朱彥輝， 朱易春*， 劉祖文， 田帥， 李鑫

（江西理工大學(xué)，a.江西省環(huán)境巖土與工程災(zāi)害控制重點實驗室；b. 贛州市流域污染模擬與控制重點實驗室，江西 贛州 341000）

隨著能源危機加劇，厭氧生物處理技術(shù)因具有節(jié)約能耗、污泥產(chǎn)率低、CO2排放量小、能量可回收等優(yōu)勢而受到廣泛關(guān)注[1-2]。在污水厭氧生物處理過程中，產(chǎn)甲烷菌世代時間長、生存條件苛刻及對環(huán)境變化敏感等問題影響了反應(yīng)器運行穩(wěn)定性以及污水處理效果。此外，重金屬也是影響厭氧生物處理效果的重要因素之一。Cu（Ⅱ）是污廢水中較常見的重金屬，是厭氧反應(yīng)過程產(chǎn)甲烷菌中氫化酶、乙酰輔酶A合成酶、超氧化物歧化酶等的重要組成元素[3-6]，但是，過量的Cu（Ⅱ）會抑制厭氧微生物菌群活性，造成出水水質(zhì)變差。因此，提高厭氧微生物對Cu（Ⅱ）的抑制閾值是確保污水厭氧生物處理過程穩(wěn)定且高效運行的關(guān)鍵。

超聲波是一種頻率高于20 kHz的彈性機械波，超聲波在氣體或液體介質(zhì)中主要以縱波的形式傳播，通常將聲強小于10 W/cm2的超聲波稱為低強度超聲波[7]。研究表明，低強度超聲波能促進厭氧污泥活性，其主要作用是弱穩(wěn)態(tài)空化和機械作用，同時產(chǎn)生解耦聯(lián)代謝作用，導(dǎo)致污泥量減少[8]。XIE等[9]研究發(fā)現(xiàn)低強度超聲波可以通過增強厭氧污泥活性提高污水厭氧處理效果，超聲組出水COD較對照組降低30%。ZHU等[10]也發(fā)現(xiàn)低強度超聲波可以顯著提高厭氧污泥活性，厭氧污泥輔酶F420和脫氫酶含量分別增加了59.8%和192.3%，COD去除率達到87.3%。此外，低強度超聲輻照過程產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)空化效應(yīng)與能量轉(zhuǎn)化可以導(dǎo)致混合液環(huán)境發(fā)生變化，對污泥的粒徑、胞外聚合物（EPS）、沉降性能均產(chǎn)生相應(yīng)影響，細胞結(jié)構(gòu)和酶活性也會發(fā)生改變，從而對重金屬離子的形態(tài)和毒性產(chǎn)生關(guān)聯(lián)影響[11-13]。

基于此，為了提升厭氧污泥對Cu（Ⅱ）的極限濃度，本研究采用批次試驗，設(shè)置超聲組與對照組反應(yīng)器，在不同進水Cu（Ⅱ）濃度下考察低強度超聲波對厭氧污泥的強化效果，并通過對兩組反應(yīng)器污泥酶活性（DHA）、污泥EPS、出水揮發(fā)性脂肪酸（VFA）及污泥生物量（VSS/TSS）等因素進行分析，探究低強度超聲波提升厭氧污泥對Cu（Ⅱ）耐受性的作用規(guī)律，以期為低強度超聲波應(yīng)用于厭氧生物處理含重金屬Cu（Ⅱ）污水提供新的思路。

1 實驗部分

1.1 進水水質(zhì)和接種污泥

采用人工配制污水，以葡萄糖為碳源，氯化銨為氮源，磷酸二氫鉀為磷源，反應(yīng)器進水所需C、N、P的質(zhì)量比為200∶5∶1，通過投加NaHCO3調(diào)節(jié)堿度，反應(yīng)器進水有機物濃度約為900 mg/L，Cu（Ⅱ）以CuSO4·5H2O形式按需投加。厭氧污泥取自本研究組穩(wěn)定運行的超聲組與對照組ABR反應(yīng)器，超聲組超聲參數(shù)為頻率20 kHz、聲能密度0.1 W/mL、輻照時間10 min、輻照周期24 h，輻照污泥比例10%[11]。污泥總懸浮物（TSS）濃度為13.54 g/L，揮發(fā)性懸浮物（VSS）濃度為7.72 g/L，VSS/TSS =0.57，初始污泥沉降性能（SV30） = 53%，污泥pH ≈7.0，污泥顏色為黑褐色，低強度超聲波馴化穩(wěn)定后進行Cu（Ⅱ）耐受性實驗。

