山梨酸生產(chǎn)廢水對(duì)厭氧微生物潛在毒性的影響

山梨酸生產(chǎn)廢水對(duì)厭氧微生物潛在毒性的影響摘要：在中溫35℃條件下，對(duì)山梨酸生產(chǎn)廢水進(jìn)行ATA試驗(yàn)，以葡萄糖基質(zhì)和山梨酸生產(chǎn)廢水配制的試驗(yàn)廢水，通過(guò)對(duì)比不同濃度下最大甲烷產(chǎn)氣速率出現(xiàn)的時(shí)間，分析山梨酸廢水對(duì)厭氧微生物潛在毒性的影響，確定可進(jìn)行厭氧生物處理的極限濃度。試驗(yàn)結(jié)果表明，山梨酸生產(chǎn)廢水在CODCr小于5000mg/L，基本上無(wú)毒性，抑制作用不明顯。而CODCr在6000L～7500mg/L則有抑制作用，但屬代謝毒性，污泥經(jīng)短時(shí)間適應(yīng)期后可迅速恢復(fù)活性。進(jìn)行山梨酸生產(chǎn)廢水厭氧生物處理的CODCr控制濃度應(yīng)小于5000mg/L。

關(guān)鍵字：山梨酸生產(chǎn)廢水厭氧反應(yīng)產(chǎn)甲烷毒性抑制性ATAEffectofpotentialtoxicofthepotassiumsorbatewastewaterontheanaerobicbacteria

Abstract:ThispaperresearchedtheeffectofpotentialtoxicofthepotassiumsorbatewastewaterontheanaerobicbacteriausingATA(anaerobictoxicityassay)atamildtemperatureof35℃.Experimentalwastewaterwascomposedofglucoseandpotassiumsorbatewastewater.Comparedwiththemaxmethaneaccumulativeproductionappeartimeoftheexperimentalwastewaterwithdifferentconcentrationandanalyzeditspotentialtoxiceffecttoconfirmtheutmostconcentrationofthewastewaterthatwouldbetreatedwithanaerobictreatment.TheresultsofATAindicatedpotassiumsorbatewastewatertoxicitywasweaktotheanaerobicanimalculeandrestrainabilitywasnotobviouswhentheCODCrconcentrationwaslessthan5000mg/L.PotassiumsorbatewastewaterbelongedtometabolictoxinwithCODCrconcentrationbetween6000mg/Land7500mg/L.Itcouldinhibittheanaerobicanimalcule.Buttheanaerobicsludgecouldresumerapidlyinshorttime.ThepotassiumsorbatewastewaterwouldbetreatedusingtheanaerobictreatmentwithCODCrconcentrationwaslessthan5000mg/L.Keywords:SorbicacidProductionwastewaterAnaerobicreactionMethaneproduction

ToxicityInhibitionATA山梨酸及其鹽類是國(guó)際公認(rèn)的高效低毒性優(yōu)良的食品、藥物和化妝品的防腐劑。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活水平的提高,對(duì)食品、藥品、化妝品等的添加劑要求日趨嚴(yán)格,有些國(guó)家已禁用和限制使用苯甲酸類的防腐劑,我國(guó)的兒童食品已完全用山梨酸鉀代替苯甲酸鈉。山梨酸及其鹽類高級(jí)防腐劑的市場(chǎng)需求正日益增加[1,2]。以丁烯醛和乙烯酮為原料的山梨酸及其鹽類防腐劑的生產(chǎn)工藝過(guò)程，噸產(chǎn)品排放廢水達(dá)13~15t。廢水的組成包括丁烯醛、山梨酸、山梨酸鉀以及生產(chǎn)過(guò)程的載液（苯環(huán)酸類）、丙酮、醋酸、乙醇、甲醇等。廢水成分復(fù)雜，有機(jī)負(fù)荷高，含有多種不飽和脂肪酸、醛、酮以及內(nèi)酯等抑菌性、毒性物質(zhì)，生物降解性差使得這種廢水的生物處理技術(shù)還存在許多難題。目前多采用的好氧處理工藝很難達(dá)到國(guó)家規(guī)定的排放要求。近十年的研究成果表明，在處理一些好氧生物難降解物質(zhì)時(shí)，廢水可先經(jīng)過(guò)厭氧處理，使這些物質(zhì)水解（或稱低分子化），為進(jìn)一步的好氧降解創(chuàng)造條件。由于在水解過(guò)程中，主要是使高分子物質(zhì)低分子化，或使懸浮物水解，而不是使這些物質(zhì)徹底降解，造成厭氧過(guò)程CODCr的去除率可能很低，工程實(shí)踐中，廢水厭氧處理之后往往再輔以好氧處理作為后續(xù)處理。如南京化工大學(xué)的鄒家慶等[3]利用厭氧－生物接觸氧化法處理高濃度山梨酸廢水，CODCr平均總?cè)コ蔬_(dá)到77.4％；南通醋酸化工股份有限公司的陸林華[4]采用混凝—生化法（A/O/O）處理山梨酸廢水，COD總?cè)コ蔬_(dá)到99.8％。上海環(huán)境工程設(shè)計(jì)研究院的胡允良[5]采用浸沒(méi)式厭氧生物濾池和膜分離活性污泥法處理山梨酸廢水，CODCr總?cè)コ蔬_(dá)93%～99%。為了研究山梨酸生產(chǎn)廢水的厭氧生物降解的可行性，本文在中溫條件下，采用ATA（AnaerobicToxicityAssay）方法評(píng)價(jià)該廢水的厭氧毒性，通過(guò)對(duì)比不同濃度下最大甲烷產(chǎn)氣速率出現(xiàn)的時(shí)間，分析山梨酸廢水對(duì)厭氧微生物潛在毒性的影響，確定可進(jìn)行厭氧生物處理的極限濃度，為采用厭氧工藝處理山梨酸生產(chǎn)廢水的可行性提供依據(jù)。1

