的PAHs丙酮溶液，同時(shí)進(jìn)行本底空白實(shí)驗(yàn)，重復(fù)4次。將上述樣品置于暗處，然后分別對(duì)濾液、濾紙進(jìn)行樣品的提取，PAHs的回收率按文獻(xiàn)方法（張萬(wàn)輝，201324-25；蘇丹等，2007）測(cè)定，經(jīng)測(cè)定，各PAH的回收率在78.4%～97.6%范圍內(nèi)，每種物質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)曲線的R2值都大于0.99，符合要求。

2 結(jié)果與討論

圖1 共基質(zhì)條件下BaP質(zhì)量濃度隨反應(yīng)時(shí)間的變化及對(duì)應(yīng)的-ln（C·）-t回歸曲線Fig. 1 Changes of BaP concentrations versus reaction time and the corresponding regression curve of -ln（C） on co-substrates conditions

2.1 共基質(zhì)條件下不同降解體系中BaP的去除效果及反應(yīng)動(dòng)力學(xué)分析

根據(jù)1.3所述，添加不同易降解基質(zhì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示，可以看出，幾種基質(zhì)對(duì)BaP降解均有促進(jìn)作用，降解能力依次為乙酸鈉>曲拉通>葡萄糖>苯酚。根據(jù)實(shí)驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)，分別對(duì)幾組結(jié)果進(jìn)行動(dòng)力學(xué)模擬，以ln（C/C0）-t作圖（C表示BaP質(zhì)量濃度，C0表示初始質(zhì)量濃度），結(jié)果如圖1所示。從圖中可以看出，BaP的降解結(jié)果符合一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程，對(duì)應(yīng)的動(dòng)力學(xué)方程如圖中所示，這與很多微生物處理難降解物質(zhì)的研究結(jié)果一致（Borja et al.，2002；Borja et al.，2003）。所得不同共基質(zhì)時(shí)BaP降解的反應(yīng)速率常數(shù)乙酸鈉組最高，為0.017 d-1，苯酚組最低，為0.007 d-1。

由圖1可知，BaP作為單一碳源時(shí)，經(jīng)過(guò)30 d的培養(yǎng)，BaP能夠去除20.0%。有較多研究表明，添加適當(dāng)?shù)耐庠礌I(yíng)養(yǎng)物可以顯著促進(jìn)PAHs的降解和礦化（Kuppusamy et al.，2016；Zhang et al.，2015）。Teng et al.（2010）發(fā)現(xiàn)向長(zhǎng)三角地區(qū)的水稻土中添加5 g·kg-1的葡萄糖，淹水厭氧培養(yǎng)90 d后，有助于加快土壤中BaP的降解，BaP的最大降解率在15%～25%之間，與該實(shí)驗(yàn)相比，本實(shí)驗(yàn)添加葡萄糖作為共基質(zhì)后，BaP去除率可達(dá)31.9%。原因可能是本實(shí)驗(yàn)選用長(zhǎng)期處理含大量PAHs焦化廢水的厭氧池污泥，其本身具有對(duì)BaP等PAHs的降解能力，因此在添加葡萄糖后的較短時(shí)間內(nèi)具有更好的降解效果。添加乙酸鈉作為共基質(zhì)時(shí)，BaP降解效果在4種初級(jí)基質(zhì)中最好，乙酸鈉溶解性好，分子結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可能是其促進(jìn)降解能力相對(duì)較強(qiáng)的原因，30 d內(nèi)能將初始質(zhì)量濃度15 mg·L-1的BaP降解39.9%。何苗（1995）54-91發(fā)現(xiàn)，焦化廢水中一些難降解物質(zhì)不能作為唯一碳源，有的甚至對(duì)微生物有嚴(yán)重抑制作用，但與苯酚共基質(zhì)后其好氧降解性能均有所改善。本實(shí)驗(yàn)為厭氧條件下污泥對(duì)BaP的降解，苯酚實(shí)驗(yàn)組同樣提高了BaP的降解速率，相比單一BaP碳源組，反應(yīng)速率常數(shù)由0.007 d-1提高到0.011 d-1，可能是因?yàn)楸椒颖旧硐鄬?duì)容易降解，可以作為基質(zhì)，且苯酚帶有苯環(huán)結(jié)構(gòu)，可作為一種溶劑，，根據(jù)相似相溶原理，能對(duì)BaP起增溶作用，從而提高微生物對(duì)BaP的利用率。Fuchedzhieva et al. （2008）發(fā)現(xiàn)在降解體系中添加表面活性劑后可以更好地降低反應(yīng)體系固液相的界面張力，促進(jìn)PAHs從土壤向溶液的解吸過(guò)程，提高PAHs的生物可利用性，更有利于厭氧微生物的生長(zhǎng)，從而將熒蒽的降解率由40%提升到58%。本實(shí)驗(yàn)曲拉通的添加也能顯著促進(jìn)BaP的降解，最終BaP的降解率相比BaP單一基質(zhì)組提高了16.0%，曲拉通提供了基質(zhì)和增溶的雙重作用，使BaP的生物可利用性提高。

