IKPF 工程菌株深度处理长江饮用水源 PAHs 研究1.doc
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1、IKPF 工程菌株深度处理长江饮用水源 PAHs 研究1张宴 2,吴兵 2,张徐祥 2,李梅 2,崔益斌 2,顾继东 3,程树培 1,21.污染控制与资源化国家重点实验室,南京(210093)2.南京大学环境学院,南京(210093)3.香港大学生命学院,香港E-mail: 摘要:应用跨界原生质体融合(IKPF)菌株 Xhhh 和 Fhhh 及土著细菌 NJ,建立了 3 个生物滤池模型,研究深度处理长江饮用水源多环芳烃(PAHs)创新技术。检测的结果是,土 著细菌 NJ 生物滤池对 PAHs 的比降解率为 0.055d-1,Xhhh 为 0.043d-1,Fhhh 为 0.098d-1。工程菌
2、株 Fhhh 的比降解率,高出土著细菌 78,而工程菌株 Xhhh 不及土著细菌。研究表明,IKPF 菌株 Fhhh 具有降解 PAHs 优势,可以增加饮用水的安全性。 关键词:饮用水源;POPs;深度处理;工程菌株;生物滤池中图分类号:X172引言长江流域的经济生产总值(gross domestic product,GDP)约占中国的 1/3,长江是中国 近 1/3 人口的生命之水,同时承载着中国近 1/3 的工农业污染。南京地处长江下游,以长江 为饮用水源。2007 年检测长江饮用水源及南京民用自来水的结果表明,存在多环芳烃(polyaromatic hydrocarbon, PAHs)的
3、污染现象1-3。 多环芳烃(PAHs)是一类持久性有机污染物(persistent organic pollutants, POPs),具有诱发致癌、生殖、免疫、神经等环境疾病的毒性威胁。生产自来水的常规处理方法,不能 去除饮用水源中的微量 PAHs。饮用水中 g/L 的 PAHs,即可通过人体的吸收富集和代谢转 化,产生持久的分子毒性,威胁人体的终身健康,威胁后代的生命质量。人们不可能放弃长江饮用水源,为了保障饮用水安全,本课题应用了跨界原生质体融合(inter-kingdom protoplast fusion, IKPF)工程菌株 Xhhh 和 Fhhh,及土著细菌 NJ,建立了 3 个
4、活性炭和沙砾混合载体的生物滤池模型,研究深度处理长江饮用水源的创新技术。结果表 明,IKPF 工程菌株 Fhhh 降解 PAHs 的优势最为突出。Xhhh 和 Fhhh 均是 3 个亲本菌株的真核原核两界细胞的原生质体跨界融合产物,它们之 间的区别是,Xhhh 细菌亲株来自合成制药废水处理系统,Fhhh 细菌亲株来自石化废水处理系统。现场工程证明,Fhhh 具有降解苯环污染物的特效性能4,Xhhh 具有降解杂环污染物 的特效性能5,6。PAHs 是苯环污染物,所以 Fhhh 降解优势最为突出,Xhhh 则不及土著细菌。综合应用膜技术(membrane technique, MT)和生物滤池(b
5、iofilter, BF)技术,合称为 膜生物滤池(membrane biofilter, MBF)技术,是饮用水深度处理技术的发展趋势,已有许 多成功的例证。本课题即将进行 MBF 中的膜技术研究。应用生物滤池技术原理和 IKPF 整 合基因资源原理,是项目的创新点所在。1材料与方法1.1 菌株1 本课题得 到 国家教育 部 WTWER0720 ;江苏省 科 技 厅 BZ2007064 和江苏省 检测中心 苏环 检 测(2007)65-0711的资助。- 5 -Xhhh 和 Fhhh,由本课题组构建 7。土著细菌 NJ 为长江水源中自然菌株。1.2 培养基普通真菌培养基,普通细菌培养基8。1
6、.3 水质检测色谱质谱(GC/MS)检测 POPs 和 EDCs; 等离子光谱(ICP-J-A1100)检测金属污染物; TOC6000A 分析仪检测总有机碳(TOC); 磷脂法测检膜生物量9;酸式高锰酸钾法检测 CODMn; 过硫酸盐氧化法检测 TN 和 TP10。长江南京饮用水源 2007/8/23-10/5 期间的水质检测结果,见表 1。表 1 长江饮用水源水质检测结果,(mg/L)参数数值参数数值参数数值参数数值参数数值CODMn0.811.50pH7.88.1Mn0.01Fe0.24Ni0.01TOC3.759.28Cr0.02Pb0.06Ti0.02Ca41.02NH3-N0.33
