研究了对苯二酚、邻苯二酚、间苯二酚对硝化污泥抑制的机理，比较了氯化三苯基四氮唑(TTC)和碘硝基四氮唑(INT)污泥电子传递体系活性。结果表明：对苯二酚、间苯二酚主要抑制羟胺(NH2OH)氧化为亚硝酸盐氮;邻苯二酚主要抑制亚硝酸盐氮氧化为硝酸盐氮;3种苯二酚对硝化污泥的电子传递体系活性抑制程度为对苯二酚>间苯二酚>邻苯二酚，对应的TTC和INT的半数效应质量浓度(EC50)分别为4.85、5.28、38.37mg/L和5.75、6.31、40.33mg/L。
污泥硝化包括氨氧化过程和亚硝酸盐氧化过程，分别由氨氧化细菌(AOB)和亚硝酸盐氧化细菌(NOB)完成。AOB利用氨单加氧酶(AMO)先将氨转化为羟胺(NH2OH)，随后NH2OH通过NH2OH氧化还原酶(HAO)催化作用被氧化为亚硝酸盐;NOB利用产生的亚硝酸盐作为电子供体，通过亚硝酸盐氧化还原酶将其氧化为硝酸盐[1-3]。
由于硝化细菌世代时间长且对环境影响较为敏感，一旦受毒性物质抑制，很难在短时间内恢复[4]。酚类化合物对脱氮工艺具有明显的抑制作用[5-6]。目前，苯酚等单元酚对硝化污泥的抑制作用已有较多研究[7-8]，但毒性更大的苯二酚等二元酚对硝化污泥的抑制作用及机理鲜有报道。本研究对对苯二酚、邻苯二酚、间苯二酚3种苯二酚的硝化污泥抑制作用及机理进行了初步探究，旨在为污泥生物脱氮工艺设计、运行和管理提供科学参考。
1、材料与方法
1.1 硝化细菌的富集
接种活性污泥为南京某污水处理厂二沉池浓缩污泥，富集培养装置为自制圆柱形有机玻璃序批式活性污泥反应器(SBR)，富集培养液组分见表1。
表1 富集培养液组成（mg/L)
培养期间SBR的温度控制为(28.0±0.5)℃，溶解氧为4～5mg/L，pH为7.5～8.5。SBR每个周期运行12h，每天运行2个周期，每个周期基本流程：进水10min、曝气10h、静置沉降90min、排水10min、闲置待机10min。培养富集运行2个月后，出水氨氮质量浓度低于1mg/L，富集成功。
1.2 硝化污泥的抑制实验
在每次实验之前，从富集硝化细菌的反应器中取出200mL污泥，用生理盐水离心清洗3次。采用4个容积为1L的锥形瓶作为间歇式反应器，用富集培养液稀释污泥至混合液悬浮固体(MLSS)质量浓度为4000～5000mg/L，添加不同浓度的苯二酚后，保持(28.0±0.5)℃恒温并曝气供氧，按一定的时间间隔取样测定氨氮、亚硝酸盐氮的浓度。分析方法：氨氮采用纳氏试剂分光光度法;亚硝酸盐氮采用N-(1-萘基)-乙二胺分光光度法;MLSS采用称重法。
1.3 氯化三苯基四氮唑(TTC)和碘硝基四氮唑(INT)的污泥电子传递体系活性测定
称量适量1，3，5-三苯基甲臢(TF)溶于无水乙醇中，使用紫外—可见光分光光度计在波长485nm处测量TF系列标准溶液吸光度，将TF浓度和吸光度进行线性回归得到TF标准曲线。称量适量甲臢(INTF)溶于甲醇中，使用紫外—可见光分光光度计在波长485nm处测量INTF系列标准溶液吸光度，将INTF浓度和吸光度进行线性回归得到INTF标准曲线。
从1.2节的间歇式反应器中取与苯二酚混合30min后的污泥4mL于10mL离心管中，加入1mLTris-HCl缓冲液(pH=8)，加入0.5mL质量分数为0.36%的亚硫酸钠溶液脱除溶解氧，避光条件下加入1mL质量分数为0.4%的TTC溶液，迅速将离心管放入恒温水浴振荡器中在37℃下振荡培养30min，加入1mL质量分数为37%的甲醛水溶液终止反应，以4000r/min的转速离心5min后，用滴管吸出上清液至离心管中剩余混合液体积为1mL，加入7mL无水乙醇作为萃取剂，摇匀后放入恒温水浴振荡器中37℃下恒温振荡1h，过0.45μm水系滤膜后在485nm波长下测定吸光度，确定TTC被还原为TF的量。TTC的污泥电子传递体系活性计算公式[9-10]如下：
