Mn（Ⅱ）對(duì)好氧顆粒污泥微生物活性的影響

高雅潔，鄭曉英，王明陽，曹素蘭，朱星

Mn（Ⅱ）對(duì)好氧顆粒污泥微生物活性的影響

高雅潔，鄭曉英，王明陽，曹素蘭，朱星

（河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院淺水湖泊綜合治理與資源開發(fā)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京210098）

針對(duì)城市污水中重金屬離子短期超標(biāo)影響污水生物處理系統(tǒng)正常運(yùn)行的問題，采用好氧顆粒污泥SBR反應(yīng)器，研究了不同濃度Mn（Ⅱ）短期沖擊下對(duì)好氧顆粒污泥污染物去除性能、外觀結(jié)構(gòu)和微生物活性的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，好氧顆粒污泥受不同濃度Mn（Ⅱ）10 d的沖擊后，COD去除率受Mn（Ⅱ）影響較小，Mn（Ⅱ）會(huì)輕微促進(jìn)AGS對(duì)TN的去除。Mn（Ⅱ）分別為0.5、1.0、3.0mg/L可提高好氧顆粒污泥的活性，在相應(yīng)濃度的沖擊下SOUR分別提高16.0%、108.5%、51.8%，TTC-ETS分別提高了7.7%、112.4%、45.7%。5.0mg/LMn（Ⅱ）對(duì)SOUR和TTC-ETS的抑制率分別為13.8%和33.5%。

好氧顆粒污泥；Mn（Ⅱ）；SBR反應(yīng)器；污染物去除；微生物活性

目前，重金屬對(duì)水體的污染已成為重要的環(huán)境問題之一。Mn（Ⅱ）是污水中常見的重金屬之一，是微生物生長的必要物質(zhì)，參與細(xì)菌超氧化物歧化酶的活動(dòng)，也是一些酶（PEP羧基酶、檸檬酸合成酶）的輔助因子〔1〕，但含量過高則會(huì)對(duì)微生物產(chǎn)生抑制或毒害作用。根據(jù)CJ343—2010《污水排入城鎮(zhèn)下水道水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》，Mn（Ⅱ）允許排放的最高質(zhì)量濃度為2.0 mg/L。然而由于各種原因，含重金屬廢水偷排漏排的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，嚴(yán)重影響了污水生物處理系統(tǒng)的正常運(yùn)行。污水中重金屬傳統(tǒng)的處理方法有離子交換法、化學(xué)沉淀法、膜方法（反滲析、電滲析、超濾）、活性炭吸附法等，但由于以上方法處理成本較高、低濃度條件下的去除效果較差、最終處置困難、易產(chǎn)生二次污染等原因而使其應(yīng)用受到限制。

好氧顆粒污泥（AGS）是微生物通過生物、物理、化學(xué)等作用形成的凝聚體，由于其自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及氧擴(kuò)散的限制，污泥顆粒由外向內(nèi)可形成好氧區(qū)-缺氧區(qū)-厭氧區(qū)。相比普通活性污泥，具有較高的濃度、良好的沉降性能以及較高的處理負(fù)荷〔2〕和對(duì)重金屬耐受性較強(qiáng)等特點(diǎn)，因此在含重金屬廢水處理中得到了較為廣泛的關(guān)注，并具有廣闊的應(yīng)用前景〔2-3〕。研究表明，污泥可通過金屬螯合、離子交換等方式實(shí)現(xiàn)對(duì)重金屬的去除，好氧顆粒污泥對(duì)重金屬吸附容量與去除能力均遠(yuǎn)超過普通活性污泥。筆者重點(diǎn)探討污水中不同濃度Mn（Ⅱ）短期沖擊對(duì)好氧顆粒污泥基本性質(zhì)和生物活性的影響，為好氧顆粒污泥在含重金屬廢水處理中的應(yīng)用提供理論支撐。

1　材料與方法

1.1試驗(yàn)用水與裝置

試驗(yàn)裝置如圖1所示。

圖1　試驗(yàn)裝置示意

SBR反應(yīng)器有效容積4 L，高1m，直徑8 cm，每周期換水量2.5 L。系統(tǒng)每周期6 h，包括10min進(jìn)水、342min曝氣、3min沉淀和5min排水。試驗(yàn)期間的水溫變化范圍為15～22℃，DO控制在4.0～6.0 mg/L，pH為6.5～7.5。試驗(yàn)采用的人工模擬生活污水組成成分如表1所示。