7、1.06Cu0.01Zn0.01Al0.68Co0.01TP0.010.19Li0.01B0.04Se0.11Pt0.201.4 生物滤池模型参数生物滤池材料为 PVC 管材。柱高 100cm;直径 12 cm,有效容积 10L。填料活性炭 2L 和沙砾 1L,粒径 0.8-1.2 mm。3 种菌剂各 2L 分别投加于生物滤池模型中驯化挂膜,进水流 量 0.5L/d,溶解氧(DO)1.5 mg/L,连续 5d 后,48h 内负荷比增加至 3m3/(m2h),去除 CODMn10%为挂膜结束标志。稳定运行 42d,水力停留时间 20min,10-20,负荷比 3m3/(m2h), 反冲洗强度 2
8、0L/(m2sec)持续 2min,DO 为 1.5 mg/L。2. 结果与讨论在 2007/8/23-10/5 生物滤池模型稳定运行的 42 天期间,检测 10 批样品的结果见表 2。 从表 2 可以看出,生物滤池模型的长江饮用水源进水的 CODMn 为 0.85-1.50 mg/L,均值为 1.20mg/L;进水 TOC 为 4.07-9.28 mg/L,均值为 6.87 mg/L;进水中 13 种 PAHs 总浓度为0.058-0.102g/L,均值为 0.081g/L。污染物的比降解率(specific degradation rate, SDR)是指单位生物量在单位时间内,降 解去除
9、有机污染物量的比值,即 SDR降解污染物量单位/(生物量单位时间单位)。当污 染物量的单位与生物量的单位相同时,SDR 单位为时间-1,常用的有 h-1 和 d-1 等。在处理工 程中,SDR 称为生物负荷率(biological loading rate, BLR)。SDR 和 BLR 两者定义相同, 单位相同。前者多用于研究,或者多用于工程,参数水平具有国际可比性。检测 NJ、Xhhh、Fhhh 三个生物滤池模型,在稳定运行 42 天期间的比降解率(SDR), 比较三个菌株在同等生物滤池的硬件条件下,降解 CODMn、TOC、PAHs 性能的差异。应用 表 2 的进出水参数,计算出比降解率
10、的参数水平,结果见表 3。从表 3 可以看出,Fhhh 生物滤池模型的 3 项比降解率均值,均为最高水平;土著细菌 生物滤池模型的 3 项比降解率均值,均处第 2;而 Xhhh 生物滤池模型的 3 项比降解率均值,均处最低水平。IKPF 菌株 Fhhh 是 3 个亲本菌株(PC 真菌、SC 酵母、YZ 土著细菌)真核原核两界细 胞的原生质体跨界融合产物。亲株 YZ 土著细菌,来自石化废水生物处理系统,降解的目标 污染物是苯环污染物。2001-2004 年国家 863 项目的现场工程证明,Fhhh 去除石化废水中苯 环污染物的比降解率(SDR)是土著细菌的 7 倍。PAHs 是苯环污染物,Fhh
11、h 在本项研究中 去除 PAHs 的比降解率水平最高,吻合以前的研究结果。表 2 生物滤池模型进出水参数检测结果批次12345678910CODMn滤(mg/L)池TOC进(mg/L)0.851.351.441.380.860.811.501.491.450.874.078.088.808.324.153.759.289.208.884.21水PAHs (g/L) 生物量土(mg/L)著 CODMn菌(mg/L)TOC滤(mg/L)0.0580.0910.0970.0930.0580.0550.1020.1010.0980.059175.170.368.0674.654.2124.3193.0
12、294.383.026.70.280.100.100.560.340.100.310.750.250.033.151.681.315.133.331.423.035.523.231.08池PAHs(g/L)0.0190.0070.0070.0380.0230.0070.0210.0510.0170.002X生物量h(mg/L) hCODMn h(mg/L)滤TOC池(mg/L)PAHs(g/L) F生物量h(mg/L) hCODMn h(mg/L)滤TOC池(mg/L)PAHs(g/L)129.5102.185.5180.0147.9104.888.6152.0132.365.70.340.2
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