NaCl鹽度對吡啶缺氧反硝化降解的影響

薄鴻淼，岳秀萍，張小妹，米靜

（太原理工大學環境科學與工程學院，山西太原030024）

NaCl鹽度對吡啶缺氧反硝化降解的影響

薄鴻淼，岳秀萍，張小妹，米靜

（太原理工大學環境科學與工程學院，山西太原030024）

采用批量實驗研究NaCl鹽度對常規活性污泥（非耐鹽污泥）缺氧反硝化降解吡啶的影響。結果表明，吡啶降解受到鹽度的影響，在鹽度為5.0 g/L時，降解率最高。硝酸鹽氮在鹽濃度為2.5 g/L時，降解率可達85%，當鹽度大于10.0 g/L時，氨氮濃度呈上升趨勢，高鹽度使微生物結構發生破壞是氨氮濃度升高的原因；在不同鹽度條件下，總氮降解濃度會發生變化，在鹽度為2.5 g/L時，總氮降解率最高。

鹽度；吡啶；反硝化；污水處理

吡啶是含氮雜環化合物的代表，結構上的氮原子有較大的電負性，可以吸引環上的電子而變成缺電子體系，從而具有較強的極性，且吡啶很難被空氣氧化，因此對吡啶的無害化處理過程非常困難〔1〕。此外，廣泛應用吡啶的化工、印染、農藥、石油等行業會產生大量的含鹽廢水〔2〕，廢水中所含鹽類物質多為Cl-、Na+、SO42-等〔3〕，雖然這些離子都是微生物生長所必需的的營養元素，在微生物生長過程中起著促進

酶反應、維持膜平衡和維持滲透壓的重要作用，但若這些離子濃度過高，會對微生物產生抑制和毒害作用，高鹽度會對微生物的酶促反應產生抑制，這樣對吡啶含鹽廢水的處理將更加困難。

近年來，許多學者對吡啶的降解進行了探究。李詠梅等〔4〕在對吡啶的缺氧降解實驗中發現，反硝化速率與進水中的硝酸鹽氮濃度無關，反硝化反應為零級反應，且發現吡啶的降解速率大于喹啉、吲哚。金艷等〔5〕的研究表明，在吡啶缺氧降解過程中，有利于廢水毒性削減的C/N為8左右。程靜等〔6〕實驗發現，吡啶在不同條件下的去除率為缺氧>好氧>厭氧。韓鈺潔等〔7〕在研究吡啶單基質以及與苯酚共基質的降解時發現，吡啶的降解都遵循零級反應動力學，且單基質時厭氧污泥對吡啶的降解效果更好。白凡玉等〔8〕對吡啶反硝化過程動力學的研究表明，在以吡啶為單一碳源的反硝化過程中，NO2--N的積累率可以達到53.4%。

但以吡啶為C源在鹽度條件下進行反硝化降解的報道并不多見，因此有必要對吡啶在鹽度存在下缺氧反硝化降解的情況進行探究。本次實驗采用焦化廢水厭氧復合床（UBF）反應器反硝化段污泥，通過批次實驗，探究在不同濃度NaCl存在的條件下吡啶的反硝化降解效果，以期對吡啶含鹽廢水的處理提供借鑒。

1 實驗內容和方法

1.1 實驗材料

采用間歇實驗方法。接種污泥取自運行穩定的UBF反應器反硝化段污泥〔9〕。先對污泥曝氣60min，曝氣完成后，用清水清洗多次，將殘留在污泥中的有機物等清洗干凈，把氮氣吹入裝有污泥的容器中，以降低氧分壓，使活性污泥中的溶解氧含量達到0.1 g/L以下。向污泥中加入用無氧水配制的培養液及微量元素溶液，污泥質量濃度為3 g/L，水溫為30℃左右，初始pH為7.8。將污泥平均分成6份，分別裝入搖瓶中，采用恒溫搖床的方式使污泥和基質充分接觸混合。為了保證是缺氧環境，實驗過程中搖瓶要加封口膜密封。

培養液組成（g/L）：KH2PO40.2，K2HPO40.4，MgSO40.2，Fe2（SO4）30.01，MnSO40.01，NaCl0.1。

微量元素溶液組成（g/L）：FeCl3·6H2O 1.50，H3BO40.15，CuSO4·5H2O 0.03，MnCl·4H2O 0.12，Na2MoO4·2H2O 0.06，ZnSO4·7H2O 0.12，COCl2·6H2O 0.15。微量元素溶液的添加量按培養液的0.1%加入搖瓶中。