2.2 苯酚存在條件下不同降解體系中BaP的去除效果及反應(yīng)動(dòng)力學(xué)分析

圖2 實(shí)際工程中BaP質(zhì)量濃度隨反應(yīng)時(shí)間的變化及對(duì)應(yīng)的-ln（C·）-t回歸曲線Fig. 2 Changes of BaP concentrations versus reaction time and the corresponding regression curve of -ln（C） in actual engineering

苯酚是焦化廢水中的大宗污染物，也是國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)所限制的指標(biāo)，前述實(shí)驗(yàn)亦表明苯酚可以作為共基質(zhì)促進(jìn)焦化污泥對(duì)BaP的降解，因此在實(shí)際工程中，分別添加葡萄糖、乙酸鈉、曲拉通作為生長(zhǎng)基質(zhì)，考察在苯酚存在的條件下，這些基質(zhì)的添加是否有助于BaP的降解，為實(shí)際工程中BaP控制提供參考。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示，由圖可知，各實(shí)驗(yàn)組經(jīng)過(guò)30 d的培養(yǎng)，3個(gè)實(shí)驗(yàn)組對(duì)BaP降解都表現(xiàn)出促進(jìn)作用，且在苯酚存在的條件下，添加葡萄糖、曲拉通、乙酸鈉生長(zhǎng)基質(zhì)相比無(wú)苯酚條件（如圖1所示）更能有效促進(jìn)BaP的降解。3個(gè)實(shí)驗(yàn)組促進(jìn)能力依次為乙酸鈉組>曲拉通組>葡萄糖組，乙酸鈉組促進(jìn)效果最明顯，30 d能將BaP降解51%，曲拉通組次之，能降解45%，葡萄糖實(shí)驗(yàn)組降解率最低，為39%。對(duì)3個(gè)實(shí)驗(yàn)組進(jìn)行動(dòng)力學(xué)模擬，以ln（C/C0）-t作圖，結(jié)果如圖2所示，在苯酚存在條件下，厭氧污泥對(duì)BaP的降解同樣符合一級(jí)降解動(dòng)力學(xué)，且BaP在苯酚存在條件下加入乙酸鈉、曲拉通、葡萄糖體系的降解率要比無(wú)苯酚體系高，原因可能是在苯酚存在的條件下，再添加另一種易降解基質(zhì)，相比不添加苯酚體系，降解污泥有了更多的底物選擇，更加有利于誘導(dǎo)降解菌產(chǎn)生相應(yīng)的降解酶，從而更有利于BaP的降解。因此，在苯酚存在的實(shí)際焦化廢水處理過(guò)程中，可以考慮添加其他易降解基質(zhì)，例如乙酸鈉，以促進(jìn)實(shí)際工程中BaP等PAHs的生物削減。

2.3 不同降解體系中6種PAHs的去除效果分析

實(shí)際焦化廢水成分復(fù)雜，其中含有各類PAHs，PAHs由于環(huán)數(shù)不同，其物理化學(xué)性質(zhì)和生物可利用性都會(huì)有差異，因而有必要研究多種PAHs混合體系下的厭氧降解情況。本實(shí)驗(yàn)所用厭氧池污泥中典型PAHs質(zhì)量濃度分布如圖3所示，由圖可以看出，萘、苊、芴等PAHs含量較低，含量較高的PAHs有熒蒽、苯并［b］熒蒽、芘、苯并［a］芘。熒蒽是其中含量最豐富的PAHs，這主要是由于其在焦化廢水進(jìn)水中具有較高的質(zhì)量濃度且難以被降解（Lazzari et al.，2000）。

