双酚A废水处理系统中污泥的有机毒性特性研究-论文 5页

第29卷第3期中国给水排水Vo1．29No．32013年2月CHINAWATER＆WASTEWATERFeb。2013双酚A废水处理系统中污泥的有机毒性特性研究徐文璐，杨娜，胡园园，陈秀荣，艾奇峰，王利鹏，陈善佳，黄华(华东理工大学资源与环境工程学院，上海200237)摘要：以处理双酚A(BPA)模拟废水的活性污泥系统为研究对象，经BPA初始浓度为2．5mg／L的模拟废水驯化后，考察在不同BPA初始浓度(5、7．5、20和40mg／L)下出水COD浓度及水相与泥相不同分区中BPA含量及毒性的变化趋势。结果表明，在降解BPA的过程中，污泥外层EPS区域(占泥相的22．27％)无BPA及毒性的显著积累；在驯化与运行过程中，污泥内层EPS和胞内区域无BPA残留，但毒性不断积累，分析认为是在活性污泥降解BPA的过程中，毒性降解产物或BPA诱导微生物细胞分泌的毒性物质滞留在该区域所致。关键词：双酚A；序批式活性污泥法；污泥毒性；胞外多聚物中图分类号：X703文献标识码：C文章编号：1000—4602(2013)03—0057—05OrganicToxicityinActivatedSludgeinBPASyntheticWastewaterTreatmentSystemxuWen—lu，YANGNa，HUYuan—yuan，CHENXiu—rong，A1Qi—feng，WANGLi—peng，CHENShan—iia．HUANGHua(CollegeofResourceandEnvironmentalEngineering，EastChinaUniversityofScienceandTechnology，Shanghai200237，China)Abstract：TheactivatedsludgesystemtreatingbisphenolA(BPA)syntheticwastewaterwascho—senforstudy．Thesludgewasacclimatedwithsyntheticwastewatercontaining2．5mg／LBPA．Theeflu—entCOD，BPAcontentbothinefluentandsludge，andsludgetoxicitywereinvestigatedatBPAconcen—trationsof5mg／L，7．5mg／L，20mg／Land40mg／L．TheresultsshowedthatnoBPAandtoxicityac—cumulationwereobservedinlooselyboundEPS(accountingfor22．27％ofsludgedryweight)duringthedegradationofBPA．Funhermore．noresidualBPAWasobservedintightlyboundEPSandintracellu—larspaceofsludgewhilethetoxicitysteadilyclimbed．Inconclusion，theorganictoxicityintightlyboundEPSandintracellularspaceofsludgewascausedbytheaccumulationofdegradationproductsandtoxi—cantssecretedbyBPA—inducedmicrobialcellduringBPAdegradation．Keywords：bisphenolA(BPA)；sequencingbatchactivatedsludgeprocess；sludgetoxicity；extracellularpolymericsubstances剩余污泥的土地利用已成为重要的资源化方向。目前，英、美、法等许多国家的城市污泥农用率基金项目：国家自然科学基金资助项目(51008124)；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目·57·n第29卷第3期中国给水排水高达70％，而我国的污泥农业利用率相对较低¨。