快速降溫下磁場(chǎng)強(qiáng)化SBR處理低溫廢水研究

牛川 凌虹 王連軍

摘 要：該研究通過(guò)磁場(chǎng)強(qiáng)化彌補(bǔ)生物反應(yīng)器低溫運(yùn)行的不足，考察磁場(chǎng)作用下活性污泥微生物在快速降溫、復(fù)溫沖擊條件下磷脂脂肪酸（PLFA）的變化規(guī)律，結(jié)合PLFA生物標(biāo)記反映微生物的適冷性及磁場(chǎng)對(duì)活性污泥菌群抗冷沖擊性能的強(qiáng)化效果。結(jié)果表明，快速降溫導(dǎo)致COD去除率下降40%，磁場(chǎng)強(qiáng)化可提高COD去除率5%～10%，且有利于低溫下革蘭氏陰性菌的富集，同時(shí)提高了微生物細(xì)胞膜內(nèi)PLFA的多樣性及微生物適冷性，進(jìn)而提高了污水處理效率。

關(guān)鍵詞：快速降溫；活性污泥；磷脂脂肪酸；冷沖擊；磁場(chǎng)強(qiáng)化

中圖分類(lèi)號(hào) X505 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-7731（2018）08-0075-04

The Magnetic Field Strengthening Effect on SBR Treating Low Temperature Wastewater under Rapid Cooling

Niu Chuan1，2 et al.

（1Jiangsu Key Laboratory of Environmental Engineering，Jiangsu Province Academy of Environmental Science，Nanjing 210036，China；2Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210094，China）

Abstract：This work is aimed to cover the shortage of bioreactor operation under low temperature through magnetic field （MF） strengthening.The PLFA variation law of activated sludge microorganisms （ASM） with MF was investigated，under the condition of rapid cooling and rewarming.The cold adaptability of microorganisms and the strengthening effect of MF on ASM were reflected combining PLFA biomarkers.The results showed that the removal rate of COD decreased 40% significantly due to the rapid cooling.The MF enhancement could increase 5% to 10% of COD removal rate，and was beneficial to the enrichment of Gram negative bacteria at low temperature，and increased the diversity of PLFA in microbial cell membrane，as well as the cold adaptability of microorganism and the efficiency of sewage treatment.

Key words：Rapid cooling；Activated sludge；Phospholipid fatty acids（PLFA）；Cold-shock；Magnetic field strengthening

溫度對(duì)微生物的新陳代謝起著決定作用，溫度降低會(huì)導(dǎo)致微生物最大比生長(zhǎng)速率和基質(zhì)利用率下降，同時(shí)導(dǎo)致廢水的物理和化學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化，影響生物反應(yīng)器的性能[1-2]。在研究中發(fā)現(xiàn)，過(guò)快的冷卻速率會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)形成胞內(nèi)冰，造成細(xì)胞的損傷[3]。低溫（0～10℃）已成為目前生物水處理領(lǐng)域面臨的一大難題。

低溫生化法處理污水工藝中通常通過(guò)考察磷脂脂肪酸（PLFA）的特性來(lái)反應(yīng)微生物的適冷性。PLFA為甲基化活性污泥中提取的磷脂后得到的脂肪酸產(chǎn)物，總在專(zhuān)屬的一類(lèi)微生物中出現(xiàn)，且一般只存在于活體細(xì)胞中[4]。根據(jù)以上特性，PLFA鑒定技術(shù)被廣泛應(yīng)用于環(huán)境微生物研究領(lǐng)域的微生物群落結(jié)構(gòu)表征。在細(xì)胞膜中，脂類(lèi)組成是保持膜流動(dòng)以及相結(jié)構(gòu)的前提，確保膜中的蛋白質(zhì)發(fā)揮正常的生理功能，如電子轉(zhuǎn)移、營(yíng)養(yǎng)吸收等。當(dāng)溫度降低時(shí)，膜流動(dòng)性會(huì)隨之減弱，從而影響膜的相結(jié)構(gòu)和正常功能。因此，微生物必須通過(guò)調(diào)節(jié)細(xì)胞膜內(nèi)脂類(lèi)的組成，改變膜的流動(dòng)性和相結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)環(huán)境溫度的下降，膜脂質(zhì)的改變主要是改變脂肪酸的組成。生物膜由磷脂雙分子層構(gòu)成，雙分子層結(jié)構(gòu)具有不對(duì)稱性，存在磁各向異性，磁場(chǎng)導(dǎo)致其發(fā)生取向重排作用，增加膜的通透性，提高微生物的活性，從而大大提高了低溫廢水的生物降解效率[5]。污水處理工藝中針對(duì)不同類(lèi)別的工業(yè)及生活污水加入磁場(chǎng)輔助降解有機(jī)物，已經(jīng)成為一項(xiàng)新興的水處理技術(shù)[6]。

