復蘇促進因子增效PACT 處理印染廢水

戰(zhàn)曉慧，周高燕，周尚平，章靜，方榮業(yè)，史惠祥*

（1.浙江大學 環(huán)境與資源學院，浙江 杭州310058； 2.嘉興市洪溪污水處理廠，浙江 嘉興314109；3.寧波心覺科技有限公司，浙江寧波315000）

0 引 言

我國是紡織品生產、出口大國，印染行業(yè)用水量大，印染廢水一直是主要的工業(yè)廢水之一。紡織染整廢水水質、水量變化大，回用率低，有機物濃度高，色度高，是廢水處理的難點和焦點［1］。印染廢水中含有大量活的但不可培養(yǎng)（viable but nonculturable，VBNC）的微生物［2］。

目前印染廢水的處理方法主要有化學處理法、物理處理法、物理化學處理法和生物處理法4種［3-6］，因單一處理方法難以達到行業(yè)廢水排放標準，多種技術聯(lián)用已成為印染廢水處理的發(fā)展方向。

由于粉末活性炭（powder activated carbon，PAC）的比表面積大，處理過程操作簡單，故被廣泛應用于印染廢水處理［7］。粉末活性炭活性污泥工藝（powder activated carbon treatment，PACT）通過向好氧池中投加活性炭強化活性污泥處理能力，同時利用活性炭的吸附作用提升出水水質。與傳統(tǒng)活性炭吸附工藝相比，PACT 提高了對印染廢水有機物、色度等污染物的去除率，且系統(tǒng)的運行更穩(wěn)定。

MUKAMOLOVA 等［8］從 藤 黃 球 菌（Micrococcus luteus）上清液中分離出復蘇促進因子（resuscitation-promoting factor，Rpf），Rpf 是Rpf 基因編碼產生的一種分泌蛋白，經研究發(fā)現(xiàn)，其在皮物質的量濃度下即可復蘇處于VBNC 狀態(tài)的藤黃球菌，同時促進細菌的生長。

本文探究Rpf 增效PACT 處理印染廢水的效果，明確最佳工藝參數(shù)，探究PAC 和Rpf 復合投加時對活性污泥的強化機理，以及兩者的協(xié)同效應機制。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

實驗用活性污泥、廢水取自嘉興市某印染廠；Rpf 來自浙江省環(huán)境保護科學設計研究院（是由E.coli BL21（DE3）工程菌培養(yǎng)、破壁后形成的混合液），PAC 為302 號木質粉末活性炭，由溧陽恒源炭業(yè)提供。

1.2 SBR 實驗裝置

序列間歇式活性污泥法（SBR）實驗裝置如圖1所示。實驗運行周期為6 h，連續(xù)運行84 個周期，每個運行周期運行工況如表1 所示。

1.3 實驗方法

在SBR 實驗中，通過控制變量確定Rpf、PAC的最佳投加量和最佳投加頻率，用COD、色度、氨氮、總氮、總磷等水質指標衡量出水水質。

各設置2 組進行最佳投加量和最佳投加頻率實驗，每組實驗設置5 組反應器（a、b、c、d、e），投加條件如表2 和表3 所示。

圖1 SBR 實驗裝置Fig.1 Diagram of SBR device

表1 SBR 運行工況Table 1 SBR operation condition

表2 投加濃度實驗Table 2 The experiment of dosing concentration

表3 投加頻率實驗Table 3 The experiment of dosing frequency

2 結果與討論

2.1 Rpf 和PAC 的投加量及投加頻率確定

2.1.1 確定最佳投加量

測定每日出水水樣COD（如圖2 所示）、氨氮（如圖3 所示）、總氮（如圖4 所示）、總磷（如圖5 所示）濃度。

圖2 PAC、Rpf 投加量與COD 去除率的關系Fig.2 Relationship between PAC，Rpf dosage and COD removal rate

