全 文 ：五氯酚在污染沉积物泥浆固液两相中
厌氧生物降解*
唐
全1
徐向阳1* *
朱有为2
( 1 浙江大学环境工程系,杭州 310029; 2浙江省农业厅农业环保站,杭州 310004)
摘要
研究了污染沉积物泥浆液、固两相五氯酚( PCP)厌氧生物降解. 结果表明,投加 10 g!kg- 1厌氧颗
粒污泥, 经 31 d处理泥浆液、固两相 PCP 降解率达 98
9% ,平均降解速率达到 8
0 mg!kg - 1!d- 1 , 对照处
理平均降解速率仅为 4
4 mg!kg- 1!d- 1, 颗粒污泥生物强化作用明显. 作为泥浆修复过程的调控因子, 有
机溶剂、共基质和表面活性剂对 PCP 降解效应不同, 投加乙醇, 可提高 PCP解吸和降解速率, 4 d 内两相
PCP降解速率达到 54
3 mg!kg- 1!d- 1 ; 而投加共基质和非离子表面活性剂乙二醇丁醚后, 液、固两相
PCP降解均出现迟滞 ,两者均不同程度地抑制 PCP 降解.
关键词
厌氧降解
颗粒污泥
五氯酚
液固两相
泥浆
文章编号
1001- 9332( 2005) 04- 0683- 05
中图分类号
X703
1
文献标识码
A
Anaerobic biodegradation of pentachlorophenol ( PCP) in solidliquid phase of contaminated sediment slurry.
TANG Quan1 , XU Xiangyang1, ZHU Youwei2 ( 1Depart ment of Env ir onmental Engineer ing, Zhej iang Univer
sity , Hangzhou 310029, China; 2Station of AgroEnv ir onmental Management of Zhej iang Prov ince, Hangz hou
310004, China) . Chin . J . A pp l. Ecol . , 2005, 16( 4) : 683~ 687.
The study showed that after inoculating 10 g!kg- 1 anaerobic dechlorinated granular sludge ( ADGS) for 31 days,
the biodegradation rate of pentachlorophenol ( PCP) in solidliquid phase o f contaminated sediment slurry w as up
to 98. 9% , w ith an average o f 8. 0 mg!kg- 1!d- 1, w hile t hat of the control w as only 4. 4 mg!kg- 1!d- 1. As the
regulation factor s in slurry remediation, org anic solvent, cosubstrate and sur factant had differ ent effects on PCP
degr adat ion. The addition of ethanol could enhance the desorption and degradation of PCP, the degradation r ate
being up to 54. 3 mg!kg- 1!d- 1 wit hin 4 days, while the addition of cosubstrate and nonionic surfactant EGME
( ethylene g lycol monobutyl ether) inhibit ed the PCP degradat ion in solid liquid phase of slurry .
Key words
Anaerobic degradat ion, Granular sludge, Pentachlorophenol, SolidL iquid phase, Slur ry.
* 国家自然科学基金资助项目( 30070026) .
* * 通讯联系人. Email: xuxy@ zju. edu. cn
2004- 05- 02收稿, 2005- 01- 17接受.
1
引

