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      Zn(Ⅱ)和Cu(Ⅱ)對SBBR處理豬場廢水效果和微生物活性影響及相互關(guān)系

      2018-01-06 17:18:44萬金保薛杰春萬莉章洪濤鄔容偉
      江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué) 2017年22期
      關(guān)鍵詞:重金屬

      萬金保+薛杰春+萬莉+章洪濤+鄔容偉

      摘要: 為減輕重金屬對豬場廢水生物處理效果的影響,從影響程度和毒性機(jī)制的角度,分析養(yǎng)豬場廢水的有機(jī)物降解效果和微生物活性的相互關(guān)系。以模擬豬場廢水為研究對象,分析在廢水中加入不同濃度Zn(Ⅱ)和Cu(Ⅱ)對序批式生物膜反應(yīng)器(sequencing biofilm batch reactor,簡稱SBBR)系統(tǒng)的影響,包括化學(xué)需氧量(chemical oxygen demand,簡稱COD)、微生物呼吸、微生物代謝及相關(guān)性。結(jié)果表明:(1)在SBBR系統(tǒng)中,Zn(Ⅱ)、Cu(Ⅱ)對廢水處理效果的影響和對微生物呼吸作用的影響均在2~4 mg/L之間,為促進(jìn)和抑制的分界,且Cu(Ⅱ)對微生物的毒性大于Zn(Ⅱ)。(2)在SBBR系統(tǒng)中,Zn(Ⅱ)、Cu(Ⅱ)對廢水處理效果的影響與其對微生物呼吸的影響有一定的相互關(guān)系,且Zn(Ⅱ)、Cu(Ⅱ)不僅能影響微生物自身活性,還可阻礙微生物吸收營養(yǎng)物質(zhì),從而抑制COD降解。(3)溶解性微生物產(chǎn)物(soluble microbial products,簡稱SMP)因其來源和自身化學(xué)特性,在Cu(Ⅱ)的存在下,不能反映微生物代謝活性。

      關(guān)鍵詞: 序批式生物膜反應(yīng)器;重金屬;豬場廢水;微生物活性;呼吸作用

      中圖分類號: X703 文獻(xiàn)標(biāo)志碼: A

      文章編號:1002-1302(2017)22-0304-04

      隨著近年來豬場的規(guī)模化發(fā)展,飼養(yǎng)者常在飼料中添加大量重金屬為主的微量元素促進(jìn)豬體生長。這些重金屬大多無法被豬體吸收而隨糞尿外排,進(jìn)入廢水。調(diào)查結(jié)果表明,在豬場廢水中,Zn、Cu是最常見的重金屬元素,且Zn濃度普遍高于Cu[1-3]。重金屬濃度因不同的豬場而異,孫建平測定杭州市某一豬場廢水重金屬含量發(fā)現(xiàn),Zn(Ⅱ)和Cu(Ⅱ)含量分別為27.0、13.6 mg/L[2],筆者測定江西省某規(guī)模化養(yǎng)豬場中的Zn(Ⅱ)、Cu(Ⅱ)含量分別為13.3、7.8 mg/L。廢水中Cu和Zn對活性污泥的微生物生長造成影響,進(jìn)而影響廢水生物處理的效果。關(guān)于豬場廢水中重金屬對微生物的毒性研究越來越多,有研究表明,一定濃度的重金屬能抑制微生物對廢水中有機(jī)物的降解[4-6]。本研究以序批式生物膜反應(yīng)器(sequencing biofilm batch reactor,簡稱SBBR)為依托,處理模擬豬場廢水,探究不同濃度的Zn(Ⅱ)、Cu(Ⅱ)對SBBR處理模擬豬場廢水效果的影響,并通過測定污泥中的微生物活性,研究在Zn(Ⅱ)、Cu(Ⅱ)影響下,廢水中有機(jī)物降解變化與微生物的呼吸及代謝間的關(guān)系。

      1 材料與方法

      1.1 試驗(yàn)用水

      試驗(yàn)用水采用人工配制的模擬豬場廢水,水質(zhì)條件為CODCr為1 468.3 mg/L、NH3-N含量為244.5 mg/L、總磷(total phosphorus,簡稱TP)含量為19.3 mg/L、pH值為7.3。

      1.2 接種污泥

      試驗(yàn)污泥取自江西省某萬頭豬場SBBR池沉淀污泥,污泥體積指數(shù)(switch virtual interface,簡稱SVI)、污泥沉降比(settling vslocity,簡稱SV30)、懸浮固體濃度(mixed liquid suspended solids,簡稱MLSS)分別為50.3 mL/g、56%、18.5 g/L,取回后接種培養(yǎng),試驗(yàn)前在SBBR裝置中用模擬廢水馴化7 d。