1.2 實驗方法

分別從兩組運行穩(wěn)定的ABR中取出等量污泥，用0.1 mol/L NaCl溶液洗滌3次，均分成6份裝入12個500 mL血清瓶（有效體積400 mL）中，分別對應(yīng)添加Cu（Ⅱ）濃度0、1、10、25、50、100 mg/L，血清瓶編號依次為1、2、3、4、5、6。以探究低強度超聲波提升厭氧污泥對重金屬Cu（Ⅱ）的極限濃度的調(diào)控效果。其中，污泥體積150 mL，每天換水250 mL，然后將血清瓶置于（35 ± 1） ℃和120 r/min的恒溫水浴搖床中培養(yǎng)，保持進水COD濃度900 mg/L左右，進行重金屬Cu（Ⅱ）沖擊24 h，恢復(fù)96 h，每24 h取樣測定進出水COD濃度，沖擊24 h后測定污泥DHA活性，實驗結(jié)束時測定污泥VSS、TSS、EPS含量，以及出水VFA組分與含量等。

1.3 測試方法

COD測定參照《水和廢水監(jiān)測分析方法》（第四版）的快速密閉催化消解法測定[14]；TSS、VSS采用重量法測定；EPS采用熱提取法[15]測定；脫氫酶的提取與活性測定采用氯化三苯基四氮唑分光光度法[16]；VFA采用Agilent 7890B配有氫火焰離子檢測器（FID）和Agilent DB-FFAP毛細管柱氣相色譜儀測定。

1.4 數(shù)據(jù)分析

1.4.1 污泥基質(zhì)降解速率

將反應(yīng)底物葡萄糖換算成當量化學(xué)需氧量（CODequ），并選取底物轉(zhuǎn)化降解歷時曲線的線性部分計算污泥最大基質(zhì)轉(zhuǎn)換速率（vCOD）[17]。

式（1）中：CODequ表示當量化學(xué)需氧量的數(shù)值，單位mg/L；x、y、z分別代表底物分子式CxHyOz；ΔS代表底物降解曲線線性部分底物濃度差的數(shù)值，單位mg/L。

式（2）中：V表示反應(yīng)器有效容積；T1與T2分別代表底物降解曲線起止時間；X表示反應(yīng)體系厭氧生物量，以VSS含量計。

1.4.2 金屬離子IC50

金屬離子IC50即污泥降解速率為最大比降解速率50%時添加金屬離子濃度。

式（3）和式（4）中：vCODi表示超聲組vCOD，vCOD0代表對照組vCOD。當IP= 50%時，對應(yīng)的添加金屬離子濃度即為IC50。

2 結(jié)果與討論

2.1 低強度超聲波對污泥基質(zhì)降解速率（vCOD）的影響

為考察不同進水Cu（Ⅱ）濃度下低強度超聲波對污泥vCOD的影響與恢復(fù)性能，開展重金屬Cu（Ⅱ）沖擊24 h，恢復(fù)96 h實驗，研究結(jié)果如圖1所示。

圖1 不同進水Cu（Ⅱ）濃度下低強度超聲波對污泥基質(zhì)降解速率（vCOD）影響: （a） 對照組；（b） 超聲組Fig.1 Effect of low intensity ultrasound on degradation rate of sludge matrix at different influent Cu（Ⅱ） concentrations:（a） control group; （b） ultrasound group