本研究通過(guò)磁場(chǎng)強(qiáng)化彌補(bǔ)生物反應(yīng)器低溫運(yùn)行的不足，主要考察磁場(chǎng)作用下活性污泥微生物在快速降溫、復(fù)溫沖擊條件下的磷脂脂肪酸（PLFA）變化規(guī)律及污染物去除效率，結(jié)合PLFA生物標(biāo)記反映微生物的適冷性及磁場(chǎng)對(duì)活性污泥菌群抗冷沖擊能力的強(qiáng)化效果，為改善低溫污水生物處理效果提供依據(jù)。

1 研究方法

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)活性污泥反應(yīng)器在快速降溫及復(fù)溫條件下運(yùn)行，研究低溫下活性污泥微生物抗冷沖擊（Cold-shock）性能及污水處理效果。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)如下：（1）將反應(yīng)器置于生化培養(yǎng)箱內(nèi)，通過(guò)溫度控制器調(diào)節(jié)培養(yǎng)溫度。25℃下培養(yǎng)2個(gè)模擬序批式活性污泥反應(yīng)器（SBR）A1、A2，反應(yīng)器為3L的有機(jī)玻璃柱，高度和半徑分別為30cm、5cm；A2在中心場(chǎng)強(qiáng)為30mT的磁場(chǎng)下運(yùn)行（磁場(chǎng)以平行放置的2塊異極磁鐵產(chǎn)生，通過(guò)調(diào)節(jié)磁鐵間距控制中心場(chǎng)強(qiáng)），A1為A2的對(duì)照組，無(wú)磁場(chǎng)設(shè)置。（2） 反應(yīng)器在經(jīng)過(guò)常溫培養(yǎng)后，A1、A2經(jīng)歷快速降溫及復(fù)溫過(guò)程（瞬時(shí)轉(zhuǎn)移至0℃及瞬時(shí)轉(zhuǎn)移至25℃）。（3）反應(yīng)歷經(jīng)S1～S7 7個(gè)階段，S1為反應(yīng)器常溫下馴化穩(wěn)定后25℃運(yùn)行，S2-S4為快速降溫后低溫下運(yùn)行，S5～S7為快速?gòu)?fù)溫后25℃運(yùn)行，每個(gè)階段運(yùn)行5d。（4）模擬廢水組成：C6H12O6、NH4Cl、KH2PO4，以自來(lái)水配水濃度為400mg/L，其中C：N：P為100：5：1（質(zhì)量比）。（5）設(shè)置反應(yīng)器循環(huán)周期為12h，每個(gè)反應(yīng)器內(nèi)放置1 L模擬廢水和1 L活性污泥，曝氣量為4.0L/min，水力停留時(shí)間（HRT）為10h，固體停留時(shí)間（SRT）為10d。（6）反應(yīng)為序批式運(yùn)行，進(jìn)水時(shí)間、反應(yīng)時(shí)間、沉降時(shí)間分別為0.2h、10h、1h，過(guò)程中溶氧量為8.20～8.65mg/L。（7）污泥取自南京某污水處理廠，裝入反應(yīng)器前污泥MLSS為4200mg/L[7]。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 COD測(cè)定 COD測(cè)定方法采用快速密閉催化消解法[8]。