言
氯酚类( CPs)有机物广泛用于木材防腐、除锈
和杀虫杀菌剂生产等领域, 也是一些高氯代芳香烃
污染物的代谢产物. 这类污染物进入水体后, 通过分
配和表面吸附作用在沉积物中富集,构成持久性污
染.有研究表明, 五氯酚( PCP)与沉积物中胡敏酸、
富里酸等腐殖质结合紧密, 且其毒性强烈抑制了土
著微生物的活性, 导致原位生物降解过程极其缓
慢[ 2] .近年来, 生物修复技术得到了国内外研究者
的普遍关注[ 3, 11, 12, 26, 30] . 作为异位生物修复的典型
技术, 泥浆生物修复工艺具有修复速率快、可控性
强、占地省等特点, 已在含氯苯类、氯酚类、TNT 等
有毒难降解有机物的土壤/沉积物修复得到应
用[ 1, 5, 11] .
鉴于厌氧微生物的还原脱氯活性和沉积物的厌
氧生境,厌氧泥浆生物工艺修复氯代芳烃污染沉积
物具有开发潜力[ 6, 24 ] . 然而, 目前国内外在这方面
的研究相对较少, 尤其在厌氧泥浆修复性能、强化机
理、两相分配及调控手段上均缺乏较为系统的认识,
从而限制了该技术的工程化应用[ 13, 28, 30] .本文基于
水体沉积物有机污染物在泥浆工艺液、固两相分配,
研究了厌氧脱氯颗粒污泥对泥浆体系液、固两相
PCP 降解的强化作用, 重点考察了污泥投加量、共
基质、有机溶剂和表面活性剂对两相 PCP 降解的影
响,初步探索厌氧泥浆修复工艺的效能和潜力.
2
材料与方法
2
1
材料
2
1
1 目标污染物与沉积物
五氯酚( PCP)化学纯, 含量>
98
5% ,上海青浦新产品研究所生产. 水体沉积物取自某湖
泊底泥, 经除杂质、风干、过筛后,与一定浓度 PCP 溶液按 1∀
应 用 生 态 学 报
2005 年 4 月
第 16 卷
第 4 期






























CHINESE JOURNAL OF APPLIED ECOLOGY, Apr . 2005, 16( 4)∀683~ 687
2 搅拌混匀, 自然风干后,制成模拟污染沉积物, 沉积相 PCP
浓度 250 mg!kg - 1.
2
1
2 接种物
厌氧脱氯颗粒污泥取自运行 4 个月的 EGSB
反应器, PCP污泥负荷为 5
34 mg!g- 1!d- 1 , 粒径 1
3~ 2
0
mm. DGGE 分析显示, 颗粒污泥中存在不可培养的脱氯细
菌,优势产甲烷细菌为 Methanosaeta concilii、Methanobacter i
um sp.、Methanobr evibacter sp. 和 Methanothr ix soehngeni
i [ 25] .
2
2
试验设计
在 250 ml锥形瓶中加入 50 g 污染沉积物及水, 按水土
比 4∀1制成泥浆,同时根据试验方案加入一定量的共基质、
有机溶剂和表面活性剂, 振荡 1 h 后(开始取样测定) , 投加
厌氧颗粒污泥, 并充 N2 密封, 形成厌氧环境. 各处理 2 个重
复,处理样置于 30 # 恒温室中, 每天振荡一次, 每隔 4~ 5 d
取样, 液、固样品经预处理后, 作 HPLC 分析. 试验设计具体
方案见表 1.
表 1
试验设计方案
Table 1 Scheme of experiments for PCP degradation with anaerobic
slurry
试验组
Tested
groups
目的
Experimental aims
处理
Treatment
1 厌氧脱氯颗粒污泥投加量对 PCP
降解的影响
Effect of anaerobic dechlorination
granule sludge ( ADGS ) on PCP
degradation
CK
10 g!kg- 1颗粒污泥Granule sludge
30 g!kg- 1颗粒污泥Granule sludge
2 共基质对 PCP降解的影响
Effect of cosubs trates on PCP degra
dation
10 g!kg- 1颗粒污泥 Granule sludge+
1 700 mg COD!L- 1
10 g!kg- 1颗粒污泥 Granule sludge+
2 500 mgCOD!L- 1
3 有机溶剂/表面活性剂对 PCP 降
解影响
Effect of organic solvent and surfac
tant on PCP degradation
10 g!kg- 1颗粒污泥 Granule sludge+ 5
ml 2%乙醇Ethanol
10 g!kg- 1颗粒污泥 Granule sludge+ 5
ml 2%乙二醇- 乙醚EGM E
2
3
分析与计算方法
液相样品经离心( 10 min ∃ 104 rpm)、过滤 ( 0
45
m 滤
膜) 后 HPLC 分析待 测样. 固相 泥样预 处理参 考文
献[ 4, 19, 22, 28] ,并作修改, 具体步骤为取泥样 1
0~ 1
5 ml, 加
入 5 ml 0
05 mol!L- 1硫酸酸化振荡 20 min, 加入 10 ml乙腈
超声提取 45 min,离心、上清液调 pH 至中性, 过滤定容, 待
测; 离心沉淀物烘干恒重. 该方法 PCP 回收率为 84
4% ~
92% .
HPLC 分析条件: 采用Waters 1525 HPLC 仪, 717 自动
进样器、1525 泵、2487 双波长可编程检测器、ODS C8 反相
柱;流速 1 ml!min- 1, 流动相: 1% HAC / CH3OH ( 10/ 90) , 波
长 250 nm, 标准曲线相关系数> 0
9997.
本研究根据泥浆体系中 PCP 物料平衡, 以泥浆液、固两
相初始 PCP 总量减去处理后两相 PCP残量, 分别得到两相
PCP降解总量, 叠加计算得到泥浆体系 PCP 总去除率.
3
结果与讨论
3
1
厌氧颗粒污泥对 PCP 降解的影响
厌氧(颗粒)污泥或高活性厌氧脱氯菌作为强化
剂用于厌氧修复氯代有机物污染土壤、水体沉积物
已有报道[ 4, 8, 17, 22, 30] . 图 1 为投加颗粒污泥对泥浆
体系液、固两相 PCP 降解的影响.由图 1可见, 污染
沉积物按水土比 4∀1制成泥浆、振荡后,沉积物 PCP
因解吸而在液相与固相间分配, 其泥浆液、固两相
PCP初始浓度分别为 11
2 mg !L - 1和 205 mg !
kg
- 1
.不投加颗粒污泥的对照泥浆体系,起始 8 d内
两相 PCP 浓度分别为 4
49 mg!L - 1和 178
33 mg!
kg
- 1
, 平均降解速率分别为 0
84和 3
33 mg!kg- 1
!d- 1; 在第 31天试验结束时液、固两相 PCP 浓度分
别为 1
7 mg!L- 1和 107
7 mg!kg- 1. 可见,厌氧泥
浆体系在土著微生物作用下, 液、固两相 PCP 可转
化降解,但速度缓慢.
泥浆体系投加颗粒污泥, 在投加量 10 g!kg- 1
时,起始 8 d内液相 PCP 浓度由 11
2 mg!L- 1降至
0
9mg!L - 1 , 平均降解速率达到1
2 9mg!L- 1!
图 1
污泥投加量对泥浆修复体系液、固两相 PCP 降解的影响
Fig. 1 Ef fect of inoculation of granule sludge on PCP degradation in liquidsolid phase of slurry system.
%
CK; &
10 g!kg- 1颗粒污泥 Granule sludge; ∋
30 g!kg- 1颗粒污泥 Granule sludge.
684 应
用
生
态
学
报

















