山梨酸生产废水对厌氧微生物潜在毒性的影响

　　以丁烯醛和乙烯酮为原料的山梨酸及其盐类防腐剂的生产工艺过程，吨产品排放废水达13~15 t。废水的组成包括丁烯醛、山梨酸、山梨酸钾以及生产过程的载液（苯环酸类）、丙酮、醋酸、乙醇、甲醇等。废水成分复杂，有机负荷高，含有多种不饱和脂肪酸、醛、酮以及内酯等抑菌性、毒性物质，生物降解性差使得这种废水的生物处理技术还存在许多难题。目前多采用的好氧处理工艺很难达到国家规定的排放要求。近十年的研究成果表明，在处理一些好氧生物难降解物质时，废水可先经过厌氧处理，使这些物质水解（或称低分子化），为进一步的好氧降解创造条件。由于在水解过程中，主要是使高分子物质低分子化，或使悬浮物水解，而不是使这些物质彻底降解，造成厌氧过程CODCr的去除率可能很低，工程实践中，废水厌氧处理之后往往再辅以好氧处理作为后续处理。如南京化工大学的邹家庆等[3]利用厌氧－生物接触氧化法处理高浓度山梨酸废水，CODCr平均总去除率达到77.4％；南通醋酸化工股份有限公司的陆林华[4]采用混凝—生化法（A/O/O）处理山梨酸废水，COD总去除率达到99.8％。上海环境工程设计研究院的胡允良[5]采用浸没式厌氧生物滤池和膜分离活性污泥法处理山梨酸废水，CODCr总去除率达93%～99%。

　　为了研究山梨酸生产废水的厌氧生物降解的可行性，本文在中温条件下，采用ATA（AnaerobicToxicity Assay）方法评价该废水的厌氧毒性，通过对比不同浓度下最大甲烷产气速率出现的时间，分析山梨酸废水对厌氧微生物潜在毒性的影响，确定可进行厌氧生物处理的极限浓度，为采用厌氧工艺处理山梨酸生产废水的可行性提供依据。

pH	DO/(mg·L-1)	CODCr/(mg·L-1)	NH4+-N/(mg·L-1)	TKN/(mg·L-1)	TP/(mg·L-1)
5.6	0.3	5633.6	1.96	3.44	0.7

　　实验装置见图1。接种污泥和实验水样放在试剂瓶（500 mL）中，恒温水浴振荡器控温35℃，定时振荡，使反应物充分混合，进行厌氧消化，产生的沼气采用量筒(100 mL)排水法计量，假定气体成分只有甲烷与二氧化碳。所产生的二氧化碳被锥形瓶（500 mL）中3%的NaOH所吸收，从而不影响产气量。

　　1.2 分析项目及方法

　　 实验所用仪器：溶氧仪（HI9143，意大利哈纳仪器（上海）有限公司）；精密pH计（pHS-3C，上海雷磁仪器厂）；电子天平（AB104-N，梅特勒—托利多仪器（上海）有限公司）；光栅分光光度计（722，上海精密科学仪器有限公司）；调速多用振荡器（HY-4，常州国华电器有限公司）。

　　 分析项目及方法：CODCr（重铬酸钾标准法）；MLSS及MLVSS（重量法）；pH（玻璃电极法）；TP（钼酸铵分光光度法）；NH4-N（滴定法）；VFA（酸碱滴定法）；CH4（用3%NaOH溶液吸收除去沼气中的CO2，剩余气体为CH4）。

　　采用葡萄糖作为基质，称取1.125 g葡萄糖，配制成CODCr为4000 mg/L的葡萄糖溶液，放入培养瓶中，其控制总体积约为300 mL, 其中加入污泥100 mL。考虑到山梨酸废水中N、P含量很少，而接种污泥的VSS/MLSS=0.25 g/L较低，为了保证厌氧污泥的生长，按营养比例COD﹕N﹕P=100﹕5﹕1以固体形式添加尿素和KH2PO4。按表2添加微量元素。用NaOH调节原水pH为7.2～7.5。

　　将按表3配好的实验水样，加入100 mL接种污泥，置于500 mL试剂瓶中。每个锥形瓶内置3%NaOH溶液400 mL，以吸收沼气中的CO2 。每瓶通入N2气3 min以保证厌氧环境。将试剂瓶置于35℃进行ATA实验。每天用振荡器振荡1~2 h，每隔一定的时间记录CH4的产气量。测定试验终点时各瓶的pH、CODCr、TSS、VSS等。

　　

　　

水样编号	原水/（mg·L-1）	蒸馏水/（mg·L-1）	污泥体积/（mg·L-1）	稀释度/%
1 　　2 　　3 　　4 　　5 　　6 　　7 　　8	0 　　20 　　40 　　60 　　80 　　120 　　180 　　200	200 　　180 　　160 　　140 　　120 　　80 　　20 　　0	100 　　100 　　100 　　100 　　100 　　100 　　100 　　100	- 　　6.7 　　13.3 　　20.0 　　26.7 　　40.0 　　60.0 　　66.7