表1　試驗(yàn)?zāi)M生活污水配水水質(zhì)

采用MnCl2·4H2O配制Mn（Ⅱ），5個(gè)反應(yīng)器編號(hào)及對(duì)應(yīng)的Mn（Ⅱ）質(zhì)量濃度如表2所示。

表2　SBR反應(yīng)器中的Mn（Ⅱ）質(zhì)量濃度mg/L

將污水處理廠二沉池中的污泥接種到SBR反應(yīng)器，經(jīng)過40 d的培養(yǎng)形成成熟的AGS。此時(shí)向5個(gè)反應(yīng)器中同步投加Mn（Ⅱ），連續(xù)運(yùn)行10 d，研究Mn（Ⅱ）對(duì)AGS基本性質(zhì)的影響。

1.2試驗(yàn)儀器

JSM-5610LV型掃描電子顯微鏡，日本電子株式會(huì)社（JEOL）；IRPrestige-21型傅立葉變換紅外光譜儀，日本島津公司；NORAN-VANTAGE型X射線能譜儀，美國Thermo Electron公司；SP-752（PC）型紫外可見分光光度計(jì)，上海光譜儀器有限公司；5B-1型COD快速消解儀，蘭州聯(lián)華科技有限公司。

1.3分析方法

COD采用快速消解分光光度法測(cè)定；TN采用過硫酸鉀氧化-紫外分光光度法測(cè)定；比好氧速率（SOUR）按方法測(cè)定；脫氫酶活性按TTC-ETS測(cè)定；Mn（Ⅱ）濃度采用電感耦合等離子發(fā)射光譜儀測(cè)定；好氧顆粒污泥形態(tài)與元素組成分別采用掃描電鏡和X射線能譜儀分析。

2　結(jié)果與討論

2.1Mn（Ⅱ）對(duì)AGS污染物去除功效的影響

不同Mn（Ⅱ）AGS系統(tǒng)COD和TN去除率的影響如圖2所示。

圖2　Mn（Ⅱ）對(duì)COD和TN去除率的影響

由圖2（a）可見，5個(gè)反應(yīng)器對(duì)COD的去除率均維持在90%以上。0.5、3.0mg/LMn（Ⅱ）對(duì)COD去除雖然有輕微的抑制作用但整體變化趨勢(shì)與對(duì)照試驗(yàn)相同。投加1.0mg/LMn（Ⅱ）的反應(yīng)器在試驗(yàn)前4天對(duì)COD的去除率較低，從第5天開始去除率恢復(fù)到96.83%，此后穩(wěn)定在95.34%左右。試驗(yàn)后期R1、R2、R3反應(yīng)器對(duì)COD去除率基本相同，表明AGS對(duì)低于3.0mg/LMn（Ⅱ）有良好的抵御作用。投加5.0mg/L Mn（Ⅱ）后，COD去除效果表現(xiàn)出下降-小幅回升-保持穩(wěn)定的趨勢(shì)，主要是因?yàn)殚_始投加Mn（Ⅱ）后對(duì)AGS造成一定沖擊作用，3 d后顆粒污泥逐漸適應(yīng)了Mn（Ⅱ）的脅迫，去除率出現(xiàn)上升的趨勢(shì)；但是持續(xù)投加Mn（Ⅱ）導(dǎo)致其在AGS中不斷累積，呈現(xiàn)出一定的毒性，10 d后COD的去除率降低為91.55%。整體來看，短期沖擊作用下Mn（Ⅱ）對(duì)COD的去除影響不大，這是因?yàn)閰⑴c有機(jī)物降解的異養(yǎng)微生物分布于AGS的各個(gè)區(qū)域，其密實(shí)的結(jié)構(gòu)可以阻礙有毒物質(zhì)向內(nèi)滲透〔4〕。