圖3 廢水處理過(guò)程厭氧池污泥中PAHs的分布Fig. 3 Concentrations of target compounds in the sludge from anaerobic tank of the coking wastewater treatment processes

根據(jù)所用降解污泥中PAHs的分布特點(diǎn)以及考慮探究不同環(huán)數(shù)PAHs的生物降解特性，本實(shí)驗(yàn)選擇焦化廢水中典型的具有2～5環(huán)結(jié)構(gòu)的PAHs：萘、菲、蒽、熒蒽、芘和BaP，研究了厭氧污泥在葡萄糖、苯酚、曲拉通、乙酸鈉共基質(zhì)降解體系下6種PAHs的削減情況。如圖4所示，6個(gè)圖按照順序?yàn)楸硎据?、菲、蒽、熒蒽、芘和BaP在各實(shí)驗(yàn)組的降解情況，結(jié)果表明對(duì)每一個(gè)共基質(zhì)降解組而言，6 種PAHs的降解效率各有差異，焦化污泥優(yōu)先降解萘、菲、蒽等低環(huán)PAHs，高環(huán)如芘、熒蒽和BaP則只有少量降解。鄒德勛等（2006）發(fā)現(xiàn)在向PAHs污染的土壤中添加1%的淀粉后，淹水培養(yǎng)3個(gè)月，土壤中菲的最大降解率約為45%，BaP的最大降解率約為13%，亦說(shuō)明在多種PAHs存在條件下，土壤或污泥對(duì)低分子量PAHs的降解效率優(yōu)于高分子量PAHs。本實(shí)驗(yàn)乙酸鈉組在20 d的時(shí)間內(nèi)可將萘降解66.1%，菲的降解率可達(dá)60.7%，蒽含量削減43.2%，熒蒽、芘和BaP的降解率則分別為22.0%、15.5%和14.7%。原因可能是PAHs隨著苯環(huán)數(shù)的增加，其水溶性逐漸降低，導(dǎo)致生物可利用性逐漸降低。因此，焦化廢水處理過(guò)程厭氧池污泥中高環(huán)PAHs含量占主要部分，可能正是因?yàn)槠湎鄬?duì)低環(huán)PAHs難以被微生物降解。對(duì)同一種PAHs而言，4個(gè)降解組亦表現(xiàn)出差異，乙酸鈉組的降解效率依然優(yōu)于葡萄糖、曲拉通和苯酚組，苯酚組中萘、菲、蒽、熒蒽、芘和BaP的降解率分別為39.8%，38.8%，28.0%，8.3%，8.4%和6.7%，說(shuō)明乙酸鈉在焦化污泥降解體系是一種優(yōu)良的共基質(zhì)添加物，添加合適的共基質(zhì)對(duì)PAHs的降解具有重要意義。綜上所述，要實(shí)現(xiàn)焦化廢水處理工程中高分子量PAHs的有效降解，需要選擇優(yōu)良的共基質(zhì)和更長(zhǎng)的降解時(shí)間。

3 結(jié)論

（1）添加不同生長(zhǎng)基質(zhì)對(duì)BaP降解均有促進(jìn)作用，在設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)條件下，4種基質(zhì)促進(jìn)降解的能力依次為乙酸鈉>曲拉通>葡萄糖>苯酚，在苯酚存在條件下，3個(gè)實(shí)驗(yàn)組促進(jìn)能力依次為乙酸鈉組>曲拉通組>葡萄糖組；實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，乙酸鈉在焦化污泥降解體系是一種優(yōu)良的共基質(zhì)添加物。添加合適的共基質(zhì)對(duì)PAHs的降解具有重要意義。分別對(duì)不同降解體系進(jìn)行動(dòng)力學(xué)模擬，BaP的降解結(jié)果回歸均符合一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程。

