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2023-02-11
更新时间：2023-02-12 03:47:02作者：百科知识库
酚类物质是工业废水中常见的有毒污染物，大多城市污水处理厂收纳各种工业废水〔1〕，酚类有机物进入污水处理厂生化处理系统后会伤害活性污泥菌体的细胞膜，对微生物产生抑制与毒害作用〔2〕，影响污水处理厂的正常运行。因此有必要研究确定废水中这些有机污染物对活性污泥的抑制阈值，以控制其在进水中的含量，最大限度地减少此类有毒物质对污水处理厂的冲击。
2，4-二叔丁基苯酚是某污水 处理厂检出的含量较高的一种有机污染物〔3〕，其是精细化工产品的重要中间体〔4〕。2，4-二叔丁基苯酚对某些植物和土壤微生物均可产生显著影响〔5〕，但是有关2，4-二叔丁基苯酚对活性污泥微生物毒性抑制的研究国内外未见报道。因此笔者通过厌氧产甲烷〔6, 7〕和活性污泥呼吸抑制试验〔8〕来分别研究不同质量浓度的2，4-二叔丁基苯酚对活性污泥微生物的厌氧毒性和好氧毒性，以期为污水处理厂的稳定运行和对进水水质的管理要求提供理论支持。
1 材料与方法
1.1 实验材料
2，4-二叔丁基苯酚(质量分数为99.5%)，百灵威科技有限公司;好氧活性污泥取自石家庄某污水处理厂氧化沟曝气池;厌氧接种污泥取自上述污水厂厌氧反应池。
1.2 实验仪器
3K-15型高速冷冻离心机，美国SIGMA公司;ProODO溶解氧测定仪，美国YSI公司;HJ-6型磁力加热搅拌器，常州国华电器有限公司;曝气装置、厌氧产甲烷装置，自制。
1.3 厌氧产甲烷实验
(1)实验用水。由超纯水、葡萄糖、营养液和微量元素(成分见表 1)混合配制，配制时每克COD加入营养液和微量元素各1 mL。
(2)实验装置。厌氧产甲烷实验装置如图 1所示。
图 1 厌氧毒性实验装置
分别选用容积为500 mL 的医用葡萄糖瓶作为反应瓶和碱液吸收瓶，瓶口用医用橡皮塞密封。采用恒温水浴锅加热，温度控制在35 ℃左右。经过厌氧消化，反应瓶中的有机物被降解产生甲烷和二氧化碳气体，气体沿导管进入装有0.1 mol/L NaOH溶液的吸收瓶，二氧化碳被吸收，甲烷存留在碱液吸收瓶中，采用排水法测定甲烷产生量。
(3)实验操作。取一定量离心洗涤过的接种污泥加入500 mL反应瓶中，然后加入一定量的葡萄糖、营养母液、微量元素和受试物，用超纯水定容至500 mL混匀，使反应液的COD为1 000 mg/L、污泥VSS为1 500 mg/L，并加入适量NaHCO3调节瓶内反应物的pH至7.0左右。实验以不含有毒物质的葡萄糖培养液为对照样，故对照样不加受试物，其他组成与受试样相同，测定条件也完全相同。
向各反应瓶中通入CH4，排走体系中的O2，从而使反应瓶内达到厌氧条件。同时可使CH4在反应液体中达到饱和，减少实验系统误差。按图 1连接好管路，并在管路上安装单向阀，防止碱液倒吸进入反应瓶影响微生物活性。密封瓶口，将反应瓶置于恒温水浴中，计时启动实验。每24 h记录各反应瓶不同时刻的甲烷产量，每次读数后摇动反应瓶，使基质与厌氧污泥充分接触。实验测定时间为5 d。
(4)分析方法。厌氧毒性即是确定某种有毒物质在一定浓度下使厌氧污泥中甲烷菌的产甲烷活性下降的程度。有毒物质对甲烷菌的抑制强度用相对活性(RA)来表示，可用式(1)计算。
式中：Vt——t时刻受试样的甲烷累计产量，mL;
V对照——t时刻对照样的甲烷累计产量，mL。
