李姍姍,王浩業(yè),閆多森,郭晴雯

(青島農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院,山東 青島 266109)

近年來,我國沿海城市為緩解解水資源匱乏的局面,如直接利用海水沖廁[1]。海鹽隨沖廁水流入城市生活污水處理系統(tǒng),鹽度升高給生活污水的生物處理帶來了困難。并且,我國大部分地區(qū)冬季氣溫較低,這使微生物脫氮處理效果進(jìn)一步下降。因此,探究低溫下鹽度對污水生物處理系統(tǒng)性能的影響尤為重要。

序批式生物膜反應(yīng)器(sequencing batch biofilm reactor,SBBR)是有效的生物處理新技術(shù),具有序批式活性污泥法(sequencing batch reactor activated sludge process,SBR)與生物膜處理污水雙重優(yōu)點,對有機物和氮的去除性能優(yōu)于SBR[2-3],且?guī)в泻线m填料的SBBR系統(tǒng)有更好的生物處理效果[4]。如今,許多學(xué)者研究了常溫下鹽度對SBBR脫氮性能的影響。鹽度會抑制SBBR硝化反硝化過程,且當(dāng)鹽度升高時,SBBR中氨氮的分解速率會下降,微生物的呼吸速率加快,更多的氧氣會被用來抵擋不利的環(huán)境而不是物質(zhì)的降解,細(xì)胞內(nèi)鹽分的積累減少了氧的利用率[5-9];并且鹽度升高導(dǎo)致微生物發(fā)生質(zhì)壁分離,破壞細(xì)胞膜和酶系統(tǒng),使微生物的脫氮性能下降。同時,鹽度也能影響微生物分泌胞外聚合物(extracellular polymeric substances,EPS)的含量和組分,使污泥疏水性下降,生物絮凝能力降低,進(jìn)而影響微生物脫氮性能[10-12]。此外,溫度也是影響微生物活性的重要因素。研究表明:低溫下脫氮微生物優(yōu)勢菌的活性受到抑制,菌體體內(nèi)細(xì)胞質(zhì)的流動性會減弱,從而使物質(zhì)傳輸、物質(zhì)氧化等代謝過程受到抑制,干擾生物系統(tǒng)的氮素轉(zhuǎn)換過程及脫氮行為[13-14]。目前關(guān)于低溫條件下鹽度對SBBR脫氮性能及EPS的影響還有待進(jìn)一步研究。

本工作以SBBR為污水生物處理系統(tǒng),研究了低溫下鹽度對多毛型片狀組合填料SBBR脫氮性能、脫氮速率、生物毒性和胞外聚合物的影響,以期為低溫下SBBR處理含鹽生活污水提供可靠的理論依據(jù)。

1 實驗部分

1.1 實驗材料與儀器

活性污泥,城陽污水處理廠的二沉池;無水醋酸鈉(CH3COONa),碳酸氫鈉(Na HCO3),氯化銨(NH4Cl),磷酸二氫鉀(KH2PO4),國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司;海水晶,江西鹽通科技有限公司。

SBBR反應(yīng)器,有效容積為2.0 L,高和內(nèi)徑分別為25 c m和11 c m,有機玻璃制成,換水比為1/2;磁力攪拌器,MS-S標(biāo)準(zhǔn)型磁力攪拌器,大龍興創(chuàng)儀器(北京)股份公司;繼電器,GND-1型,公牛集團(tuán)股份有限公司;計量補液泵,2DS-2PU2型,上海新西山實業(yè)有限公司;曝氣泵,SB-988型,中山市松寶電器有限公司;多毛型片狀填料,直徑為7.5 c m;智能空調(diào),KFR-50L W/08 GAC13型,海爾智家股份有限公司;移液槍,北京海天友誠科技有限公司;溫濕度計,9013型,得力集團(tuán)有限公司;活性氧檢測試劑盒,乳酸脫氫酶細(xì)胞毒性檢測試劑盒,碧云天生物技術(shù)有限公司;紫外可見分光光度計,759S20012型,上海凌光技術(shù)有限公司;臺式高速冷凍離心機,H2-16 KR型,湖南可成儀器設(shè)備有限公司;多功能智能消解儀,GL-25型,山東格林凱瑞精密儀器有限公司;便攜式溶解氧儀,HACH HQ40d型,浙江賽德儀器設(shè)備有限公司。