1.2 實驗方法

實驗過程所用底物是吡啶，COD為400 mg/L（吡啶質量濃度為180mg/L），實驗所用C/N為8，氮源為硝酸鈉配制的溶液，硝酸鈉質量濃度為50 mg/L，底物與氮源均在實驗開始時加入搖瓶中。向裝有污泥的搖瓶中分別添加NaCl鹽度，NaCl濃度分別為0、2.5、5.0、7.5、10.0、15.0 g/L。定時取樣，用0.45μm濾紙過濾，測定濾液中氨氮、亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氮、總氮含量，觀察分析各指標的變化情況。

1.3 測試分析方法

吡啶測試方法：紫外分光光度法；氨氮：納氏試劑比色法；亞硝酸鹽氮：N-1-萘基乙二胺比色法；硝態氮：麝香草酚分光光度法；總氮測定方法：堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法。

2 結果與分析

2.1 不同鹽度條件下吡啶降解效果

圖1是在不同鹽度條件下吡啶在活性污泥系統中的降解曲線。

圖1 吡啶降解曲線

由圖1可知，不同鹽度下，吡啶都得到了很好的降解，降解率都在90%以上。但在降解初期，不同鹽度下吡啶的降解速率不同。從圖1可以看出，在鹽度為0時，吡啶降解最快，這是因為污泥吸附作用最強，吸附降解率可達89%；在鹽度不為0時，污泥的吸附作用對吡啶降解的影響有所減弱，且隨著鹽濃度的升高，吸附作用越來越弱，說明鹽度對活性污泥的吸附能力有影響。分析認為是由于NaCl鹽度影響了細菌表面電位，進而影響污泥吸附能力，鹽濃度越大，影響作用越明顯，所以吡啶濃度下降速率變慢。

在鹽度≤10.0 g/L時，吡啶濃度呈下降趨勢，只是降解速率略微不同；當鹽度＞10.0 g/L時，有一段時間吡啶的濃度幾乎是不變的，這是因為受到高鹽度的影響，吡啶降解菌的活性暫時受到抑制，而在經過一段時間的適應后，系統中的吡啶又開始陸續降解，這是因為吡啶降解細菌逐漸適應了較高鹽度的環境，這說明這些細菌的細胞結構和生理功能均能適應較高的含鹽環境。

觀察吡啶降解曲線可知，在鹽度為5.0 g/L時吡啶的降解率最高。

2.2 硝酸鹽氮降解曲線

圖2是在不同鹽度條件下硝酸鹽氮的降解曲線。

圖2 硝酸鹽氮濃度變化曲線

由圖2可以看出，在鹽度為0~2.5 g/L時，活性污泥系統中的硝酸鹽氮濃度變化基本一致，在最初降解階段，硝酸鹽氮濃度迅速下降，下降率達到50%左右，這說明在鹽度低于2.5 g/L時，硝酸鹽氮反硝化降解菌活性較強，能迅速利用硝酸鹽氮進行反硝化，硝酸鹽氮濃度隨著反應的進行不斷下降，降解率達到了85%以上。在鹽度為5.0時，降解情況與鹽度0~2.5 g/L時類似，只是降解率只有78%。在鹽度為7.5 g/L時，前期硝酸鹽氮濃度隨反應的進行不斷下降，但到反應12 h時出現了硝酸鹽氮濃度升高，之后又降低的現象，最終降解率為62%。在鹽度分別為10.0、15.0 g/L時，硝酸鹽氮的降解在反應后期有持續增高的趨勢，分析認為這是兩方面的原因：一是因為在高鹽度的條件下，硝酸鹽氮的生成速率大于降解速率；二是因為高鹽度環境下一部分反硝化菌出現解體現象，促使硝酸鹽氮濃度升高。

2.3 亞硝酸鹽氮降解曲線

圖3是在不同鹽度條件下亞硝酸鹽氮的降解曲線。

圖3 亞硝酸鹽氮濃度曲線

在反應初期，亞硝態氮濃度迅速上升，說明亞硝酸鹽氮反硝化菌受到鹽度沖擊的影響不大，在鹽度為2.5 g/L時，亞硝酸鹽氮的累計率最高，可以達到60%；在鹽度大于2.5 g/L時，隨著鹽度的升高，亞硝酸鹽氮的積累率下降，在鹽度為15.0 g/L時，亞硝酸鹽氮的積累率為30%；隨著反硝化過程的進行，亞硝酸鹽氮的濃度呈現先升高后下降的趨勢，但在反應完成時，亞硝酸鹽氮的濃度不為0，這是因為硝酸鹽氮還原菌和亞硝酸鹽還原菌受鹽度的影響不同，鹽度在較低時（≤2.5 g/L）對硝酸鹽還原菌的活性起促進作用，而鹽度>2.5 g/L時對亞硝酸鹽氮還原菌起促進作用。

