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2、4二氯苯酚降解循环过程中循环流量对活性污泥在好氧水解时性能和特点的影响王海涛 李青彪 王远鹏 何宁 孙道华化学与生物工程系，化学化工学院，化学生物学重点实验室，福建省，厦门大学，厦门361005，福建，中国摘要：对于退化的分子模型，2 , 4 -二氯苯酚（2 , 4 - DCP），我们研究活性污泥水解好氧循环过程（HARP）。2 , 4 - DCP和化学需氧量（COD）总去除效率为98%和96%时，在回收过程中的循环流量以15毫升/分钟后24小时降解。与、同时回收通量增加，峰值的浓度挥发性脂肪酸酸（VFA）下降。水解好氧循环过程中多糖和蛋白质含量在胞外聚合物中急剧增加的回收量的增加从5到15毫升/分钟。显然有适合的线性关系来描述聚氯乙烯/聚苯乙烯比和循环流量过程。电位的下降，循环流量增加。循环流量增加到一定程度，水解好氧循环过程中增加了多糖和蛋白质含量的胞外聚合物可能会更加趋于稳定。1、前言在许多行业包括石油化工废水排放，炼油厂，农药，纸浆和造纸，塑料，杀菌剂，木材防腐和保温材料中经常发现异污染物存在氯酚是 1 4 。由于其高毒性，排放刺激性的气味和持久的可致癌性与病毒活生物体，因此，氯酚造成严重的生态环境污染问题 3 。一些氯酚已被列为优先污染物。因此，去除氯酚废水是一个非常必要的任务，以用于节约水资源质量。一个降解氯酚的比较具体方法5-7 ，因为微生物可以通过矿化好氧或厌氧条件 8 。关键的一步是降解氯酚要求去除卤素，取代从芳香核的氧化，还原或水解酵素，或环卵裂其次是自发的损失的卤化物水解 9 11 。虽然大多数可以使氯酚降解的微生物有必要用酶降解其芳香环，他们才有能力去除部分的卤素 10 。因此，这些难以去除的毒性氯酚降解效率主要取决于微生物的能力和卤素的去除效率 12 , 13 。我们对氯酚降解进行了大量的研究，特别是对有关悬浮培养使用不同的细菌和真菌等物种，例如假单胞菌，固氮菌，产和不动杆菌 1418 , 2027 。悬浮培养系统由于化合物的有毒性，通常无法去除高浓度的氯酚废水。混合系统的生物降解过程中厌氧，好氧，厌氧好氧组合的过程是由许多研究者在去除氯酚废水中发现的 6,7,16,19 。因为大多数厌氧微生物不使用氯代苯酚作为唯一碳源的生长原料，于是我们有必要提供其他外部碳源作为营养物质以保证微生物的生长和生物合成 27 29 。在有氧条件下，好氧和厌氧细菌会进行脱氯，此时，矿化氯化合物主要产生在厌氧条件不足的较少氯中间体中。 6,12,30,36 。然而，对于评价一个有许多缺点的厌氧处理系统。一是产甲烷细菌在厌氧条件下可以抑制氯代芳香化合物和中间体的产生。另一个缺点是在厌氧处理中，控制PH值非常困难，但必要的是，因为理想的PH控制范围相比于病原菌要窄的多。此外，高浓度氯酚废水，大部分有机物可转化为挥发性脂肪酸（挥发性脂肪酸），导致环境的低浓度性。在废水的活性严重酸化和水解微生物活动低迷的条件下，挥发性脂肪酸累积产生。因此，结合水解酸化步骤的好氧处理工艺（水解好氧工艺）正在引起越来越多研究者的关注 37 。本工作的目标是审查影响循环流量对降解2 , 4 -二氯苯酚（2 , 4 - DCP）的水解好氧循环过程（HARP）的因素。