由圖1可知，無論是超聲組,還是對照組，添加1 mg/L Cu（Ⅱ）時vCOD均有所提高，當進水Cu（Ⅱ）濃度達到10 mg/L時，Cu（Ⅱ）對厭氧污泥降解有機物產(chǎn)生輕微抑制，但反應(yīng)24 h后，超聲組vCOD為2.24 mg CODequ/（g VSS·h），仍然高于對照組不添加Cu（Ⅱ）時的2.17 mg CODequ/（g VSS·h）。當Cu（Ⅱ）濃度達到25 mg/L時，重金屬Cu（Ⅱ）對厭氧污泥活性產(chǎn)生明顯抑制，反應(yīng)24 h后，超聲組vCOD下降了12.94%，而對照組vCOD下降了15.08%；停止添加Cu（Ⅱ） 96 h后，兩組血清瓶vCOD基本都能得到恢復(fù)。當Cu（Ⅱ）濃度上升至50 mg/L時，污泥活性受到較嚴重抑制，反應(yīng)24 h后超聲組vCOD下降了30.8%，對照組vCOD下降了32.89%；停止添加Cu（Ⅱ） 96 h后，超聲組vCOD恢復(fù)到86.96%，對照組vCOD恢復(fù)到84.64%。當Cu（Ⅱ）濃度上升至100 mg/L時，污泥活性受到嚴重抑制，反應(yīng)24 h后，對照組與超聲組vCOD分別下降了53.87%和53.18%。由此可知，低強度超聲波可以提高厭氧污泥的vCOD，但促進效果隨著添加Cu（Ⅱ）濃度上升而逐漸減弱。這主要是由于Cu（Ⅱ）濃度越高，對厭氧污泥活性抑制越顯著，從而削弱了低強度超聲波的促進作用。

2.2 低強度超聲波對污泥DHA活性的影響

DHA在厭氧生物反應(yīng)過程中與細胞的氧化磷酸化過程緊密相連，是評估厭氧微生物活性與微生物量的一個重要指標[18]。為探究不同進水Cu（Ⅱ）濃度下低強度超聲波對污泥DHA活性的影響，在進行沖擊實驗24 h后對12個血清瓶污泥取樣并測定，研究結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同進水Cu（Ⅱ）濃度下低強度超聲波對DHA活性影響Fig.2 Effect of low intensity ultrasound on DHA activity at different influent Cu（Ⅱ） concentrations

由圖2可見，添加Cu（Ⅱ）濃度分別為0、1、10、25、50、100 mg/L時，超聲組DHA活性相比對照組分別提高了32.5%、36.31%、30.87%、26.65%、16.00%、3.95%。這可能是由于超聲增加了細胞通透性，進而增強了胞內(nèi)外物質(zhì)的傳遞，提高了酶與反應(yīng)底物的接觸頻率[19]。酶活性的增加也可能是為了抵抗超聲刺激而做出的細胞反應(yīng)，這主要是由于低強度超聲波產(chǎn)生的空化效應(yīng)會對細胞造成輕微損傷，細胞在超聲刺激下分泌更多的酶，可進行自我修復(fù)，從而增強微生物活性[20]。此外，也有研究認為低強度超聲波可以改變酶分子的構(gòu)象，使其結(jié)構(gòu)更加合理，從而提高酶活性[21]。添加1 mg/L Cu（Ⅱ）時，兩組血清瓶中污泥DHA活性均有所提高；當Cu（Ⅱ）濃度達到10 mg/L時，Cu（Ⅱ）對污泥DHA活性產(chǎn)生輕微抑制；繼續(xù)增加Cu（Ⅱ）濃度，污泥DHA活性受到的抑制逐漸增強，并且低強度超聲波對DHA活性的促進效果隨著Cu（Ⅱ）濃度的升高而逐漸減弱，這是由于低強度超聲波對DHA活性的促進效果不足以抵消過高濃度Cu（Ⅱ）對污泥的毒害作用，說明低強度超聲波對Cu（Ⅱ）耐受性提升有一定的濃度范圍。但是，超聲組DHA活性均高于對照組，這說明低強度超聲波可以增強反應(yīng)器對重金屬Cu（Ⅱ）的耐受性。

