鄰苯二甲酸二乙酯對(duì)活性污泥脫氮除磷性能的影響*

幸華秀 孔秀琴 羅英海 李 影 趙 霞

(蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院,甘肅 蘭州 730050)

鄰苯二甲酸酯(PAEs)是一類有毒的合成有機(jī)物[1]。PAEs作為增塑劑廣泛應(yīng)用于塑料、玩具、醫(yī)療器械等的生產(chǎn)過(guò)程中[2-3]。在合成材料中,PAEs以非共價(jià)鍵形式存在,易斷裂重組滲入到環(huán)境中[4],PAEs在土壤、河流、空氣、底泥和廢水等多種介質(zhì)中被頻繁檢出[5]。工業(yè)廢水中含有高濃度PAEs,其中制藥廢水里PAEs質(zhì)量濃度可達(dá)10 mg/L[6]。

作為一種典型的PAEs,鄰苯二甲酸二乙酯(DEP)使用率較高,風(fēng)化作用下易從塑料釋放到環(huán)境中。周益奇等[7]發(fā)現(xiàn),北京市污水處理廠進(jìn)水中DEP質(zhì)量濃度高達(dá)21.00 μg/L。污水處理廠大多采用活性污泥工藝,生物降解已成為廢水中DEP去除的主要途徑。目前,有關(guān)微生物對(duì)PAEs生物降解的研究較多,但關(guān)于PAEs對(duì)廢水處理影響的研究有限。據(jù)報(bào)道,序批式活性污泥反應(yīng)器(SBR)內(nèi)氨氮去除率隨著PAEs質(zhì)量濃度(10～150 mg/L)的升高而降低,種群豐富度則先降低后升高最后逐漸趨于穩(wěn)定[8]。高濃度鄰苯二甲酸二丁酯(DBP)和鄰苯二甲酸二乙基己酯(DEHP)在垃圾滲濾液處理中對(duì)污染物去除和微生物群落有明顯影響[9]。DEP具有一定生物毒性,可能會(huì)對(duì)活性污泥中的微生物產(chǎn)生不利影響,由此對(duì)活性污泥脫氮除磷性能帶來(lái)干擾。目前,關(guān)于DEP對(duì)污泥微生物在廢水處理中的影響還未得到深入探究。

本研究以模擬廢水為進(jìn)水,探究不同濃度梯度DEP對(duì)廢水生物處理中脫氮除磷性能的影響,分析DEP作用下活性污泥生物量、胞外聚合物(EPS)和相關(guān)酶活性的變化,通過(guò)高通量測(cè)序統(tǒng)計(jì)相關(guān)脫氮除磷功能菌的相對(duì)豐度,揭示DEP對(duì)活性污泥脫氮除磷性能的影響機(jī)理。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置采用SBR反應(yīng)器,反應(yīng)器為圓柱形,內(nèi)徑28 cm、高度40 cm,反應(yīng)器上端進(jìn)水,右側(cè)孔口出水。反應(yīng)器頂部放置電動(dòng)攪拌器。反應(yīng)器采用空氣壓縮機(jī)曝氣充氧,轉(zhuǎn)子流量計(jì)控制空氣流速,反應(yīng)器內(nèi)放置面包石作為微孔空氣擴(kuò)散器(見(jiàn)圖1)。

1—空氣壓縮機(jī);2—轉(zhuǎn)子流量計(jì);3—進(jìn)水箱;4—面包石;5—出水口;6—電動(dòng)攪拌器圖1 試驗(yàn)裝置Fig.1 Experimental setup

為減少進(jìn)水水質(zhì)波動(dòng),試驗(yàn)進(jìn)水采用人工合成模擬廢水,以自來(lái)水為溶劑,用C6H12O6、NH4Cl、KH2PO4調(diào)節(jié)進(jìn)水COD、氨氮、總氮(TN)和總磷(TP)分別為274.45～617.50、35.84～39.06、38.35～41.79、1.81～1.97 mg/L。接種污泥取自某污水處理廠好氧曝氣池,污泥混合液懸浮固體(MLSS)質(zhì)量濃度為(4 330±10) mg/L。