（2）在多種PAHs存在條件下，焦化厭氧污泥在共基質(zhì)作用下對(duì)PAHs的降解具有選擇性，優(yōu)先降解萘、菲、蒽等低分子量PAHs，高分子量如芘、熒蒽和BaP則只有少量降解。研究結(jié)果表明，易降解基質(zhì)對(duì)PAHs的降解有明顯促進(jìn)作用，可以利用這種方法在實(shí)際焦化廢水處理過(guò)程中添加乙酸鈉等基質(zhì)，實(shí)現(xiàn)廢水中PAHs的高效生物降解。

圖4 不同降解體系萘（a），菲（b），蒽（c），熒蒽（d），芘（e）和BaP（f）的降解情況Fig.4 The degradation of naphthalene （a）， phenanthrene （b）， anthracene （c）， fluoranthene （d）， pyrene （e） and BaP （f） in different biodegradation system

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Effects of Different Co-substrates on the Biodegradation of Polycyclic Aromatic Hydrocarbons by Coking Sewage Sludge under Anaerobic Condition

WANG Ming1， WU Haizhen1， 2*， LIU Lei1， WEI Chaohai1， 3
1. School of Environment and Energy， South China University of Technology， Guangzhou 510006， China 2. School of Biological Science and Engineering， South China University of Technology， Guangzhou 510006， China 3. The Key Laboratory of Pollution Control and Ecosystem Restoration in Industry Clusters， Ministry of Education， Guangzhou 510006， China

Abstract:Coking wastewater contains various organic matter including polycyclic aromatic hydrocarbons （PAHs）， phenolics，benzene and other substances. Phenol is the main component of COD in coking wastewater and the main carbon source for the microbial utilization in biological treatment process. In order to enhanced the biodegradation of polycyclic aromatic hydrocarbons （PAHs） in coking wastewater treatment process， activated sludge was collected from an anaerobic tank of a coking wastewater treatment plant to studied the enhanced biodegradation and kinetics of benzo ［a］ pyrene （BaP） with phenol， glucose， sodium acetate，TritonX-100， and their combinations as cometabolic substrates， respectively. Moreover， the effects of the mentioned four substrates on the degradation processes of the mixtures of naphthalene， phenanthrene， anthracene， fluoranthene， pyrene and BaP were also investigated. The results showed that the addition of enhanced substrates promote the degradation of BaP and there were significant differences occurred in the degradation rates in the presence of different co-substrates. Sodium acetate demonstrated the highest enhancement of degradation for BaP while 39.9% of BaP can be degraded in 30 days. However， 27.1% of BaP were removed by phenol which was the slowest among the four different substrates； Compared to single substrate group， the combination of phenol and sodium acetate group had the best performance on the biodegradation of BaP and the degradation rate is 50.0%. In different systems， the biodegradation of BaP are followed the first order reaction kinetics model. In the presence of the six PAHs， sodium acetate still had the best enhancement effect， Within 20 days， the biodegradation rates of naphthalene， phenanthrene， anthracene，fluoranthene， pyrene and BaP are 66.1%， 60.7%， 43.2%， 22.0%， 15.5% and 14.7%， respectively. Coking sludge prefer to biodegrade low molecular weight PAHs， such as naphthalene， phenanthrene， anthracene. For high molecular weight PAHs， such as fluoranthene，pyrene and BaP， could be removed relatively less. This study results show that the addition of enhanced substrates had significant promoting effect on PAHs degradation and it is a potential method to realize high efficient biodegradation of PAHs by adding sodium acetate or other substrates in the process of actual coking wastewater treatment.

Key words:coking wastewater； anaerobic sludge； benzo ［a］ pyrene； polycyclic aromatic hydrocarbons； co-substrates degradation

DOI:10.16258/j.cnki.1674-5906.2016.03.021

中圖分類號(hào)：X17

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1674-5906（2016）03-0510-07

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（21377040）；廣東省教育廳學(xué)科建設(shè)專項(xiàng)資金（2013CXZDA004）；廣東省省級(jí)科技計(jì)劃項(xiàng)目（2015A020215008）

作者簡(jiǎn)介：王鳴（1989年生），男，碩士研究生，從事水污染控制與給水技術(shù)研究。E-mail: 53572875@ qq.com

*通信作者：吳海珍（1969年生），女，副教授，從事污染物降解微生物與廢水處理生物反應(yīng)器方向的研究工作。E-mail: hzhwu2@scut.edu.cn

收稿日期：2016-01-15