2. 3 低強度超聲波對污泥EPS含量影響

EPS是污泥微生物重要的組成成分，EPS的變化對污泥抵御外界風(fēng)險能力具有重大影響[22-24]。EPS是由微生物代謝、裂解以及吸附的顆粒物質(zhì)產(chǎn)生的高分子聚合物，其包裹在細胞壁外，可以極大地保護菌體免受重金屬的毒害作用，重金屬離子隨水進入反應(yīng)器后，累積至一定量后必會改變污泥性質(zhì)，進而影響污泥EPS含量[25]。為探究低強度超聲波強化厭氧污泥抗Cu（Ⅱ）沖擊的作用機制，在進行Cu（Ⅱ）沖擊恢復(fù)階段，對12個血清瓶中污泥EPS量進行檢測分析，結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同進水Cu（Ⅱ）濃度下低強度超聲波對EPS含量影響Fig.3 Effect of low intensity ultrasound on EPS content at different influent Cu（Ⅱ） concentrations

由圖3可見，Cu（Ⅱ）濃度在1 mg/L時，兩組反應(yīng)器EPS含量均有所增加，前面研究也表明1 mg/L Cu（Ⅱ）對污泥并未產(chǎn)生毒性，反而促進了厭氧反應(yīng)過程的vCOD。當Cu（Ⅱ）濃度分別為10、25、50、100 mg/L時，超聲組EPS比對照組分別增加了6.10%、9.51%、10.67%、7.24%。當Cu（Ⅱ）濃度為10～50 mg/L時，超聲對污泥分泌EPS的促進作用隨著進水Cu（Ⅱ）濃度增加而增大；當Cu（Ⅱ）濃度大于50 mg/L時，Cu（Ⅱ）嚴重抑制了污泥活性，超聲波的促進作用開始減弱。污泥在應(yīng)對Cu（Ⅱ）沖擊時，污泥胞外聚合物表面的官能基團能夠為金屬Cu（Ⅱ）提供吸附位點，從而降低重金屬離子對污泥微生物的生物毒性。低強度超聲波能夠促進污泥分泌更多的EPS，增強污泥對重金屬Cu（Ⅱ）的耐受性，強化反應(yīng)器重金屬對Cu（Ⅱ）沖擊的抵抗力，提高運行穩(wěn)定性。

2. 4 低強度超聲波對污泥VFA含量與組分的影響

VFA主要包括乙酸、丙酸、正丁酸、異丁酸、正戊酸、異戊酸等，是厭氧消化過程中重要的中間產(chǎn)物，是有機物質(zhì)在厭氧水解酸化階段的主要產(chǎn)物[26]。監(jiān)測VFA含量可以反映有機物質(zhì)的水解酸化過程[27]。為探究低強度超聲波在不同進水Cu（Ⅱ）濃度下對反應(yīng)器出水VFA含量與組分的影響，在進行重金屬Cu（Ⅱ）沖擊恢復(fù)階段，對12個血清瓶中污泥VFA含量與組分進行檢測分析，如表1所列。

表1 不同進水Cu（Ⅱ）濃度下低強度超聲波對VFA組分與含量的影響Table 1 Effect of low intensity ultrasound on VFA composition and content at different influent Cu（Ⅱ） concentrations

研究結(jié)果表明，低強度超聲波輻照與添加金屬Cu（Ⅱ）均會促進厭氧反應(yīng)體系中VFA含量升高，并且隨著添加Cu（Ⅱ）濃度增加，反應(yīng)體系中累積的VFA總量也逐漸增大。反應(yīng)體系中VFA以乙酸和丙酸為主，添加Cu（Ⅱ）濃度為0、1、10、25、50、100 mg/L時，超聲組VFA比對照組分別增加了211.34%、206.09%、175.47%、161.85%、130.20%、106.95%。相比未添加Cu（Ⅱ），當Cu（Ⅱ）濃度為1 mg/L時，超聲組與對照組VFA總濃度僅略微升高；隨著Cu（Ⅱ）濃度升高，對照組與超聲組VFA總量均快速提升，并且對照組VFA的累積速率明顯高于超聲組。VFA的累積主要是由于污泥活性受到抑制，厭氧微生物無法將VFA進一步轉(zhuǎn)化[28]。綜上，低強度超聲波與添加重金屬Cu（Ⅱ）均能夠促進厭氧反應(yīng)中間產(chǎn)物VFA的積累，但是，當進水Cu（Ⅱ）濃度過高，促進產(chǎn)生的VFA對厭氧反應(yīng)過程產(chǎn)生酸抑制，低強度超聲波對VFA的促進效果被減弱。

