瞬時Cu2+沖擊負荷對序批式反應(yīng)器脫氮性能、微生物活性和微生物群落的影響?

潘云浩， 孫艷霞， 宋陳光， 魯帥領(lǐng)， 吳淑妍， 武原原， 高孟春??

(1. 中國海洋大學海洋環(huán)境與生態(tài)教育部重點實驗室， 山東 青島 266100； 2. 北京市勞保所科技發(fā)展有限公司， 北京 100070； 3. 中國海洋大學環(huán)境科學與工程學院， 山東 青島 266100)

銅被廣泛應(yīng)用于金屬加工、電鍍、采礦和各種制造業(yè)[1-2]，其工業(yè)廢水通常經(jīng)預處理后排放到城市的下水道系統(tǒng)，與城市污水混合，最終進入城市污水處理廠[3-4]。由于工業(yè)活動不同，銅離子(Cu2+)在不同工業(yè)廢水中濃度差異較大[5-7]。在實際工程中，工廠可能會存在超量或事故排放[8]，一些工業(yè)廢水未經(jīng)有效地預處理而進入污水處理廠，使其常常面臨高濃度含Cu2+廢水的沖擊。此外，城市污水在水質(zhì)和水量上的波動[9]以及污水處理廠操作條件的變化[10]也會導致污水處理廠受到高濃度Cu2+負荷沖擊。瞬時Cu2+沖擊將抑制微生物的活性，改變微生物群落結(jié)構(gòu)，大大降低系統(tǒng)的污水處理效率，甚至導致污水處理系統(tǒng)的崩潰。污水處理系統(tǒng)抗沖擊負荷的穩(wěn)定性是污水處理廠最重要的設(shè)計特性之一，因此，有必要研究生物處理工藝在受到Cu2+沖擊時運行的穩(wěn)定性以評價工藝效能的優(yōu)劣。

1 實驗材料與方法

1.1 實驗裝置及運行條件

本試驗采用SBR作為反應(yīng)裝置，其材質(zhì)為有機玻璃，有效容積為7.7 L，有效高度和內(nèi)徑分別為50和14 cm，容積交換率為50%。SBR在室溫下運行，共運行80 d。每天運行4個周期，每周期6 h(進水5 min，缺氧60 min，好氧180 min，缺氧60 min，沉淀30 min，出水5 min，閑置20 min)。SBR的各個運行階段由時間繼電器自動控制。進水由反應(yīng)器底部的蠕動泵控制，出水由反應(yīng)器中部的電磁閥控制。SBR采用底部曝氣方式，其曝氣量通過氣體轉(zhuǎn)子流量計調(diào)節(jié)，好氧階段溶解氧(DO)濃度在2 mg/L以上。在缺氧階段使用磁力攪拌器保證活性污泥和污水充分混合，DO濃度小于0.5 mg/L。定期排放污泥，使污泥齡保持在20 d左右。在受到Cu2+負荷沖擊前，SBR經(jīng)過18 d的運行達到穩(wěn)定狀態(tài)。第19天對SBR進行沖擊試驗，沖擊時間為24 h。第20天至第80天，Cu2+沖擊停止，SBR繼續(xù)運行。

1.2 接種污泥及水質(zhì)

1.3 分析方法

2 結(jié)果與討論

2.1 Cu2+沖擊負荷對SBR去除有機物和氮化物性能的影響

圖1 Cu2+沖擊負荷對SBR性能的影響

2.2 Cu2+沖擊負荷對活性污泥比耗氧速率和脫氮速率的影響

為了更好的評價Cu2+沖擊對SBR脫氮性能的影響，本研究分析了比耗氧速率和脫氮速率的變化情況，結(jié)果如圖2所示。第18天，SOUR、SAOR、SNOR、SNRR和SNIRR分別為(84.94±6.07) mg O2/(g MLVSS·h)、(11.25±1.01)、(11.78±0.79)、(24.21±0.59)和(23.72±1.92) mg N/(g MLVSS·h)。沖擊作用24 h后，SOUR值在第20天下降了82.27%。SOUR的急劇下降表明與去除COD相關(guān)的好氧異養(yǎng)菌的代謝活性在短暫沖擊后受到了較大程度的抑制。從第21天起，SOUR值逐漸增加，第80天SOUR值為(82.18±4.75) mg O2/(g MLVSS·h)，與第18天相比沒有顯著性差異。硝化速率(SAOR和SNOR)和反硝化速率(SNRR和SNIRR)與SOUR的變化趨勢相似。與第18天相比，SAOR和SNOR在第20天分別下降了87.20%和89.98%，表明Cu2+沖擊對氨氧化過程和亞硝酸鹽氧化過程產(chǎn)生了較大的抑制。沖擊停止后，SAOR和SNOR值逐漸增加，并在第80天基本恢復至沖擊前的正常值。Madoni等[12]的研究表明0.02～0.9 mg/L Cu2+對SAOR沒有明顯的抑制作用；榮宏偉等[19]研究發(fā)現(xiàn)當反應(yīng)器內(nèi)加入5 mg/L的Cu2+沖擊后，SOUR活性和SAOR活性在第3個周期結(jié)束后分別降低59.32%和82.61%；隨后，SOUR活性和SAOR活性逐漸上升，分別在第6個、第9個周期結(jié)束后恢復至未投加Cu2+時的水平。目前研究結(jié)果表明，瞬時高濃度Cu2+沖擊對微生物活性的抑制作用比低濃度Cu2+更強，且微生物活性恢復較慢。與第18天相比，SNRR和SNIRR在第20天分別降低了77.78%和52.02%，但抑制率低于SAOR和SNOR，這說明與反硝化過程相比，硝化過程更容易受到高濃度Cu2+負荷的影響，這與Li等[16]的研究結(jié)果相似。SNRR和SNIRR從第21天開始呈上升趨勢，并在第80天恢復正常水平，對應(yīng)值為(21.98±1.58)和(22.07±0.46) mg N/(g MLVSS·h)。以上研究結(jié)果表明沖擊停止后，SBR去除有機物和脫氮性能恢復至穩(wěn)定狀態(tài)。

