浮選廢水中苯胺黑藥與外加基質的共代謝特性

宋衛鋒，嚴 明，孫水裕

(廣東工業大學 環境科學與工程學院，廣州 510006)

浮選廢水中苯胺黑藥與外加基質的共代謝特性

宋衛鋒，嚴 明，孫水裕

(廣東工業大學 環境科學與工程學院，廣州 510006)

采用自制SBR系統研究不同基質與苯胺黑藥的共代謝特性。結果表明：在不同基質種類和比例條件下，SBR系統的好氧反應時間為3 h，反應過程均可基本完成；幾種不同共代謝基質促進苯胺黑藥降解效率從高到低的順序為蔗糖、乙酸鈉、葡萄糖、淀粉和維生素C；當基質與苯胺黑藥的質量比為1:1時，苯胺黑藥的降解效率最高；以蔗糖為共代謝基質的出水COD為70 mg/L，去除率達到87.3%，苯胺黑藥出水濃度為3.7 mg/L，降解率達到98%；以蔗糖與乙酸鈉作為混合基質時，出水COD為84.70 mg/L，COD去除率為84.6%，苯胺黑藥濃度為13.55 mg/L，苯胺黑藥降解率為93.23%；對胺黑藥與蔗糖質量比為1:1時的實驗數據進行動力學分析，得到動力學參數米氏常數Km=(1.600 8±0.080) mg/L、vmax=(0.264±0.006) mg/(L·min)。

苯胺黑藥；共代謝；SBR；動力學

Abstract:Self-made sequencing batch reactor (SBR) was used to study the co-metabolism characteristics of aniline aerofloat with different substrates. The results show that the aerobic reaction process can be completed in 3 h regardless of substrate sort and the ratio of aniline aerofloat to substrate; the order of promoting degradation from high to low is as follows: sucrose, sodium acetate, glucose, amylum and vitamin C. When the mass ratio of aniline aerofloat to substrate is 1:1, the degradation efficiency of the aniline aerofloat is the highest, the COD in the effluent is 70 mg/L. When co-metabolism substrate is sucrose, the removing rate of COD is 87.3%, the concentration of aniline aerofloat in the effluent is just 3.7 mg/L and the degradation rate reaches 98%. The COD and aniline aerofloat in the effluent is 84.7 mg/L and 13.55 mg/L respectively when sucrose and sodium acetate are mixed as the compound substrate, 84.6% of COD is removed, and 93.23% of aniline aerofloat is degraded. The modified Michaelis-Menten equation was used to analyze the data at mass ratio of aniline aerofloat to substrate being 1:1 from the sucrose experiment, and the kinetics parameters are obtained as Km(1.600 8±0.080) mg/L and vmax(0.264±0.006) mg/(L·min).

Key words:aniline aerofloat; co-metabolism; sequencing batch reactor; kinetics

有色金屬礦山浮選廢水具有水量大、pH值高、含有機物和重金屬、生化降解性差和起泡性強等明顯特征，其中的污染物種類多、毒性強，對環境非常敏感。我國的選礦廢水排放量超過10億t/a，是主要的工業污染行業。近年來，浮選廢水處理技術有了較大發展，目前主要采用物理法和化學法[1]。苯胺黑藥(硫代磷酰二苯胺，(C6H5NH)2P(S)SH)是硫化礦有效的浮選捕收劑，被廣泛應用于浮選作業中，對 COD貢獻大，不易分解，是選礦廢水中的難降解物質[2?3]。

共代謝指原本不能被代謝的物質在外界提供碳源和能源的情況下被代謝的現象[4]，在難降解污染物與外加基質共代謝反應中，外界提供的碳源稱為一級基質，用于微生物細胞增長，并為微生物細胞活動提供能量；被共代謝的物質稱為二級基質，不用于微生物細胞增長，也不能為微生物細胞活動提供能量。ZIAGOVA等[5]的研究表明：在有葡萄糖存在的條件下，2，4?二氯苯酚和 4?氯甲酚能夠很容易地被葡萄球菌共代謝。TOMKUO等[6]等的研究表明：用甲苯作為共代謝底物，在微生物的共代謝作用下可以有效地提高三氯乙烯的降解效率。VERCE等[7]研究了 1,2?二氯乙烯在以氯乙烯為初級基質的好氧培養基中共代謝降解情況，發現共代謝對難降解二氯乙烯的降解有顯著的促進作用。現有的共代謝[8?14]研究表明：共代謝是降解污染物的一個有效途徑，對于不同的難降解污染物，不同基質的降解效果也不同，確定合適的共代謝基質，是共代謝研究的重要內容之一。苯胺黑藥是浮選廢水中的主要難降解有機物，關于苯胺黑藥的共代謝研究尚未見報道，共代謝為解決含苯胺黑藥的廢水處理問題提供了一種新思路。SBR生物反應器以其運行穩定、處理效率高、耐沖擊負荷及結構簡單等諸多優點，在水處理工藝優化方法中得到廣泛應用。