由圖2（b）可見，試驗(yàn)第2天受Mn（Ⅱ）刺激R1、R2、R4反應(yīng)器中TN的去除率分別上升至76.75%、77.63%、73.25%，第4天時(shí)R3反應(yīng)器中TN的去除率也提高到74.26%。隨后TN去除率開始小幅下降，在第10天試驗(yàn)組（R1、R2、R3、R4）對(duì)TN去除率分別降為69.80%、68.98%、75.51%、69.39%，R3對(duì)TN去除率甚至超過了R0的71.43%。由于試驗(yàn)所配制的模擬污水中主要以NH4+-N表征含氮污染物，可見各濃度Mn（Ⅱ）對(duì)AGS的硝化作用抑制并不顯著。這主要是因?yàn)橄趸?xì)菌的細(xì)胞多具有復(fù)雜的膜內(nèi)褶結(jié)構(gòu)，低濃度的Mn（Ⅱ）能夠加大細(xì)胞膜的滲透性，從而加快營養(yǎng)物質(zhì)的吸收速度〔5〕。另一方面，WeiWang等〔6〕研究了Ni（Ⅱ）對(duì)活性污泥脫氮的影響，發(fā)現(xiàn)活性污泥受重金屬離子的沖擊后NH4+-N去除率會(huì)迅速降低，表明AGS對(duì)重金屬離子的耐受性要優(yōu)于活性污泥。

不同濃度Mn（Ⅱ）對(duì)AGS吸附的影響如表3所示。

表3　不同濃度Mn（Ⅱ）對(duì)AGS吸附的影響

由表3可見，AGS對(duì)0.5mg/LMn（Ⅱ）有較強(qiáng)的吸附能力，隨著Mn（Ⅱ）濃度的增加，AGS對(duì)其吸附量開始增加較快隨后有減緩。Mn（Ⅱ）在溶液中的平衡濃度受初始投加濃度的影響，在未達(dá)到飽和吸附容量時(shí)，AGS可以不斷去除多余的Mn（Ⅱ），當(dāng)Mn（Ⅱ）達(dá)到1.0mg/L時(shí)，AGS對(duì)其的吸附量已接近飽和，因此在增大初始投加濃度情況下吸附量增加的很少。AGS在去除重金屬離子的同時(shí)，還承擔(dān)著去除其他污染物的任務(wù)，通過微生物主動(dòng)代謝吸收重金屬離子是有限的，否則必然會(huì)影響其他代謝過程，因此推斷AGS對(duì)重金屬離子的去除可能主要是通過化學(xué)吸附（絡(luò)合和離子交換等作用）實(shí)現(xiàn)。

2.2Mn（Ⅱ）對(duì)AGS結(jié)構(gòu)和元素組成的影響

好氧顆粒污泥的外觀形態(tài)（200倍）如圖3所示。

由圖3可見，AGS是一個(gè)密實(shí)的菌群聚集體，具有不平整的表面，絲狀菌相互纏繞形成絨毛狀的結(jié)構(gòu)，外部由薄層黏液覆蓋。在短期作用下各濃度Mn（Ⅱ）對(duì)AGS整體結(jié)構(gòu)沒有明顯的沖擊破壞作用，這與W.Pulsawat等〔7〕的研究結(jié)論相一致；但是，投加Mn（Ⅱ）后造成AGS表面的絲狀菌逐漸增多，隨著時(shí)間的增加，過量的絲狀菌勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致污泥發(fā)生膨脹，對(duì)反應(yīng)器的正常運(yùn)行造成極大影響。通過光學(xué)顯微鏡對(duì)污泥生物相進(jìn)行跟蹤觀察也發(fā)現(xiàn)，隨著Mn（Ⅱ）濃度的增加，絲狀菌逐漸增多而原生動(dòng)物的種類和數(shù)目逐漸減小。

圖3　好氧顆粒污泥外觀形態(tài)

好氧顆粒污泥的表面特性（10 000倍）如圖4所示。

圖4　好氧顆粒污泥表面特性

由圖4可見，觀察圖4（c～e），AGS表面的桿狀菌逐漸消失，以球狀菌為主，部分細(xì)胞發(fā)生萎縮現(xiàn)象，并有較大白色顆粒狀物質(zhì)不溶性顆粒物附著于細(xì)胞表面。這可能是由于Mn（Ⅱ）與細(xì)胞壁上的多聚糖、細(xì)胞體外分泌的蛋白質(zhì)等生物大分子發(fā)生螯合作用，生成的螯合物阻塞了顆粒污泥孔道，導(dǎo)致顆粒內(nèi)部微生物群體代謝產(chǎn)生的有毒副產(chǎn)物輸出受阻，加大了顆粒內(nèi)部厭氧水解的可能性。從圖2中COD和TN去除率較穩(wěn)定可以看出，在短期內(nèi)Mn（Ⅱ）雖然對(duì)AGS結(jié)構(gòu)與微生物有一定脅迫作用但并不顯著。