16卷
d- 1,后期液相 PCP 降解相对缓慢, 浓度在 0
71~
0
15 mg!L - 1;对固相 PCP,其降解主要发生在 8~
12 d, PCP 浓度由 166
9 mg!kg- 1降至 47
4 mg!
kg
- 1
,降解速率达到 29
88 mg!kg- 1!d- 1;随后固相
PCP 可进一步降低, 试验结束( 31 d)其浓度可降至
2
3 mg!kg- 1.
当颗粒污泥投加量为 30 g!kg- 1时,起始 8 d内
液相 PCP 降至 0
34 mg!L- 1, 平均降解速率为 1
36
mg!L - 1!d- 1,后期液相PCP 浓度在0
26~ 0
1 mg!
L- 1,与前一处理相比增幅不大;固相 PCP, 起始 8 d
内其浓度可降至 17
8 mg!kg- 1, 降解速率明显加
快, 达到 23
4 mg!kg- 1!d- 1, 在12~ 31 d期间, PCP
浓度由 3
52 mg!kg- 1逐渐降至 1
20 mg!kg- 1. 31 d
平均降解速率 8
04 mg!kg- 1!d- 1.
比较发现, 颗粒污泥投加量 10 和 30 g!kg- 1泥
浆体系, 31 d内 PCP 总去除率分别达到 98
8% 和
99
2%,平均降解速率为 8
0、8
04 mg!kg- 1!d- 1,
而对照泥浆体系总去除率 54
2% ,平均降解速率为
4
4 mg!kg- 1!d- 1.故投加颗粒污泥促进了液、固两
相PCP 的降解. 一般认为, 沉积物污染物生物可利
用性直接影响污染物降解, 固相污染物先解吸而后
降解, 固相污染物解吸往往是沉积物修复的限速步
骤,本研究不同处理所获得的结果也证实这一点. 当
沉积物泥浆体系投加颗粒污泥后,颗粒污泥功能菌
可快速降解液相 PCP, 随着液相 PCP 的降解, 液、固
两相间形成 PCP 浓度梯度与推动力, 固相 PCP 解
吸、扩散进入液相, 从而表现为同时促进液、固两相
PCP 的降解. 也有研究发现, 固相通过固定化作用
富集降解 PCP 功能菌, PCP 直接在固相间发生降
解[ 3] .
3
2
共基质对 PCP降解的影响
共基质通过提供的电子供体、诱导微生物分泌
关键酶, 达到与难降解物质共代谢的目的; 在 PCP
还原脱氯降解中必须有电子供体参与, 共基质存在
可强化 PCP 降解速率[ 5, 14, 23, 26, 30] .然而Liu等[ 19]发
现,添加乙酸、丙酸和乳酸对沉积物中 PCP 降解的
促进作用不明显; Beaudet 等[ 4] 在投加 Desulf ito
bacterium f rappieri strain PCP1 强化土壤中 PCP
生物降解时也发现,外加碳源(葡萄糖、丙酸钠)和电
子受体( Na2SO3)并未明显促进 PCP 降解,这与土壤
修复过程中碳源充足有关. 可见,共基质包括基质种
类对沉积物等环境中 PCP 脱氯降解影响较为复杂.
本试验考察投加蔗糖共基质对沉积物泥浆液固两相
PCP 降解的影响,结果见图 2.