1.2.2 PLFA提取與命名 PLFA通過(guò)提取與分離、皂化、甲基化、萃取、洗滌等處理，采用安捷倫7890A氣相色譜測(cè)定。氣相色譜各參數(shù)由MIDI Sherlock程序設(shè)置調(diào)用[9]。PLFA常用的命名格式為X：YωZ（c/t），其中，X是總碳數(shù)；Y為雙鍵數(shù)；ω表示甲基末端；Z是距離甲基端的距離；C表示順式，t表示反式；a和i分別表示支鏈的反異構(gòu)和異構(gòu)；10Me表示一個(gè)甲基團(tuán)在距分子末端第10個(gè)碳原子上；環(huán)丙烷脂肪酸用cy表示[10]。

1.2.3 統(tǒng)計(jì)分析 磷脂脂肪酸數(shù)據(jù)通過(guò)SPSS18.0軟件進(jìn)行分析。在主成分分析（PCA）中，個(gè)別PLFA含量以占PLFA總樣本中百分比的形式表示。經(jīng)過(guò)SPSS軟件降維得到2個(gè)主成分，它們包含超過(guò)80%的差異度。

Shannon-Wiener多樣性指數(shù)通常被定義為：

[H=-i=1spilg（pi）]

式中，H為Shannon-Wiener指數(shù)，s是每個(gè)樣品中磷脂脂肪酸的總數(shù)，[pi]為各磷脂脂肪酸占總峰面積的百分比。氣相色譜分析的峰面積用來(lái)計(jì)算每個(gè)磷脂脂肪酸的[pi]值。

2 結(jié)果與分析

2.1 COD降解率 圖1描述了反應(yīng)器整個(gè)運(yùn)行過(guò)程中的COD去除率變化情況。A1和A2在S1常溫運(yùn)行階段保持76.8%～77.2%的平均COD去除率，在S2階段2個(gè)反應(yīng)器瞬時(shí)轉(zhuǎn)移至0℃，COD去除率受到大幅度影響，在S2～S4階段A1和A2的平均去除率分別為32.7%和37.6%；在S5階段2個(gè)反應(yīng)器瞬時(shí)轉(zhuǎn)移至室溫，反應(yīng)器COD處理效率有一定的提高，在S5～S7階段A1和A2的平均去除率分別為70.2%和73.7%?？焖俳禍貙?duì)2個(gè)反應(yīng)器微生物有較大的沖擊，導(dǎo)致COD去除率大幅下降；S2～S4階段A2的去除率高于A1可以發(fā)現(xiàn)，磁場(chǎng)對(duì)反應(yīng)器低溫下COD去除率有正向的強(qiáng)化作用，對(duì)低溫下微生物適冷性有一定的促進(jìn)作用。同理在復(fù)溫后，A2反應(yīng)器的去除率說(shuō)明磁場(chǎng)強(qiáng)化更有利于活性污泥微生物低溫?fù)p傷的恢復(fù)及提高微生物降解有機(jī)物的效能。

2.2 PLFA生物標(biāo)記及脂肪酸分類(lèi)分析 反應(yīng)器各階段運(yùn)行末期整個(gè)PLFA的碳鏈長(zhǎng)度主要分布在C10～C20。微生物種群結(jié)構(gòu)即不同類(lèi)群微生物的相對(duì)豐度，可以通過(guò)微生物各種群的特征脂肪酸的相對(duì)含量表征。PLFA生物標(biāo)記可反映生物量、革蘭氏陽(yáng)性菌、革蘭氏陰性菌和真菌的相對(duì)含量。生物量與十六烷脂肪酸（16：0）有著正相關(guān)關(guān)系，可用該脂肪酸含量來(lái)表征總生物量相對(duì)大小，多種支鏈脂肪酸可表征革蘭氏陽(yáng)性菌，單不飽和脂肪酸和環(huán)丙烷脂肪酸則可指示革蘭氏陰性菌[11]，特定的磷脂脂肪酸（如18：1ω9、18：2ω6、18：3ω6、18：3ω3）可用于表征真菌[12]。