為了比較AGS在受Mn（Ⅱ）沖擊前后元素的變化情況，以進(jìn)一步確認(rèn)其吸附Mn（Ⅱ）的主要方式，采用EDX技術(shù)對(duì)AGS的元素進(jìn)行定量分析，結(jié)果如表4所示。

表4　不同濃度Mn（Ⅱ）影響下AGS不同元素比例分布

由表4可見，污泥中P保持較高水平，表明AGS具有良好的聚磷功效〔8〕。在AGS培養(yǎng)階段Mn（Ⅱ）作為生物必需的微量元素進(jìn)行投加（投加量為0.4 mg/L），通過EDX只檢測(cè)出0.01%的Mn，含量極低，說明微量的Mn（Ⅱ）不會(huì)在AGS中富集，并且作為必需微量元素對(duì)其形成和穩(wěn)定具有積極作用。Mn（Ⅱ）短期沖擊對(duì)AGS元素構(gòu)成的影響較小，Mn所占最高比例僅有7.76%，EDX的檢測(cè)結(jié)果進(jìn)一步證明AGS對(duì)Mn（Ⅱ）的去除方式主要通過化學(xué)吸附中的表面有機(jī)絡(luò)合及離子交換兩種方式，而通過微生物主動(dòng)吸收去除的Mn（Ⅱ）所占比例很小。

2.3Mn（Ⅱ）對(duì)好氧顆粒污泥微生物活性的影響

SOUR可以表征微生物新陳代謝進(jìn)行的快慢即微生物活性的高低，從而進(jìn)一步反映微生物對(duì)有機(jī)物的降解能力。脫氫酶活性從一定程度上反映了生物體的生理活性，能夠準(zhǔn)確、靈敏地表征微生物細(xì)胞降解基質(zhì)的能力，在試驗(yàn)中通過測(cè)試電子傳遞系統(tǒng)活性（TTC-ETS）間接表示脫氫酶活性。

考察不同濃度Mn（Ⅱ）影響下SOUR和TTC-ETS變化情況結(jié)果表明，0.5、1.0、3.0mg/LMn（Ⅱ）可使SOUR分別提高16.0%、108.5%、51.8%，TTC-ETS分別提高了7.7%、112.4%、45.7%；但5.0mg/LMn（Ⅱ）對(duì)SOUR和TTC-ETS均有抑制作用。雖然Mn（Ⅱ）對(duì)COD、總氮去除的影響較小，但對(duì)污泥活性的影響卻十分明顯，可以說明當(dāng)有類似重金屬離子的有毒物質(zhì)沖擊時(shí)，相對(duì)于污染物去除效果而言，污泥活性是更能反映微生物生長代謝及其對(duì)有機(jī)底物利用效率的綜合指標(biāo)。

重金屬離子促進(jìn)AGS活性的機(jī)理比較復(fù)雜，每種金屬在生物體內(nèi)分解代謝和合成代謝的哪一環(huán)節(jié)起關(guān)鍵性作用，還不能完全確定〔9〕。而Mn（Ⅱ）是微生物生長的必要物質(zhì)，參與細(xì)菌超氧化物歧化酶的活動(dòng)，也是一些酶（PEP羧基酶、檸檬酸合成酶）的輔助因子，在一定濃度范圍內(nèi)可能促進(jìn)某些微生物的生長，從而對(duì)AGS活性起到一定的促進(jìn)作用。對(duì)Mn（Ⅱ）抑制污泥活性的機(jī)理做如下分析：一方面，高濃度Mn（Ⅱ）本身具有毒性，會(huì)影響污泥系統(tǒng)中原生動(dòng)物的生長、擾亂原生動(dòng)物的捕食作用，使基質(zhì)中碳氮磷的比例失衡，造成細(xì)菌生長方式改變、微生物的細(xì)胞活性下降〔10〕；另一個(gè)原因，Mn（Ⅱ）與AGS表面多聚糖以及分泌的蛋白質(zhì)等生物大分子發(fā)生螯合作用，甚至生成一些顆粒物導(dǎo)致顆粒污泥孔道堵塞，惰性物質(zhì)在反應(yīng)器中積累越多，從而使脫氫酶活性不斷降低〔11〕，導(dǎo)致顆粒污泥內(nèi)部細(xì)胞不能進(jìn)行良好的代謝作用。