1.2 試驗(yàn)方法

SBR工作體積為15 L,每周期運(yùn)行時(shí)間12.0 h,包括進(jìn)水0.3 h,厭氧2.0 h,好氧曝氣4.0 h,缺氧攪拌4.0 h,靜置1.0 h,排水0.3 h,閑置0.4 h。缺氧和厭氧采用機(jī)械攪拌進(jìn)行混合,好氧階段溶解氧(DO)為2.2～2.6 mg/L。試驗(yàn)分為6個(gè)反應(yīng)階段,第1階段未添加DEP(CK處理),第2～6階段DEP質(zhì)量濃度分別為25、50、75、100、150 mg/L,每個(gè)階段均運(yùn)行7 d。

1.3 樣品采集與分析

每天測(cè)定進(jìn)出水中COD、氨氮、TN和TP含量,待各試驗(yàn)階段運(yùn)行穩(wěn)定后,在典型周期的反應(yīng)時(shí)段(厭氧、好氧、缺氧)內(nèi)每隔1 h采集1次水樣,測(cè)定COD、氨氮、硝態(tài)氮、亞硝態(tài)氮和TP濃度變化。采用5B-3C(V8)型多參數(shù)水質(zhì)分析儀測(cè)定COD、氨氮、硝態(tài)氮、亞硝態(tài)氮和TP含量,采用堿性過(guò)硫酸鉀消化—紫外分光光度法測(cè)定TN含量。

取各試驗(yàn)階段末的污泥樣品,每組取3個(gè)平行樣,測(cè)定反應(yīng)器內(nèi)活性污泥的MLSS和揮發(fā)性懸浮固體(MLVSS);分析污泥中脫氫酶、硝酸鹽還原酶(Nar)和亞硝酸鹽還原酶(Nir)活性,具體方法參考文獻(xiàn)[10]、[11];采用離心和超聲波法分層提取污泥中的EPS,采用考馬斯亮藍(lán)法、蒽酮法測(cè)定EPS中蛋白質(zhì)(PN)和多糖(PS)含量。

將污泥樣品在Illumina MiSeq高通量測(cè)序平臺(tái)上進(jìn)行測(cè)序,用16S rDNA V3～V4區(qū)通用引物對(duì)(341F正向引物(CCTACGGGNGGCWGCAG)和806R反向引物(GGACTACHVGGGGTWTCTAAT))進(jìn)行聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)擴(kuò)增(PCR)。通過(guò)Usearch軟件將有效序列分成具有97%同源性閾值的可操作分類單元進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

采用SPSS 17.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析,采用Origin 8.0進(jìn)行繪圖。

2 結(jié)果和討論

2.1 DEP對(duì)SBR性能的影響

2.1.1 DEP對(duì)COD及氮磷去除率的影響

測(cè)定各試驗(yàn)階段每天進(jìn)出水中COD、氨氮、TN和TP濃度,計(jì)算去除率,結(jié)果見(jiàn)圖2。DEP為25 mg/L時(shí),COD去除率為91.74%,與CK處理的COD去除率(92.92%)相比差異較小,此時(shí)微生物可利用DEP作為碳源。DEP為50 mg/L時(shí),微生物對(duì)DEP敏感,COD去除率下降。隨著DEP濃度的增加,微生物逐漸適應(yīng),SBR的COD去除率穩(wěn)定在80%以上。AHMADI等[12]研究發(fā)現(xiàn),DEP為300 mg/L的活性污泥系統(tǒng)運(yùn)行12 h后COD去除率仍可達(dá)57%,這些結(jié)果均表明DEP達(dá)到一定濃度后會(huì)對(duì)碳源微生物產(chǎn)生毒性作用,但影響輕微,差異相對(duì)較小。

圖2 DEP對(duì)水質(zhì)指標(biāo)去除率的影響Fig.2 Effects of DEP on the removal rate of water quality index