1.2 實驗步驟

1.2.1 實驗裝置

多毛型片狀組合填料SBBR裝置如圖1所示。通過繼電器和計量補液泵控制裝置進(jìn)出水。反應(yīng)器底部兩側(cè)的砂芯曝氣頭通過曝氣泵曝氣,并在底部用磁力攪拌器攪拌。反應(yīng)器中間固定4個直徑為7.5 c m的多毛型片狀填料。智能空調(diào)控制實驗溫度為15℃。

1.2.2 掛膜和啟動

本實驗接種的污泥來自城陽污水處理廠的二沉池,在不含鹽的環(huán)境中進(jìn)行馴化,馴化時間為一個月,使其具有穩(wěn)定的去除有機物、氨氮的能力。利用模擬廢水在SBBR反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行掛膜。先將活性污泥加入到反應(yīng)器內(nèi),曝氣12 h,靜置1 h,排出上清液和懸浮污泥,反復(fù)3次。此后按曝氣10 h,靜置1.5 h,排水、進(jìn)水0.5 h的方式進(jìn)行實驗。觀察反應(yīng)器內(nèi)填料的掛膜情況。用刀片刮下填料上的生物膜,將含有生物膜的溶液用濾膜過濾,在烘箱內(nèi)烘干,烘干至恒重,兩次質(zhì)量差即為生物膜量。約15 d后填料上的生物膜量開始穩(wěn)定,可以視為掛膜成功。

圖1 多毛型片狀組合填料SBBR裝置圖Fig.1 Schematic diagram of hairy type sheet composite packing SBBR

SBBR每天運行3個周期,每個周期8 h(進(jìn)水階段5 min,曝氣階段270 min,攪拌階段150 min,沉淀階段30 min,出水階段5 min,閑置階段20 min)。控制溶解氧濃度在好氧階段高于2.0 mg·L－1,缺氧階段低于0.5 mg·L－1。本實驗采用逐漸增加鹽度的方法對污泥進(jìn)行馴化,按0.5%的濃度梯度依次提高鹽度。每一鹽度下馴化時間為15 d。同時,在實驗連續(xù)運行期間對反應(yīng)器進(jìn)出水水質(zhì)進(jìn)行跟蹤分析。

人工配制污水組成:化學(xué)需氧量COD和NH＋4-N的濃度分別為400 mg·L－1和30 mg·L－1,CH3COONa:513 mg·L－1,Na HCO3:120 mg·L－1,NH4Cl:114 mg·L－1,KH2PO4:26 mg·L－1,海水晶按要求添加,1 kg淡水加1.2 g海水晶鹽度提高1度。

1.3 分析方法

1.3.1 常規(guī)水質(zhì)分析方法

COD、NH＋4-N、NO-3-N、NO-2-N和混合液污泥濃度(mixed liquid suspended solids,簡稱MLSS)均采用《水和廢水監(jiān)測分析方法》(第4版)[15]國家標(biāo)準(zhǔn)方法測定。采用便攜式溶氧儀測定溶解氧濃度(DO)。

1.3.2 生物膜比耗氧速率和脫氮速率測定

根據(jù)文獻(xiàn)[16]方法,測定生物膜比耗氧速率(SOUR)、比氨氧化速率(SAOR)、比亞硝酸鹽氧化速率(SNOR)、比硝酸鹽還原速率(SNRR)和比硝酸鹽還原速率(SNIRR)。

