用于四氯乙烯降解的厌氧污泥的培养与驯化研究

第4卷第12期2003年12月环境污染治理技术与设备

Techniques and Equipment for Environ mental Pollution Con trol Vol. 4, No. 12Dec . 2003

用于四氯乙烯降解的厌氧污泥的

培养与驯化研究

李惠娣 杨 琦 陈翠柏 尚海涛

(中国地质大学水资源与环境学院, 北京100083)

摘 要 由于四氯乙烯(PCE) 的大量使用和不合理的处置使其成为常见的污染物之一。PCE 在好氧条件下不发生生物降解, 只在厌氧条件下通过还原脱氯发生生物降解。本研究主要是对从不同处理厂获得的厌氧污泥进行培养, 选出合适的厌氧污泥, 进行降解PCE 的厌氧污泥的驯化, 为以后进行降解PCE 的动力学研究和优势菌种的筛选做准备。同时, 在实验中检测到了三氯乙烯(TCE) , 表明PCE 是通过还原脱氯发生生物降解的。

关键词 厌氧污泥 培养 驯化 四氯乙烯(PCE)

Study on cultivation and acclimation of

anaerobic sludge for tetrachloroethylene degradation

Li Huidi Yang Qi Chen Cuibai Shang Haitao

(Sc hool of Water Res ources and Environment, China Universi ty of Geosciences, Beiji ng 100083)

Abstract Tetrachloroethylene(perchloroethylene, PCE) is one of common organic contaminants because of its large usage and improper disposal. PCE is degraded by microorganisms under anaerobic c ondition by sequence reduc -tive dechlorination. We cultivated sludge obtained from different waste water treatment plants, and selected proper anaerobic sludge that can degrade PCE by acclimation. The work services for degradation kinetics of PCE and select of dominant bacteria. In our experiments, we detected TC E. It sho ws that PCE was degraded by reductive dechlorina -tion.

Key words anaerobic sludge; cultivation; acclimation; tetrachloroethylene(PCE)

1 引 言

PCE 是一种氯代溶剂, 广泛用于电子、造纸、食品和干洗等行业。PCE 的广泛使用和不合理的处置使其成为常见的污染物之一[1]。PCE 还是美国EPA 规定的优先考虑的污染物之一[2]。许多研究表明, PCE 在好氧条件下不发生生物降解, 在厌氧条件下能通过还原脱氯发生生物降解[3) 4], 降解产物依次为三氯乙烯(TCE)、二氯乙烯(DCEs) 、氯乙烯(VC) 和

[5]

乙烯(E TH) , 其中ETH 是环境可接受的无害产物。土著微生物一般不能迅速降解PCE 污染物, 为了更有效地对其降解, 并使它转化成为环境可接受的无害物质, 需要培养合适的微生物优势菌种。

本研究主要是培养厌氧污泥并用PC E 对其驯化, 使其能降解PCE, 为以后研究PCE 的降解和优势菌种的筛选做准备。

11月25日从丰台某豆类加工厂处理豆类废水的UASB 的二级反应器中获得的; 另一种污泥是2002年4月28日从某污水处理厂的厌氧消化池中获得的。2. 1. 2 实验仪器

恒温箱、细口玻璃瓶(加盖) 、烘箱和马弗炉。2. 1. 3 培养条件

(1) 无机盐培养液(g/L) :NH 4Cl 0. 32; KH 2PO 4

01063; CaCl 201063; Na 2CO 3011316。

(2)微量元素溶液(mg/L):MgSO 4#7H 2O 5000; FeCl 2#4H 2O 6000; CoCl 2#6H 2O 1036188; H 3BO 3100; ZnSO 4#7H 2O 100; CuSO 4#5H 2O 50; NiSO 4#6H 2O 879147; MnCl 2#4H 2O 5000; (NH 4) 6Mo 7O 24#4H 2O 640。

(3) 碳源:葡萄糖。

(4) 温度:培养在35e 下进行。(5) pH 值:培养时的pH 为712。21114 培养方式

污泥采用静置间歇式培养。污泥取回后, 为了使

基金项目:国家自然科学基金资助项目(40102027)

