环境激素壬基酚在剩余污泥厌氧发酵产酸过程中的生物降解效能与机制解析

Land application is the prior method for the disposal of sludge from wastewater treatment plants in China. Also, large amounts of refractory and poisonous organic contaminants adsorbed in sludge give a serious restriction on the safe land application of sludge. Furthermore, anaerobic fermentation for organic acids production is an important technique for sludge reuse, which can not only produce the organic acids with the high additional value, but also reduce the amount of sludge with the result that environmental pollution declined. Till now, although nonylphenol (NP), as a typical organic contaminant, has been demonstrated to be biodegradable under the anaerobic conditions, it is still unknown about the degradation efficiency and mechanism of these compounds in sludge under the fermentation condition. Thus, in this project the degradation efficiency and mechanism of NP adsorbed in excess sludge during anaerobic fermentation for organic acids production would be investigated. Not only the scientific frame of reference for the safe land application, especially agricultural use, of sludge would be provided, but also the theory of anaerobic biological degradation of refractory organic contaminants would be further enriched based on the investigation on the mechanism and kinetics for NP degradation during sludge fermentation for organic acids production.

土地利用是我国城市污水处理厂污泥优先考虑的处置方式。污泥中通常也吸附着大量难降解有毒有害有机污染物，其严重制约着污泥安全的土地利用。另一方面，厌氧发酵生产有机酸是一种重要的污泥资源化利用技术，其既可生产出具有高附加值的有机酸，又可实现污泥减量，降低环境污染。目前，虽然以壬基酚（NP）为代表的有机污染物已经被证明能够在厌氧条件下发生生物降解，但污泥中的这些物质在发酵产酸条件下的降解效果与机理还未见报道。本项目以吸附着大量NP的剩余污泥为对象，考察NP在污泥厌氧发酵产酸过程中的降解效果及相关机理。它不但能够为污泥安全的土地利用尤其是农用提供科学的参考依据，而且通过对NP在污泥发酵产酸过程中的降解机理、动力学等的研究将进一步丰富难降解有机污染物的厌氧生物降解理论，具有较高的学术价值。

污泥中难降解有机污染物在厌氧生物处理过程中的降解效率严重影响着污泥的安全处置。本项目以吸附着大量壬基酚（NP）的剩余污泥为对象，研究了NP在污泥厌氧发酵产酸过程中的降解效果及相关机理。已按计划完成了所有研究内容，并达到了项目计划书中设定的研究目标，取得如下成果：.（1）针对文献中污泥中NP检测方法准确性较低的问题，本项目首先对如何提高污泥中NP检测的准确性进行了详细研究。对上海和江苏地区污水处理厂剩余污泥中NP赋存状况进行了详细调查，发现污泥中普遍存在NP，NP平均含量为253mg/kg干污泥，介于42-413mg/kg干污泥之间。.（2）污泥pH 4.0-11.0范围内进行发酵，NP在碱性条件下的降解效果显著优于酸性条件，且在pH=10的条件下最佳，这与已有研究中污泥厌氧发酵产酸在碱性条件特别是pH=10条件下产酸结果相一致。进一步研究外源物质存在条件下污泥厌氧发酵产酸过程中NP的降解转化效果时发现，表面活性剂的投加有助于污泥中NP的进一步厌氧生物降解，其中非离子表面活性剂Brij35的投加对NP降解转化的促进作用最为显著，浓度10mg/L时NP降解效率最高，达69%。.（3）机理研究表明，在适宜的发酵产酸条件下，厌氧微生物活性处于较高水平，NP主要通过共代谢的方式得到降解。与NP厌氧降解密切相关微生物的丰度显著上升。直接控制NP降解的关键微生物酶活性及其控制编码基因数量也利于其厌氧生物降解。进一步地，苯丙酸、苯乙酸、正庚酸、异己酸等被鉴定为NP厌氧生物降解的中间产物，依此推测得到NP在厌氧发酵产酸条件下可能的降解途径。.（4）在污泥厌氧发酵产酸过程中NP的动力学研究表明，该污染物的解吸和降解过程可分别用双常数方程和Elovich 方程拟合，分别为lnV=-0.815lnt+3.115和Q=16.112+22.024lnt。. 本项目通过研究NP在污泥发酵产酸过程中的降解效果、机理以及动力学，不但将加深人们对厌氧发酵产酸这一污泥资源化利用新技术的认识，而且将进一步丰富和完善NP厌氧生物降解理论，为污泥安全的土地利用尤其是农用提供科学的参考依据，具有重要的科学意义。