1.3.3 活性氧和乳酸脫氫酶的測定

活性氧(ROS)和乳酸脫氫酶(LDH)分別通過活性氧檢測試劑盒和乳酸脫氫酶細(xì)胞毒性檢測試劑盒測定。

1.3.4 胞外聚合物的提取和測定

EPS在細(xì)胞外的分布呈現(xiàn)為具有流變性的雙層結(jié)構(gòu),內(nèi)層緊密型EPS(TB-EPS),外層松散型EPS(LB-EPS)。對EPS采用熱提取法。在攪拌階段,取反應(yīng)器污泥懸浮液40 mL,將其在4℃、4 000 g條件下離心15 min,棄去上清液,得到濃縮的活性污泥樣品;向活性污泥樣品中加入70℃的0.05%的NaCl溶液稀釋至40 mL,并快速震蕩1 min,然后在4℃,4 000 g條件下離心15 min,收集的上清液經(jīng)過0.45μm醋酸纖維素膜過濾后,得到LBEPS;再用60℃的0.05%的Na Cl溶液將原溶液稀釋至40 mL,并快速震蕩1 min,置于60℃水浴30 min,然后在4℃,4 000 g條件下離心15 min,收集上清液,并用0.45μm醋酸纖維素膜過濾,即為TBEPS。蛋白質(zhì)(PN)采用Folin-酚法測定[17],多糖(PS)采用蒽酮比色法測定[18]。

2 結(jié)果與討論

2.1 低溫下鹽度對SBBR脫氮性能的影響

圖2為低溫(15℃)下鹽度變化對SBBR脫氮性能的影響。當(dāng)進(jìn)水的鹽度為0%時,SBBR對污水中COD和NH＋4-N的平均去除率分別為90.58%±0.10%和98.55%±2.62%。當(dāng)進(jìn)水鹽度0.5%時,在第15～25 d,COD和NH＋4-N去除率顯著下降,這是由于鹽度抑制了微生物發(fā)揮作用[19-20]。隨后反應(yīng)器出水COD和NH＋4-N去除率穩(wěn)定90.19%和98.37%,這是由于馴化后微生物適應(yīng)了鹽度變化[21]。當(dāng)進(jìn)水鹽度為1%時,COD和NH＋4-N出水平均去除率分別為87.13%±4.21%和85.39%±9.28%,與鹽度為0%相比分別降低了3.45%和13.16%。出水NO－2-N濃度由鹽度為0%時的(0.02±0.02)mg·L－1升高到鹽度為1.0%時的(3.56±1.42)mg·L－1,原因可能是硝化細(xì)菌比亞硝化細(xì)菌對鹽更敏感,在鹽度增加時,硝化細(xì)菌功能被完全抑制[22],導(dǎo)致NO－2-N向NO－3-N轉(zhuǎn)化過程受到影響,此外,也有可能是因為硝化細(xì)菌對溫度異常敏感有關(guān)。出水NO－3-N濃度在第一個鹽度改變點時下降明顯,這與系統(tǒng)中出現(xiàn)的耐鹽反硝化細(xì)菌有關(guān),反硝化細(xì)菌的耐鹽性比硝化細(xì)菌更強[19],從而使NO－3-N快速轉(zhuǎn)化為N2;但隨著鹽度的增加,NO－3-N濃度在0.21～2.14 mg·L－1范圍內(nèi)變化。

圖2 低溫下鹽度變化對SBBR性能的影響Fig.2 Effect of salinity on t he perfor mance of SBBR at lo w temperat ure