脫氮過(guò)程需要足夠的碳源將氨氮轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮、亞硝態(tài)氮、N2O或N2[13]。DEP為25 mg/L時(shí),氨氮去除率為93.18%,較CK處理的氨氮去除率(91.68%)略有升高,但差異不顯著(p>0.05)。隨著DEP增加到75～150 mg/L,氨氮去除率顯著下降(p<0.01),表明過(guò)量DEP會(huì)影響硝化菌的生長(zhǎng),抑制硝化過(guò)程,不利于氨氮的去除。TN去除率與氨氮去除率的變化趨勢(shì)一致,DEP為25 mg/L時(shí)TN去除率(61.56%)較CK處理的TN去除率(53.01%)顯著升高(p<0.01),但DEP增加到75～150 mg/L,TN去除率較CK處理顯著下降(p<0.05),這與QI等[14]的研究結(jié)論相似,即低濃度DEP可作為一種潛在補(bǔ)充碳源提高TN去除率,但高濃度DEP會(huì)對(duì)TN和氨氮的去除有一定阻礙作用。

DEP為25～75 mg/L時(shí)TP去除率雖有所下降,但與CK處理相比差異不顯著(p>0.05)。DEP達(dá)到100、150 mg/L時(shí),TP去除率比CK處理分別降低9.32、24.92百分點(diǎn),說(shuō)明高濃度DEP會(huì)抑制聚磷菌(PAOs)活性,使TP去除率顯著降低(p<0.05)。

2.1.2 DEP對(duì)COD及氮磷去除過(guò)程的影響

為進(jìn)一步探究DEP對(duì)有機(jī)物以及氮磷去除過(guò)程的影響,研究SBR系統(tǒng)在各試驗(yàn)階段典型周期內(nèi)COD和氮磷濃度的變化,結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 DEP對(duì)COD及氮磷生物去除過(guò)程的影響Fig.3 Effects of DEP on biological removal process of COD,nitrogen and phosphorus

由圖3(a)可見(jiàn),6個(gè)試驗(yàn)階段的COD均在反應(yīng)1 h內(nèi)迅速下降,在4 h后COD保持在低水平,這是因?yàn)樵谟醒鹾蛿嚢钘l件下微生物能快速降解有機(jī)物[15]。活性污泥有一定的DEP降解能力,但降解時(shí)間較長(zhǎng),因此導(dǎo)致DEP為150 mg/L時(shí),反應(yīng)過(guò)程中COD濃度下降較慢[16],殘余未降解的DEP使反應(yīng)結(jié)束時(shí)COD濃度仍偏高。總體而言,DEP的添加對(duì)SBR中COD的去除影響相對(duì)輕微。

由圖3(b)可見(jiàn),當(dāng)進(jìn)水DEP≤50 mg/L時(shí),反應(yīng)結(jié)束時(shí)氨氮可降至10 mg/L以下,當(dāng)進(jìn)水DEP為75～150 mg/L時(shí),氨氮在反應(yīng)最初1 h迅速下降,到反應(yīng)結(jié)束仍在20 mg/L左右,說(shuō)明低濃度DEP對(duì)于氨氮去除的影響較低,而高濃度DEP能夠明顯抑制氨氮的去除。由圖3(c)、圖3(d)可見(jiàn),反應(yīng)過(guò)程中亞硝態(tài)氮和硝態(tài)氮的生成量總體隨DEP濃度增加而減少,推斷DEP主要影響脫氮過(guò)程中的硝化作用,即氨氮氧化至亞硝態(tài)氮和硝態(tài)氮的過(guò)程受到抑制,導(dǎo)致高濃度DEP下,反應(yīng)結(jié)束時(shí)出水氨氮較高,亞硝態(tài)氮和硝態(tài)氮較低。

由圖3(e)可見(jiàn),在PAOs參與下,各試驗(yàn)階段反應(yīng)過(guò)程中均出現(xiàn)了釋磷和吸磷現(xiàn)象,進(jìn)水TP為1.87～1.94 mg/L,反應(yīng)結(jié)束時(shí)TP為0.76～1.10 mg/L。反應(yīng)初始2 h為厭氧階段,PAOs釋放磷酸鹽,TP濃度增加[17]。CK處理反應(yīng)2 h后SBR內(nèi)TP達(dá)到3.60 mg/L;DEP為25、50、75、100、150 mg/L時(shí),反應(yīng)2 h后SBR內(nèi)TP分別為4.31、4.75、4.94、4.82、5.09 mg/L,說(shuō)明DEP對(duì)磷的釋放過(guò)程有輕微促進(jìn)作用,導(dǎo)致水體中TP含量升高;2～6 h為好氧階段,PAOs從水體中吸磷,TP快速下降[18];DEP為25、50、75、100、150 mg/L時(shí),反應(yīng)結(jié)束出水TP分別為0.79、0.83、0.84、0.81、1.10 mg/L,均高于CK處理的0.76 mg/L。釋磷階段釋放出的TP濃度越高,則吸磷階段最終殘留的TP濃度就越高,這是導(dǎo)致TP去除率隨DEP濃度升高而下降的原因?？梢?jiàn),DEP通過(guò)影響釋磷過(guò)程來(lái)抑制TP的去除。