本文作者以浮選廢水中主要有機藥劑苯胺黑藥為研究對象，利用SBR生物反應器，選用合適的共代謝基質對苯胺黑藥進行生物降解處理，為選礦廢水的處理提供新途徑，為工程實踐提供理論依據。

1 實驗

1.1 水樣

實驗用浮選廢水根據實際選礦廢水經過混凝沉淀+活性炭吸附預處理后的水質情況進行模擬，各項指標盡量保持一致。為防止水樣在保存過程中的水質變化，廢水均為新鮮配制，其中苯胺黑藥濃度為 200 mg/L，加入如下營養液(mg/L)：NH4Cl 25、KH2PO45、MgSO45、FeSO42、CaCl22。

1.2 實驗裝置與方法

1.2.1 主要儀器和藥品

紫外分光光度計、COD快速消解儀、光學顯微鏡、蠕動泵、充氧泵；苯胺黑藥為工業純(95%，質量分數)，蔗糖、葡萄糖、淀粉、維生素C和乙酸鈉均為優級純。

1.2.2 SBR系統

用有機玻璃材料定制相同規格的圓桶 SBR反應器，直徑25 cm，深度40 cm，有效容積15 L，中間高度開排水孔，進水6 L，SBR采用間歇式進水，水力停留時間恒定。實驗裝置見圖1。

圖1 實驗裝置示意圖Fig.1 Scheme of experimental apparatus

反應器接種污泥取自廣州瀝滘污水處理廠二沉池沉淀污泥，SBR反應器正常運行期間污泥濃度為21.822 g/L。

1.2.3 實驗方法

1) 反應器運行條件：實驗室溫度20 ℃左右，濕度約75%，SBR反應器位于陰暗處，避免陽光直接照射，運行周期8 h，其中曝氣6 h，沉淀1 h，排水0.5 h，進水0.5 h。充氧泵空氣量為8 L/min (2×4 L/min)，從池底部曝氣，曝氣運行溶解氧為 3 mg/L左右，進水COD為500 mg/L左右，通過SBR反應器底部的排泥口排放污泥，根據系統運行情況，確定每7 d排放一次污泥，沉淀出水完成后排泥，每次500 mL。

2) 污泥馴化：二沉池活性污泥在 SBR反應器中悶曝24 h以去除污泥中的有機物，然后在反應器中加入葡萄糖、無機營養鹽分和苯胺黑藥，進水 6 L，葡萄糖初始濃度為500 mg/L，然后按比例逐漸降低其濃度至添加量為0，苯胺黑藥的濃度由0按比例逐漸增加至200 mg/L，在馴化過程中，每天檢測進水和出水水質，檢測微生物活性和系統運行狀況。經過40 d的馴化，進水COD為530 mg/L左右，苯胺黑藥濃度為200 mg/L，系統趨于穩定，表現出一定的降解效果。

3) 共代謝實驗：實驗中設置 6套規格相同的SBR反應系統，分別編號為0、1、2、3、4和5，各個系統均在相同條件下運行，用相同的馴化方法馴化至穩定運行。0號SBR系統作為對照組，只加含苯胺黑藥和營養液成分的廢水，1、2、3、4和5號SBR系統分別加入蔗糖、葡萄糖、可溶性淀粉、維生素C和乙酸鈉作為外加基質。實驗中改變單一基質與苯胺黑藥的比例，研究不同條件下的共代謝情況，以確定擇最佳共代謝基質及其投加比例。每組實驗重復進行5次，以平均值作為實驗結果。每次改變進水條件之前，均要空載悶曝24 h后再進行下一階段實驗，以減小污泥對實驗的干擾。在確定了最佳單一共代謝基質之后，還對多種混合基質的共代謝情況進行了實驗。