RA为75%～95%表示轻度抑制，40%～75%表示中度抑制，<40%表示重度抑制〔9〕。RA数值的高低可反映出甲烷菌受有毒物质的抑制程度，RA越大表示毒性越小，RA越小则毒性越大。
实验数据用Origin 8.5软件处理，通过Logistic模型方程〔10〕拟合得到质量浓度对相对活性的曲线，据此来定量表征2，4-二叔丁基苯酚对厌氧微生物的毒性，并结合式(1)评价不同质量浓度的2，4-二叔丁基苯酚对厌氧微生物的抑制程度。
1.4 好氧呼吸抑制实验
(1)营养液的配制。取蛋白胨16.0 g、牛肉膏11.0 g 、尿素3 g、氯化钠0.7 g、二水氯化钙0.4 g、七水硫酸镁0.2 g、磷酸氢二钾2.8 g，用超纯水溶解摇匀定容至1 L。
(2)活性污泥微生物接种液的配制。实验所用好氧活性污泥取自石家庄某污水处理厂的氧化沟曝气池，取回实验室后用超纯水洗涤、离心，以消除曝气池中污泥吸附的外源基质对测定结果的影响。取少量洗涤后的污泥干燥、称重，计算出实验所需污泥量。配制质量浓度为4 g/L的活性污泥悬浮液待用。
(3)实验操作。取200 mL上述活性污泥接种液，加入16 mL营养液及不同量受试物储备液，稀释至500 mL混匀，得到一系列含不同质量浓度受试物的实验溶液。将实验溶液在(20±2) ℃下曝气培养3 h，曝气量控制在0.5 ～1 L/min。3 h后停止曝气，立即将实验溶液混匀并注满装入转子锥形瓶，插入溶解氧测定仪，保证没有气泡并有少量实验液溢出以达到水封目的。将锥形瓶置于磁力加热搅拌器上，恒温20 ℃。计时启动，每隔1 min自动记录1次溶解氧数值，待溶解氧降至1 mg/L时，停止实验。
(4)分析方法。根据溶解氧测定值绘制溶解氧与测定时间的关系曲线，并对曲线进行线性回归得到其斜率，即为待测废水的活性污泥耗氧速率R。受试物呼吸抑制率Rin可用式(2)表示。
式中： Rin——受试物呼吸抑制率，%;
Rs——受试物受试浓度下的耗氧速率，mg/(L·min);
Rc——对照组耗氧速率，mg/(L·min)。
按式(2)计算每一实验浓度下的抑制率，用Origin 8.5软件根据Logistic方程拟合抑制率对浓度的曲线，分析毒性抑制情况，并计算出2，4-二叔丁基苯酚对活性污泥的半数抑制浓度(EC50)。
2 结果与讨论
2.1 厌氧毒性实验结果与分析
在反应液COD为1 000 mg/L、污泥VSS为1 500mg/L 、反应温度为35 ℃，2，4-二叔丁基苯酚质量浓度分别为10、50、100、 200、400 mg/L时，甲烷累计产量变化趋势如图 2所示。从图 2可以看出，同一时刻不同质量浓度受试样的甲烷累计产量随着受试物质量浓度的增加逐渐降低，并且除10 mg/L的受试样甲烷累计产量在第96、120 h接近对照组外，其他质量浓度下的甲烷累计产量均低于对照样，由此看出2，4-二叔丁基苯酚对厌氧污泥具有较为显著的抑制作用。不同质量浓度的2，4-二叔丁基苯酚的相对产甲烷活性如图 3所示。
图 2 2，4-二叔丁基苯酚厌氧
图 3 2，4-二叔丁基苯酚
从图 3可看出，随着时间的增加，不同质量浓度的受试样对产甲烷菌的抑制作用均有一定程度的恢复趋势，这应该是厌氧污泥对2，4-二叔丁基苯酚慢慢适应并得到一定驯化的结果。当2，4-二叔丁基苯酚质量浓度为10 mg/L时，实验1～2 d的RA为42%～68%，表现为中度抑制，第3天的RA上升为84%，为轻度抑制，第4、5天RA接近100%，抑制作用消失，说明此浓度下2，4-二叔丁基苯酚对厌氧微生物的抑制作用随时间的增加而逐渐减弱，直至最后厌氧污泥对受试物完全适应，抑制作用消失;当2，4-二叔丁基苯酚质量浓度分别为50、100 mg/L时，第1天RA均在30%左右，属重度抑制，第2天～第5天RA为45%～70%，属中度抑制;当2，4-二叔丁基苯酚质量浓度为200、400 mg/L时，5 d内的RA均<30%，表现为重度抑制。