結果表明，當PAC 投加量為30 mg·L-1時，COD平均去除率最高，而PAC 投加量對氮、磷去除率影響差別不大，因此，選擇30 mg·L-1為PAC 的每日最佳投加量。當Rpf 投加量為3 mg·L-1時，COD 平均去除率（78.36%）最高。從脫氮除磷效果看，Rpf 投加量對廢水中氮、磷去除率影響不明顯，原因可能是廢水中總磷量本身就很低且活性污泥的脫氮除磷效果較好。從經濟角度分析，Rpf 投加量為3 mg·L-1時的藥劑費比2 mg·L-1時的藥劑費高50%，但COD去除率僅提高0.15%。因此，選擇2 mg·L-1為Rpf的每日最佳投加量。

2.1.2 確定最佳投加頻率

由投加量實驗可知，活性污泥脫氮除磷效果較好，5 組反應器中氮、磷的去除效果差別較小，故僅比較PAC、Rpf 投加頻率對水樣COD 去除率的影響，實驗結果如圖6 所示。

如圖6（a）所示，投加PAC 后廢水COD 去除率顯著提高。5 組反應器中，COD 平均去除率分別為72.60%，75.45%，74.65%，74.55% 和74.54%?？芍?，當PAC 投加頻率為1 d-1，即投加條件為30 mg·L-1·d-1時，COD 平均去除率最大。因此，應采取每日投加的方式，不斷向反應器內補充PAC。

圖3 PAC、Rpf 投加量與氨氮去除率的關系Fig.3 Relationship between PAC，Rpf dosage and NH3-N removal rate

圖4 PAC、Rpf 投加量與總氮去除率的關系Fig.4 Relationship between PAC，Rpf dosage and TN removal rate

圖5 PAC、Rpf 投加量與總磷去除率的關系Fig.5 Relationship between PAC，Rpf dosage and TP removal rate

如圖6（b）所示，用不同頻率投加Rpf 均可提高COD 去除率。5 組反應器中，COD 平均去除率分別為73.04%，77.16%，77.49%，76.81% 和75.89%。當投加頻率為d-1，即投加條件為6 mg·L-1·（3 d）-1時，COD 平均去除率（77.49%）最高，因此，Rpf 投加頻率取d-1。

2.2 PAC 和Rpf 復 合 投 加 實 驗

由PAC 和Rpf 的最佳投加量和最佳投加頻率，取4 組SBR 反應器，編號分別為0，1，2，3，每組反應器的投加情況見表4。監(jiān)測每日排水的COD、氨氮、總氮和總磷。

進水COD 濃度變化情況見圖7，復合投加時，出水COD 濃度變化情況見圖8。

由圖7 可知，進水COD 平均濃度為681 mg·L-1。由圖8 可知，0，1，2，3 號反應器出水COD平均濃度分別為186，168，156，132 mg·L-1。由圖9可知，0 號反應器COD 平均去除率為72.72%，COD去除率曲線呈下降趨勢，說明其生化處理能力變差；1，2，3 號 反 應 器 中，COD 平 均 去 除 率 分 別 為75.50%，77.05%，80.37%，且COD 去除率呈上升趨勢，說明系統(tǒng)生化能力變強。同時，Rpf 增效PACT時COD 平均去除率（7.64%）較單獨投加Rpf 和PAC 的COD 平均去除率之和（7.10%）大，可能是由于PAC 和Rpf 之間的協(xié)同作用增強了活性污泥的生化處理性能。

圖6 PAC、Rpf 投加頻率與COD 去除率的關系Fig.6 Relationship between PAC，Rpf dosing frequency and COD removal rate

表4 PAC 和Rpf 投加情況Table 4 The dosage and frequency of PAC and RPF

由圖10 可知，在實驗的84 個周期內，經計算，進水氨氮平均濃度為11.92 mg·L-1；0，1，2，3 號反應器出水氨氮平均濃度依次為1.06，0.97，0.80，0.66 mg·L-1。由此可知，氨氮去除效果最好的為3 號反應器。由圖11 可知，1，2 號反應器去除的氨氮濃度之和（0.35 mg·L-1）小于3 號反應器去除的氨氮濃度（0.40 mg·L-1），說明PAC 和Rpf 可協(xié)同去除廢水中的氨氮。