2. 5 低強度超聲波對污泥VSS/TSS影響

污泥中VSS濃度大致代表了污泥中微生物的含量，VSS/TSS在一定程度上代表了污泥中微生物含量比例，其數(shù)值的變化間接反映微生物的生長情況[29]。批次實驗?zāi)山M血清瓶污泥進行取樣測試，研究結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同進水Cu（Ⅱ）濃度下低強度超聲波對污泥VSS/TSS影響Fig.4 Effect of low intensity ultrasound on sludge VSS/TSS at different influent Cu（Ⅱ） concentrations

由圖4可知，當Cu（Ⅱ）濃度為1 mg/L時，超聲組與對照組污泥VSS、TSS、VSS/TSS相比不添加Cu（Ⅱ）時變化較?。浑S著進水Cu（Ⅱ）濃度增加，兩組血清瓶污泥VSS、TSS、VSS/TSS均呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢，并且降低速度逐漸加快。超聲組污泥VSS、TSS濃度均低于對照組，但是，超聲組污泥VSS/TSS始終高于對照組，添加Cu（Ⅱ）濃度0、1、10、25、50、100 mg/L時，對照組VSS/TSS分別為64.76%、65.46%、64.56%、61.43%、57.98%、52.55%，超聲組VSS/TSS分別為74.26%、74.2%、73.47%、70.15%、65.36%、58.25%。綜上可知，低強度超聲波與添加重金屬Cu（Ⅱ）均會伴隨污泥產(chǎn)生減量化效應(yīng)，但是，超聲組污泥中微生物活性更高，經(jīng)低強度超聲波輻照后，更有利于污泥微生物的生長[30]。

2.6 低強度超聲波對污泥IC50影響

利用線性回歸方程對超聲組和對照組進水Cu（Ⅱ）濃度與基質(zhì)降解速率抑制百分比之間的關(guān)系進行擬合，擬合結(jié)果如圖5所示。線性擬合對照組和超聲組的相關(guān)系數(shù)R2分別為0.9844和0.9849，擬合得到對照組和超聲組污泥Cu（Ⅱ）的半抑制濃度IC50分別為88.85 mg/L和94.62 mg/L，這說明低強度超聲波能夠提高污泥中Cu（Ⅱ）的IC50，增強污泥對Cu（Ⅱ）的耐受性。

圖5 對照組（a）與超聲組（b）的污泥IC50Fig.5 Sludge IC50 in control group （a） and ultrasonic group （b）

3 結(jié)論

1）低強度超聲波可提高處理含Cu（Ⅱ）污水有機物去除效果與vCOD，但超聲促進效果隨進水Cu（Ⅱ）濃度增加而逐漸減弱。低強度超聲波能夠促進污泥分泌更多的EPS，從而提高反應(yīng)器對Cu（Ⅱ）沖擊的抵抗力，使得運行穩(wěn)定。對照組和超聲組污泥Cu（Ⅱ）的半抑制濃度IC50分別為88.85 mg/L和94.62 mg/L，低強度超聲波能夠提高污泥中Cu（Ⅱ）半抑制濃度IC50，增強污泥對Cu（Ⅱ）的耐受性。

2）低強度超聲波能促進污泥DHA活性，對DHA活性的促進效果隨著Cu（Ⅱ）濃度增加而逐漸減弱。低強度超聲波與添加Cu（Ⅱ）均能夠促進厭氧反應(yīng)中間產(chǎn)物VFA含量增加，但是，隨著進水Cu（Ⅱ）濃度升高，低強度超聲波對VFA的促進效果減弱。低強度超聲波與添加Cu（Ⅱ）均會產(chǎn)生污泥減量化效應(yīng)，但超聲能增強厭氧微生物活性。