2.2 低溫下鹽度對SBBR周期內(nèi)COD和氮濃度的影響

圖3為低溫條件下,鹽度對運行周期COD、NH＋4-N、NO－2-N和NO－3-N在SBBR濃度的影響。周期共運行8 h,包括7個階段。SBBR在Ⅱ階段,進(jìn)行反硝化過程,NO－3-N在硝酸鹽還原菌的作用下被硝化還原為NO－2-N,在亞硝酸鹽還原菌的作用下進(jìn)一步被硝化還原成N2,從而促使NO－3-N和NO－2-N濃度下降。在反硝化過程中,反硝化的細(xì)菌可以利用各類有機底物(NO－3作為電子受體)來維持正常的新陳代謝,從而使促使COD的濃度大大減少。NH＋4-N濃度在此階段基本不發(fā)生變化。在Ⅲ階段,主要是進(jìn)行硝化,通過亞硝化細(xì)菌和硝化細(xì)菌的作用,使得NH＋4-N被氧化為NO－2-N和NO－3-N,且從圖3(c)和圖3(d)看出,亞硝化細(xì)菌比硝化細(xì)菌具有更強的耐鹽性,硝化細(xì)菌受鹽度的影響較大。當(dāng)進(jìn)入水中的鹽度逐漸增大至1.0%時,其出水的NO－3-N濃度大致在1.46 mg·L－1上下;而當(dāng)其低于鹽度0%時NO－3-N的出水濃度約為4.16 mg·L－1。這主要因為在此條件下,硝化過程中的NO－2-N的氧化作用被抑制,導(dǎo)致硝化過程末期結(jié)束時NO－3-N生成量大大減少,從而直接導(dǎo)致了出水的NO－3-N濃度降低。COD的濃度在第240 min基本達(dá)到了穩(wěn)定,在Ⅳ階段,COD的濃度略微有所下降,出水時COD的濃度與鹽度分別在0%和1.0%的情況下基本相同,表明在此間的鹽度區(qū)域內(nèi),鹽度的變化和增加未必會直接影響SBBR對COD的消耗和去除作用。由圖3(b)可知,不同鹽度下SBBR內(nèi)NH＋4-N的濃度都在360 min時已經(jīng)達(dá)到了穩(wěn)定的狀態(tài),說明鹽度的上升并沒有顯著地抑制SBBR對NH＋4-N的去除作用。在Ⅳ階段末期,NO－2-N的濃度由鹽度為0%時的0.36 mg·L－1上升到鹽度升高至1.0%時的3.71 mg·L－1,出水后NO－2-N的濃度顯著升高,說明在此鹽度范圍內(nèi)NO－2-N的氧化作用受到抑制。

圖3 低溫下鹽度變化對SBBR周期內(nèi)COD、NH+4-N、NO-2-N和NO-3-N濃度變化的影響Fig.3 Effect of salinity on the variation of COD,NH＋4-N,NO－2-N and NO－3-N concentration during one cycle at low temperature

2.3 低溫下鹽度對生物膜SOUR及SBBR脫氮速率的影響

圖4表示低溫下鹽度變化對生物膜SOUR及SBBR脫氮速率的影響。SOUR是評價微生物新陳代謝活性的一項重要指標(biāo)[16],以1 g活性污泥1 h內(nèi)消耗的溶解氧質(zhì)量(mg)來表征。當(dāng)進(jìn)水鹽度由0%增加到1.0%時,SOUR由(30.80±3.06)mg·(g·h)－1逐漸降低至(25.29±2.04)mg·(g·h)－1,且與進(jìn)水鹽度為0%時相比進(jìn)水鹽度為1.0%時的SOUR下降了17.89%,這是因為鹽度的增加阻礙了微生物的正常繁衍,微生物的數(shù)量減少,使SOUR隨鹽度的升高而下降,并且微生物種群的變化也可能造成SOUR下降[16]。以1 g活性污泥內(nèi)1 h內(nèi)氧化的NO＋4-N質(zhì)量(mg)、氧化的NO－2-N質(zhì)量(mg)、還原的NO－2-N質(zhì)量(mg)、還原的NO－3-N質(zhì)量(mg)分別表征SAOR、SNOR、SNIRR、SNRR。如圖4(b),當(dāng)污水中的鹽度從0%逐漸地增加到1.0%時,SAOR由4.91 mg·(g·h)－1逐漸地減少至3.92 mg·(g·h)－1;SNOR從5.98 mg·(g·h)－1逐漸減少到4.71 mg·(g·h)－1。與鹽度為0%時相比,進(jìn)水鹽度為1.0%時,SOUR和SNOR分別降了20.09%和21.27%,這說明進(jìn)水鹽度的增加阻礙了硝化細(xì)菌的正常生長繁殖,相比氨氧化細(xì)菌來講,亞硝酸鹽氧化細(xì)菌受到更明顯的抑制。當(dāng)進(jìn)水的鹽度分別為0.5%、1.0%時,SNRR與鹽度為0%時分別降低了10.73%和19.01%,說明鹽分對硝酸鹽還原細(xì)菌的抑制作用隨著其濃度的升高而增強。進(jìn)水鹽度由0%增加到0.5%時,SNIRR從11.30 mg·(g·h)－1降低至9.87 mg·(g·h)－1,說明鹽度對SNIRR的抑制效應(yīng)很小,這也證實了在SBBR工作周期中,亞硝化細(xì)菌較硝化細(xì)菌具有較強的耐鹽性。當(dāng)進(jìn)水鹽度為1.0%時,SNIRR減少到9.29 mg·(g·h)－1,說明低溫下鹽度的升高影響到了亞硝酸鹽還原細(xì)菌,具體表現(xiàn)為對其的抑制作用,這也是導(dǎo)致NO－2-N積累的原因。