在2 , 4 - DCP，化工需氧量（COD）总去除率的变化挥发性脂肪酸也评价循环流量增加5 - 15 ml / min多糖和蛋白质的含量提取收益样品进行了分析比较在不同的循环通量的水解好氧循环过程和独立的水解好氧工艺。此外，它们之间的关系，聚氯乙烯/聚苯乙烯比（蛋白多糖）和电位活性污泥进行更好的理解可能发挥的作用的多糖和蛋白质的稳定性水解好氧循环过程。2、材料和方法2.1、污泥和废水水解好氧微生物是从厦门生活污水处理厂提供活性污泥中得到的,处理厂几乎没有机会接触2,4-DCP。可水解的好氧微生物分别同时在两套反应堆培养。在适应周期,为了提高微生物对2,4-DCP废水的适应性，在大约1月，2000 mg / L的葡萄糖作为外部碳源，2,4-DCP浓度逐步从5增加到20 mg / L。在适应环境后,2 L的适应水解好氧污泥接种到水解好氧反应堆, 分别使得水解好氧反应堆内混合悬浮物固体浓度(MLSS)浓度为4.6和4.8 g / L。好养水解反应堆内模拟2,4-DCP废水的组成(g/L)包括：2,4-DCP 0.02, NH4Cl 0.07, KH2PO4 0.03, NaHCO3 1.5. 微量元素(mg/L)包括: CaCl2·6H2O 0.01, FeSO4·7H2O 1.55, MnSO4 4.95, ZnSO4·7H2O 0.71, CuSO4·5H2O 0.48, CoCl2·6H2O 0.01.微量元素组成溶液是根据Sponza et al. 38,39准备的。相比之后,所有的实验管理在2,4-DCP 20 mg / L和葡萄糖2000 mg / L(COD 2100 mg / L)。在每次运行之前,模拟废水是通过自来水中加入2,4-DCP和葡萄糖得到的。模拟废水的pH值通过氢氧化钠和盐酸溶液调整到约7.5。2.2。实验装置和程序正常规模活性污泥水解好氧循环过程如图1。水解反应器是直径30厘米，高度60厘米。有氧反应器是直径9厘米，高80厘米。在批量处理操作模式下，两个反应器的水解好氧反应堆工作容积为4升。水解好氧反应器沿在其侧端口配备了取样器。水解反应器温度控制在35±2之间利用一个机械搅拌器来进行温度控制和混合问题。在水解反应过程中，溶解氧（DO）的值低于0.5毫克/升，在室温条件下，好氧反应器利用空气压缩机进行流量为3升/分钟的曝气，溶解氧超过2 mg / L。图1利用水解好氧循环过程的方式进行的双外循环蠕动泵（bt01-100）连续回流24小时到达一定的循环流量（5，8，10，12，和15毫升/分钟）。首先，在水解好氧反应器中同时加入模拟废水。其次，打开双蠕动泵。水解反应器中污水被分发到入口的好氧反应器的一个蠕动泵中，液体通过滤波器从顶部的水解反应器的作用移送底部，好氧反应器保证了其在反应器液体充分的混合。同时，好氧反应器分中的污水发到入口的水解反应器，并由蠕动泵的工作，通过过滤器的液体从顶部的氧反应堆并转移至底的好氧反应器。样本（2毫升）被回收和离心12000rmp，由此可有效去除液相。在冷冻前的分析时，样品保存在4摄氏度的环境中。每当操作参数变化时，反应堆会运行至少五批样品到反应器，此时性能又达到了一个新的稳定状态。2.3。