實(shí)驗(yàn)部分1.1

實(shí)驗(yàn)原料及裝置實(shí)驗(yàn)廢水取自廣西南寧市經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)某食品添加劑廠，該廠以丁烯醛和乙烯酮為原料生產(chǎn)山梨酸及其鹽類防腐劑。廢水取回后裝入塑料桶，密封并放在冰箱4℃保存。實(shí)驗(yàn)廢水的性質(zhì)如表1，數(shù)據(jù)表明試驗(yàn)用廢水有機(jī)污染物含量高，DO、含氮量、含磷量很低。表1

實(shí)驗(yàn)廢水的主要性質(zhì)pHDO/(mg·LL-1)CODCr/(mmg·L-11)NH4+-N/((mg·L--1)TKN/(mg··L-1)TP/(mg·LL-1)5.60.35633.61.963.440.7厭氧接種污泥有兩個(gè)來(lái)源，一是直接取自兼性污水穩(wěn)定塘的底泥，由于該底泥活性較低，故按照一定比例添加葡萄糖和山梨酸廢水混合液(CODCr約850mg/L)，進(jìn)行間歇馴化2個(gè)月。馴化后測(cè)得污泥濃度為MLSS=31.84g/L，MLVSS=5.345g/L。二是實(shí)驗(yàn)室原廢水厭氧工藝實(shí)驗(yàn)用污泥，該泥每天用葡萄糖和山梨酸生產(chǎn)廢水混合液(CODCr大約為800mg/L)來(lái)進(jìn)行馴化，間歇馴化3個(gè)月，污泥濃度為MLSS=40g/L。按體積比8﹕3依次取上述污泥，攪拌均勻放在塑料桶內(nèi)，冷藏密封備用。實(shí)驗(yàn)裝置見(jiàn)圖1。接種污泥和實(shí)驗(yàn)水樣放在試劑瓶（500mL）中，恒溫水浴振蕩器控溫35℃，定時(shí)振蕩，使反應(yīng)物充分混合，進(jìn)行厭氧消化，產(chǎn)生的沼氣采用量筒(100mL)排水法計(jì)量，假定氣體成分只有甲烷與二氧化碳。所產(chǎn)生的二氧化碳被錐形瓶（500mL）中3%的NaOH所吸收，從而不影響產(chǎn)氣量。1.2

分析項(xiàng)目及方法實(shí)驗(yàn)所用儀器：溶氧儀（HI9143，意大利哈納儀器（上海）有限公司）；精密pH計(jì)（pHS-3C，上海雷磁儀器廠）；電子天平（AB104-N，梅特勒—托利多儀器（上海）有限公司）；光柵分光光度計(jì)（722，上海精密科學(xué)儀器有限公司）；調(diào)速多用振蕩器（HY-4，常州國(guó)華電器有限公司）。分析項(xiàng)目及方法：CODCr（重鉻酸鉀標(biāo)準(zhǔn)法）；MLSS及MLVSS（重量法）；pH（玻璃電極法）；TP（鉬酸銨分光光度法）；NH4-N（滴定法）；VFA（酸堿滴定法）；CH4（用3%NaOH溶液吸收除去沼氣中的CO2，剩余氣體為CH4）。1.3

