單寧酸對活性污泥中功能微生物的影響

裴立影,朱紅霞,侯銀萍,郝 杰,杜 琳,郭昌梓,馬宏瑞

(1.陜西科技大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,陜西 西安 710021;2.東北電力大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院,吉林 吉林 132112;3.西安市第五再生水廠,陜西 西安 710021)

0 引言

制革工業(yè)在我國輕工業(yè)中占有重要的經(jīng)濟地位,雖然人們已經(jīng)認識到環(huán)境保護的重要性,促進了制革生產(chǎn)中的清潔生產(chǎn),但由于排放巨大,水質(zhì)復(fù)雜,仍然是污染最嚴重的行業(yè)之一[1].皮革廢水具有高硫、高Cr(Ⅲ)、高p H、高鹽、高懸浮物和高色度以及水質(zhì)波動大等特點,如某豬皮制革廠,綜合廢水平均COD 值為3 000～4 000 mg/L[2].

目前,對于國內(nèi)外的制革企業(yè)來說,基本上都是采用物理化學(xué)處理和生物處理相結(jié)合同時輔以深度處理的工藝流程[3].最常用的物理化學(xué)處理技術(shù)是混凝沉淀法和混凝氣浮法,這些方法可以有效去除S2-和Cr(Ⅲ)等的有害成分以及大量表面活性劑、染料等難降解有機物.制革廢水BOD5/TN值約0.35～0.40,可生化性較好,因此生物處理法是制革廢水處理的核心方法,大部分有機物和氨氮可以在生化處理單元去除[4].深度處理主要是通過高級氧化如Fenton等技術(shù)對生化出水中的COD等進行進一步去除以達到排放標準,因此生化處理單元運行的好壞直接影響到后續(xù)處理的運行費用.

本課題組前期調(diào)研結(jié)果表明,皮革在鞣制過程中加入的化料中單寧酸類聚合物占比較高,它們中的一部分會直接或間接的進入到后續(xù)的制革廢水中,使得制革廢水中難生物降解類有機物增加,有研究表明,單寧酸在好氧微生物的作用下去除率可以達到90%以上,但COD 仍有25%的殘留[5].同時,單寧對微生物具有廣譜的抑制性[6],即在增加處理系統(tǒng)有機負荷的同時可能會對活性污泥微生物產(chǎn)生毒性.探明單寧酸對活性污泥系統(tǒng)運行的影響規(guī)律,尤其是對活性污泥功能微生物的作用,以期為單寧酸類鞣劑的使用以及污水處理系統(tǒng)的運行提供一定的依據(jù).

1 實驗部分

1.1 試驗裝置與運行

批式試驗在燒杯中進行,根據(jù)皮革加工與單寧酸類化料的用量估算廢水中單寧酸類有機物濃度在十幾到幾十毫克/升,因此批式試驗中選用30 mg/L,60 mg/L,90 mg/L作為供試單寧酸的濃度來研究單寧酸短期暴露對硝化菌代謝活性的影響,并根據(jù)此批式試驗的結(jié)果選擇60 mg/L作為單寧酸長期暴露對功能微生物代謝活性影響研究的依據(jù).

SBR反應(yīng)器的運行周期為8 h,其中進水:2 min;反應(yīng):405 min(好氧段為200 min,厭氧段為205 min);沉淀:60 min;排水:5 min;閑置:2 min.反應(yīng)器排水比為0.5,水力停留時間(Hydraulic Retention Time,HRT)為16 h,污泥停留時間(Sludge Retention Time,SRT)為15 d.反應(yīng)器溫度控制在25℃±1℃,pH 控制在6.5～8.0.

兩組反應(yīng)器平行運行,其中1號反應(yīng)器為對照組,2號反應(yīng)器為實驗組,2號反應(yīng)器運行分為兩個階段,第一階段(0～35天)為反應(yīng)器啟動階段,第二階段(加藥階段)從第36天開始,向進水中投加60 mg/L單寧酸探究其對活性污泥處理系統(tǒng)及其功能微生物代謝活性的長期影響.

1.2 試驗用水與接種污泥

反應(yīng)器運行期間進水采用人工配置,并模擬城市污水水質(zhì),具體如表1所示,微量元素溶液組成如表2所示.接種污泥取自西安市第五污水處理廠曝氣池末端.活性污泥呈現(xiàn)黃褐色,含有豐富的原生動物和良好的沉淀性能,混合液懸浮固體濃度在7 500 mg/L左右,具有良好的脫氮除磷性能.

表1 反應(yīng)器進水水質(zhì)

表2 微量元素組分

1.3 分析方法

1.3.1 常規(guī)指標分析

本實驗中常規(guī)項目如氨氮、亞硝氮、硝氮、磷酸鹽和COD 等分析方法,參考《水和廢水監(jiān)測分析方法》[7].