计算方法总去除2 , 4 - DCP（Rd（吨），化学需氧量（Rc（吨）最后时刻在水解好氧循环过程的计算根据以下方程：Cadi：初始浓度的2 , 4 - DCP在好氧反应器，毫克/升；研制：初始浓度的2 , 4 - DCP水解反应器，毫克/升；Cad（吨）：残留浓度的2 , 4 -氧反应器中减少，毫克/升；Chd（吨）：剩余浓度的2 , 4 - DCP水解反应器在不再降解，毫克/升； Caci：初始氧量好氧反应器，毫克/升；氯仿：最初的化学水解反应器，毫克/升；Cac（吨）：残留的化学需氧量在好氧反应器在刻在退化，毫克/升；Chc（吨）：的残留化学需氧量水解反应器在降解过程中时刻，毫克/升州：有效容积的好氧反应器；Vh：有效体积的水解反应器2.4。分析方法测量化学需氧量的浓度需要使用标准的分析方法 40 。浓度的2 , 4 - DCP测定4 -氨基比色法40。在水解反应器中利用滴定法，测定挥发性脂肪酸的浓度 41 。在提取物中，每次产生的提取物是由蛋白质和高浓度多糖组成的。蛋白质含量的测定采用改良的Lowry法 42 ，在浓度范围为0250毫克/升多糖中，以050毫克/升牛血清蛋白为标准，测定苯酚硫酸法和葡萄糖的浓度 43 。表面电位分布的细菌细胞是衡量使用Zeta电位分析器（激光粒度仪模型Nano-zs，莫尔文，英国）。然后，潜在值计算的分布测量是利用斯莫卢霍夫斯基方程。PH值的测定利用酸度计（phs-3c）。这些值用SJG-203a溶解氧仪（上海精胜科学仪器有限公司，中国）来校准。对样品进行了分析，要求一式三份并且小于3%标准平均值的偏差。3。结果与讨论图23.1。循环流量对2 , 4 - DCP降解的影响 不同循环通量的 2 , 4 - DCP去除效果显示在图2，这表明，在整个循环过程中，循环流量增加5毫升/分钟时，2 , 4 - DCP总去除率和去除率急剧增加。2 , 4 - DCP的去除率可达47%，60%，72%，84%和94%，并分别在最初8小时的循环流量增加到515毫升/分钟。之后，不同循环通量的2 , 4 - DCP总去除率的增加慢慢地。在24小时降解循环流量从5增加到15毫升/分钟时，2 , 4 - DCP总去除率可高达79%，83%，87%，93%和98%。 众所周知，厌氧条件环境对于还原脱氯过程的重要性，因为在缺氧条件下的土壤中，以及下层水体沉积物，水分往往是普遍存在的 44 。大多数厌氧微生物有能力把磷酸氢钙转换为单氯酚（MCP），然后在厌氧条件下，酚通过还原脱氯过程 45 。但厌氧微生物的能力有限，不能完全降解苯酚。矿化率远低于是最初的脱氯过程 44 。因此，2 , 4 - DCP脱氯限速过程的退化是WANG等人发现的。 22 他们发现第一天去除20毫克/升2 , 4 - DCP的芽孢杆菌的效率达到44%，而480小时后的去除效率只有77%了。比较我们的研究与以往文献所提到的，可以分析出，在活性污泥水解好氧循环过程，还原脱氯是一个持续的过程。解决方案之间的不断循环的水解反应器和好氧反应器的工作状态，活性污泥水解好氧循环过程可能提高2 , 4 - DCP去除的效率和速度。循环流量增加，甲基环戊烯醇酮和苯酚溶液中的水解反应器更迅速地转移到好氧反应器和分解好氧微生物，这个时候，活性污泥水解好氧循环系统具有更大的利用价值。由于代谢和动力学的局限性，在回收过程的中，厌氧和好氧微生物可以克服耦合作用，是还原脱氯的回收通量增加。在活性污泥水解好氧循环系统中，另一个关键方法降解2 , 4 DCP是使用一定剂量的葡萄糖为共基质来促进降解氯酚。