2 方法和材料

2. 1 污泥的培养2. 1. 1 污泥的来源

收稿日期:2003-02-26

作者简介:李惠娣(1974~) , 女, 在读博士研究生, 主要从事水资源

及环境工程方面的研究工作。

其环境条件不发生剧烈变化, 首先让其稳定一段时间型的气相色谱, 采用面积外标法进行测量。PCE 和(适应期) , 在此期间使其C OD 仍维持在2000mg/L, TCE 的停留时间分别为5. 6min 和4. 0min

。pH=712, 水力停留时间(HRT)为5d 。同时每10L 培养液中加入5m L 微量元素进行培养。2. 1. 5 方法

SS 和VSS 用烘干称重法, COD 用重铬酸钾滴定法, 产甲烷量用史氏发酵法。2. 2 污泥的驯化

驯化实质上是在一定的选择压力下, 污泥中能利用目标污染物的微生物得到定向富集, 而不能利用目图1 实验装置示意图标污染物的微生物则在群体中逐渐消失的过程, 同时Fig. 1 Sketch of experi mental apparatus 由于污泥是多种微生物的共生群, 不同种类的微生物

之间可以发生基因交换, 这样可以同时培养出能降解3 结 果其还原脱氯产物的细菌, 可以使PCE 完全矿化, 使其

3. 1 厌氧污泥的培养结果

对环境的危害减到最小。培养好的厌氧污泥最初并

按上述方式进行培养, 因为处理豆类废水的污

不一定能降解PCE 或不能以较高速率降解PC E, 在这

泥是从运行的UASB 反应器中获得的, 所以厌氧污

种情况下就要对培养好的厌氧污泥进行驯化, 使其以

泥的活性较好, 在培养20d 后测量其描述参数, 结

较高速率对目标污染物进行降解。

果如表2所示。

2. 2. 1 仪器

所测量的其各项参数都达到了厌氧污泥的基本

恒温水浴箱、三角瓶(用带玻璃导管的橡胶塞塞

要求, 而另外一种污泥由于是从消化池中获得的, 经

住) 和水封瓶, 装置如图1所示。

过近8个月的培养, 一些参数仍然不能达到厌氧污

2. 2. 2 材料

泥的基本经验参数, 所以在下一步的驯化实验中用

液体PCE 来自于北京益利精细化学品有限公

从处理豆类废水的UASB 反应器中获得的厌氧污泥

司生产的分析纯, 其他物质都为化学纯。

进行驯化。

2. 2. 3 驯化方式

3. 2 厌氧污泥的驯化结果

本次驯化分2种情况进行:一种是以PCE 为惟

根据实验方案按表1中进程安排加入纯的PCE 一碳源和能源时厌氧污泥的驯化; 另一种是以葡萄

液体, 测量结果如图2和图3所示。糖为共代谢基质时厌氧污泥的驯化。

图2和图3中高值点是按表1中加入的纯PCE 取上述培养好的厌氧污泥100mL 装入三角瓶,

分别加入150mL 无机盐培养液, 并加入PCE 进行驯的量, 低值点是在最后一次检测到的出水中PCE 的

含量。化, 驯化进程安排如表1所示。

在驯化过程中PCE 的浓度在每升高1mg/L之2. 2. 4 方法

PCE 及其降解产物用惠普公司生产的HP6890前, PCE 的去除率都达到85%以上, 对于以PCE 为

表1 用PCE 对厌氧污泥驯化的进程安排

Table 1 Arrangem ent of anaerobic sludge acclimation by PCE

每次所加PCE 的量(mg/L)

实验内容

第1d

PCE 为惟一碳源葡萄糖为共代谢基质

11

第5d 11

第10d 11

第15d 22

第20d 22

第25d 23

第30d 23

第55d 34

表2 厌氧污泥的参数测量结果

Table 2 Parameters of anaerobic sludge activity

COD

进水(mg/L)

2000

出水(mg/L)

609

降解率(%) 69155

SS (g/L)31454

VSS (g/L)21831

VSS/SS (%) 82

产甲烷量(mL CH 4/g VSS #d)

