1. 引言
城市污水处理厂在完成污水处理的同时,也会产生大量恶臭气体,其主要成分是含硫化合物和含氮化合物。其中,含硫化合物中的硫化氢(H2S)被认为是污水处理厂所产生的最为普遍且影响最大的恶臭物质。H2S不仅会影响周边环境的质量,而且会严重威胁周边居民身心健康,H2S还会对污水管道和处理设备产生腐蚀,缩短其使用寿命,影响污水处理厂的正常生产活动 [1]。
目前污水处理厂常用末端处理来控制恶臭气体,但存在显著缺陷:增设恶臭气体收集、处理系统会增加污水处理厂建设和运营的费用,并且加盖封闭会给处理构筑物内相关设备的运行、保养和维修带来不便,甚至会造成设备腐蚀问题 [1]。
综上所述,污水处理厂现行末端除臭技术存在着显著缺陷。因此,迫切需要研究开发城市污水处理厂H2S恶臭气体的原位控制技术。据研究,蒽醌及蒽醌衍生物和腐殖酸模式物等腐殖质类物质均对硫酸盐还原菌(SRB)生长有抑制作用 [3] [4]。鉴于此,本文利用一种水中的天然有机物——腐殖酸(HA)抑制SRB的生长代谢以减少H2S气体的产生量,研究HA对SRB厌氧产生H2S的抑制效果,揭示腐殖酸对SRB厌氧产生H2S的抑制机理,为城市污水处理厂恶臭气体H2S的控制提供一种新思路。
2. 材料与方法
2.1. 试验所用材料
2.1.1. 试验所用污泥及其培养方法
试验所用活性污泥取自上海市某污水处理厂二沉池。将污泥用自来水反复冲洗,去除里面粗大固体颗粒,然后将处理后的污泥倒入血清瓶密封保存于4℃冰箱中,2 h后将上层清液倾倒,得到经重力沉降的污泥备用。
在1 L的培养瓶中加入上述备用污泥、0.192 g乙酸钠、0.15 g葡萄糖以及培养液(表1),并加培养液使混合液体积为1 L,使每个培养瓶中的COD浓度、pH和硫酸盐(
)浓度分别为3000 mg/L、7和600 mg/L,然后持续通入氮气约5 min,以维持氧化还原电位(ORP)在−300 mV左右。将瓶口用橡胶塞密封后放入转速为150 rpm、温度为35℃的恒温摇床中持续培养。每隔24 h静置20 min后倒掉上清液,补充适量乙酸钠、葡萄糖和硫酸盐,重新加入培养液使混合液体积为1 L。重复以上操作,直至培养瓶中的污泥全变为黑色,连续监测气态H2S产量稳定达到800 ppm以上,认为SRB驯化完成。
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Table 1. Components and contents of culture medium
表1. 培养液组分及含量
2.1.2. 试验用水及腐殖酸
试验用水为人工模拟废水,其中各物质组分浓度见表2。
试验所用腐殖酸(HA)购置于上海麦克林生化科技有限公司,HA中黄腐酸(FA)含量 ≥ 90%,分子式为C9H9NO6,相对分子质量为227.17,CAS号为1415-93-6。
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Table 2. Components and contents of experimental water
表2. 实验用水组分及含量
2.2. 试验方案
本试验为序批次式试验。在500 mL血清瓶中加入葡萄糖和乙酸钠混合电子供体,控制污泥浓度即MLSS在5000 mg/L为,控制腐殖酸浓度梯度为0,40,80,120,160和200 mg/L,加人工配水至400 mL刻度线,加入电子供体后混合液的COD应控制在150 mg/L。持续通入N2,直至混合液的ORP降至−150 mV以下。将瓶口用橡胶塞密封后放入转速为150 rpm、温度为35℃的恒温摇床中培养,投加各浓度HA的反应器分别培养12,24,36,48和60 h,到达预定培养时间后,取出培养瓶,先测定H2S气体浓度,然后将培养瓶迅速转移至厌氧箱中,取样品上清液经0.45 μm滤膜,滤液用于总硫化物,总有机碳(TOC)的测定;取样品底泥进行酶活力的测定。
2.3. 测定方法
H2S气体浓度通过ADSK-4硫化氢气体浓度检测仪测定;总硫化物的测定使用哈希DR2800便携式分光光度计测定;TOC采用岛津TOC仪测定;亚硫酸盐酶活力及腺嘌呤磷酰硫酸盐(APS)还原酶酶活力的测定采用Ostrowski和高艳的方法 [5] [6]。
3. 结果与讨论
3.1. HA对SRB还原
的抑制效果
SRB在厌氧条件下会将
还原并产生H2S以及硫化物,根据图1和图2,投加了HA的反应器中,释放出的H2S气体以及水中产生的总硫化物都有了大幅度的减少,这表明HA对SRB还原
有极强的抑制作用。除40 mg/L HA外,其余浓度的HA在反应60 h时对H2S气体产生的抑制效果均在80%以上,200 mg/L HA的抑制效果更是达到了93.14%。40 mg/L HA对总硫化物的产生抑制效果为44.67%,其余浓度HA的抑制效果相差不大,均在50%以上。
