杂环化合物好氧生物降解性能的研究

第17卷第6期1997年12月中国环境科学CHINAENVIRONMENTALSCIENCEVol.17No.6Dec.1997杂环化合物好氧生物降解性能的研究3何苗张晓健顾夏声瞿福平(清华大学环境工程系,北京100084)文摘对一类典型的难降解有机物—杂环化合物的好氧生物降解性能进行了较为系统的研究。研究结果表明,受试物大部分在单一基质条件下不能作为唯一碳源,有的甚至对微生物有严重地抑制作用,但与苯酚共基质后其好氧降解性能均有改善,共代谢作用在它们的降解过程中起着重要的作用。吡咯、咪唑、呋喃为可降解有机物,吡啶为难降解有机物。吡啶不能作为微生物生长的碳源,即使有易降解有机物作为碳源,其生物降解性能改善不大。关键词生物降解性能,杂环化合物,共基质共代谢。杂环化合物属于污染面广、毒性较大的一类难降解有机物,广泛存在于许多工业废水中(如焦化、石油化工、农药、染料等),并且由于其难以生物降解,常常导致常规的生物处理系统处理效果不够理想。对杂环化合物生物降解性能的研究是解决这类废水污染问题的一个重要方面(1)。基于此,本研究在单基质、共基质及接近实际废水处理运行的条件下,以瓦呼仪为测试手段,对杂环化合物的好氧生物降解性能进行较系统的研究,以期为该类难降解有机物的有效控制奠定一定的理论基础。1试验材料及方法1.1试验设备采用瓦勃氏呼吸仪测试方法评价受试有机物的生物降解性能。该方法不但可以向人们提供有机物的生物氧化分解曲线,而且可以反映出有机物在整个测试过程中对微生物的抑制特性,从而综合分析评价有机物的生物降解性能。1.2试验用水及接种污泥采用人工配水,分以下两类:单一基质水样。只含受试物质,目的在于研究单项污染物可否作为唯一碳源和能源供微生物生长与代谢以及对微生物生理活动的作用情况;与苯酚共基质水样。苯酚是含杂环化合物废水中比较常见的主要成分,其生物降解性能较好,是较易降解的有机物。因此,选取苯酚与受试物组成共基质水样,研究受试物在共基质条件下的降解性能、代谢机制以及对易降解性能的影响,并与单一基质的降解性能进行比较。接种污泥取自首钢焦化厂活性污泥法曝气池。2试验结果和讨论2.1吡咯、咪唑、呋喃吡咯、咪唑、呋喃表现出类似的生物降解性能。以吡咯为例,图1、2为不同浓度吡咯分别在单一基质及与苯酚共基质条件下的瓦呼仪曲线,表1为按式(1)核算的55h生物氧化率(2)。生物氧化率=有机物相对累积耗氧量有机物理论需氧量(ThOD)×100%(1)式中:相对累积耗氧量=样品绝对累积耗氧量-活性污泥内源呼吸耗氧量。表1不同浓度吡咯单基质及与苯酚共基制质条件下的生物氧化率浓度(mg/L)55h生物氧化率(%)单基质与苯酚共基质209.7820.5408.9221.2603.2519.9801.0414.1收稿日期:19962122253国家自然科学基金重点资助项目,国家“八五”攻关课题图1不同浓度吡咯单基质绝对累积耗氧量曲线0内源呼吸线120mg/L240mg/L360mg/L480mg/L图2不同浓度吡咯与苯酚共基质相对累积耗氧量曲线0苯酚单基质(50mg/L)1苯酚(50mg/L)+吡咯(20mg/L)2苯酚(40mg/L)+吡咯(40mg/L)3苯酚(50mg/L)+吡咯(60mg/L)4苯酚(80mg/L)+吡咯(80mg/L)由图1、2,表1可见:2.1.1吡咯在单一基质条件下有一定程度的降解,但其生物氧化率远小于苯酚,而且当吡咯浓度>40mg/L时,其生物氧化率急剧下降,因此可以认为吡咯在低浓度时(<40mg/L)可以作为微生物生长的唯一碳源和能源物质,但其氧化率极低,不能得到有效地降解,相应微生物的代谢活性也不高,按以下准则对有机物可否作为唯一碳源进行判断(3):当生物氧化率>15%时,是可作为唯一碳源的物质;当生物氧化率<5%时,该物质很难被微生物利用,是不可作为唯一碳源的物质;当生物氧化率在5%～15%时,微生物对其降解情况界于上述两种情况之间,可以认为是准唯一碳源物质。由此可以认为吡咯是准唯一碳源物质,吡咯在单一基质条件下抑制浓度约大于40mg/L。2.1.2在与苯酚共基质条件下,吡咯的生物氧化率显著提高(40mg/L浓度吡咯,由单一基质的8.92%提高至共基质条件下的21.2%),生物降解性能较单一基质条件下有很大的改善(但仍远低于苯酚的降解性能)。吡咯生物降解性能提高可能基于以下原因(4):(1)苯酚的降解为代谢吡咯的相关微生物提供了较充足的碳源和能源,使其得以大量增殖,并保持很高的活性;(2)苯酚的降解为吡咯的代谢提供还原力及各种辅基辅酶;(3)由于苯酚物质的诱导作用,诱导出降解吡咯的酶体系。在这些因素的综合作用下,吡咯生物氧化率大大提高,这正是共代谢作用的结果(5)。所谓共代谢作用(又称协同代谢)是不能或较差地作为微生物生长