288178

图2 PCE 为惟一碳源时厌氧污泥的驯化Fig. 2 Accli mation of anaerobic sludge PCE

as only carbon

source

验中PCE 的去除主要发生在加入PCE 后的前几天, 而且在产物中只检测到了TCE, 没有发现其他产物的生成, 而且到第8d 时PCE 和TCE 的量基本达到稳定。在以PC E 为惟一碳源的厌氧污泥的驯化中也出现了同样的代谢产物。这表明PCE 是通过还原脱氯发生生物降解的, 但遗憾的是我们没有检测到其他的还原脱氯产物。

经过上述驯化的厌氧污泥可以进行低浓度的PCE(

图3 葡萄糖为共代谢基质时厌氧污泥的驯化Fig. 3 Accli mation of anaerobic sludge glucose

as cometabolis m substrate

4 结 论

通过上述厌氧污泥的培养、驯化实验及对结果的讨论得出如下结论:

(1) 进行厌氧培养的污泥最好是活性较好的, 这样有利于缩短驯化前的培养时间;

(2) 对于以PCE 为惟一碳源和以葡萄糖为共代谢基质的厌氧污泥的驯化, 达到相同的处理浓度时以葡萄糖为共代谢基质的厌氧污泥的驯化所需的时间要短于以PCE 为惟一碳源时厌氧污泥驯化所需的时间。如果驯化的时间相同, 则以葡萄糖为共代谢基质时厌氧污泥的处理浓度较高;

(3) 无论以PCE 为惟一碳源还是以葡萄糖为共代谢基质时, 在我们的实验中都检测到了降解产物TCE, 这表明PC E 是通过还原脱氯发生降解的。

参考文献

[1]Chri stof Holliger, et al. A highly purified enrichment culture

couples the reductive dechlorination of tetrachloroethene to growth. Applied and Environmental Microbiology , 1993, 59(9) :2991) 2997[2]沈德钟. 污染环境的生物修复. 北京:化学工业出版社,

2002

[3]Young C. Chang, et al. Degradatio of a variety of halogenated

aliphatic compounds by an anaerobic mixed culture. Journal of Fermentation and Bioengineering , 1998, 86(4) :410) 412[4]C. M. Kao, et al. Usi ng a peat biobarrier to remediate PCE/TCE

contaminated aquifers. Wat. Res. , 2000, 34(3):835) 845

[5]Thomas D. Distefano, et al. Reductive dechlorination of high

concentrations of tetrachloroethene to ethene by an anaerobic enrichment culture in the absence of methanogenesis. Applied

惟一碳源的情况下, 2mg/L的浓度重复次数较多, 其去除率可高达95%以上, 而加入PCE 为3mg/L 时, 在第6d 测量其出水的PC E 浓度时, PCE 的去除率就达到了95%。对于以葡萄糖为共代谢基质时厌氧污泥的驯化, 在每次测量出水时, 除了开始驯化时加入1mg/L 的PCE 其去除率和以PCE 为惟一碳源时的去除率基本相同外, 以后几个浓度的去除率都高于以PCE 为惟一碳源时的去除率, 并且在加入4mg/L 的PCE 后第6d 测量的出水浓度比以PCE 为惟一碳源时加入3mg/L PCE 第6d 的出水浓度要低得多(以PCE 为惟一碳源时PC E 的浓度为0. 17mg/L, 以葡萄糖为共代谢基质时PCE 的浓度为0. 06mg/L) 。而且, 从进程表的安排我们可以看到, 在达到某一去除率时, 以葡萄糖为共代谢基质的驯化要比以PCE 为惟一碳源时厌氧污泥的驯化快。

同时通过对出水中PCE 及其降解产物的测量发现, 在驯化开始15d 时, 即发现有TCE 的生成, 表明PCE 的去除是通过还原脱氯发生的, 通过对以葡萄糖为共代谢基质时加入4mg/L 的PCE 时出水中PCE 及其降解产物的测试发现(图4) , 在我们的实

图4 驯化时PCE 及其降解产物的浓度变化Fig. 4 Concentration change of PCE and degradation

prod uct during acclimation

and Envi ronmen tal M icrobiology, 1991, 57(8) :2287) 2292

(责任编辑:刘 颖)