30d，SRT和HRT分别为20d和12h，DO保持在影响污泥土地利用的关键是安全性问题。目前，人2．3～3．0mg／L之间。们主要关注污泥中重金属引起的环境毒性，而对污1．2分析项目及方法泥中有毒有机物引起的毒性重视不足J。因此，针常规监测指标包括COD、DO、pH值、MLSS、对处理大量存在于工业废水中、毒性较大且可生物MLVSS、SV、SVI和生物相镜检，采用国家标准方法降解有机污染物的活性污泥系统来讲，对其剩余污测定。外层EPS毒性：超声+阳离子树脂搅拌提取泥的有机毒性研究已经成了目前提高其土地利用安EPS，采用发光细菌(明亮发光杆菌r乃，下同)法测全性的重要课题。定生物毒性；破胞总毒性：超声破胞，采用发光细菌随着工业和经济的发展，双酚A(BPA)的生产法测定生物毒性；BPA吸附试验毒性：将灭活污泥量和使用量大幅增加，BPA可经污泥吸附、光降解和未灭活污泥放在全温振荡培养箱中，每隔2h采和生物降解等过程去除，其去除途径和效果将直接用发光细菌法测定生物毒性；对照组污泥的BPA含影响BPA在环境中的存在状态及其生态和毒理效量：高效液相色谱法(检测限为0．1mg／L)。应J。有研究表明，活性污泥吸附在去除BPA等2结果与讨论环境激素中起主要作用j，故BPA的毒性极易直接2．1驯化过程中污泥毒性的变化向污泥相迁移。BPA可被好氧驯化污泥降解，但其驯化阶段各指标随时间的变化情况见表1。生物降解速率较慢，未完全降解的中间产物滞留在表1驯化阶段各指标随时间的变化污泥相，也可能会增加污泥毒性。笔者以处理Tab．1VariationsofindexesduringacclimationstageBPA模拟废水的SBR活性污泥系统为研究对象，考项目驯化天数／d051015202530察了BPA降解过程中的污泥毒性形成及分布特性，C0D／空白组42．038．O57．048．037．046．043．0以期为处理此类污染物的污泥后续处理和处置提供(mg·L)对照组67．058．O64．050．040．045．035．0参考。外层EPS空白组9．7615．6919．7221．5423．4120．919．681材料与方法毒性抑制率／％对照组13．4820．1726．7719．1524．1621．3220．451．1试验装置与材料内层EPS+空白组18．0618．6819．0226．2724．4617．2816．83试验装置如图1所示。试验用序批式好氧活性胞内毒性污泥反应器为有机玻璃制成，有效容积为10L。抑制率／％对照组18．6622．3825．730．4627．3419，6919，06总毒性抑巨白组27．8234．3738．7447．8147．87~38．1836．51制率／％照组32．141-2．5552．4749．6151．51．0139．51由表1可知，在驯化初期，对照组的出水COD浓度比空白组的高，至驯化末期，对照组出水COD微孔曝气机浓度显著低于空白组；驯化初期，对照组的污泥外层EPS毒性显著高于空白组的，至驯化中后期，两者基本相当；在驯化过程中，对照组的污泥内层EPS+胞内毒性高于空白组的，两者毒性差值呈先增大后减图1试验装置小的趋势。以上结果表明，随着对照组污泥对BPAFig．1Schematicdiagramofexperimentalsetup的适应性加强，表现为对COD和BPA的去除能力试验原水为人工配水，COD初始浓度为300逐步增强。BPA属于亲脂性有机物，在驯化初期，mg／L左右，C：N：P为100：5：1。其中空白组的由于BPA被污泥相快速吸附但未得到有效降解，故COD全部由蛋白胨提供，对照组的COD由蛋白胨体现为污泥外层EPS毒性显著高于空白组的；随着和BPA提供。用BPA初始浓度为2．5mg／L的废水污泥对BPA降解能力的增强，对照组污泥内层EPS对活性污泥进行驯化，随后驯化污泥进入运行阶段，和胞内区域毒性渐占主导，并在驯化末期，随BPA处理BPA浓度分别为5、7．5、20和40mg／L的模拟降解产物或微生物分泌的毒性物质累积量逐步被消废水。