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Figure 1. H2S gas concentration in the reactor under different concentrations of HA
图1. 不同浓度HA下反应器产生H2S气体浓度
3.2. HA对SRB电子传递体系的影响
据Bradley [7] 研究,HA可作为最终电子受体参与微生物厌氧降解有机物。如图3所示,投加HA后,水中有机物均比未投加HA消耗更快,HA能够促进SRB对电子供体的利用。且HA的浓度越高,SRB对电子供体的总利用率越高。投加200 mg/L HA的SRB在反应60 h时对电子供体的总利用率为97.88%,相比未投加HA的SRB提高了20.62%。但是此时SRB经还原
产生的H2S和总硫化物浓度大幅度降低,说明因SRB降解有机物而产生的大量电子有可能经SRB流向了HA。且通过将HA的模式物蒽醌-2,6-二磺酸盐(anthraquio ne-2,6-disulfonnat, AQDS)加入SRB污泥中进行反应发现,AQDS随着反应的进行不断得电子被转化为AH2QDS,在SRB代谢过程中AQDS起到了最终电子受体的作用,间接证明了HA因充当最终电子受体,分流了SRB降解有机物产生的电子,扰乱了其电子传递体系,抑制SRB厌氧还原
为
,从而使产生的H2S气体和总硫化物浓度下降。
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Figure 2. Total sulfide concentration in the reactor under different concentrations of HA
图2. 不同浓度HA下反应器产生总硫化物浓度
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Figure 3. Utilization of electron donors when HA was added at different concentrations
图3. 投加不同浓度HA时电子供体的利用情况
3.3. HA对SRB代谢过程中关键酶酶活性的抑制作用
根据现有文献,SRB在还原
的过程中电子传递发生在腺嘌呤磷酰硫酸盐(APS)的还原和亚硫酸盐(
)的还原,故APS还原酶和
还原酶是SRB代谢过程中的关键酶 [8] [9]。SRB反应起始时因清洗和离心作用导致酶活性降低,随反应进行其酶活力逐渐增加,如图4、图5,投加不同浓度的HA后,APS还原酶及
还原酶的活性显著降低,呈现先降低后增加再减小的趋势;投加HA的浓度越高,对APS还原酶及
还原酶的抑制效果越好。投加了HA的反应器中APS还原酶及
还原酶在12 h时其酶活性最低,表明HA的存在打乱了SRB的电子传递,SRB初始降解的有机物产生的大部分电子均被分流至HA,整个
的还原过程受到影响;随着有机物的不断被降解,产生的电子总量逐渐增加,除分流至HA外,SRB也能获取部分电子,产生H2S和硫化物。
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Figure 4. Effect of HA at different concentrations on APS reductase enzyme activity of SRB
图4. 不同浓度HA对SRB的APS还原酶酶活力的影响
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Figure 5. Effect of HA at different concentrations on
reductase enzyme activity of SRB
图5. 不同浓度HA对SRB的
还原酶酶活力的影响
4. 结论
1) HA能够显著抑制SRB还原
,投加80~200 mg/L浓度的HA对H2S的抑制效果达到80%以上,40 mg/L HA对总硫化物的产生抑制效果为44.67%,其余浓度HA的抑制效果相差不大,均在50%以上。
2) HA能够促进SRB对电子供体的利用,HA浓度越高,促进效果越好,投加200 mg/L HA的SRB对电子供体的总利用率为97.88%,相比未投加HA的SRB提高了20.62%。HA扰乱了SRB还原
的电子传递体系,并最终称谓SRB代谢的最终电子受体。
3) HA对SRB代谢过程中的两张关键酶
还原酶和APS还原酶都有显著的抑制作用,HA的浓度越高,抑制作用越强烈。