銅離子對SBR 工藝活性污泥毒性作用分析

王學(xué)江，劉 免，王 鑫，趙建夫

（同濟(jì)大學(xué) 污染控制與資源化研究國家重點實驗室，上海200092）

在我國目前的排水體制下，工業(yè)廢水和城市生活污水常合并進(jìn)入城市污水處理廠進(jìn)行處理，隨著工業(yè)廢水量的增大和重金屬含量的增加，時常會對城市污水生物處理工藝造成一定沖擊[1－3].重金屬對活性污泥微生物的影響途徑主要為抑制微生物的呼吸作用、與酶的活性或非活性中心結(jié)合使其失去活性，可導(dǎo)致生物處理系統(tǒng)的微生物群落結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，進(jìn)而影響生物處理效果，導(dǎo)致出水水質(zhì)下降，甚至處理系統(tǒng)癱瘓[4－6].因此，考察重金屬離子對活性污泥處理系統(tǒng)的影響，并找到一種簡潔有效的監(jiān)控方法及指標(biāo)體系，對于污水生物處理系統(tǒng)具有重要的指導(dǎo)意義.

目前，有關(guān)重金屬對活性污泥微生物毒性的測定方法有很多種，其中：微生物酶活性、氧攝取速率、氨氧化速率和微生物生長速率等是近年來國內(nèi)外常用的污泥活性評價指標(biāo)[7－11].但是，由于測定方法不統(tǒng)一，且每種方法都有其優(yōu)缺點和適用條件，導(dǎo)致很多的研究結(jié)論差別很大，有的甚至相互矛盾.

本課題組在前期的研究中，研究開發(fā)了一種基于氧化還原介質(zhì)的微生物傳感器（Tox Tell），它可通過選擇固定不同的微生物，對污染物的毒性做出快速分析，具有檢測毒性污染物范圍寬、操作簡單、不受樣品色度和濁度干擾和毒性檢測結(jié)果客觀真實等特點[12].在本文的研究中，作者擬以銅離子沖擊的SBR活性污泥系統(tǒng)為研究對象，結(jié)合序列間歇式反應(yīng)器（Sequencing batch reactor，SBR）工藝處理性能的變化情況，探討Tox Tell型生物傳感器在銅離子沖擊SBR活性污泥系統(tǒng)預(yù)警監(jiān)測中的應(yīng)用性能，以期為該新型生物傳感器在污水生物處理工藝運行和管理中的應(yīng)用提供實驗依據(jù).

1 材料與方法

1.1 材料

主要化學(xué)藥劑：硫酸銅、氯化鈉、葡萄糖均為AR級（國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司）；乳酸鈉為CP級（上海三愛思試劑有限公司）；LB培養(yǎng)基（上海迪申生物技術(shù)有限公司）.

SBR反應(yīng)器：反應(yīng)器高40 cm，直徑20 cm，內(nèi)置4個曝氣頭，在反應(yīng)器中裝有電磁攪拌器用于攪拌.反應(yīng)器運行周期為6 h，其中曝氣3 h，沉淀1 h，排水和進(jìn)水2 h.活性污泥由曲陽污水處理廠活性污泥連續(xù)培養(yǎng)馴化得到，試驗過程中維持污泥質(zhì)量濃度為3 500 mg·L－1左右.SBR反應(yīng)器采用人工配水，水質(zhì)指標(biāo)為CODCr400 mg·L－1，總氮（TN）為30 mg·L－1，總磷（TP）為10 mg·L－1，p H為7.0.

1.2 實驗方法

1.2.1 銅離子沖擊試驗

實驗在室溫25℃進(jìn)行，采用6個反應(yīng)器進(jìn)行平行試驗，其中一個為空白，不投加銅離子，其他反應(yīng)器分別加入5，10，20，30和40 mg·L－1的銅離子，分別連續(xù)5 d定時取樣分析CODCr，TN，TP，混合液懸浮固體濃度（MLSS）和污泥沉降比（Settling velocity，SV）等指標(biāo)，并通過鏡檢觀察污泥的生物相的變化.

水質(zhì)指標(biāo)檢測方法：CODCr：哈?？焖傧夥?；氨氮：納氏試劑分管光度法；TN：過硫酸鉀氧化－紫外分光光度法；TP：過硫酸鉀氧化－鉬銻抗分光光度法；MLSS：重量法；SV：量筒法.