驯化阶段与每个处理阶段的运行时间皆为耗，而呈现出污泥内层EPS和胞内毒性逐步降低的·58·n徐文璐，等：双酚A废水处理系统中污泥的有机毒性特性研究第29卷第3期趋势，即与空白组污泥相应毒性的差距减小。制率均在20％左右，即外层EPS并没有显著的毒性2．2运行过程中污泥毒性的变化积累。经低浓度BPA模拟废水驯化后，对照组污泥性②污泥内层EPS+胞内毒性质稳定且对BPA的适应性较好。为进一步探索运行过程中空白组与对照组污泥内层EPS+胞BPA及其引起污泥毒性的变化规律，试验中逐步提内毒性的变化见图3。高BPA初始浓度，分别加入5、7．5、20和40mg／L50．B上JA=BPA：BPA=DI~A：4UmL5mg／L7．5mg／L20mg／L的BPA模拟废水，对运行期问污泥毒性的变化进行40八分析。篓302．2．1出水COD浓度的变化耋20：—＼．．＼一／＼．在运行阶段，空白组与各对照组出水COD浓度{l】廿10+空白组一对照组均可维持在60mg／L以下。对于整个对照组污泥系统，在BPA初始浓度从低到高的提升过程中，运行081624081624081624041526t／d初期出水COD浓度会突然升高，之后逐渐降低；对于单个对照组污泥系统，由于污泥对BPA的适应能图3运行过程中污泥内层EPS+胞内毒性的变化Fig．3ToxicityintightlyboundEPSandintraeellularspaceof力逐渐增强，故运行至中后期时出水COD浓度要低sludgeduringoperationperiod于空白组的。由图3可知，在不同BPA初始浓度下，对照组2．2．2污泥毒性的变化的污泥内层EPS+胞内毒性均高于空白组的；随着①污泥外层EPS毒性BPA初始浓度的升高，对照组污泥内层EPS+胞内在不同的BPA初始浓度下，对照组与空白组的毒性总体上呈增大的趋势。采用液相色谱仪测定水污泥外层EPS毒性变化如图2所示。相与泥相的BPA含量，结果显示，在每个BPA初始35uln．，·JI“浓度下的稳定运行阶段，在SBR运行周期末各区域3025(水相、污泥外层EPS、污泥内层EPS十胞内)的BPA幕2O含量均低于检测限。由此可知，在对照组系统的运量15行过程中，BPA并未在水相与泥相各区域积累。故j{硅}10推断对照组污泥内层EPS+胞内毒性积累的原因为，在对照组污泥系统吸附、降解BPA的过程中，有081624081624081624t／d显著毒性的BPA降解产物存留在内层EPS+胞内图2运行过程中污泥外层EPS毒性的变化区域，或者在BPA降解过程中诱导微生物产生了其Fig．2ToxityinlooselyboundEPSduringoperationperiod自身可耐受的有毒代谢产物。由图2可知，在不同的BPA初始浓度下，运行2．3单个运行周期中污泥毒性的变化初期对照组的污泥外层EPS毒性均比空白组的要试验过程中，针对BPA初始浓度分别为7．5、大，随后两者毒性基本相当。分析认为，在每次提高20、40me／L的阶段，在单个SBR运行周期内，每隔BPA浓度的初期，由于污泥对增加的BPA不适应，一定时间取样，分析空白组与对照组污泥毒性的变导致BPA及其未彻底降解的产物累积在外层EPS化过程，以及对照组系统中水、泥两相的BPA含量区域，体现为对照组污泥外层EPS毒性较空白组的随运行时间的变化情况。大；随着运行时间的延长，对照组污泥逐渐稳定，对2．3．1对照组系统各区域BPA含量的变化BPA的降解能力增强，外层EPS区域内无累积吸附在稳定运行阶段，监测单个运行周期内水、泥两的BPA或其初级降解产物，故对照组污泥外层EPS相中BPA含量的变化，并计算BPA降解量。结果毒性与空白组的相当。在稳定运行阶段，对照组污如表2、3、4所示。由于污泥外层EPS中的BPA含泥外层EPS毒性并未随BPA初始浓度的升高而增量均低于检测限，故将表中泥相的BPA含量视为污大，而是与空白组污泥外层EPS毒性相当，毒性抑泥内层EPS+胞内的BPA含量。·59·n第29卷第3期中国给水排水表2对照组污泥系统各分区的BPA含量(初始2h时污泥毒性较高；2h之后，对照组污泥对BPABPA：7．