實(shí)驗(yàn)過(guò)程采用葡萄糖作為基質(zhì)，稱取1.125g葡萄糖，配制成CODCr為4000mg/L的葡萄糖溶液，放入培養(yǎng)瓶中，其控制總體積約為300mL,其中加入污泥100mL?？紤]到山梨酸廢水中N、P含量很少，而接種污泥的VSS/MLSS=0.25g/L較低，為了保證厭氧污泥的生長(zhǎng)，按營(yíng)養(yǎng)比例COD﹕N﹕P=100﹕5﹕1以固體形式添加尿素和KH2PO4。按表2添加微量元素。用NaOH調(diào)節(jié)原水pH為7.2～7.5。表2

微量元素添加量添加物質(zhì)NiCl·6H22OCoCl2·6HH2OCuSO4·5HH2OFeCl3·6HH2OMnCl2·4HH2O2ZnCl2添加量/(mg··L-1）將按表3配好的實(shí)驗(yàn)水樣，加入100mL接種污泥，置于500mL試劑瓶中。每個(gè)錐形瓶?jī)?nèi)置3%NaOH溶液400mL，以吸收沼氣中的CO2。每瓶通入N2氣3min以保證厭氧環(huán)境。將試劑瓶置于35℃進(jìn)行ATA實(shí)驗(yàn)。每天用振蕩器振蕩1~2h，每隔一定的時(shí)間記錄CH4的產(chǎn)氣量。測(cè)定試驗(yàn)終點(diǎn)時(shí)各瓶的pH、CODCr、TSS、VSS等。表3

山梨酸生產(chǎn)廢水的實(shí)驗(yàn)水樣水樣編號(hào)原水/（mgg·L-1）蒸餾水/（mmg·L-11）污泥體積/（mg·L-11）稀釋度/%1234567802040608012018020020018016014012080200100100100100100100100100-6.713.320.026.740.060.066.7注：稀釋度(%)=加入的廢水體積/培養(yǎng)液總體積2

結(jié)果與分析2.1

不同濃度下廢水的毒性影響大多數(shù)化學(xué)物質(zhì)在濃度很低時(shí)對(duì)生物活性有一定的刺激作用（或促進(jìn)作用），當(dāng)濃度較高時(shí)，開(kāi)始產(chǎn)生抑制作用，而且濃度愈高，抑制作用愈強(qiáng)烈。圖2為山梨酸廢水產(chǎn)甲烷毒性測(cè)定中各反應(yīng)器的累計(jì)甲烷產(chǎn)氣量與消化累計(jì)時(shí)間曲線。其中1號(hào)為空白對(duì)照，其余的廢水與蒸餾水的體積比按表3配制。圖2累計(jì)產(chǎn)氣量與消化累計(jì)時(shí)間關(guān)系從圖2可以看出本實(shí)驗(yàn)用水對(duì)產(chǎn)甲烷活性抑制作用有明顯的階段性，且抑制作用隨著廢水濃度的提高而增大。實(shí)驗(yàn)水樣1號(hào)～5號(hào)對(duì)厭氧污泥基本上無(wú)抑制作用，實(shí)驗(yàn)水樣6號(hào)，即原廢水與蒸餾水的體積比為120﹕80時(shí)，已出現(xiàn)了明顯的抑制作用。隨著廢水濃度的增加，在實(shí)驗(yàn)前期的50～105h對(duì)水樣6號(hào)、7號(hào)、8號(hào)有較明顯的抑制作用，6～8號(hào)實(shí)驗(yàn)水樣在各自的最大活性區(qū)間出現(xiàn)之前，產(chǎn)甲烷活性都出現(xiàn)過(guò)為零的現(xiàn)象。但經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的馴化后，厭氧污泥開(kāi)始適應(yīng)環(huán)境，隨著原廢水濃度的增加，抑制加重，所需馴化時(shí)間越長(zhǎng)，例如8號(hào)水樣比6號(hào)水樣所需時(shí)間要長(zhǎng)。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的適應(yīng)和馴化后，厭氧菌的生物活性有一定程度的恢復(fù)，生化速率加快，生化能力增強(qiáng)，微生物利用毒性物質(zhì)本身或被測(cè)的有毒廢水作為底物，產(chǎn)氣量進(jìn)入線性增長(zhǎng)期。此時(shí)的產(chǎn)氣量隨著濃度增大而增大。2.2