圖7 進水COD 濃度變化情況Fig.7 Change of COD in influent water

圖8 復合投加時出水COD 濃度Fig.8 COD concentration of effluent during composite dosing

圖9 復合投加時COD 去除率Fig.9 Removal rate of COD during compound dosing

圖10 復合投加時進出水氨氮濃度變化情況Fig.10 Change of NH3-N in and out of water during compound dosing

圖11 復合投加時氨氮去除率Fig.11 NH3-N removal rate in compound dosing

綜上可知，添加Rpf 可提高PACT 對COD 和氨氮的去除率，另外，PAC 和Rpf 間不只是簡單的效果疊加，而是存在協(xié)同效應。

2.3 Rpf 增效PACT 處理印染廢水的機理研究

研究Rpf 增效PACT 中活性污泥的性能（污泥指數(shù)、沉降比等）、菌落種類和豐度，分析水中溶解性有機物的變化，深入研究PAC 和Rpf 復合投加對活性污泥的影響機理及協(xié)同作用機制。

2.3.1 對污泥性質的影響

比較1，2，3 號反應器中活性污泥的污泥指數(shù)（SVI）、揮發(fā)性污泥濃度（MLSS）、污泥沉降比（MLVSS），見圖12～14。

由圖12 可知，3 組反應器的初始SVI 均為170 mL·g-1。實驗過程中，2 號反應器的SVI 呈上升趨勢，1，3 號反應器的SVI 呈下降趨勢，在第84 個周期，3 組 反 應 器 的SVI 分 別 為140，186 和145 mL·g-1，表明Rpf 增效PACT 使活性污泥的性能得到提高。

圖12 1，2，3 號反應器的SVI 變化Fig.12 Change of SVI in unit 1，2，3 reactors

圖13 1，2，3 號反應器的MLSS 變化Fig.13 Change of MLSS in unit 1，2，3 reactors

由 圖13 和 圖14 可 知，實 驗 周 期 內，MLSS 與MLVSS 曲線走勢相近。1，2，3 號反應器初始MLSS和MLVSS 分別為3 500 和2 700 mg·L-1。在實驗過程中，MLSS 和MLVSS 均有不同程度上升。84 個周期內，1，2，3 號反應器MLSS 平均值分別為4 399，4 266 和2 855 mg·L-1，MLVSS 平均值分別為3 313，3 193 和2 855 mg·L-1。復 合 投 加 時，MLSS 和MLVSS 平均值較單一投加Rpf 時分別提升了3.12%和3.76%，較難達到單獨投加PAC 時提升的15.51%和16.06%，分析其原因可能是Rpf 使污泥中處于VBNC 的微生物復蘇，PAC 為微生物的生長提供了生存環(huán)境，且二者具有協(xié)同作用，使復合投加效果優(yōu)于二者單獨投加之和。

2.3.2 對微生物群落的影響

通過對比4 組反應器連續(xù)運行21 d 后活性污泥中的DNA 及高通量測序結果（見表5），分析復合投加Rpf 和PAC 對污泥中微生物群落、菌群豐度和多樣性的影響。

圖14 1，2，3 號反應器的MLVSS 變化Fig.14 Change of MLVSS in unit 1，2，3 reactors

表5 4 組反應器的細菌豐度和多樣性指數(shù)Table 5 The bacterial richness and diversity index of four reactors

由表5 可知，對ACE、Chao1 指數(shù)，3 號反應器與1 號反應器接近，且均大于2 號反應器；對Shannon和Simpson 指數(shù)，3 號反應器與2 號反應器較為接近，且均大于1 號反應器。說明添加PAC 能提高菌群豐度和微生物多樣性，添加Rpf 不能增加菌群豐度，但其提升微生物多樣性的能力比添加PAC 強，添加Rpf 的PACT 能更好地提升微生物多樣性，增加菌群豐度。