由图 2可见, 沉积物泥浆在对照与投加共基质
情况下,起始 4 d液、固两相PCP 总降解速率分别为
20
4、24
8和 21
5 mg!kg- 1!d- 1, 说明投加共基质
对促进液、固两相 PCP 降解有一定作用, 但不明显.
在 4~ 8 d,对照液相 PCP 降至 0
9 mg! L- 1, 8~ 12
d,固相 PCP 快速降至 47
4 mg!kg- 1, 而投加基质
浓度 1 700 mg COD!L- 1和 2 500 mg COD!L - 1共基
质下, 两相 PCP 降解相对缓慢, 特别在后期共基质
浓度越高,降解速率越慢,说明外加共基质对沉积物
泥浆体系液、固两相 PCP降解有制约影响.
试验结果表明, 共基质对液、固两相 PCP 降解
影响,与沉积物泥浆体系可利用有机物有关.分析该
沉积物发现其有机碳高达 5
87 ( 0
3%, 结合所获
得的结果提示,沉积物内源性有机质可作为 PCP 还
原脱氯降解的电子供体;本实验利用降解 PCP 颗粒
污泥来自以易降解有机物为反应器, 降解 PCP 功能
图 2
共基质对沉积物泥浆液固两相 PCP 降解的影响
Fig. 2 Ef fect of cosubst rates on PCP degradation in liquidsolid phase of slurry system.
%
10 g!kg- 1颗粒污泥(对照) Granule sludge( CK) ; &
10 g!kg- 1颗粒污泥 Granule sludge+ 1 700 mg COD!L- 1; ∋
10 g!kg- 1颗粒污泥 Granule
sludge+ 2 500 mg COD!L- 1.
6854 期