2.3 Cu2+沖擊負荷對微生物酶活性的影響

(“*”表示與未施加Cu2+沖擊負荷的對照組SOUR和脫氮速率具有顯著性差異(p<0.05)，誤差線代表三次實驗測量值的標準差。Asterisks indicate the statistical difference (p<0.05) from SOUR and nitrogen removal rates at 0 mg/L Cu2+. Error bars represent standard deviations of triplicate measurements.)

(“*”表示與未施加Cu2+沖擊負荷時的微生物酶活性具有顯著性差異(p<0.05)，誤差線代表三次實驗測量值的標準差。Asterisks indicate statistical differences (p<0.05) from the microbial enzymatic activity 0 mg/L Cu2+. Error bars represent standard deviations of triplicate measurements.)

2.4 Cu2+沖擊負荷對活性污泥生物毒性的影響

ROS的產(chǎn)量是反映細胞氧化應(yīng)激水平的重要指標[24]，而細胞外LDH水平是評價細胞膜完整性的指標[25]。SOD和CAT是兩種抗氧化酶，是將重金屬引起的氧化破壞降到最低的重要防御機制[26-27]。為了更好的表征Cu2+負荷沖擊對活性污泥的生物毒性，本研究對ROS、LDH、SOD和CAT的變化進行了探討，結(jié)果如圖4所示。在受到Cu2+沖擊后，ROS的產(chǎn)量在第20天增加了134.28%，表明Cu2+沖擊使細胞產(chǎn)生了強烈的氧化應(yīng)激反應(yīng)。ROS以膜磷脂的不飽和脂肪酸為靶點，破壞細胞的蛋白質(zhì)、核酸、脂質(zhì)等成分，最終導致細胞形態(tài)的損傷[26]。Hu等[28]發(fā)現(xiàn)Cu2+可以催化羥基自由基的產(chǎn)生，并通過氧化還原循環(huán)反應(yīng)促進氧化應(yīng)激，導致細胞膜功能受損。從第21天起，ROS的產(chǎn)量呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢，第80天，ROS產(chǎn)量為(110.40±7.60)%，與第18天相比無明顯差異。第18天，LDH的釋放量為(100±9.88)%，但在第20天其釋放量上升177.34%，這表明活性污泥的細胞膜受損。從第21天起，LDH釋放量逐漸下降，第80天，LDH釋放量為(113.73±3.11)%，基本恢復到正常水平。CAT和SOD的相對酶活性變化與ROS和LDH的變化趨勢一致。第20天，CAT和SOD的相對酶活性與第18天相比分別提高336.17%和192.02%，這是因為在ROS產(chǎn)量增加時，細胞需要分泌更多的抗氧化酶來抑制ROS產(chǎn)生。從第21天起，CAT和SOD的相對酶活性呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢，第80天，CAT和SOD的相對酶活性與第18天基本一致。

2.5 Cu2+沖擊負荷對微生物群落的影響

在第18天、第21天、第54天、第80天對SBR中的活性污泥進行高通量測序，對應(yīng)的污泥樣品分別為S18、S21、S54和S80?；谔幚砗蟮玫降挠行蛄?，以97%的一致性將上述活性污泥樣品進行操作分類單元(OTUs)聚類分析，分別獲得 906、529、298和354個OTUs。表1中列出了100 mg/L Cu2+負荷沖擊下微生物群落的豐富度和多樣性指數(shù)變化。Good’s coverage指數(shù)在第18天、第21天、第54天和第80天均接近于1，說明測序深度基本覆蓋了樣品中的所有物種。微生物群落的豐富性常用Chao1和ACE指數(shù)來表示，其多樣性常用Simpson和Shannon指數(shù)來表示。Chao1和ACE指數(shù)從第18天到第21天分別由1 050和1 046降至604和611。Simpson和Shannon從第18天到第21天分別由0.959和6.809下降到0.820和4.044。由此可見，Cu2+沖擊破壞了微生物群落的多樣性和豐富度。雖然在第80天Shannon和Simpson指數(shù)、Chao1和ACE分別恢復到5.418、0.918、393和396，但與第18天相比受到了一定程度的抑制。從以上結(jié)果可以看出，在61天的恢復期內(nèi)，微生物群落沒有完全恢復到原來的水平。

(“*”表示該樣品與未施加Cu2+沖擊負荷時的樣品差異性顯著(p<0.05)，誤差線代表三次實驗測量值的標準差。Asterisks indicate statistical differences (p<0.05) from the biotoxicity of activated sludge at 0 mg/L Cu2+. Error bars represent standard deviations of triplicate measurements.)

表1 Cu2+沖擊負荷下微生物群落的豐富度和多樣性指數(shù)

圖5 Cu2+沖擊負荷下微生物群落的分類

3 結(jié)語