      1.3 試驗(yàn)裝置

      SBBR工藝模型的規(guī)格為150 mm×100 mm×120 mm。共16組,每組掛有4個人造纖維作為污泥生長的載體,間歇運(yùn)行,自動化控制。

      1.4 試驗(yàn)方法

      SBBR運(yùn)行周期為進(jìn)水(1 min)—曝氣(4 h)—厭氧(2 h)—曝氣(3 h)—靜置(3 h)—出水(1 min)。

      運(yùn)行條件:溫度為25 ℃;曝氣時段溶解氧維持3~4 mg/L;pH值為6.5~7.5。

      試驗(yàn)采用16組裝置,每組裝置加入350 mL活性污泥(平均含水率86.7%),并用模擬廢水馴化1周。

      試驗(yàn)各設(shè)6個濃度[Zn(Ⅱ):1、2、4、8、16、32 mg/L;Cu(Ⅱ):0.5、1.0、2.0、4.0、8.0、16.0 mg/L]和2組平行空白。

      1.5 分析方法

      測定COD參考《水和廢水檢測分析方法》(第4版)[7]中的重鉻酸鉀滴定法;微生物呼吸采用氯化三苯基四氮唑(2、3、5-triphenyte-trazoliumchloride,簡稱TTC)作為指示劑,參考譚學(xué)軍等的方法[8]測定,用電子傳遞體系(electron transport system,簡稱ETS)活性表示[9];微生物代謝:溶解性微生物產(chǎn)物(soluble microbial products,簡稱SMP)通過將泥水混合物經(jīng)微孔(0.45 μm)過濾后測定其總有機(jī)碳來表征[10]。

      2 結(jié)果與分析

      2.1 Zn(Ⅱ)和Cu(Ⅱ)對廢水處理效果的影響

      由圖1、圖2可知,Zn(Ⅱ)、Cu(Ⅱ)在濃度小于4 mg/L時,均小幅促進(jìn)COD的降解。在18 d的運(yùn)行周期里,Zn(Ⅱ)濃度為1、2 mg/L處理組和空白組的平均去除率分別為8116%、81.05、80.66%;Cu(Ⅱ)濃度為0.5、1.0、2.0 mg/L處理組和空白組的平均去除率分別為82.18%、80.81%、8046%、78.01%。當(dāng)Zn(Ⅱ)、Cu(Ⅱ)濃度≥4.0 mg/L時,對COD的去除效果都表現(xiàn)為前期抑制,后期恢復(fù)。抑制效果隨濃度增大表現(xiàn)越明顯。

      對比Zn(Ⅱ)、Cu(Ⅱ)對SBBR系統(tǒng)廢水處理效果的影響,發(fā)現(xiàn)濃度在2~4 mg/L之間是促進(jìn)和抑制的分界,但促進(jìn)效果不如抑制效果明顯。抑制方面,在相同濃度下,Cu(Ⅱ)對出水COD的抑制明顯大于Zn(Ⅱ)。這與大量研究結(jié)果表明的Cu(Ⅱ)對微生物的毒性大于Zn(Ⅱ)的毒性[11-12]相似。endprint

      低濃度重金屬促進(jìn)COD降解,是由于Zn(Ⅱ)與Cu(Ⅱ)作為微生物生長的微量元素能提高酶活性,促進(jìn)其對有機(jī)物的降解。濃度高于一定值會產(chǎn)生毒性,李健中等從分子生物學(xué)角度解釋了其機(jī)制:(1)大量重金屬進(jìn)入微生物體內(nèi),與生物大分子結(jié)合,如氨基酸和蛋白質(zhì)上的配位基,導(dǎo)致生物酶的活性降低甚至失活;(2)高濃度的重金屬破壞了微生物體內(nèi)滲透壓的平衡,干擾物質(zhì)交換;(3)高濃度重金屬與核酸結(jié)合引起微生物遺傳物質(zhì)的突變。由于重金屬進(jìn)入微生物體內(nèi)并產(chǎn)生影響需要一個過程,故抑制緩慢增加,后期恢復(fù)是微生物對環(huán)境的適應(yīng)[12-14]。

      2.2 Zn(Ⅱ)和Cu(Ⅱ)對微生物呼吸的影響

      重金屬對微生物ETS活性的影響,表現(xiàn)為ETS活性越高微生物呼吸作用越強(qiáng)(圖3、圖4)。為直觀表示投加不同濃度的重金屬對于微生物呼吸作用的影響,引出影響率Ix的概念:

      Ix=(Rx-R0)/R0×100%。

      式中:Ix表示在濃度為x的重金屬影響下ETS的影響率,%;Rx表示在濃度為x的重金屬影響下ETS活性,mg/(g·h);R0表示空白組ETS活性,mg/(g·h)。當(dāng)Ix>0,該濃度重金屬促進(jìn)微生物的呼吸,當(dāng)Ix<0,該濃度重金屬抑制微生物的呼吸。