类似的方法已在氯酚退化中，以生物膜反应器或颗粒为基础，用于促进污染物中生物膜粘附和共代谢转化。例如，艾克、卡克和亨得利森等人 46 添加糖蜜与2 , 4磷酸氢钙确保生物膜对2 , 4 DCP的去除效率。 47 另外发现，除了葡萄糖作为有效的基板利用率，刺激了脱氯，并能够保持足够的生物量在上流式厌氧污泥床反应器中处理五氯酚。巴厘和森格尔 7 据报道，共同转化的4 -氯酚，苯酚是一个很好的主基板，因为在4 -氯酚转化中它不太需要单加氧酶。苯酚的氧化也可以有效地再生消耗辅酶。苯酚和4氯苯酚强大的竞争能抑制苯酚转化明显。我们研究发现后，苯酚能被迅速转化，而苯酚是几乎完全耗尽的 48 。在这种情况下，共同的酶所需的苯酚转化最可能引起的对氯苯酚。至于氧化所需苯酚转化，可有效地形成通过氧化葡萄糖 7 。由于葡萄糖快速的氧化，还原型辅酶快速再生，从而促进了对氯苯酚的转换。因此，通过增加循环通量到一定程度和使用有效的方法来增加基质促进降解氯酚，活性污泥水解好氧循环过程可有效提高2 , 4 DCP的去除效率和速度。同时，解决方案之间的不断循环的水解反应器和好氧反应器的工作状态，活性污泥水解好氧循环系统能够提高转化的共代谢中间产物。3.2。循环流量对化学需氧量去除的影响图3在不同循环通量中化学需氧量去除效果，如在图3。在最初的3小时，随着循环流量从5增加到15毫升/分钟，化学需氧量总去除率和效率的大幅增加，化学需氧量总去除率可达68%，74%，84%，91%和93%，并且在最初3小时循环流量增加5到15毫升/分钟。之后，化学需氧量的去除效率和速度增加缓慢。分别在速度减慢后，24小时循环流量从5增加到15毫升/分钟，化学需氧量总去除率可达80%，85%，91%，93%和96%。随着循环流量的解决方案，溶液中剩余的化学需氧量在水解反应器的作用下可以及时转移进入好氧反应器，并且，在后面反应器中，一些他们所消耗的氧微生物更加活跃，其中整个过程都可以提高去除效率和速度。化学需氧量的去除是受益于微生物“合作代谢”的水解好氧之间，这是因为代谢物之间的交流的水解好氧反应器。同时“合作代谢”加强了微生物的生物降解水解好氧过程。这里提到的交换代谢可以相比的代谢产物的交换接口之间的好氧和厌氧的自然生态区（沉积物，细菌菌落，分层湖泊和海洋，微生物垫，生物膜，等）。水解微生物可以有效保护氧损伤的好氧微生物，同时好氧微生物消耗水解微生物的代谢产物。电阻质的水解氧“界面”反应器之间的回收效率远低于在自然过程的自动回收 18 。3.3。循环流量对挥发性脂肪酸的影响图4在不同的循环通量下，一定浓度的挥发性脂肪酸溶液中24小时后降解情况如图4所示。由此可见，在第一个8小时内，在循环流量中挥发性脂肪酸的浓度由5毫升/分钟逐渐增加2.7至14.4毫摩尔/升，24小时后它下降至3.6毫摩尔/升。在回收通量为8毫升/分钟时，挥发性脂肪酸的浓度在第一个6小时内增加至11.9毫摩尔/升，然后逐渐下降。当循环流量为10毫升/分钟时，在第一次4小时内挥发性脂肪酸的浓度增加至7.5毫摩尔/升。类似的变化趋势表明在循环流量1215毫升/分钟，第一次2小时内，最大浓度的挥发性脂肪酸可分别高达6.6和4.6毫摩尔/升在。结果表明，循环流量对挥发性脂肪酸浓度的变化有较深的影响。循环流量从5增加到15毫升/分钟，峰值的浓度挥发性脂肪酸从14.4下降到4.6毫摩尔/升。