第4卷第12期2003年12月环境污染治理技术与设备

Techniques and Equipment for Environ mental Pollution Con trol Vol. 4, No. 12Dec . 2003

用于四氯乙烯降解的厌氧污泥的

培养与驯化研究

李惠娣 杨 琦 陈翠柏 尚海涛

(中国地质大学水资源与环境学院, 北京100083)

摘 要 由于四氯乙烯(PCE) 的大量使用和不合理的处置使其成为常见的污染物之一。PCE 在好氧条件下不发生生物降解, 只在厌氧条件下通过还原脱氯发生生物降解。本研究主要是对从不同处理厂获得的厌氧污泥进行培养, 选出合适的厌氧污泥, 进行降解PCE 的厌氧污泥的驯化, 为以后进行降解PCE 的动力学研究和优势菌种的筛选做准备。同时, 在实验中检测到了三氯乙烯(TCE) , 表明PCE 是通过还原脱氯发生生物降解的。

关键词 厌氧污泥 培养 驯化 四氯乙烯(PCE)

Study on cultivation and acclimation of

anaerobic sludge for tetrachloroethylene degradation

Li Huidi Yang Qi Chen Cuibai Shang Haitao

(Sc hool of Water Res ources and Environment, China Universi ty of Geosciences, Beiji ng 100083)

Abstract Tetrachloroethylene(perchloroethylene, PCE) is one of common organic contaminants because of its large usage and improper disposal. PCE is degraded by microorganisms under anaerobic c ondition by sequence reduc -tive dechlorination. We cultivated sludge obtained from different waste water treatment plants, and selected proper anaerobic sludge that can degrade PCE by acclimation. The work services for degradation kinetics of PCE and select of dominant bacteria. In our experiments, we detected TC E. It sho ws that PCE was degraded by reductive dechlorina -tion.

Key words anaerobic sludge; cultivation; acclimation; tetrachloroethylene(PCE)

1 引 言

PCE 是一种氯代溶剂, 广泛用于电子、造纸、食品和干洗等行业。PCE 的广泛使用和不合理的处置使其成为常见的污染物之一[1]。PCE 还是美国EPA 规定的优先考虑的污染物之一[2]。许多研究表明, PCE 在好氧条件下不发生生物降解, 在厌氧条件下能通过还原脱氯发生生物降解[3) 4], 降解产物依次为三氯乙烯(TCE)、二氯乙烯(DCEs) 、氯乙烯(VC) 和

[5]

乙烯(E TH) , 其中ETH 是环境可接受的无害产物。土著微生物一般不能迅速降解PCE 污染物, 为了更有效地对其降解, 并使它转化成为环境可接受的无害物质, 需要培养合适的微生物优势菌种。

本研究主要是培养厌氧污泥并用PC E 对其驯化, 使其能降解PCE, 为以后研究PCE 的降解和优势菌种的筛选做准备。

11月25日从丰台某豆类加工厂处理豆类废水的UASB 的二级反应器中获得的; 另一种污泥是2002年4月28日从某污水处理厂的厌氧消化池中获得的。2. 1. 2 实验仪器

恒温箱、细口玻璃瓶(加盖) 、烘箱和马弗炉。2. 1. 3 培养条件

(1) 无机盐培养液(g/L) :NH 4Cl 0. 32; KH 2PO 4

01063; CaCl 201063; Na 2CO 3011316。

(2)微量元素溶液(mg/L):MgSO 4#7H 2O 5000; FeCl 2#4H 2O 6000; CoCl 2#6H 2O 1036188; H 3BO 3100; ZnSO 4#7H 2O 100; CuSO 4#5H 2O 50; NiSO 4#6H 2O 879147; MnCl 2#4H 2O 5000; (NH 4) 6Mo 7O 24#4H 2O 640。

(3) 碳源:葡萄糖。

(4) 温度:培养在35e 下进行。(5) pH 值:培养时的pH 为712。21114 培养方式

污泥采用静置间歇式培养。污泥取回后, 为了使

基金项目:国家自然科学基金资助项目(40102027)