利用Krona 軟件分析群落組成，利用QIIME 軟件得到Rpf、PAC 復合投加系統(tǒng)污泥微生物在門、綱水平上的組成和豐度，4 組反應器的比較結果見圖15。

通過分析3 號反應器微生物群落組成和門的分布可知，Rpf 增效PACT 的活性污泥中，菌群主要由變 形 菌 門（Proteobacteria） 、 擬 桿 菌 門（Bacteroidetes）、厚壁菌門（Firmicutes）組成，種群豐度達95.9%，其中，變形菌門占比最大（63.9%），其次為擬桿菌門（24.3%）。與單獨投加Rpf 和PAC 相比，污泥序列中3 種主要門類微生物豐度均有提高，查閱文獻可知，變形菌門是微生物中脫氮除磷的主要功能菌群，厚壁菌門可代謝脂類、蛋白質等復雜的有機物，且可水解污泥絮體［9-11］，同時，由于這3 種門是廢水生化處理系統(tǒng)的主要微生物，占比越大，表示生化系統(tǒng)的處理能力越強。Rpf 增效PACT 中，此3 種門的占比為95.9%，大于單獨投加Rpf、PAC 和空白組，說明Rpf 能提高PACT 活性污泥微生物的豐度和多樣性，且Rpf 與PAC 具有協(xié)同增效作用。

圖15 4 組反應器微生物群落門、綱的組成和豐度Fig.15 Abundance of microbial community phyla and class of four reactors

2.3.3 對水中溶解性有機物的影響

由圖16 可知，當波長為200～800 nm 時，3 號反應器生化出水共有3 個吸收峰，且集中分布在200～300 nm 處。

與0 號反應器相比，3 號反應器在215 nm 處無吸收峰，在205，230 和280 nm 處吸收峰較小，說明3 號反應器生化出水中不飽和脂肪族、不飽和脂環(huán)族、硫醚、醛類、硝基和含有共軛體系的復雜化合物的量較少。

與1 號反應器相比，3 號反應器在230，280 nm處吸收峰強度相近，在205 nm 處吸收峰較小，在220 nm 處無吸收峰，說明3 號反應器能降低生化出水中不飽和脂肪族、硫醚、醛類和硝基等物質。

與2 號反應器相比，3 號反應器在280 nm 處吸收峰強度小，280 nm 處的吸收峰主要代表偶氮、醛類、酮類、溴化物和飽和共軛物等，吸收峰越小代表物質含量越低，吸收峰減小說明反應器對這些物質的處理能力提高。由此可知，3 號反應器對這些物質具有更高的去除能力。

圖16 4 組反應器生化出水的紫外-可見光光譜Fig.16 Ultraviolet-Visible spectra of effluent of four reactors

另外，205 nm 處的吸收峰主要代表硫酮、羧類和酯類等，吸收峰減小說明反應器對這些物質的處理能力提高。進水吸光度為4.302，3 號反應器的出水吸光度（4.032）低于2 號反應器（4.266）和1 號反應器（4.619），說明復合投加PAC 和Rpf 可去除單一投加不能去除的物質。由此可知，Rpf增效PACT 能更好地去除廢水中的硫酮、羧類和酯類等物質。

3 結 論

3.1 通過SBR 實驗，得到了Rpf 增效PACT 處理印染廢水的最佳投加條件為PAC 30 mg·L-1·d-1，Rpf 6 mg·L-1·（3 d）-1。

3.2 通過比較復合投加PAC 和Rpf 與空白組、單一投加PAC 或Rpf 的出水COD、氨氮、總氮、總磷可知，投加Rpf 可改良PACT 對COD、總氮的去除效果，對總磷的去除效果影響較小。

3.3 PAC 和Rpf 復合投加可提升污泥的沉降性能和生物量，兩者存在協(xié)同效應，能在提升微生物群落多樣性的同時增加菌群豐度，由高通量測序結果知，復合投加時微生物群落占比總和（95.9%）高于單一投加PAC 或Rpf。

綜上可知，Rpf 增效PACT 可有效提高COD 去除率和對活性污泥的生化處理效果，提高污水處理系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。