此外，回收通量增加5毫升/分钟时，挥发性脂肪酸达到最大浓度的时间缩短至2小时。众所周知，2 , 4 - DCP和葡萄糖能够分解为相对简单的中间产品如挥发性脂肪酸，主要在厌氧条件下形成醋酸和丙酸。2 , 4 - DCP降解为挥发性脂肪酸的速度远远超过其进一步转换为甲烷，导致积累的酸增多 28 。因此，累积的挥发性脂肪酸造成的废水活性严重酸化和水解微生物死亡。因此，整个水解工艺受到约束。在活性污泥水解好氧循环过程中，在某种程度上，增加循环流量，挥发性脂肪酸水解反应的产物可被好氧微生物更迅速消耗掉。因此，酸化水解反应就不会发生，并且大量水解有机酸酸化步骤更顺利和完全。因此，活性污泥水解好氧循环过程可以同时加强双方的水解和好氧工艺，问题的解决在酸化的水解反应器，有利于稳定的水解过程。3.4。循环流量对单位多糖和蛋白质含量的影响图5图6在不同的回收通量下，单位多糖和蛋白质含量显示在图5和图6。在水解好氧污泥中，单位多糖含量分别增加为14.4和20.1mg/gVSS。研究结果发现，在活性污泥水解好氧循环过程中，循环流量对多糖含量有很大的影响。在活性污泥水解好氧循环过程循中，环流量增加5毫升/分钟，单位多糖含量急剧增加。在水解好氧污泥中单位多糖含量分别为18.6和32.6毫克/克，这是在种子水解好氧污泥中1.2和1.6倍的多糖含量。在水解好氧污泥中，单位蛋白质含量的增加有相似的变化趋势。在水解好氧污泥，单位蛋白质含量增加为31.2和32.6毫克/克VSS。当循环流量从5增加到15毫升/分钟时，单位蛋白质含量是逐渐增加的。在水解好氧污泥，单位蛋白质含量的增加为66.4和88.6毫克/克，这是在水解好氧污泥中2.1和2.7倍的多糖含量。比较单位蛋白质和多糖在水解污泥，好氧污泥含量均有所增加，这表明，在活性污泥水解好氧循环过程中，随着循环流量增加，单位蛋白质含量的增加量比多糖多。增加蛋白质种类的数量可能会提高周边微生物细胞对有机和无机材料的吸引力。 49 卡尼尔等人已研究发现了一些类似的结果。 50 据马克斯韦恩等人报道，分子的胞外蛋白提取活性污泥不同小（10kDa）大（600kDa）的大小，而所有多糖均小于1kDa高压尺寸的排斥色谱。 51 好氧絮凝量化的单位增加量组成，并且发现其大部分组成为蛋白质。Su和Yu 52 也发现在每单位增加的好氧颗粒污泥中，蛋白质占主导地位，并且蛋白浓度增加，而在好氧颗粒上碳水化合物含量几乎保持不变。事实上，各种生物和厌氧颗粒类型的提取方法，蛋白质已报告更多样的碳水化合物 51,53,54 。一些研究人员还发现，在生物膜上的单位增加了，好氧污泥和颗粒主要组成部分都是碳水化合物 49,55 。这意味着组成胞外聚合物是可变的，并与微生物种类，限制基板的类型（碳，氮和磷），氧的限制，培养温度等等有关 56 。因此，循环流量对蛋白质含量、多糖含量水解污泥和单位增加的好氧污泥有着很大的影响。蛋白质比多糖能贡献更多的细菌骨料结构和提供更好的稳定性。当回收通量增加到一定程度，增加蛋白质的含量可能会令活性污泥水解好氧循环过程更加稳定。3.5。影响循环流量对单位聚氯乙烯/聚苯乙烯增量的影响图7我们在不同循环通量时，对水解污泥和好氧污泥中的单位聚氯乙烯/聚苯乙烯比率的增量进行了研究。如图7所示，单位聚氯乙烯/聚苯乙烯比率增量在水解好氧污泥中是2.2和1.6。随着循环流量从5增加到15毫升/分钟，当单位聚氯乙烯/聚苯乙烯比率增量逐渐增加。