2 方法和材料

2. 1 污泥的培养2. 1. 1 污泥的来源

收稿日期:2003-02-26

作者简介:李惠娣(1974~) , 女, 在读博士研究生, 主要从事水资源

及环境工程方面的研究工作。

其环境条件不发生剧烈变化, 首先让其稳定一段时间型的气相色谱, 采用面积外标法进行测量。PCE 和(适应期) , 在此期间使其C OD 仍维持在2000mg/L, TCE 的停留时间分别为5. 6min 和4. 0min

。pH=712, 水力停留时间(HRT)为5d 。同时每10L 培养液中加入5m L 微量元素进行培养。2. 1. 5 方法

SS 和VSS 用烘干称重法, COD 用重铬酸钾滴定法, 产甲烷量用史氏发酵法。2. 2 污泥的驯化

驯化实质上是在一定的选择压力下, 污泥中能利用目标污染物的微生物得到定向富集, 而不能利用目图1 实验装置示意图标污染物的微生物则在群体中逐渐消失的过程, 同时Fig. 1 Sketch of experi mental apparatus 由于污泥是多种微生物的共生群, 不同种类的微生物

之间可以发生基因交换, 这样可以同时培养出能降解3 结 果其还原脱氯产物的细菌, 可以使PCE 完全矿化, 使其

3. 1 厌氧污泥的培养结果

对环境的危害减到最小。培养好的厌氧污泥最初并

按上述方式进行培养, 因为处理豆类废水的污

不一定能降解PCE 或不能以较高速率降解PC E, 在这

泥是从运行的UASB 反应器中获得的, 所以厌氧污

种情况下就要对培养好的厌氧污泥进行驯化, 使其以

泥的活性较好, 在培养20d 后测量其描述参数, 结

较高速率对目标污染物进行降解。

果如表2所示。

2. 2. 1 仪器

所测量的其各项参数都达到了厌氧污泥的基本

恒温水浴箱、三角瓶(用带玻璃导管的橡胶塞塞

要求, 而另外一种污泥由于是从消化池中获得的, 经

住) 和水封瓶, 装置如图1所示。

过近8个月的培养, 一些参数仍然不能达到厌氧污

2. 2. 2 材料

泥的基本经验参数, 所以在下一步的驯化实验中用

液体PCE 来自于北京益利精细化学品有限公

从处理豆类废水的UASB 反应器中获得的厌氧污泥

司生产的分析纯, 其他物质都为化学纯。

进行驯化。

2. 2. 3 驯化方式

3. 2 厌氧污泥的驯化结果

本次驯化分2种情况进行:一种是以PCE 为惟

根据实验方案按表1中进程安排加入纯的PCE 一碳源和能源时厌氧污泥的驯化; 另一种是以葡萄

液体, 测量结果如图2和图3所示。糖为共代谢基质时厌氧污泥的驯化。

图2和图3中高值点是按表1中加入的纯PCE 取上述培养好的厌氧污泥100mL 装入三角瓶,

分别加入150mL 无机盐培养液, 并加入PCE 进行驯的量, 低值点是在最后一次检测到的出水中PCE 的

含量。化, 驯化进程安排如表1所示。

在驯化过程中PCE 的浓度在每升高1mg/L之2. 2. 4 方法

PCE 及其降解产物用惠普公司生产的HP6890前, PCE 的去除率都达到85%以上, 对于以PCE 为

表1 用PCE 对厌氧污泥驯化的进程安排

Table 1 Arrangem ent of anaerobic sludge acclimation by PCE

每次所加PCE 的量(mg/L)

实验内容

第1d

PCE 为惟一碳源葡萄糖为共代谢基质

11

第5d 11

第10d 11

第15d 22

第20d 22

第25d 23

第30d 23

第55d 34

表2 厌氧污泥的参数测量结果

Table 2 Parameters of anaerobic sludge activity

COD

进水(mg/L)

2000

出水(mg/L)

609

降解率(%) 69155

SS (g/L)31454

VSS (g/L)21831

VSS/SS (%) 82

产甲烷量(mL CH 4/g VSS #d)