INT的污泥传递体系活性测定及计算方法基本同TTC，只是无需加入0.5mL质量分数为0.36%的亚硫酸钠溶液脱除溶解氧，以1mL质量分数为0.2%的INT代替1mL质量分数为0.4%的TTC，萃取剂换成甲醇，计算时k用INTF的标准曲线斜率即可。用苯二酚的半数效应浓度(EC50)表征其对污泥电子传递体系活性的毒性，用Logistic方程(见式(2))[11-12]拟合。
2、结果与讨论
2.1 苯二酚对硝化污泥的抑制效应
2.1.1 对苯二酚对硝化污泥的抑制效应
图1 对苯二酚对硝化污泥的抑制效应
由图1(a)可见，随着对苯二酚浓度的升高氨氮降解速率减小，在反应进行9h时，对苯二酚质量浓度分别为0、10、15mg/L的反应器中氨氮去除率相差不大，但对苯二酚质量浓度为30mg/L的反应器中氨氮去除率只有58%，远小于前面3个浓度的情况。
由图1(b)可见，当对苯二酚质量浓度小于15mg/L时，亚硝酸盐氮最高积累量随对苯二酚浓度的升高而增大;但当对苯二酚质量浓度为30mg/L时，亚硝酸盐氮积累量一直处于较低水平，说明污泥硝化作用受到了抑制。对苯二酚抑制硝化污泥主要是抑制了NH2OH的氧化，导致亚硝酸盐氮积累量和回流至氨氮氧化的电子减少，间接导致氨氮氧化速率降低[13]。
2.1.2 邻苯二酚对硝化污泥的抑制效应
图2 邻苯二酚对硝化污泥的抑制效应
由图2(a)可见，随着邻苯二酚浓度的升高氨氮降解速率减小，在反应进行9h时，邻苯二酚质量浓度分别为0、10、20、40mg/L的反应器中氨氮去除率为93%、90%、92%、84%。与对苯二酚相比，邻苯二酚质量浓度为40mg/L时对氨氮氧化的抑制作用小于对苯二酚质量浓度为30mg/L时。
由图2(b)可见，随着邻苯二酚浓度的提高，亚硝酸盐氮的最高积累率不断提高且达到最高积累率的时间不断延后，说明亚硝酸盐氮氧化为硝酸盐氮的过程受到抑制。
2.1.3 间苯二酚对硝化污泥的抑制效应
图3 间苯二酚对硝化污泥的抑制效应
由图3(a)可见，随着间苯二酚浓度的升高氨氮降解速率减小，在反应进行9h时，间苯二酚质量浓度分别为0、5、10、15mg/L的反应器中氨氮去除率分93%、92%、90%、60%。
由图3(b)可见，当间苯二酚质量浓度小于5mg/L时，亚硝酸盐氮最高积累量随间苯二酚浓度升高而增大;当间苯二酚质量浓度大于5mg/L时，亚硝酸盐氮最高积累量随间苯二酚浓度的升高而减小。因此，间苯二酚抑制硝化污泥的机理与对苯二酚相似。
2.2 苯二酚对硝化污泥电子传递体系活性的影响
表2 苯二酚的TTC污泥电子传递体系活性测定结果
表3 苯二酚的INT污泥电子传递体系活性测定结果
表2和表3分别为TTC和INT的污泥电子传递体系活性测定结果。INT的污泥电子传递体系活性灵敏度比TTC略低，但两种方法测定的EC50基本一致，差异较小。3种苯二酚对硝化污泥的电子传递体系活性抑制程度为对苯二酚>间苯二酚>邻苯二酚，TTC的EC50分别为4.85、5.28、38.37mg/L，INT的EC50分别为5.75、6.31、40.33mg/L。
吴萼等[14]研究发现，苯环上的酚羟基是抑制硝化作用的主要基团。ZHANG等[15]研究发现，间位或对位上的基团对硝化作用的抑制作用较强，可能是基团位置导致电荷分布及电离常数发生变化所致。
3、结论
(1)对苯二酚和间苯二酚抑制硝化污泥的机理相同，主要是抑制了NH2OH的氧化;而邻苯二酚主要抑制亚硝酸盐氮的氧化。
(2)根据TTC和INT的污泥电子传递体系活性，3种苯二酚对硝化污泥的电子传递体系活性抑制程度为对苯二酚>间苯二酚>邻苯二酚，两者的EC50分别为4.85、5.28、38.37mg/L和5.75、6.31、40.33mg/L。