v1.2.4 分析方法

水樣：沉淀后取上清液，用定性濾紙過濾水中的懸浮顆粒雜質后，再進行相應的分析。

CODCr：重鉻酸鉀法。

苯胺黑藥濃度：苯胺黑藥在紫外區的最大吸收波長是230 nm，測定SBR反應系統出水的吸光度，從而確定苯胺黑藥濃度。苯胺黑藥的標準曲線方程為A=0.051 5x+0.104 3，R2=0.999，工作曲線的有效濃度范圍是0～40 mg/L，有效濃度范圍以外的水樣，稀釋適當的倍數，測其紫外吸光度，再進行苯胺黑藥濃度計算。

2 結果與討論

2.1 SBR系統的啟動與馴化

馴化過程中，逐漸降低葡萄糖濃度，同時增加苯胺黑藥濃度，經過40 d的馴化培養，進水中葡萄糖濃度為0 mg/L，苯胺黑藥濃度為200 mg/L。系統穩定運行，出水水質基本不變，COD去除率達到64.3%，苯胺黑藥的降解率為 93.4%，表明系統馴化成功。馴化過程中，對進水和出水水質進行監測，及時了解系統運行情況。顯微鏡觀察發現，系統運行初期，生物群落豐富多樣、生物活性強、游離細菌數量多、代謝速率高、出水較好，隨著苯胺黑藥濃度的增加，系統微生物種類逐漸變得單一，數量有所減少，出現大量絲狀菌和短桿菌，且逐步成為種群主體生物。

馴化過程中，進水葡萄糖和苯胺黑藥的比例在不斷變化，但進水COD一直穩定在500 mg/L左右，與實際選礦廢水基本一致。馴化期間，進水和出水COD及苯胺黑藥濃度分別見圖2和3。

由圖2和3知，馴化初期苯胺黑藥幾乎沒有被降解，4 d后開始表現出降解效果，降解效率較高。隨著苯胺黑藥濃度的增加，出水中苯胺黑藥始終保持在13.2 mg/L左右，但出水COD在180 mg/L左右保持穩定，COD去除率約為64%，可能是系統對苯胺黑藥降解不徹底，產生了難降解的中間產物，導致出水COD偏高。因此，出水 COD更能真實地反映系統對苯胺黑藥的降解情況，但是出水苯胺黑藥的濃度也是系統降解效率的重要參數。

圖2 SBR系統馴化期間進水和出水COD隨時間的變化Fig.2 COD changes of inflow and effluent during domestication of SBR system

圖3 馴化期間進水和出水苯胺黑藥濃度隨時間的變化Fig.3 Changes of aniline aerofloat concentration inflow and effluent during domestication of SBR system

2.2 苯胺黑藥與不同外加單一基質的共代謝

在共代謝實驗中，保持模擬浮選廢水中苯胺黑藥濃度為200 mg/L不變，在編號為1、2、3、4和5的SBR系統中，分別以蔗糖、葡萄糖、淀粉、維生素C和乙酸鈉作為共代謝基質，改變共代謝基質與苯胺黑藥的質量比為3:1、2:1、1:1、1:2和1:4，實驗結果見表1。

由表1可見，進水中共代謝基質與苯胺黑藥的質量比是影響苯胺黑藥降解效率的主要因素。當共代謝基質與苯胺黑藥的質量比較高時，基質過多，苯胺黑藥對關鍵酶的競爭處于劣勢；當共代謝基質比例較低時，基質過少，不能滿足大量微生物生長的需要，不能誘導出大量有活性的關鍵酶；當基質與苯胺黑藥的質量比接近1:1時，生長基質和目標污染物對關鍵酶的分享達到最為合理，既滿足了微生物生長的需要，又能最大限度地降解目標污染物。

表1 不同單一基質與苯胺黑藥在不同質量比條件下的共代謝結果Table 1 Co-metabolism degradation results of aniline aerofloat with different singe substances at different mass ratios