碳源是生物脫氮除磷過(guò)程中的重要因素,影響系統(tǒng)中微生物代謝活性和氮磷去除效率[19]。DEP是一種碳源有機(jī)物,但對(duì)某些微生物而言是難降解的有毒物質(zhì),因此DEP會(huì)影響系統(tǒng)的脫氮除磷性能。

2.2 SBR中EPS的變化

有毒外源物質(zhì)進(jìn)入廢水生物處理系統(tǒng)后,污泥生物量會(huì)發(fā)生變化,同時(shí)微生物會(huì)分泌EPS作為防御有毒環(huán)境的屏障[20]。在未添加DEP的CK處理階段,SBR內(nèi)MLSS穩(wěn)定在4 330 mg/L,活性污泥狀態(tài)良好。當(dāng)DEP由25 mg/L提高到150 mg/L時(shí),SBR內(nèi)MLSS和MLVSS出現(xiàn)波動(dòng),說(shuō)明DEP對(duì)污泥中微生物的生物量有一定影響。MLSS、MLVSS在DEP加入后均逐漸下降,在DEP為75 mg/L時(shí)出現(xiàn)最低值3 066、2 448 mg/L。DEP為150 mg/L時(shí),SBR內(nèi)MLSS、MLVSS雖低于CK處理,但仍分別達(dá)到3 695、3 093 mg/L,表明DEP的生物毒性對(duì)生物量有一定的沖擊,但隨著長(zhǎng)時(shí)間的馴化,微生物能逐漸適應(yīng)進(jìn)水中的DEP。

EPS主要由PN和PS組成[21]。從圖4可以看出,EPS中PN和PS含量隨DEP的添加有不同程度的增大,且PS的增加幅度大于PN。PN和PS的增加可減輕DEP對(duì)微生物的脅迫[22]。與CK處理相比,DEP為150 mg/L 時(shí)PS增加了1.88倍,PN增加了0.73倍,表明DEP的存在主要促進(jìn)了PS的形成,使EPS的總量提高。

圖4 DEP對(duì)PS與PN的影響 Fig.4 The effect of DEP on PS and PN

2.3 底物酶活性的變化

酶活性在一定程度上可反映系統(tǒng)受污染脅迫情況,評(píng)估系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)。脫氫酶活性表征污染物對(duì)微生物的影響[23],不同DEP含量下,脫氫酶活性變化見(jiàn)圖5。與CK處理相比,除DEP為25 mg/L時(shí)脫氫酶活性略有下降,其余DEP含量下脫氫酶活性均顯著提高(p<0.01),其中DEP為75、100、150 mg/L時(shí)脫氫酶活性分別提高了77.37%、112.86%、106.53%,這說(shuō)明微生物在DEP毒性脅迫下做出了應(yīng)激表達(dá),可通過(guò)分泌脫氫酶來(lái)中和毒素[24]。推測(cè)加入DEP初期,SBR內(nèi)微生物受到DEP的沖擊,脫氫酶活性下降,之后微生物在DEP脅迫下做出相應(yīng)調(diào)整,群落里形成能降解DEP的菌群,導(dǎo)致脫氫酶活性升高。KAPANEN等[25]在添加PAEs的土壤中也檢測(cè)到脫氫酶活性增強(qiáng)?？梢?jiàn),在適宜范圍(25～150 mg/L)內(nèi),DEP刺激了脫氫酶活性,微生物能夠?qū)EP作為碳和能源物質(zhì)進(jìn)行降解利用。

圖5 DEP對(duì)SBR系統(tǒng)內(nèi)活性污泥3種酶活性的影響Fig.5 Effects of DEP on three enzyme activities of activated sludge in SBR system