5mg／L1的降解作用占主导，BPA总量开始降低，体现为污Tab．2BPAcontentdistributionincontrolsystemwidIinitial泥毒性呈下降趋势，至4h时泥相的总毒性降至最BPAof7．5m#Lmg·L一低；之后中间代谢产物在内层EPS+胞内逐渐积累，项目01．5h2h2．5h4h6h8h10h12h导致污泥内层EPS+胞内的毒性再次升高，并在10水相7．52．541．711．05O．550．680．50．020h时达到峰值；随后内层EPS+胞内的毒性逐渐降泥相04．895．75．13．842．160．96O．28O．03低并至稳定状态。降解量200．O7O．O91．353．114．666．047．27．47一内层EPS+胞内表3对照组污泥系统各分区的BPA含量(初始+外层EPSBPA=20mg／L)A=斗UTab．3BPAcontentdistributionincontrolsystemtllinitialBPAof20mg／Lmg·L一项目00．5h1h1．5h2h2．5h4h6h水相2O7．722．671．130．85O．410．340．03泥相0O．91．8l3．321．280．370．04O降解量011．38l5．5215．5517．8719．2219．6219．972468l0122468l0l22468l0l2表4对照组污泥系统各分区的BPA含量(初始，hBPA=40mg／L)、哥瀑嚣懈图4单个运行周期内对照组污泥各分区的毒性变化Tab．4BPAcontentdistributionincontrolsystemtllinitial∞∞如加m0Fig．4VariationofacclimatedsludgetoxicityduringanBPAof40mg／Lmg·L一operationphase项目O0．5hlh1．5h2h2．5h因此，在活性污泥处理BPA模拟废水的过程水相4014．745．930．230．O【50．O45泥相00．040．131．80．160．12中，污泥对BPA的吸附和降解皆会造成显著毒性，降解量O25．2233．9437．9739．7939．835在每个运行周期末污泥的毒性主要为BPA降解过由以上数据可以看出，在不同BPA初始浓度的程所致，且污泥毒性主要集中在内层EPS和胞内区各阶段，当对照组系统运行稳定时，对水相中BPA域。的去除基本可在2．5h内完成，去除率分别为3结论86．0％、98．0％和99．9％；在单个SBR周期内，对照①当提高BPA初始浓度时，污泥外层EPS的组污泥相的BPA含量均呈先增大后减小的趋势，体毒性几乎不变，且与空白组的趋于一致；而污泥内层现了污泥先快速吸附水相中的BPA再对其进行生EPS+胞内的毒性随BPA初始浓度的升高而增大，物降解的过程。在BPA初始浓度分别为7．5、20、40与空白组的毒性差距逐步扩大。mg／L的条件下，污泥相中的BPA含量达到峰值的②不同的BPA初始浓度条件下，在整个运行时间分别为2、1．5、1．5h，并分别经过12、6、2．5h周期内，污泥内层EPS+胞内的毒性始终高于污泥的降解后，将BPA基本去除。外层EPS的毒性，即污泥毒性的累积主要存在于内2．3．2对照组污泥不同分区的毒性变化层EPS+胞内区域，并且运行至第1O小时时，两者在单个运行周期内，对照组污泥不同分区的毒的毒性差距达到最大。性变化如图4所示。可知，在不同的BPA初始浓度③活性污泥对BPA的去除过程为先将其快条件下，整个运行周期内污泥内层EPS+胞内的毒速吸附至泥相(主要在内层EPS+胞内区域)，并逐性皆高于污泥外层EPS的毒性，即污泥毒性主要集渐对其进行降解。吸附和降解BPA的过程皆会导中在内层EPS和胞内区域，且在第l0小时时，两者致污泥毒性，但以降解过程的贡献更为显著。试验的毒性差距最大。分析认为，运行前期(0～2h)，对结果显示，泥相中BPA含量的峰值出现在第1．5—2照组污泥主要依靠吸附作用将水相中的大量BPA小时，此时污泥毒性较高；但污泥毒性峰值出现在第转移至污泥相(主要吸附至内层EPS+胞内)，因此1O小时，此为降解过程的贡献。(下转第65页)·60·n