3　結(jié)論

在不同濃度（0.5、1.0、3.0、5.0mg/L）Mn（Ⅱ）沖擊10 d中，AGS對(duì)有機(jī)物去除性能并沒有顯著降低，在5.0mg/LMn（Ⅱ）作用下R4反應(yīng)器對(duì)COD的去除效率呈下降-小幅回升-保持穩(wěn)定的趨勢(shì)，可見AGS對(duì)短期的沖擊負(fù)荷有較強(qiáng)的抵御能力。低于5.0mg/LMn（Ⅱ）會(huì)輕微地促進(jìn)AGS對(duì)TN的去除，分析認(rèn)為，硝化細(xì)菌的細(xì)胞多具有復(fù)雜的膜內(nèi)褶結(jié)構(gòu)，低濃度的Mn（Ⅱ）能夠加大細(xì)胞膜的滲透性，從而加快營養(yǎng)物質(zhì)的吸收速度。

在各濃度Mn（Ⅱ）作用下，AGS整體結(jié)構(gòu)雖然沒有被明顯的沖擊破壞，但會(huì)造成絲狀菌增多；投加5.0mg/LMn（Ⅱ）后，顆粒污泥表面生物相種類明顯減少，產(chǎn)生較大的白色顆粒物質(zhì)附著于細(xì)胞表面。對(duì)AGS元素構(gòu)成分析發(fā)現(xiàn)，Mn所占最高比例僅有7.76%，只有Na比例隨著Mn（Ⅱ）濃度的增大逐漸降低。表明AGS對(duì)Mn（Ⅱ）的去除方式主要是化學(xué)吸附。

在不同濃度（0.5、1.0、3.0mg/L）Mn（Ⅱ）沖擊10 d后，SOUR與TTC-ETS都有所提高；但在5.0mg/L Mn（Ⅱ）沖擊下，SOUR和TTC-ETS分別下降了13.8%和33.5%?？梢奙n（Ⅱ）對(duì)AGS活性的促進(jìn)濃度范圍是0.5～3.0mg/L，5.0mg/L以上的Mn（Ⅱ）對(duì)顆粒污泥的活性有明顯的抑制作用。當(dāng)有類似重金屬離子的有毒物質(zhì)沖擊時(shí)，相對(duì)于污染物去除效果而言，污泥活性是更能反映微生物生長代謝及其對(duì)有機(jī)底物利用效率的綜合指標(biāo)。

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Influences ofMn（Ⅱ）on them icrobialactivity ofaerobic granularsludge

Gao Yajie，Zheng Xiaoying，WangMingyang，Cao Sulan，Zhu Xing
（Key Laboratory of Integrated Regulation and Resource Developmenton Shallow Lakes，HehaiUniversity，Nanjing210098，China）

Aiming at the problems that the short-time excessive heavymetal ions affects the normal operation of wastewater bio-treatment systems，using aerobic granular sludge（AGS）SBR reactor，the influencesof Mn（Ⅱ）with different concentrationsunder short-time impacton the pollutant removing capacity，surface structure，andmicrobial activity ofaerobic granular sludgehavebeen studied.Theexperimental resultsshow thataerobic granular sludgewas impacted by different concentration of Mn（Ⅱ）10 d，Mn（Ⅱ）has an inconspicuous inhibition on COD removing rate.Mn（Ⅱ）can slightly promote the removing capacityof AGS for TN，and 0.5，1.0，3.0mg/L ofMn（Ⅱ）can promote themicrobialactivity ofaerobic granular sludge.Under the impactofcorresponding concentrations，SOUR can be improved by 16.0%，108.5%and 51.8%，respectively，and TTC-ETS can be improved by 7.7%，112.4%and 45.7%，respectively.The inhibition rates of SOUR and TTC-ETS influenced by 5.0mg/LMn（Ⅱ）are 13.8%and 33.5%，respectively.

aerobic granularsludge；Mn（Ⅱ）；SBR reactor；pollutant removal；microbialactivity

X703.1

A

1005-829X（2016）09-0055-05

高雅潔（1993—），碩士。E-mail：gaoyajie2345@163. com。通訊聯(lián)系人：鄭曉英，副教授。E-mail：zhxyqq118@163. com。

2016-06-12（修改稿）

江蘇省水利科技項(xiàng)目（2015027）；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)項(xiàng)目（2015B16414）；國家自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目（51208174）