1.3.2 其他分析方法

硝化菌代謝活性測定采用批式實驗法[8],利用掃描電鏡[9]對活性污泥的形貌進行表征和觀察.

2 結(jié)果與討論

2.1 單寧酸短期暴露對硝化菌代謝活性的影響

本試驗選取30 mg/L,60 mg/L 和90 mg/L的濃度來研究單寧酸短期暴露對硝化菌代謝活性的影響.

圖1為不同單寧酸濃度條件下的氨氧化速率(ammonia utilizing rate,AUR).由圖1可知,氨氧化速率隨著單寧酸濃度的增加而降低.當單寧酸的濃度從0增加到30 mg/L時,氨氧化速率從4.42 mg降低到4.29 mgh,降幅不明顯.當單寧酸濃度增加到60 mg/L 和90 mg/L時,氨氧化速率分別為3.47 mgN/g VSS h和3.33 mg-N/gVSS h,降低比例為21.5%和24.7%,降幅明顯,并且影響程度接近.由以上的實驗結(jié)果和分析可知,單寧酸的短期暴露影響了活性污泥中氨氧化細菌的代謝活性,從而導(dǎo)致氨氧化速率降低.

圖1 不同單寧酸濃度條件下的氨氧化速率

圖2為不同單寧酸濃度條件下的亞硝酸鹽氧化速率(nitrite utilizing rate,NUR).由圖2可知,亞硝酸鹽氧化速率隨著單寧酸濃度的增加而降低.當單寧酸的濃度為0 mg/L,30 mg/L,60 mg/L和90 mg/L時,亞硝酸鹽氧化速率分別為5.04 mgN/g VSS h,降低比例分別為4.37%,9.33%和14.29%.單寧酸的存在抑制了亞硝酸鹽氧化菌的代謝活性,每增加30 mg/L 的單寧酸對亞硝酸鹽氧化菌代謝活性的影響程度大致相當.

圖2 不同單寧酸濃度條件下的亞硝酸鹽氧化速率

據(jù)上述實驗結(jié)果及分析可知,單寧酸對氨氧化菌和亞硝酸鹽氧化菌的代謝活性均有抑制作用,且隨著單寧酸濃度的增加抑制程度更大.相比較而言,單寧酸對氨氧化速率的影響程度大于對亞硝酸鹽氧化速率,即對氨氧化菌的影響大于對亞硝酸鹽氧化菌.單寧酸屬于多酚類物質(zhì),多酚類物質(zhì)與蛋白質(zhì)的結(jié)合是其最重要的特性之一[10].有研究表明,單寧酸的存在會對纖維素酶和木聚糖酶的活性產(chǎn)生影響[11].分析認為,單寧酸對硝化菌的活性的影響可能是限制了參與硝化反應(yīng)的酶的活性所致.

2.2 單寧酸長期暴露對硝化菌代謝活性的影響

為探明單寧酸長期暴露對活性污泥處理系統(tǒng)運行效果尤其是硝化菌代謝活性的影響,試驗啟動SBR 反應(yīng)器,系統(tǒng)運行穩(wěn)定后,投加60 mg/L的單寧酸,研究單寧酸長期暴露的影響.

經(jīng)過35 天的運行,系統(tǒng)污泥濃度穩(wěn)定在3 400 mg/L,pH 在7.0～8.0 之間,系統(tǒng)啟動完成,在36天的時候開始投加單寧酸.

2.2.1 氮磷和有機物的去除效率

反應(yīng)器出水水質(zhì)變化如圖3所示.由圖3可知,污泥馴化期間(0～36 d)SBR反應(yīng)器氨氮的去除率一直比較高,基本處于檢測不到的狀態(tài).2號反應(yīng)器加單寧酸后,出水氨氮濃度從第七天開始呈現(xiàn)出逐漸增加的趨勢,到第11天的時候基本穩(wěn)定在30 mg/L左右.

亞硝氮的含量在加單寧酸后第5天出現(xiàn)增加的趨勢,但是在第8天以后基本檢測不到.分析原因可能是在第5天的時候出現(xiàn)了亞硝氮的累積,而隨著氨氧化細菌的活性越來越低,氨氮轉(zhuǎn)化成的亞硝氮越來越少,反應(yīng)器中的亞硝酸鹽氧化菌將積累的亞硝氮轉(zhuǎn)化為硝氮1號反應(yīng)器與2號反應(yīng)器未加單寧酸階段出水硝酸鹽變化趨勢基本一致,1號反應(yīng)器運行基本穩(wěn)定,出水硝酸鹽濃度在25 mg/L所有.2號反應(yīng)器加單寧酸后,由于氨氧化菌和亞硝酸鹽氧化菌代謝活性受到抑制,因此進水中的氮主要以氨氮的形式從系統(tǒng)中排出,硝酸鹽濃度維持在較低水平.反應(yīng)器出水磷酸鹽變化如圖3所示。由圖可知,加單寧酸后的前5天磷酸鹽含量出現(xiàn)了由低到高再到低的變化,5 d以后基本檢測不到.說明加單寧酸5天后聚磷菌能較快適應(yīng)單寧酸的存在,進水中60 mg/L 的單寧酸對聚磷菌無明顯抑制作用.