2.4 氨氮濃度降解曲線

吡啶是含氮雜環化合物，其降解過程包括異化反硝化和同化反硝化。異化反硝化就是在反硝化菌的作用下將硝酸鹽氮轉化為含氮氣體的過程，同化反硝化是指NO3--N被還原為氨的過程。而后氨被吸收，參與菌體的合成，成為菌體的組成部分并會有氨氮的生成，大約有4%的硝酸鹽氮發生同化反硝化〔10〕作用合成菌體，其余的為異化反硝化過程，所以根據測出的氨氮濃度可以判斷反硝化過程中的氨化程度。

圖4是在不同鹽度條件下，反硝化過程中的氨氮含量曲線。

從圖4可以看出，在鹽度為2.5~7.5 g/L時，氨氮濃度在反應開始后立刻上升，且濃度變化速率與氨氮最高濃度都比鹽度為0時的大，說明在鹽度小于7.5 g/L時，鹽度存在的條件可以提高氨化細菌的活性，活性（最大氨化速率）是沒有鹽度時的1.15~ 1.23倍；在反應6 h后，氨氮濃度開始下降，這可能有兩方面的原因，一方面是基質濃度下降，氨化速率

變慢，發生硝化反應，且反硝化過程的進行消耗了氨氮；另一方面是厭氧氨氧化菌的作用使氨氮的濃度降低。在鹽度>10.0 g/L時，反硝化過程初期氨氮濃度為零，這是因為在剛開始高鹽度對發生氨化反應的細菌沖擊較大，在2 h后，氨氮濃度逐漸升高，且一直處于升高的趨勢，這是因為在高鹽度條件下，污泥的內源消耗愈加明顯，菌體受到鹽度的抑制，部分微生物的細胞結構遭到破壞，發生溶胞現象，胞內含氮物質溶出，導致反應體系氨氮濃度升高。

圖4 氨氮濃度曲線

2.5 TN降解曲線

圖5是總氮降解曲線。

圖5 總氮降解曲線

由圖5可知，在鹽度為2.5 g/L時，總氮降解效果較好，初始質量濃度與終了總氮質量濃度相差可達20mg/L，這說明在此鹽度下能夠生成較多的含氮氣體。在其他鹽濃度條件下，總氮濃度呈下降趨勢，但降解程度不盡相同，在鹽度為15 g/L時，總氮質量濃度下降最少，只下降了6mg/L，這可能是高鹽度影響了反硝化過程的順利進行，阻礙了含氮氣體的生成；鹽度為0時，總氮質量濃度下降可達14mg/L，與在鹽質量濃度為2.5 g/L時相比，下降程度減弱，這是因為在低鹽度存在的環境下，反硝化整體過程的運行受到促進作用，利于總氮的降解。

3 結論

（1）鹽度會對吡啶缺氧反硝化降解產生影響，在鹽度為5.0 g/L時，吡啶降解率最高，對吡啶降解起促進作用；在鹽度大于10.0 g/L時，吡啶降解菌會受到抑制，但這種抑制是可恢復的，在經過一段時間的適應后吡啶繼續降解，說明吡啶降解菌具有較強的耐鹽性，在高鹽度條件下仍然具有降解吡啶的能力。

（2）在鹽度為5.0 g/L時吡啶降解效果最佳，但硝酸鹽氮和氨氮的最佳作用鹽度為2.5 g/L，相比吡啶降解菌，硝酸鹽氮反硝化菌和氨化細菌的最適鹽濃度降低，其對鹽的抗耐性不如吡啶降解菌。

（3）在不同鹽度條件下，反應體系中的總氮呈下降趨勢，這是因為在反應過程中生成含氮氣體，在后續的實驗過程中，可以對產生的含氮氣體進行收集，分析產生氣體的種類，可以探究吡啶降解過程中氮源的轉化途徑。

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Influences of NaClsalinity on anoxic denitrification degradation of pyridine

Bo Hongmiao，Yue Xiuping，Zhang Xiaomei，Mi Jing
（Collegeof EnvironmentScience&Engineering，Taiyuan University of Technology，Taiyuan 030024，China）

Using batch experiments，the influencesof NaCl salinity on anoxic denitrification degradation of pyridine by conventionalactivated sludge（non-salt tolerantsludge）have been studied.The resultsshow thatpyridine degradation isaffected by salinity.The degradation rate is the highest，when the salinity is5.0 g/L.The degradation rate of nitratenitrogen can reach 85%，when the salinity is2.5 g/L.When salinity ishigher than 10.0 g/L，ammonia nitrogen concentration tends to rising up.High salinity causesmicrobial structure to be damaged，which results in the rising up ofammonia nitrogen concentration.Under different salinity conditions，the totalnitrogen degradation concentrationmay change.When the salinity is2.5 g/L，the degradation of totalnitrogen is thehighest.

salinity；pyridine；denitrification；wastewater treatment

X703

A

1005-829X（2016）11-0089-04

薄鴻淼（1991—），碩士在讀。電話：15034114698，E-mail：1039570904@qq.com。

2016-08-21（修改稿）