由表1可知：蔗糖、葡萄糖、淀粉和乙酸鈉對苯胺黑藥都表現出了共代謝作用，能誘導微生物產生關鍵酶，在一定程度上促進了苯胺黑藥的降解，出水COD較不加基質的情況要低，表明共代謝基質促進了苯胺黑藥降解過程中間代謝產物的降解，關鍵酶的主要作用是提高中間產物的降解效率；維生素C基本上沒有表現出促進苯胺黑藥降解的作用，當比例較高時，與不添加基質相比，反而增大了微生物負荷，出水COD更高了。因此，共代謝基質與苯胺黑藥的最佳質量比為1:1，5種共代謝基質對苯胺黑藥的共代謝效率由高到低的順序為蔗糖、乙酸鈉、葡萄糖、淀粉和維生素C。

在120倍光學顯微鏡下觀察系統微生物狀態，可見，微生物活性強，且比較穩定，種群以短桿狀菌居多，逐漸取代了原有的絲狀微生物種群，占據優勢地位，各SBR系統在實驗過程中均運行良好。

2.3 最佳單一共代謝基質

以共代謝基質與苯胺黑藥質量比為1:1加入反應系統中，每間隔30 min取系統水樣，測定水中COD和苯胺黑藥的濃度。圖4和5所示分別是各共代謝基質與苯胺黑藥的質量比為1:1時COD和苯胺黑藥的降解情況。SBR系統對苯胺黑藥的降解經歷3個過程：反應開始前 60 min，生物污泥迅速吸附水中的污染物，污染物濃度迅速降低；第60 min到150 min，一部分污染物在吸附的污泥表面被微生物共代謝降解，另一部分污染物被釋放出來，進入水中后又被吸附降解；當反應進行到150 min后，水中污染物基本被降解，水質基本穩定。

圖4 共代謝基質與苯胺黑藥質量比為1:1時的COD降解曲線Fig.4 Degradation curves of COD at mass ratio of co-metabolism substance to aniline aerofloat being 1:1

圖5 共代謝基質與苯胺黑藥質量比為1:1時苯胺黑藥的降解曲線Fig.5 Degradation curves of aniline aerofloat at mass ratio of co-metabolism substance to aniline aerofloat being 1:1

從圖4苯胺黑藥共代謝降解情況可知，3 h左右后，SBR反應系統中反應已經基本完成，微生物的活性高，反應速率快。蔗糖與苯胺黑藥質量比為1:1時廢水的共代謝降解情況如圖6所示。可見，出水COD保持在70 mg/L左右，去除率達到87.3%，苯胺黑藥出水濃度為3.7 mg/L，降解率達到98%，達到國家污水綜合排放標準的第二類污染物最高允許排放濃度的一級標準，滿足浮選廢水的回用和排放要求。值得一提的是，出水COD相對于苯胺黑藥濃度來說仍很高，再次說明苯胺黑藥在共代謝降解過程中產生難降解的中間產物，致使出水COD高。

圖6 蔗糖與苯胺黑藥質量比為1:1時廢水的共代謝降解曲線Fig.6 Co-metabolism degradation curves of waste water at mass ratio of sucrose and aniline aerofloat being 1:1

2.4 苯胺黑藥與混合外加基質的共代謝

在混合基質共代謝實驗中，分別將各單一基質兩者或三者混合，保持共代謝基質與進水中苯胺黑藥的質量比為1:1，實驗結果見表2。

由表2可見，在控制共代謝基質與苯胺黑藥質量比為1:1的條件下，蔗糖與乙酸鈉混合基質與苯胺黑藥共代謝降解的效果最好，出水COD為84.70 mg/L，苯胺黑藥濃度為 13.55 mg/L，COD去除率達到84.6%，苯胺黑藥的降解率達到 93.23%，出水 COD滿足國家污水綜合排放標準的第二類污染物最高允許排放濃度的一級標準要求。圖7所示為蔗糖與乙酸鈉混合基質與苯胺黑藥共代謝降解曲線。由圖7可知，與單一蔗糖共代謝降解相比，微生物污泥對苯胺黑藥的吸附過程更長，當降解進行至90～120 min時，微生物污泥對污染物同樣有釋放作用，隨后很快即被降解，苯胺黑藥的降解作用主要發生在污泥吸附過程中。這可能是在兩種混合基質存在的條件下，誘導出關鍵酶，且關鍵酶主要在苯胺黑藥吸附過程中發生作用，污染物得到去除。此外，通過微生物鏡檢觀察，在這一階段系統中線狀菌數量有所減少，且活性沒有單一蔗糖基質系統的高。系統出水的pH值檢測結果表明，出水略顯堿性，可能是由于乙酸鈉的水解作用，使系統pH值偏高，乙酸鈉增強了苯胺黑藥降解過程中產生中間產物的分解作用，但與蔗糖單一共代謝相比，苯胺黑藥的降解率有所下降。