Nar可以參與硝態(tài)氮向亞硝態(tài)氮的轉(zhuǎn)化,試驗(yàn)進(jìn)水不含硝態(tài)氮、亞硝態(tài)氮,硝態(tài)氮、亞硝態(tài)氮均由氨氮轉(zhuǎn)化生成。由圖5可見(jiàn),DEP為0～150 mg/L時(shí),Nar活性隨著DEP濃度的增加波動(dòng)較大,DEP為100 mg/L時(shí)達(dá)到最大值0.68 mg/(mL·d),DEP為25 mg/L時(shí)達(dá)到最小值0.16 mg/(mL·d)。Nar對(duì)DEP的沖擊較敏感,在DEP為25 mg/L時(shí)活性暫時(shí)下降,經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的適應(yīng),隨著DEP濃度調(diào)高,Nar活性逐漸恢復(fù),甚至超過(guò)CK處理的Nar活性,這可能是微生物逐漸適應(yīng)污染物并利用其作為碳和能源的結(jié)果。有研究指出,當(dāng)外來(lái)污染物進(jìn)入活性污泥系統(tǒng)后,用于降解污染物的相關(guān)酶(胞外酶等)會(huì)與污染物結(jié)合,降低污染物對(duì)微生物的脅迫水平[26]。DEP在50～150 mg/L時(shí)微生物分泌更多的Nar,可見(jiàn)DEP對(duì)Nar活性總體影響不大,但因DEP對(duì)硝化過(guò)程的抑制,使得DEP較高(75～100 mg/L)時(shí)硝態(tài)氮生成量較少(見(jiàn)圖3(d)),因此盡管具有較高的Nar活性,但受Nar作用基質(zhì)的限制,最終對(duì)TN去除率沒(méi)有較大貢獻(xiàn)。

Nir可在缺氧條件下將亞硝態(tài)氮還原為NO,是反硝化的關(guān)鍵酶[27]。由圖5可見(jiàn),Nir活性隨DEP濃度的增加而下降,DEP為25、50、75、100 mg/L時(shí)Nir活性變化并不明顯,當(dāng)DEP為150 mg/L時(shí),Nir活性達(dá)到顯著抑制水平(p<0.05),抑制率為39.02%,表明高濃度DEP會(huì)抑制亞硝酸鹽還原微生物的活性。另外,酶通常由底物誘導(dǎo)合成,底物濃度是影響酶活性的一個(gè)重要因素,底物濃度過(guò)低會(huì)抑制酶活性[28]。高濃度DEP抑制硝化過(guò)程使得亞硝態(tài)氮濃度過(guò)低,從而導(dǎo)致Nir活性降低。

2.4 微生物群落結(jié)構(gòu)

由于DEP有較強(qiáng)的生物抑制性,因此推測(cè)DEP可能會(huì)改變污泥中微生物群落結(jié)構(gòu),影響常規(guī)污染物的去除效果。

2.4.1 優(yōu)勢(shì)微生物群落組成

不同DEP處理下活性污泥優(yōu)勢(shì)菌屬豐度變化見(jiàn)圖6。不動(dòng)桿菌屬、假單胞菌屬、Phaeodactylibacter和金黃桿菌屬的相對(duì)豐度處于相對(duì)較高水平。假單胞菌屬是一種脫氮除磷菌[29],高濃度DEP的生物毒性導(dǎo)致其相對(duì)豐度降低,DEP由0 mg/L增至150 mg/L時(shí),假單胞菌屬相對(duì)豐度由18.86%降至1.21%,這可能是TN、TP去除率下降的主要原因。不動(dòng)桿菌屬主要參與苯酚類物質(zhì)的降解[30]。添加DEP后,不動(dòng)桿菌屬的相對(duì)豐度遠(yuǎn)高于CK處理的1.44%,說(shuō)明DEP脅迫下污泥中出現(xiàn)了DEP降解菌。在DEP為50～150 mg/L時(shí),活性污泥中還發(fā)現(xiàn)了一些相對(duì)豐度較高的菌群,Phaeodactylibacter、動(dòng)膠菌屬、金黃桿菌屬和小梨形菌屬逐漸成為優(yōu)勢(shì)菌,可能是這些優(yōu)勢(shì)細(xì)菌對(duì)DEP及其代謝物的抗性誘導(dǎo)了其增殖。