反应时间为120 h不同质量浓度的2，4-二叔丁基苯酚与所对应的相对产甲烷活性拟合Logistic模型曲线如图 4所示。
图 4 反应120 h厌氧微生物的相对活性
该曲线对应拟合方程为：RA=203.81/〔1+(C/303.71)0.62〕-83.36，R2=0.956。由此方程可以确定第5天相对产甲烷活性分别为95%、75%、40%时，2，4-二叔丁基苯酚的相对抑制质量浓度分别为13.14、40.56、152.41 mg/L。可以得出：当2，4-二叔丁基苯酚质量浓度<13.14 mg/L，对厌氧微生物基本没有抑制作用;当其质量浓度为13.14～40.56 mg/L时产生轻度抑制;当质量浓度为40.56～152.41 mg/L时产生中度抑制;质量浓度>152.41 mg/L时产生重度抑制。
2.2 好氧毒性实验结果与分析
2，4-二叔丁基苯酚质量浓度分别为30、60、90、120、150、250 mg/L时，对活性污泥的抑制效应见图 5。由图 5中呼吸速率曲线可以看出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，且呼吸速率随着2，4-二叔丁基苯酚质量浓度的增加逐渐减弱，由此可见2，4-二叔丁基苯酚对活性污泥微生物具有一定的生物毒性。
图 5 2，4-二叔丁基苯酚对好氧活性污泥的抑制效应
不同质量浓度的2，4-二叔丁基苯酚对活性污泥微生物的抑制率拟合曲线见图 5，曲线拟合方程为Rin=-88.18/〔1+(C/37.55)0.96〕+88.23，R2=0.992，由此方程计算出2，4-二叔丁基苯酚的EC50为49.61 mg/L。当2，4-二叔丁基苯酚质量浓度为10 mg/L时对活性污泥微生物的抑制率接近20%，说明2，4-二叔丁基苯酚对好氧污泥微生物的抑制作用比较显著;当2，4-二叔丁基苯酚为10～60 mg/L时，其对活性污泥的抑制率呈直线上升;当2，4-二叔丁基苯酚增加到90 mg/L后，其对活性污泥的抑制率逐渐趋于平缓，此后其继续增加至120～250 mg/L，对活性污泥的抑制率基本稳定在75%左右。
2.3 厌氧和好氧毒性的比较
2，4-二叔丁基苯酚对厌氧污泥和好氧活性污泥微生物的毒性大小不同，为便于比较两者的毒性作用强度，将不同质量浓度2，4-二叔丁基苯酚的厌氧和好氧抑制率绘制成图 6。
从图 6可以看出2，4-二叔丁基苯酚质量浓度在0～250 mg/L范围内时，其对好氧微生物的毒性大于厌氧微生物的毒性，质量浓度超过250 mg/L后，厌氧毒性开始逐渐高于好氧毒性。。
3 结论
(1)当2，4-二叔丁基苯酚<13.14 mg/L时，对厌氧微生物无抑制作用;13.14～40.56 mg/L时为轻度抑制;40.56～152.41 mg/L时为中度抑制;>152.41 mg/L时为重度抑制。
(2)2，4-二叔丁基苯酚对好氧微生物的半数抑制浓度(EC50)为49.24 mg/L。
(3)2，4-二叔丁基苯酚质量浓度为<250 mg/L时，好氧毒性大于厌氧毒性，质量浓度>250 mg/L时，厌氧毒性高于好氧毒性。
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