圖3 反應(yīng)器出水水質(zhì)變化

反應(yīng)器出水COD變化如圖4為所示.由圖4可知,反應(yīng)器啟動初期(0～11 d),運行效果不穩(wěn)定,出水COD濃度在30～120 mg/L,波動較大.在運行的第12～26 d,兩個反應(yīng)器的出水水質(zhì)在36～78 mg/L范圍內(nèi)波動,逐漸趨于穩(wěn)定.在27～35 d,出水COD濃度為38±3 mg/L,反應(yīng)器達到穩(wěn)定運行階段.從第36 d開始,向反應(yīng)器中添加60 mg/L的單寧酸,可以看出,2 號反應(yīng)器加入單寧酸的第二天出水COD由單寧酸加入前的36 mg/L升高到84 mg/L,并且在5 d內(nèi)持續(xù)上升到110 mg/L,同時,1號反應(yīng)器出水COD基本穩(wěn)定在45±8 mg/L.由此可見,單寧酸的加入對有機物的去除起到了一定的抑制作用,這可能與單寧酸的抑菌有關(guān)[12-14].另一方面,單寧酸屬于多酚類物質(zhì),它的加入本身增加了進水中有機物的量,王勇等的研究結(jié)果表明,單寧酸經(jīng)好氧微生物降解后仍有25%左右的COD殘留[5].

圖4 反應(yīng)器出水COD 的變化

2.2.2 污染物降解歷程

典型周期內(nèi)SBR 系統(tǒng)中水質(zhì)的歷時變化如圖5所示.由圖5可知,1號反應(yīng)器在整個周期內(nèi),氨氮逐漸下降,運行2.5 h后,反應(yīng)器內(nèi)的氨氮幾乎為零,亞硝氮在運行期間逐漸下降,在一個小時后,基本在檢測線以下.硝酸鹽處于一個逐漸上升的狀態(tài).由氨氮和亞硝酸鹽的過程曲線可以看出,氨氧化和亞硝酸鹽的氧化幾乎同時進行.

加單寧酸后第10天對2號反應(yīng)器典型周期內(nèi)SBR 系統(tǒng)中的水質(zhì)變化情況進行了檢測,由圖5可見,2號反應(yīng)器中氨氮最開始逐漸下降,2 h以后基本保持在29 mg/L.亞硝氮一直處于檢測不到的狀態(tài),硝酸鹽氮浮動也不大.說明加單寧酸以后對氨氧化細菌的代謝活性影響較大.氨氧化過程受到抑制以后,亞硝酸鹽氧化菌因缺少基質(zhì)而使得亞硝氮一直處于較低水平.

圖5 典型周期內(nèi)SBR 系統(tǒng)中水質(zhì)的歷時變化

在整個運行周期內(nèi),磷酸鹽含量逐漸下降,運行2～3 h 后,反應(yīng)器內(nèi)的磷酸鹽幾乎為零.可見,60 mg/L的單寧酸對磷酸鹽的去除沒有顯著影響.

典型周期內(nèi)SBR 系統(tǒng)中COD 的歷時變化如圖6所示.進水以葡萄糖為碳源,進水后COD 迅速下降.從圖6 的對比來看,1 號反應(yīng)器中出水COD 濃度基本保持在50 mg/L,而加了單寧酸的2號反應(yīng)器COD 濃度基本保持在100 mg/L,與圖4反應(yīng)器出水COD 濃度變化基本吻合.

圖6 典型周期內(nèi)SBR 系統(tǒng)中COD 的歷時變化

2.2.3 對硝化菌代謝活性影響

對照組與實驗組組氨氧化速率與亞硝酸鹽氧化速率對比如圖7所示.試驗的溫度25 ℃±1 ℃.由圖7可知,2號反應(yīng)器氨氧化速率明顯不及對照組即1號反應(yīng)器.1號反應(yīng)器中活性污泥氨氧化速率為4.15 mg2號反應(yīng)器中活性污泥的氨氧化速率為2.69 mg說明單寧酸的長期暴露對氨氧化細菌的影響比較大.這一點可以和單寧酸短期暴露的結(jié)果互相印證.單寧酸對酶的抑制具有選擇性[15],這可能是造成單寧酸對氨氧化菌和亞硝酸鹽氧化菌抑制程度不同的原因.