不同濃度下毒性對(duì)產(chǎn)氣速率的影響圖3

產(chǎn)氣速率—時(shí)間關(guān)系圖不同濃度下毒性對(duì)產(chǎn)氣速率的影響如圖3。由圖3可知，不同濃度的山梨酸生產(chǎn)廢水都有一個(gè)最大的產(chǎn)氣速率，而且水樣1號(hào)~8號(hào)的產(chǎn)氣速率高峰期都在前5h之內(nèi)，5h之后，波動(dòng)幅度降低。水樣1號(hào)~5號(hào)在高峰期之后，仍進(jìn)行小范圍的波動(dòng)，而6號(hào)~8號(hào)則慢慢降低，趨向于平穩(wěn)。由此可知，產(chǎn)甲烷活性在前5h內(nèi)受到的毒性影響很小，抑制作用不是很強(qiáng)。5h之后，毒性影響較大，產(chǎn)氣速率波動(dòng)幅度明顯減小。而且，濃度越高，速率下降的越快，最后趨向于零，如6~8號(hào)。實(shí)驗(yàn)表明，廢水濃度越大，產(chǎn)甲烷活性受到的抑制也越大。2.3產(chǎn)甲烷活性恢復(fù)實(shí)驗(yàn)在厭氧毒性試驗(yàn)中，厭氧污泥已充分“暴露”于有毒環(huán)境中，產(chǎn)甲烷活性恢復(fù)試驗(yàn)?zāi)康氖菫榱丝疾靺捬跷勰嘣跓o(wú)毒環(huán)境中的恢復(fù)特性。根據(jù)產(chǎn)甲烷活性恢復(fù)試驗(yàn)中累計(jì)產(chǎn)氣量與消化時(shí)間的關(guān)系，可以確定有毒物或有毒廢水對(duì)產(chǎn)甲烷菌屬于代謝毒素,還是生理毒素，或是殺菌毒素。代謝毒素通過(guò)干涉代謝過(guò)程產(chǎn)生抑制作用但并不引起細(xì)菌細(xì)胞的任何損害，因此一旦毒素被除去后細(xì)菌的活性即能得到恢復(fù)。生理毒素能引起細(xì)胞參與與代謝的組織損傷或改變酶的性質(zhì)，從而對(duì)細(xì)胞的活性產(chǎn)生抑制作用，但它們不殺死細(xì)胞。在活性恢復(fù)試驗(yàn)中，需要一段時(shí)間進(jìn)行修復(fù)。殺菌毒素則引起細(xì)胞的死亡。在這種情況下，毒性引起的活性下降在整個(gè)恢復(fù)試驗(yàn)中可能不會(huì)恢復(fù)，除非恢復(fù)試驗(yàn)很長(zhǎng)從而有新的細(xì)胞增殖發(fā)生[6]?；贏TA實(shí)驗(yàn)，持續(xù)進(jìn)行了123h產(chǎn)甲烷活性恢復(fù)試驗(yàn)。得到產(chǎn)甲烷活性恢復(fù)試驗(yàn)中累計(jì)產(chǎn)氣量與消化時(shí)間的關(guān)系如圖4。從圖4可以看出，各反應(yīng)瓶中的厭氧活性污泥離開(kāi)有毒廢水的環(huán)境后,污泥活性有所恢復(fù)，但污泥活性恢復(fù)時(shí)間不同，有所延遲，水樣1~5號(hào)反應(yīng)瓶中的厭氧污泥的活性在解除有毒廢水后的第11h進(jìn)入線性增長(zhǎng)期，而水樣6~8號(hào)反應(yīng)瓶在13h后進(jìn)入線性增長(zhǎng)期，恢復(fù)時(shí)間延遲了12h。活性恢復(fù)試驗(yàn)中，水樣1～8號(hào)都有一個(gè)停滯期，即實(shí)驗(yàn)開(kāi)始的2～13h，需要11h左右才恢復(fù)活性，說(shuō)明由于厭氧毒性實(shí)驗(yàn)ATA持續(xù)較長(zhǎng)的時(shí)間，基質(zhì)長(zhǎng)期缺乏，導(dǎo)致菌體自溶，污泥活性下降。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，山梨酸生產(chǎn)廢水（CODCr在5000mg/L范圍內(nèi)）對(duì)產(chǎn)甲烷的活性抑制作用在13h后解除，屬于代謝毒素。圖4

產(chǎn)甲烷活性恢復(fù)試驗(yàn)中累計(jì)產(chǎn)氣量與消化時(shí)間的關(guān)系2.4

毒性試驗(yàn)與恢復(fù)試驗(yàn)CODCr去除率的對(duì)比毒性試驗(yàn)與恢復(fù)試驗(yàn)CODCr去除率的對(duì)比，可以