圖2表示溫度變化的不同階段2個(gè)反應(yīng)器活性污泥菌群的種群結(jié)構(gòu)PLFA生物標(biāo)記。通過(guò)對(duì)常溫下、降溫末期及復(fù)溫末期各反應(yīng)器PLFA的測(cè)定，常溫下A1的革蘭氏陽(yáng)性菌、革蘭氏陰性菌和真菌所占比例與A2對(duì)應(yīng)微生物比例都比較接近。降溫后歷經(jīng)S2～S4階段，2個(gè)反應(yīng)器的革蘭氏陽(yáng)性菌及真菌含量均有所降低，A2的革蘭氏陰性菌比例明顯高于A1。復(fù)溫后，兩個(gè)反應(yīng)器生物量均有所下降，A1、A2的真菌含量恢復(fù)至降溫前的水平。

冷激實(shí)驗(yàn)主要考察在短時(shí)間內(nèi)微生物受冷沖擊所發(fā)生的相應(yīng)生理功能的變化。在降溫S4階段，2個(gè)反應(yīng)器革蘭氏陽(yáng)性菌出現(xiàn)下降趨勢(shì)，與其短時(shí)間內(nèi)受低溫抑制有關(guān)；有研究表明低溫下革蘭氏陰性菌有更好的適冷性[13]，A2的革蘭氏陰性菌含量高于A1說(shuō)明低溫下磁場(chǎng)強(qiáng)化有利于革蘭氏陰性菌的富集；復(fù)溫后2個(gè)反應(yīng)器較低的生物量說(shuō)明快速降溫及復(fù)溫的擾動(dòng)導(dǎo)致反應(yīng)器微生物受到一定程度損傷；真菌受溫度變化擾動(dòng)相對(duì)較小，但降溫及復(fù)溫沖擊下A2真菌量高于A1，說(shuō)明磁場(chǎng)強(qiáng)化有利于真菌富集，提高了反應(yīng)器內(nèi)的生物多樣性。

2.3 不飽和脂肪酸含量分析 圖3描述了2個(gè)反應(yīng)器中的不飽和脂肪酸含量的變化，從圖3可以看出，C16：1ω7c、C18：1ω7c、C18：1ω9c 3種不飽和脂肪酸在每個(gè)反應(yīng)器微生物細(xì)胞膜中占主要成分（平均含量>5%）。在降溫末期A1和A2的不飽和脂肪酸含量明顯低于常溫運(yùn)行階段，同時(shí)A2的不飽和脂肪酸含量略高于A1；在復(fù)溫階段2個(gè)反應(yīng)器的不飽和脂肪酸含量有所回升，但仍低于降溫前的水平。

微生物細(xì)胞膜中不飽和脂肪酸含量反映了微生物的適冷能力，研究表明Bacillus subtilis中的脂肪酸去飽和酶對(duì)微生物抗冷沖擊具有積極的作用[14]，同時(shí)有研究表明不飽和脂肪酸對(duì)微生物適應(yīng)低溫環(huán)境具有促進(jìn)作用[15]?？焖俳禍貙?dǎo)致2個(gè)反應(yīng)器微生物活性受到抑制，且微生物難以在短時(shí)間內(nèi)調(diào)整膜內(nèi)不飽和脂肪酸含量以適應(yīng)環(huán)境；A2反應(yīng)器含量在降溫和復(fù)溫階段均接近A1說(shuō)明磁場(chǎng)對(duì)快速降溫下微生物不飽和脂肪酸的強(qiáng)化作用較弱，同時(shí)體現(xiàn)快速降溫對(duì)微生物通過(guò)不飽和脂肪調(diào)節(jié)機(jī)體適冷性的機(jī)能沖擊較大。

2.4 主成分分析 主成分分析（PCA）可以通過(guò)2個(gè)反應(yīng)器PLFA的狀況反映微生物種群的變化。主成分1（PC1）和主成分2（PC2）分別含有52%和35%的差異度。從圖4可以看出，因子C14：0 iso、C15：0 anteiso、C16：0 iso和C17：0 cyclo在PC1上有較高的負(fù)荷，因子C16：1ω7c、C18：1ω7c、C18：1ω9c在主成分2上有較高的負(fù)荷。在快速降溫末期與常溫階段相比，A1在PC1上有較大差異度，A2在PC2上有較大差異度；在S4階段，A1和A2在PC1和PC2上均有差異度。