圖6 活性污泥在屬水平的細(xì)菌群落組成 Fig.6 The bacterial community composition of activated sludge at the genus level

2.4.2 DEP對(duì)脫氮除磷功能菌的影響

當(dāng)DEP為150 mg/L時(shí),DEP影響了出水水質(zhì)和微生物群落結(jié)構(gòu),導(dǎo)致系統(tǒng)性能惡化。為深入了解DEP對(duì)系統(tǒng)脫氮除磷的影響,對(duì)CK處理與DEP為150 mg/L的泥樣脫氮除磷功能菌進(jìn)行對(duì)比分析。

試驗(yàn)中檢測(cè)到2種亞硝酸鹽氧化菌(NOB),分別為硝化螺旋菌屬(Nitrospira)[31]和芽孢桿菌屬(Bacillus)[32];3種反硝化菌(DNB),分別為假單胞菌屬[33]、不動(dòng)桿菌屬[34]和獨(dú)島桿菌屬[35]。假單胞菌屬[36]、不動(dòng)桿菌屬[37]均可參與氮磷循環(huán),既是DNB也是典型的PAOs。此外,狹義梭菌屬[38]也一種典型的PAOs。Candidatus_Competibacter[39]屬于聚糖菌(GAOs)。

由圖7可見(jiàn),DEP為150 mg/L時(shí)泥樣中硝化螺旋菌屬和芽孢桿菌屬相對(duì)豐度分別為0.01%、0.04%,低于CK處理的0.87%、0.74%,表明高濃度DEP抑制了硝化螺旋菌屬和芽孢桿菌屬的活性,NOB幾乎被消除,硝化過(guò)程被抑制。DNB參與了硝態(tài)氮和亞硝態(tài)氮的還原過(guò)程,當(dāng)DEP為150 mg/L時(shí),假單胞菌屬、不動(dòng)桿菌屬和獨(dú)島桿菌屬3種DNB的總相對(duì)豐度(16.41%)明顯低于CK處理(25.14%),與圖5中Nar和Nir活性下降相對(duì)應(yīng)?？梢?jiàn),DEP減少了脫氮功能菌群的相對(duì)豐度,對(duì)SBR系統(tǒng)的脫氮性能產(chǎn)生不利影響。

圖7 屬水平上脫氮除磷功能微生物的相對(duì)豐度Fig.7 Relative abundance of functional microorganisms for nitrogen and phosphorus removal at the genus level

總體看來(lái),在DEP脅迫下PAOs相對(duì)豐度下降,GAOs略有上升,GAOs與PAOs競(jìng)爭(zhēng)碳源,會(huì)間接影響磷的去除,此結(jié)果與TP去除情況變化一致,添加DEP后系統(tǒng)生物除磷性能受到抑制。

3 結(jié) 論

(1) DEP對(duì)活性污泥的脫氮除磷性能產(chǎn)生不利影響。與未添加DEP的CK處理相比,DEP為75～150 mg/L時(shí),TN和氨氮去除率顯著下降;DEP為100、150 mg/L時(shí),TP去除率受到顯著抑制;DEP對(duì)COD的去除無(wú)顯著影響。

(2) 在DEP暴露下,活性污泥中微生物的生物量減少,EPS增加。DEP在50～150 mg/L時(shí)脫氫酶被激活,從而保證COD去除率穩(wěn)定在80%以上,在此濃度水平下,Nar活性也有所提高,25～100 mg/L的DEP對(duì)Nir活性無(wú)顯著影響,但DEP為150 mg/L時(shí)Nir活性顯著降低。

(3) 在150 mg/L DEP脅迫下,假單胞菌屬相對(duì)豐度明顯降低,不動(dòng)桿菌屬、Phaeodactylibacter、動(dòng)膠菌屬、金黃桿菌屬和小梨形菌屬成為優(yōu)勢(shì)菌屬。此外,NOB、DNB和PAOs的相對(duì)豐度下降,導(dǎo)致系統(tǒng)脫氮除磷性能受到抑制。