　　注：稀释度(%)=加入的废水体积/培养液总体积

　　 2 结果与分析

　　2.1 不同浓度下废水的毒性影响

　　大多数化学物质在浓度很低时对生物活性有一定的刺激作用（或促进作用），当浓度较高时，开始产生抑制作用，而且浓度愈高，抑制作用愈强烈。图2为山梨酸废水产甲烷毒性测定中各反应器的累计甲烷产气量与消化累计时间曲线。其中1号为空白对照，其余的废水与蒸馏水的体积比按表3配制。

　　本实验用水对产甲烷活性抑制作用有明显的阶段性，且抑制作用随着废水浓度的提高而增大。实验水样1号～5号对厌氧污泥基本上无抑制作用，实验水样6号，即原废水与蒸馏水的体积比为120﹕80时，已出现了明显的抑制作用。随着废水浓度的增加，在实验前期的50～105h对水样6号、7号、8号有较明显的抑制作用，6～8号实验水样在各自的最大活性区间出现之前，产甲烷活性都出现过为零的现象。但经过一定时间的驯化后，厌氧污泥开始适应环境，随着原废水浓度的增加，抑制加重，所需驯化时间越长，例如8号水样比6号水样所需时间要长。经过长时间的适应和驯化后，厌氧菌的生物活性有一定程度的恢复，生化速率加快，生化能力增强，微生物利用毒性物质本身或被测的有毒废水作为底物，产气量进入线性增长期。此时的产气量随着浓度增大而增大。

　　2.2 不同浓度下毒性对产气速率的影响

　　不同浓度下毒性对产气速率的影响如图3。由图3可知，不同浓度的山梨酸生产废水都有一个最大的产气速率，而且水样1号~8号的产气速率高峰期都在前5 h之内，5 h之后，波动幅度降低。水样1号~5号在高峰期之后，仍进行小范围的波动，而6号~8号则慢慢降低，趋向于平稳。由此可知，产甲烷活性在前5h内受到的毒性影响很小，抑制作用不是很强。5h之后，毒性影响较大，产气速率波动幅度明显减小。而且，浓度越高，速率下降的越快，最后趋向于零，如6 ~8号。实验表明，废水浓度越大，产甲烷活性受到的抑制也越大。

　　在厌氧毒性试验中，厌氧污泥已充分“暴露”于有毒环境中，产甲烷活性恢复试验目的是为了考察厌氧污泥在无毒环境中的恢复特性。根据产甲烷活性恢复试验中累计产气量与消化时间的关系，可以确定有毒物或有毒废水对产甲烷菌属于代谢毒素,还是生理毒素，或是杀菌毒素。代谢毒素通过干涉代谢过程产生抑制作用但并不引起细菌细胞的任何损害，因此一旦毒素被除去后细菌的活性即能得到恢复。生理毒素能引起细胞参与与代谢的组织损伤或改变酶的性质，从而对细胞的活性产生抑制作用，但它们不杀死细胞。在活性恢复试验中，需要一段时间进行修复。杀菌毒素则引起细胞的死亡。在这种情况下，毒性引起的活性下降在整个恢复试验中可能不会恢复，除非恢复试验很长从而有新的细胞增殖发生[6]。

　　基于ATA实验，持续进行了123 h产甲烷活性恢复试验。得到产甲烷活性恢复试验中累计产气量与消化时间的关系如图4。从图4可以看出，各反应瓶中的厌氧活性污泥离开有毒废水的环境后,污泥活性有所恢复，但污泥活性恢复时间不同，有所延迟，水样1 ~5号反应瓶中的厌氧污泥的活性在解除有毒废水后的第11h进入线性增长期，而水样6~8号反应瓶在13h后进入线性增长期，恢复时间延迟了12h。活性恢复试验中，水样1～8号都有一个停滞期，即实验开始的2～13 h，需要11 h左右才恢复活性，说明由于厌氧毒性实验ATA持续较长的时间，基质长期缺乏，导致菌体自溶，污泥活性下降。实验结果表明，山梨酸生产废水（CODCr 在5000mg/L范围内）对产甲烷的活性抑制作用在13 h后解除，属于代谢毒素。

　　2.4 毒性试验与恢复试验CODCr去除率的对比

　　图5为毒性试验与恢复试验CODCr去除率的对比，从图5中可以更清晰地反映不同浓度废水的毒性影响及恢复情况。毒性试验与恢复试验CODCr的去除率均在94%以上，且在恢复试验中，CODCr的去除率明显超过了98%。这说明了该废水（CODCr在5000mg/L范围之内）毒性不大，虽然受到一定的抑制，但经过恢复试验后，完全可以恢复。

　　 3 结 论

　　以上厌氧活性试验和产甲烷活性恢复试验结果表明：山梨酸生产废水对厌氧污泥有一定的抑制作用。废水在CODCr浓度小于5 000 mg/L，基本上无毒性，抑制作用不明显。而废水在CODCr 6 000～7 500 mg/L有抑制作用，但属于代谢毒性，污泥经短时间的适应期后可迅速恢复活性。进行山梨酸生产废水厌氧生物处理的CODCr控制浓度应小于5 000mg/L。