1.2.2 基于微生物傳感器的毒性分析

活性污泥微生物電極制備：在空白SBR反應(yīng)器中取5 m L活性污泥，在5 000 r·min－1下離心30 min，用0.85%氯化鈉溶液洗滌菌體3次，在10 000 r·min－1下離心5 min，得到濕活性污泥菌體.取0.5 g上述濕菌體，加入200μL 0.85%氯化鈉溶液，用滅菌牙簽將菌體和水溶液攪勻，用移液槍汲取7μL均勻涂于電極工作區(qū)域表面，室溫晾干；用雙面膠紙（3M公司）將聚碳酸酯膜（孔徑0.4μm，Whatman）密封在菌體表面，制得活性污泥微生物電極，置于冰箱4℃保存待用.

Tox Tell微生物傳感器毒性測定步驟：將上述制得的微生物電極放置于含0.85%NaCl的呼吸基質(zhì)中活化30 min，將經(jīng)活化的微生物電極浸入裝有10 m L呼吸基質(zhì)的平底玻璃瓶中，待Tox Tell生物傳感器毒性分析系統(tǒng)穩(wěn)定5～10 min后，① 加入一定量p－苯醌氧化還原介質(zhì)，待電信號穩(wěn)定約15 min；②加入不同濃度銅離子進(jìn)行毒性測試.此過程中，Tox Tell生物傳感器計算系統(tǒng)將自動記錄微生物電極輸出電流的變化曲線（圖1）.根據(jù)圖1的電流抑制曲線，可計算出不同銅離子濃度梯度對應(yīng)的抑制率大小.

2 結(jié)果與討論

2.1 不同濃度Cu2＋對SBR工藝處理性能的影響

不同濃度Cu2＋對SBR工藝CODCr，TN和TP等去除率的影響見圖2.由圖2可以看出，Cu2＋的質(zhì)量濃度低于10 mg·L－1時，CODCr去除率變化不大，維持在95%左右，這主要是因為Cu2＋屬于過渡金屬，對微生物的毒性較小，在一定濃度范圍內(nèi)，它存在于微生物體內(nèi)并不影響其生理活性.隨著Cu2＋質(zhì)量濃度的增加，CODCr去除率明顯降低，Cu2＋質(zhì)量濃度為20，30和40 mg·L－1時，CODCr平均去除率分別為79.4%，74.4%和71.7%.

圖2 Cu2＋對SBR工藝處理性能的影響Fig.2 Effect of Cu2＋ on the treatment performance of SBR

由圖2 Cu2＋對SBR工藝TN去除率的影響可知，當(dāng)未投加Cu2＋時，SBR工藝出水的TN平均去除率約為75%，當(dāng)進(jìn)水Cu2＋的質(zhì)量濃度分別為5，10，20，30和40 mg·L－1時，TN的平均去除率分別降低至65.5%，63.4%，57.9%，53.9%和54.4%.

由圖2 Cu2＋對SBR工藝TP去除率的影響可知，Cu2＋對TP去除的影響較為明顯，Cu2＋的質(zhì)量濃度為5，10，20，30和40 mg·L－1時，TP的平均去除率分別從空白的47.5%降低至33.7%，19.3%，17.8%，17.9%和12.7%.

Cu2＋對SBR系統(tǒng)活性污泥沉降比（SV）的影響見圖3.從圖3可以看出，Cu2＋的加入對SBR系統(tǒng)污泥沉降比有明顯影響，隨著Cu2＋的質(zhì)量濃度的加大，SV隨之減小，這可能是隨著污泥對重金屬離子的吸附，部分污泥的絮體結(jié)果發(fā)生了變化.但Cu2＋的加入并未改善出水的濁度，懸浮固體物濃度反而增加，證明在一定時間內(nèi)，只是污泥自身沉降的速度增大而已，系統(tǒng)的生物絮凝作用并沒有因此得到加強(qiáng).當(dāng)Cu2＋的質(zhì)量濃度達(dá)到40 mg·L－1時，MLSS降到1 500 mg·L－1，SV 降到16.4%左右，此時的CODCr，TN和TP的去除效果非常差，SBR系統(tǒng)基本喪失了污水處理功能.