表2 不同混合基質與苯胺黑藥的共代謝降解結果Table 2 Co-metabolism degradation results of aniline aerofloat with different mixed substances at different mass ratios

2.5 共代謝降解動力學

根據SBR反應過程的特點，反應池內微生物的濃度是變化的，但由于一個運行周期內微生物的總量變化不大，因此，可認為在一個周期內微生物的總量為常數。苯胺黑藥降解動力學研究的進水條件為苯胺黑藥與蔗糖以質量比1:1進水，實驗開始后，每隔15 min取樣測定混合水樣的COD，進入曝氣階段后，池內發生好氧反應，有機物去除過程符合米門方程，可用改良的Michaelis?Menten方程描述，其具體形式為

圖7 蔗糖與乙酸鈉混合基質與苯胺黑藥共代謝降解曲線Fig. 7 Co-metabolism degradation curves of waste water at compound substrate of sucrose and sodium acetate

式中：ρmin為最終降解出水苯胺黑藥的濃度。測定不同時刻的濃度ρi及其對應的降解速率vi，求出二者的倒數，以 1/vi對 1/(ρi?ρm)作圖，即 Lineweaver?Burk作圖法，可得一直線，直線在縱軸上截距為 1/vmax、在橫軸上截距為?1/Km，直線的斜率為 Km/vmax，量取直線在兩坐標軸上的截距就可求出Km和vmax。由此得到5次平行實驗的Km、vmax及相關系數R2，結果分別為米氏常數 Km=(1.600 8±0.080) mg/L、vmax=(0.264±0.006) mg/(L·min)，ρmin=(3.712±0.012) mg/L和 R2=(0.957 9±0.010)。

3 結論

1) 根據實際生產中浮選廢水的特點，對浮選廢水進行人工模擬，通過40 d的馴化培養，出水基本穩定，微生物能代謝降解一部分苯胺黑藥，COD去除率約為64%；添加外加基質能夠提高污染物的去除效率，SBR系統最佳曝氣運行時間為3 h，且當添加基質與苯胺黑藥的質量比為1:1時，共代謝作用最好，去除效率最高。

2) 進水苯胺黑藥濃度均保持在200 mg/L，單一外加基質與苯胺黑藥進行共代謝研究結果表明，各種基質對苯胺黑藥的降解效果由高到低的順序為蔗糖、乙酸鈉、葡萄糖、淀粉和維生素C，當蔗糖與苯胺黑藥以質量比1:1共代謝降解時，出水COD保持在70 mg/L左右，去除率達到 87.3%，苯胺黑藥出水濃度為 3.7 mg/L，降解率達到98%，對浮選廢水的回用或排放十分有利。

3) 保持苯胺黑藥與共代謝基質量比為 1:1，添加不同混合基質，研究苯胺黑藥的降解情況，結果表明蔗糖與乙酸鈉兩種基質混合與苯胺黑藥共代謝降解效果最好，出水COD為84.7 mg/L，苯胺黑藥濃度為13.55 mg/L，COD和苯胺黑藥的去除率分別達到 84.6%和93.23%。

4) 胺黑藥與蔗糖以質量比1:1進水，對其降解動力學方程進行擬合，得到其動力學參數米氏常數Km=(1.600 8±0.080) mg/L，vmax=(0.264±0.006) mg/(L·min)，ρmin=(3.712±0.012) mg/L和R2=(0.957 9±0.010)。

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(編輯 陳衛萍)

Co-metabolism characteristics of aniline aerofloat with different substrates in flotation wastewater

SONG Wei-feng, YAN Ming, SUN Shui-yu
(School of Environmental Science and Engineering, Guangdong University of Technology, Guangzhou 510006, China)

X753

A

1004-0609(2012)07-2090-07

廣東省重大科技專項資助項目(2010B080703035)

2011-06-27；

2011-10-25

宋衛鋒，副教授，博士；電話：18929528006；E-mail: weifengsong@263.net