在水解好氧污泥时，单位聚氯乙烯/聚苯乙烯比率增量为3.6和2.9，是在原先水解好氧污泥时的1.6和1.8倍。结果表明，有明显的可描述的线性相关性来表达聚氯乙烯/聚苯乙烯比和循环流量。线性的方程，按下列公式计算（循环流量，毫升/分钟）：上述结果表明，当增加循环流量时，聚氯乙烯/聚苯乙烯比呈线性关系。单位增量（蛋白质和多糖）与循环流量部分成比例。其中一个解释这些结果是，当循环流量增加从5到15毫升/分钟，单位蛋白和多糖的含量逐渐增加。此外，相比较相同循环流量的活性污泥水解好氧循环过程，单位蛋白质含量在增加了种类多样的多糖，。因此，循环废水在水解反应与好氧反应作用下，不断产生在较高的循环流量，使聚氯乙烯/聚苯乙烯的比例增加。我们已知分散的细菌带负电荷，细胞直径存静电斥力。Tsuneda等人已发现单位聚氯乙烯/聚苯乙烯的增量，可以减少负细胞表面的电荷，从而连接相邻细胞 57 。 58 我们调查胞外聚合物对电性能的异养细菌细胞的影响，发现单位比增量在细胞表面可以减少负表面电荷密度。蛋白质含有大量的负电荷的氨基酸，蛋白质增加的大多数部分，更多地参与到中和多价阳离子去，从而减少周围的细胞表面的电荷密度。这表明，增加的聚氯乙烯/聚苯乙烯比值可降低表面细菌细胞的负电荷，从而降低细胞之间的静电斥力。因此，循环流量的增加，使聚氯乙烯/聚苯乙烯比率增加，为活性污泥水解好氧循环过程提供一个稳定的环境条件。3.6。循环流量对电位活性污泥的影响图8在在不同循环通量下，电位水解污泥，好氧污泥量如图8所示。水解好氧污泥的电位减少37.5和38.2毫伏。当回收通量从5增加到10毫升/分钟，水解、好氧污泥的电位减少17.4和16.7毫伏。当循环流量进一步增加到15毫升/分钟，水解好氧污泥的电位变化不明显。结果发现，随着回收通量的增加，电位呈下降趋势。回收通量与水解好氧污泥电位有关。在活性污泥水解好氧循环过程中，水解与好氧污泥的在不同再生剂作用下，相比与最初的有氧水解污泥，产生较少的负电荷。表面电荷是十分重要的，对于微生物总量的稳定控制。因此，随着循环流量增加，电位减少，对稳定的活性污泥水解好氧循环过程是有利的。4。结论本研究结果表明，在活性污泥水解好氧循环过程中，2 , 4 - DCP可以有效的去除。对2 , 4 - DCP和化学需氧量的出去效率远高于一般方法在回收过程后利用24小时来对其降解。当循环流量为15毫升/分钟24小时，2 , 4 - DCP和化学需氧量的总去除率分别可以高达98%和96%。回收通量对多糖和蛋白质的影响很大，利用这一点，我们可以稳定控制活性污泥水解好氧的循环与回收过程。随着通量增加，细菌细胞蛋白质含量增加，其表面负电荷降低，从而减小细胞之间的静电斥力，并使电位减小。结果表明，利用活性污泥水解好氧循环系统，降解2 , 4 - DCP是很好的例子，得益于组合还原氧化降解机制和合作代谢。在活性污泥水解好氧循环系统中，微生物的代谢活动对水解好氧反应的限制是可以克服的。活性污泥水解好氧循环系统成功地解决了酸化问题，有效地提高了2 , 4 - DCP和化学需氧量的去除效率。感谢作者希望表达他们的感激之情的支持中国国家自然科学基金项目号20076037。参考文献1 X.C. 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