288178

图2 PCE 为惟一碳源时厌氧污泥的驯化Fig. 2 Accli mation of anaerobic sludge PCE

as only carbon

source

验中PCE 的去除主要发生在加入PCE 后的前几天, 而且在产物中只检测到了TCE, 没有发现其他产物的生成, 而且到第8d 时PCE 和TCE 的量基本达到稳定。在以PC E 为惟一碳源的厌氧污泥的驯化中也出现了同样的代谢产物。这表明PCE 是通过还原脱氯发生生物降解的, 但遗憾的是我们没有检测到其他的还原脱氯产物。

经过上述驯化的厌氧污泥可以进行低浓度的PCE(

图3 葡萄糖为共代谢基质时厌氧污泥的驯化Fig. 3 Accli mation of anaerobic sludge glucose

as cometabolis m substrate

4 结 论

通过上述厌氧污泥的培养、驯化实验及对结果的讨论得出如下结论:

(1) 进行厌氧培养的污泥最好是活性较好的, 这样有利于缩短驯化前的培养时间;

(2) 对于以PCE 为惟一碳源和以葡萄糖为共代谢基质的厌氧污泥的驯化, 达到相同的处理浓度时以葡萄糖为共代谢基质的厌氧污泥的驯化所需的时间要短于以PCE 为惟一碳源时厌氧污泥驯化所需的时间。如果驯化的时间相同, 则以葡萄糖为共代谢基质时厌氧污泥的处理浓度较高;

(3) 无论以PCE 为惟一碳源还是以葡萄糖为共代谢基质时, 在我们的实验中都检测到了降解产物TCE, 这表明PC E 是通过还原脱氯发生降解的。

参考文献

[1]Chri stof Holliger, et al. A highly purified enrichment culture

couples the reductive dechlorination of tetrachloroethene to growth. Applied and Environmental Microbiology , 1993, 59(9) :2991) 2997[2]沈德钟. 污染环境的生物修复. 北京:化学工业出版社,

2002

[3]Young C. Chang, et al. Degradatio of a variety of halogenated

aliphatic compounds by an anaerobic mixed culture. Journal of Fermentation and Bioengineering , 1998, 86(4) :410) 412[4]C. M. Kao, et al. Usi ng a peat biobarrier to remediate PCE/TCE

contaminated aquifers. Wat. Res. , 2000, 34(3):835) 845

[5]Thomas D. Distefano, et al. Reductive dechlorination of high

concentrations of tetrachloroethene to ethene by an anaerobic enrichment culture in the absence of methanogenesis. Applied

惟一碳源的情况下, 2mg/L的浓度重复次数较多, 其去除率可高达95%以上, 而加入PCE 为3mg/L 时, 在第6d 测量其出水的PC E 浓度时, PCE 的去除率就达到了95%。对于以葡萄糖为共代谢基质时厌氧污泥的驯化, 在每次测量出水时, 除了开始驯化时加入1mg/L 的PCE 其去除率和以PCE 为惟一碳源时的去除率基本相同外, 以后几个浓度的去除率都高于以PCE 为惟一碳源时的去除率, 并且在加入4mg/L 的PCE 后第6d 测量的出水浓度比以PCE 为惟一碳源时加入3mg/L PCE 第6d 的出水浓度要低得多(以PCE 为惟一碳源时PC E 的浓度为0. 17mg/L, 以葡萄糖为共代谢基质时PCE 的浓度为0. 06mg/L) 。而且, 从进程表的安排我们可以看到, 在达到某一去除率时, 以葡萄糖为共代谢基质的驯化要比以PCE 为惟一碳源时厌氧污泥的驯化快。

同时通过对出水中PCE 及其降解产物的测量发现, 在驯化开始15d 时, 即发现有TCE 的生成, 表明PCE 的去除是通过还原脱氯发生的, 通过对以葡萄糖为共代谢基质时加入4mg/L 的PCE 时出水中PCE 及其降解产物的测试发现(图4) , 在我们的实

图4 驯化时PCE 及其降解产物的浓度变化Fig. 4 Concentration change of PCE and degradation

prod uct during acclimation

and Envi ronmen tal M icrobiology, 1991, 57(8) :2287) 2292

(责任编辑:刘 颖)