2.4 低溫下鹽度對SBBR生物膜的毒性

圖5為低溫下鹽度對SBBR反應(yīng)器中ROS生成量和LDH釋放量的影響。

圖4 低溫下鹽度變化對SOUR和脫氮速率的影響Fig.4 Effect of salinity on t he SOUR and nitrogen removal rates at low temperature

圖5 低溫下鹽度對ROS生成量和LDH釋放量的影響Fig.5 Effect of salinity on the production of ROS and the release of LDH at low temperature

ROS生成量和LDH釋放量分別是評價生物細(xì)胞氧化應(yīng)激程度水平以及評價生物細(xì)胞功能完整度的一個重要指標(biāo)。在外部環(huán)境的刺激下,細(xì)胞ROS的產(chǎn)生可能會逐漸增加,ROS可能會通過與DNA和蛋白質(zhì)的直接或間接相互作用對生物細(xì)胞器官造成一定的氧化和損傷;但是當(dāng)生物細(xì)胞膜的完整性嚴(yán)重受損時,釋放出來的LDH就會逐漸增加,因此可以通過測定其所產(chǎn)生的ROS量和所釋放出來的LDH量的方法來準(zhǔn)確評估鹽度變化對于生物膜的毒性[23-24]。如圖5所示,進(jìn)水鹽度為0.5%和1.0%時與鹽度為0%時相比,ROS生成量分別增加了20.04%和46.16%。鹽度的增加會增加ROS的產(chǎn)生,說明鹽度可以打破細(xì)胞內(nèi)氧化過程和抗氧化過程的平衡,從而對微生物生物膜造成氧化性損傷[25]。同樣,LDH的釋放量隨著鹽度的增加而增加,當(dāng)進(jìn)水鹽度為1.0%時與鹽度為0%時相比,LDH釋放量增加了54.31%,說明鹽度的增加對細(xì)胞膜產(chǎn)生了嚴(yán)重的損傷?？梢?鹽度的增加影響了ROS生成量和LDH的釋放量,使SBBR生物膜微生物受到的毒性效應(yīng)增強。