圖3 Cu2＋對SBR系統(tǒng)SV的影響Fig.3 Cu2＋effect on SV of SBR

2.2 不同濃度Cu2＋沖擊下SBR活性污泥微生物對比分析

Cu2＋的質(zhì)量濃度分別為0，5，10，20，30和40 mg·L－1時SBR活性污泥中微生物鏡檢結(jié)果見圖4.由圖4可以看出，在未投加Cu2＋時，SBR活性污泥中的微生物種類繁多，污泥中的原生動物以纖毛蟲類的鐘蟲等為主；加入Cu2＋離子后，污泥顏色由茶褐色變成較淺的淡棕褐色，且隨著Cu2＋的質(zhì)量濃度的增加，污泥中微生物種類以及數(shù)量逐漸減少，當(dāng)Cu2＋的質(zhì)量濃度增加到20 mg·L－1時，活性污泥中已經(jīng)基本檢測不到原生動物的存在，污泥絮體大量解體，活性污泥系統(tǒng)失去意義，這與上述的SBR系統(tǒng)處理性能的變化相對應(yīng).

圖4 不同濃度Cu2＋沖擊下的SBR活性污泥鏡檢圖（a—f分別為0，5，10，20，30，40 mg·L－1 Cu2＋質(zhì)量濃度）Fig.4 Pictures of SBR activated sludge in different Cu2＋ concentrations by microscope

事實上，眾多研究表明，重金屬離子對污水生物處理工藝的毒性沖擊影響與生物處理的工藝類型、進(jìn)水水質(zhì)、及污泥濃度、泥齡和水力停留時間等工藝參數(shù)等有關(guān)[7－9].然而，盡管上述的 CODCr，TN，TP，SV和鏡檢等能夠反映重金屬對活性污泥系統(tǒng)毒性沖擊的影響，但由于上述指標(biāo)分析的滯后性，且分析耗時較長，不能有效防范重金屬對活性污泥系統(tǒng)毒性沖擊的威脅.

2.3 基于Tox Tell生物傳感器的銅離子對SBR活性污泥的毒性分析

采用以活性污泥為指示生物的Tox Tell微生物傳感器對Cu2＋的毒性分析結(jié)果見圖5.從圖5可以看出，該微生物傳感器對Cu2＋具有良好的毒性分析性能，Cu2＋對活性污泥微生物的抑制電流信號呈現(xiàn)雙曲線下降趨勢，電流受抑制程度隨著Cu2＋濃度增加而增大，表明隨著Cu2＋的質(zhì)量濃度的增加，其對活性污泥活性的抑制作用逐漸增加.由圖5數(shù)據(jù)擬合計算得Cu2＋對SBR活性污泥的半數(shù)有效的質(zhì)量濃度（EC50）為65.0 mg·L－1.

圖5 Tox Tell生物傳感器對Cu2＋毒性分析的電流圖Fig.5 Toxicity determination of Cu2＋ with Tox Tell biosensor

2.4 Tox Tell生物傳感器毒性分析結(jié)果與SBR系統(tǒng)處理性能抑制率比較

Tox Tell生物傳感器毒性分析結(jié)果與Cu2＋沖擊對SBR工藝CODCr，TN和TP去除率抑制比較見圖6.由圖6可以看出，CODCr，TN和TP的去除抑制率均隨著Cu2＋質(zhì)量濃度的增加而增加，與Tox Tell微生物傳感器的毒性分析結(jié)果具有良好的一致性和相關(guān)性.由于Tox Tell生物傳感器分析的是急性毒性，即反應(yīng)時間為30 min，因此，其檢測出的Cu2＋毒性響應(yīng)較SBR工藝實際的CODCr，TN和TP去除抑制率要低.盡管如此，Tox Tell生物傳感器具有的操作簡單、分析快速和便攜式等特點，使其能很好地用于Cu2＋對SBR活性污泥處理系統(tǒng)毒性沖擊的預(yù)警監(jiān)測.

圖6 Cu2＋對SBR活性污泥系統(tǒng)的影響結(jié)果比較Fig.6 Comparison of the influence effects of Cu2＋on SBR process

3 結(jié)論

（1）在本實驗條件下，Cu2＋質(zhì)量濃度低于10 mg·L－1時，不會對SBR活性污泥系統(tǒng)帶了明顯的沖擊作用，Cu2＋質(zhì)量濃度超過20 mg·L－1時則會導(dǎo)致出水水質(zhì)明顯下降，銅離子質(zhì)量濃度為40 mg·L－1時，該SBR系統(tǒng)中的活性污泥大量解體，原生動物基本檢測不到，出水水質(zhì)急劇變差，整個系統(tǒng)面臨崩潰.

（2）Tox Tell生物傳感器毒性分析結(jié)果與SBR工藝CODCr，TN和TP的去除抑制率具有良好的一致性和相關(guān)性.該生物傳感器具有分析快速和便攜式的特點，能很好地用于Cu2＋對SBR活性污泥處理系統(tǒng)毒性沖擊的預(yù)警監(jiān)測.

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