圖7 對照組(1號反應(yīng)器)和實驗組(2號反應(yīng)器)硝化速率

2號反應(yīng)器亞硝酸鹽氧化速率明顯不及1號反應(yīng)器.1號反應(yīng)器中活性污泥亞硝酸鹽氧化速率為5.01 mg-N/g VSS h,2 號反應(yīng)器中活性污泥的亞硝酸鹽氧化速率為2.09 mgN/g VSS h.說明單寧酸的長期暴露同樣對亞硝酸鹽氧化細菌的影響也比較大,抑制了亞硝酸鹽氧化速率,降低了亞硝酸鹽氮的去除率.

表3為單寧酸短期暴露和長期暴露條件下硝化菌代謝活性變化的數(shù)據(jù),因長期暴露進水單寧酸濃度為60 mg/L,稀釋比為2,即對應(yīng)的反應(yīng)器中單寧酸濃度為30 mg/L,因此將30 mg/L 單寧酸短期暴露與反應(yīng)器進水單寧酸濃度為60 mg/L代謝活性數(shù)據(jù)進行對比分析,通過對比分析可知,長期暴露對硝化菌代謝活性的抑制作用更明顯,長期暴露使得氨氧化和亞硝酸鹽氧化的抑制率分別提高了32.3%和53.9%.即氨氧化菌和亞硝酸鹽氧化菌對單寧酸的短期抑制具有一定程度的耐受性,長期接觸后具有慢性的毒性積累.

表3 單寧酸短期、長期暴露對硝化代謝菌活性影響對照表

2.3 顯微鏡檢結(jié)果

顯微鏡觀察是收集活性污泥質(zhì)量信息最快捷有效的方法之一.圖8為對照組和實驗組100倍顯微鏡檢照片.由圖8可知,1號反應(yīng)器中活性污泥絮體較大,且結(jié)構(gòu)密實.絮體大而密實的活性污泥在水質(zhì)發(fā)生變化時具有更高的抗沖擊力.同時固著型種屬鐘蟲的存在也表明活性污泥活性良好[16].

圖8 對照組(1號反應(yīng)器)和實驗組(2號反應(yīng)器)顯微鏡檢照片

由2號反應(yīng)器鏡檢圖發(fā)現(xiàn)有擬輪毛蟲屬存在,但污泥絮體明顯減少,且結(jié)構(gòu)更為松散的特征是一致的.結(jié)合污泥絮體情況及原生動物對活性污泥的指示作用[17]可知,單寧酸的投加對活性污泥絮體結(jié)構(gòu)及原生動物的生存造成了不利影響.

2.4 SEM 結(jié)果

對照組和實驗組運行不同時間段的SEM 圖如圖9所示.在對照組和實驗組第4天的活性污泥樣品中觀察到大量的球菌,活性污泥絮體空隙明顯,菌膠團之間的界限相對清晰,第8天的活性污泥孔隙結(jié)構(gòu)明顯減少,絮體分層結(jié)構(gòu)削弱,菌膠團之間的界限模糊.An等[18]在研究三聚氰胺對活性污泥系統(tǒng)影響時觀察到了類似的現(xiàn)象

圖9 對照組和實驗組運行不同時間段的SEM 圖

大多數(shù)有毒物質(zhì)都會對活性污泥產(chǎn)生不利影響.單寧酸作為皮革工業(yè)中常用化料,其在長期暴露的條件下不僅對硝化細菌的活性產(chǎn)生抑制作用,也對活性污泥表面形態(tài)造成不利影響.

3 結(jié)論

(1)單寧酸短期暴露對硝化菌活性具有明顯抑制作用.當單寧酸濃度從0 mg/L增加到30 mg/L,60 mg/L和90 mg/L時,氨氧化菌的活性分別下降了2.95%,21.5%和24.7%,亞硝酸鹽氧化菌活性分別下降了4.37%,9.33%和14.29%.即單寧酸短期暴露對氨氧化菌的影響整體大于對亞硝酸鹽氧化菌.

(2)單寧酸長期暴露對污水處理系統(tǒng)的脫碳脫氮微生物均具有明顯的抑制作用.長期暴露使得氨氧化和亞硝酸鹽氧化的抑制率分別提高了32.3%和53.9%.即氨氧化菌和亞硝酸鹽氧化菌對單寧酸的長期暴露毒性高于短期暴露.

(3)單寧酸的長期暴露會使得活性污泥結(jié)構(gòu)松散,絮體減少.SEM 的結(jié)果表明,污泥絮體孔隙結(jié)構(gòu)減少,絮體分層結(jié)構(gòu)削弱,菌膠團之間的界限趨于模糊.