溫度是影響微生物生長(zhǎng)導(dǎo)致磷脂脂肪酸組成差異的主要因素之一，同時(shí)A1和A2之間的差異反映在PC1和PC2。PC1上高負(fù)荷的因子多為支鏈脂肪酸，此為革蘭氏陽(yáng)性菌的生物標(biāo)記因子；單烯不飽和脂肪酸在PC2上有較高負(fù)荷，此為革蘭氏陰性菌的生物標(biāo)記。溫度作為主要環(huán)境因子直接導(dǎo)致革蘭氏陽(yáng)性菌和革蘭氏陰性菌在微生物群落上的多樣性差異，同時(shí)在受到快速降溫冷沖擊后，A1與A2的差異度表明磁場(chǎng)強(qiáng)化同樣導(dǎo)致2個(gè)反應(yīng)器微生物菌群的多樣性差異[16-17]。

2.5 Shannon-Wiener生物多樣性分析 微生物種群的多樣性體現(xiàn)種群結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定程度，相對(duì)穩(wěn)定的種群結(jié)構(gòu)對(duì)于生物反應(yīng)器內(nèi)微生物降解有機(jī)物具有積極的促進(jìn)作用。為了考察PLFA的豐富度和均勻度，運(yùn)用Shannon-Wiener多樣性指數(shù)反映微生物種群多樣性。溫度變化的不同階段2個(gè)反應(yīng)器活性污泥PLFA的Shannon-Wiener多樣性指數(shù)如圖5所示。從圖5可以看出，在降溫末期A1、A22個(gè)反應(yīng)器PLFA多樣性相比于常溫階段均有降低，A1降幅最大（5.74%），A2的PLFA多樣性在低溫運(yùn)行末期下降相對(duì)較?。?.25%）。在復(fù)溫后A1、A2的PLFA多樣性恢復(fù)甚至超過(guò)降溫前的水平，且A1的多樣性指數(shù)相對(duì)更高。

降溫會(huì)抑制中溫微生物生長(zhǎng)活性，使之休眠甚至死亡，低溫微生物逐漸成為優(yōu)勢(shì)菌群，但是由于低溫微生物生長(zhǎng)速率相對(duì)較慢，世代時(shí)間較長(zhǎng)，在數(shù)量上很難達(dá)到中溫微生物的水平，造成低溫污水中微生物總量減少，總體活性降低，同時(shí)低溫下物種數(shù)量會(huì)隨之減少，導(dǎo)致PLFA多樣性相應(yīng)減小[18]?？焖俳禍貨_擊下A2更高的多樣性指數(shù)表明磁場(chǎng)強(qiáng)化有利于提高微生物細(xì)胞膜內(nèi)PLFA的多樣性。復(fù)溫后中溫微生物開(kāi)始大量繁殖，活性污泥微生物總量和種群數(shù)量逐漸恢復(fù)，含有特定PLFA的物種數(shù)量也隨之增加，使2個(gè)反應(yīng)器PLFA多樣性提高，進(jìn)而提高低溫下污水處理效率。

3 結(jié)論

（1）快速降溫導(dǎo)致反應(yīng)器COD去除率大幅下降，低溫運(yùn)行階段A1和A2的平均去除率分別為32.7%和37.6%，磁場(chǎng)強(qiáng)化提高了A2的COD去除率。

（2）快速降溫下磁場(chǎng)強(qiáng)化有利于革蘭氏陰性菌的富集，同時(shí)提高了微生物細(xì)胞膜內(nèi)PLFA的多樣性，但對(duì)微生物通過(guò)調(diào)節(jié)不飽和脂肪酸含量增強(qiáng)適冷性的強(qiáng)化作用較弱；主成分分析表明溫度和磁場(chǎng)導(dǎo)致快速降溫冷沖擊下2個(gè)反應(yīng)器革蘭氏陽(yáng)性菌和革蘭氏陰性菌在微生物群落上的多樣性差異。

（3）通過(guò)磁場(chǎng)強(qiáng)化，可以彌補(bǔ)快速降溫對(duì)活性污泥微生物的沖擊影響，同時(shí)調(diào)節(jié)微生物活性及多樣性以提高污水處理效率。

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（責(zé)編：張宏民）