唐
全等:五氯酚在污染沉积物泥浆固液两相中厌氧生物降解












图 3
有机溶剂/表面活性剂对泥浆液、固两相 PCP 降解的影响
Fig. 3 Ef fect of solvent and non ionic surfactant on PCP degradat ion in liquidsolid phase of slurry system.
%
10 g!kg- 1颗粒污泥Granule sludge; &
10 g!kg- 1颗粒污泥 Granule sludge+ 5 ml 2%乙醇 Ethanol; ∋
10 g!kg- 1颗粒污泥 Granule sludge+ 5
ml 2%乙二醇丁醚 10 g!kg- 1EGME.
菌很可能属于产氢产乙酸细菌, 在外加共基质负荷
较高条件下,发生厌氧代谢中间产物积累如酸化, 而
导致降解 PCP 活性受抑制而降低, 表现为液、固两
相 PCP降解速率下降.
3
3
有机溶剂/表面活性剂对 PCP 降解的影响
有机污染物从固相主体向液相慢速扩散是沉积
物修复的限速步骤[ 18] . 鉴于有机溶剂、表面活性剂
对疏水性有机物的增溶作用, 一些研究者发现,表面
活性剂泡沫、生物表面活性剂和溶剂淋洗可提高污
染土 壤/沉 积 物 有 机 污 染 物 生 物 可 利 用
性[ 9, 10, 15, 21] . 本试验考察乙醇和非离子表面活性剂
乙二醇丁醚对沉积物 PCP 解吸和降解的影响. 结
果见图 3.


由图 3 可见, 投加乙醇和乙二醇丁醚后, 泥浆
体系液相 PCP 初始浓度从 11
2 mg!kg- 1分别增至
18
3和 20
9 mg!kg- 1,增溶效果明显.乙醇和乙二
醇丁醚对 PCP 降解效用明显不同.当加入乙醇后,
液、固两相 PCP 快速降解, 4 d 内两相 PCP 浓度分
别降至 1
3 mg!L- 1和 27
4 mg!kg- 1, 两相总降解
速率达到 54
3 mg!kg- 1!d- 1, 与其他处理相比, 强
化固相 PCP 快速降解更为明显. 由于乙醇对 PCP
的高溶解性和与水之间的互溶性[ 16] ,使其通过桥连
作用, 可提高固相 PCP 向液相扩散迁移速度, 在降
解 PCP颗粒污泥作用下,从而发生 PCP 快速降解.
尽管非离子表面活性剂乙二醇丁醚对 PCP 的
解吸效果优于乙醇,但在试验中发现两相降解均出
现迟滞现象,前 4 d液、固两相PCP 浓度仅仅分别降
至 7
515 mg!L- 1和 162
22 mg!kg- 1, 31 d 两相
PCP 总降解速率仅为 3
246 mg!kg- 1!d- 1. 比较可
见,乙二醇丁醚对 PCP 降解有抑制作用. 有关表面
活性剂对生物降解抑制与如下因素有关: ) 表面活
性剂及其降解中间产物对微生物毒性抑制[ 20] ; ∗表
面活性剂作用于细胞膜及其蛋白, 使微生物失
活[ 29] ; +直接抑制降解酶[ 7] ; ,有机污染物在水相
中形成有机微胶团( micelles) , 降低有机污染物的可
生物利用率[ 27] . 由于乙二醇丁醚属于低毒性的表
面活性剂, 因此本试验中乙二醇丁醚对 PCP 降解
的抑制,可能是由于乙二醇丁醚首先在水相中形成
包裹 PCP 分子的微胶团, 部分被吸附到沉积物表
面,降低 PCP 生物利用率, 阻碍固相 PCP 向液相的
扩散迁移, 进而影响 PCP 降解. 这一假设还有待试
验进一步验证.
4
结

论
4
1
厌氧脱氯颗粒污泥的生物强化作用明显, 投加
颗粒污泥促进了沉积物泥浆液、固两相 PCP 的降
解,固相 PCP 降解是沉积物泥浆修复的限速步骤.
4
2
沉积物内源性有机质可为 PCP 还原脱氯降解
提供电子供体, 外加共基质对泥浆液、固两相 PCP
降解强化不明显.
4
3
乙醇明显提高沉积物泥浆液、固两相 PCP 降
解速率; 非离子表面活性剂乙二醇丁醚抑制液、固
两相 PCP 降解.
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作者简介
唐
全, 男, 1975 年生,硕士.主要从事环境微生
物技术应用研究, 发表论文 3 篇. Email: T angq@ zju. edu. cn
6874 期










唐
全等:五氯酚在污染沉积物泥浆固液两相中厌氧生物降解