2.5 低溫下鹽度對胞外聚合物的影響

圖6為低溫下鹽度對SBBR反應(yīng)器中EPS、LB-EPS和TB-EPS含量的影響。在進(jìn)水鹽度為0%時SBBR活性污泥中EPS、LB-EPS和TB-EPS含量分別為44.20、9.71、34.49 mg·g－1。當(dāng)SBBR中鹽度升高為0.5%時,EPS、LB-EPS和TBEPS的含量與鹽度為0%時相比無明顯變化;隨著系統(tǒng)運行時間的延長,生物膜活性污泥中EPS、LBEPS和TB-EPS含量分別增加至62.79、13.59和47.03 mg·g－1,與鹽度為0%時相比,分別增加了42.06%、40.01%和36.34%。實驗表明,鹽度的增加,會促進(jìn)SBBR生物膜產(chǎn)生更多的EPS、LB-EPS和TB-EPS。鹽度能夠改變微生物的新陳代謝[26],微生物通過分泌更多的EPS減少鹽度對其自身的毒性。同時,EPS也可以增強生物膜的吸附再生能力,促進(jìn)生物膜對陽離子的吸附[27]。但是,由于鹽度的增大,微生物會分泌大量的EPS,過多的EPS會給生物膜帶來污染,且有大量研究表明EPS是生物膜的主要污染物。大量的EPS使生物膜增厚,其內(nèi)部微生物正常的呼吸作用受到抑制,從而影響比耗氧速率,進(jìn)而對微生物的硝化過程產(chǎn)生影響,使脫氮性能和速率下降。

圖6 低溫下鹽度對EPS、LB-EPS和TB-EPS含量的影響Fig.6 Effect of salinity on the concent of EPS,LB-EPS and TB-EPS at low temperature

圖7為低溫下,SBBR反應(yīng)器中污泥LB-EPS和TB-EPS中PN和PS含量變化。在進(jìn)水鹽度為0%時,LB-EPS和TB-EPS中PN的含量分別為(7.06±0.66)mg·g－1和(23.90±1.06)mg·g－1,SBBR進(jìn)水中加入鹽后,當(dāng)鹽度為0.5%時,二者中PN的含量與鹽度為0%時相比無明顯變化;隨鹽度的繼續(xù)增加PN含量逐漸上升,當(dāng)鹽度達(dá)到1.0%時,LB-EPS和TB-EPS中PN的含量與鹽度為0%時相比分別上升了37.35%和39.31%。在鹽度為0%時,LB-EPS和TB-EPS中PS的含量分別為(2.37±0.41)mg·g－1和(9.67±0.64)mg·g－1,隨著鹽度的增加LB-EPS和TB-EPS中PS的含量略微升高。SBBR中添加鹽后,LB-EPS和TB-EPS中PN/PS分別由鹽度為0%時的2.98和2.47 mg·g－1升高至鹽度為1.0%時的3.30和2.75 mg·g－1。從結(jié)果可以看出,鹽度可以促進(jìn)生物膜活性污泥分泌更多的蛋白質(zhì)和多糖,且蛋白質(zhì)的增量高于多糖的增量,這可能是因為鹽度增加導(dǎo)致細(xì)胞外滲透壓增加所致。微生物為了維持正常的新陳代謝,會分泌大量的酶,調(diào)節(jié)自身生理代謝產(chǎn)物。此外,不能適應(yīng)環(huán)境中鹽分增加的微生物的解體,并分泌出微生物中的蛋白質(zhì)、多糖等大分子物質(zhì)[26],這也會導(dǎo)致EPS中PN和PS含量增加。

圖7 低溫不同鹽度下LB-EPS和TB-EPS中PN和PS的變化Fig.7 Effect of salinity on the concent of PN and PS and PN/PSin LB-EPS and TB-EPS at low te mperature

3 結(jié) 論

1)在低溫狀態(tài)下(15℃),當(dāng)鹽度為1.0%時,出水COD與NH＋4-N平均去除率分別比鹽度為0%時降低了3.45%和13.16%。在鹽度由0%增加至1.0%的過程中,出水NO－2-N濃度增大,而出水的NO－3-N濃度減小;生物膜的SOUR、SAOR、SNOR、SNRR和SNIRR逐漸降低,表明低溫下鹽度增加會導(dǎo)致系統(tǒng)比耗氧速率和脫氮速率下降。

2)與鹽度為0%時相比,ROS生成量和LDH釋放量升高,說明低溫下鹽度對生物膜具有一定的損傷。

3)低溫下隨著鹽度的增加,系統(tǒng)污泥中EPS、LB-EPS、TB-EPS及LB-EPS、TB-EPS中的PN和PS的含量均升高。