      由圖5、圖6可知,Zn(Ⅱ)濃度為1、2、4 mg/L對應(yīng)的平均影響率分別為50.39%、53.28%、2.33%;Cu(Ⅱ)濃度為0.5、1.0、2.0 mg/L對應(yīng)的平均影響率分別為25.94%、4414%、53.05%;當(dāng)Zn(Ⅱ)濃度為8、16、32 mg/L時,對應(yīng) 的平均影響率分別為-7.72%、-20.29%、-18.98%; Cu(Ⅱ) 濃度為4.0、8.0、16.0 mg/L對應(yīng)的平均影響率分別為-13.95%、 -13.16%、-20.34%。高濃度重金屬對微生物呼

      吸的抑制效果不如低濃度的促進(jìn)效果明顯。

      對比Zn(Ⅱ)和Cu(Ⅱ)對微生物呼吸的影響率,2、4 mg/L 的濃度均為促進(jìn)和抑制的分界點(diǎn),這與其對廢水處理效果的影響相同;在相同濃度下,Cu(Ⅱ)對微生物呼吸的促進(jìn)作用小于Zn(Ⅱ),而抑制作用大于Zn(Ⅱ),即Cu(Ⅱ)毒性大于Zn(Ⅱ),這和“2.1”節(jié)中它們對廢水處理效果的影響所得出的結(jié)論相同。說明在SBBR中,Zn(Ⅱ)、Cu(Ⅱ)在影響廢水處理效果與微生物呼吸方面有明顯的相關(guān)性。

      2.3 Zn(Ⅱ)和Cu(Ⅱ)對微生物代謝的影響

      溶解性微生物產(chǎn)物是微生物在降解有機(jī)物時,通過合成代謝、細(xì)胞膜擴(kuò)散等向外界排放的可溶性物質(zhì)[15],具有可降解性[16]毒性、抑制微生物活性[17]、與重金屬螯合[18]等特性。董春娟等認(rèn)為,在廢水生物處理中,SMP的釋放與微生物的正常生長、維持細(xì)胞濃度平衡、外界有機(jī)物匱乏、抵抗饑餓、保持正常代謝、微生物死亡、高濃度的能源物質(zhì)等有關(guān)[19]。即微生物的生長代謝、營養(yǎng)物質(zhì)匱乏和死亡都有可能導(dǎo)致其釋放SMP。

      由圖7可知,Zn(Ⅱ)濃度<8 mg/L時,SMP釋放量均較空白組大;濃度≥8 mg/L時,均較空白組小。這與“2.2“節(jié)中,Zn(Ⅱ)濃度在<8 mg/L時促進(jìn)ETS活性,而濃度在 ≥8 mg/L 時抑制ETS活性相同,說明Zn(Ⅱ)對SMP釋放與微生物正常生長代謝相關(guān)。在促進(jìn)微生物釋放SMP的Zn(Ⅱ)濃度下,隨著時間的延長,SMP釋放量整體呈增加趨勢,而ETS活性在后期有所回落,可能的原因是SMP更多地累積在污泥當(dāng)中,不易隨排水而排出。在抑制微生物釋放SMP的Zn(Ⅱ)濃度下,前期SMP減少是由于微生物活性減弱;后期SMP升高,是由于微生物經(jīng)馴化而適應(yīng)了高濃度的Zn(Ⅱ),微生物的活性增強(qiáng)、代謝加快。綜上所述,Zn(Ⅱ)對微生物代謝的影響與對微生物呼吸作用的影響呈正相關(guān),SMP的釋放和微生物正常生長代謝有關(guān)。

      由圖8可知,在前2 d,6組不同濃度的Cu(Ⅱ)試驗(yàn)組SMP的濃度急劇下降,而空白組保持平穩(wěn),這與張笑雪等的研究結(jié)果[20-21]相同,原因是Cu(Ⅱ)與SMP形成了金屬螯合物。Cu(Ⅱ)濃度為0.5、1.0、2.0 mg/L時,從2 d開始到12 d,SMP濃度快速上升,參考“2.2”節(jié)中,此階段ETS活性上升,說明微生物的正常生長、代謝加快而促進(jìn)SMP的釋放;后期SMP的小幅下降也和ETS活性減弱有關(guān)。Cu(Ⅱ)濃度為4.0、8.0 mg/L時,在2 d開始到10 d,SMP濃度快速上升,且高于空白組,參考“2.2”節(jié)中微生物呼吸被抑制,可能的原因是微生物自身呼吸作用下降,從外界獲得營養(yǎng)物質(zhì)困難,刺激了微生物釋放SMP,這和前述Cu(Ⅱ)濃度為0.5、1.0、2.0 mg/L 時,與中期SMP濃度增大的原因不同;后期SMP濃度下降是由于微生物適應(yīng),ETS活性增大的結(jié)果。當(dāng)Cu(Ⅱ)濃度為16 mg/L時,SMP濃度從6 d開始迅速增加,可能原因是部分微生物的死亡,釋放了SMP。

      對比Zn(Ⅱ)和Cu(Ⅱ)對SMP的影響,Zn(Ⅱ)影響微生物釋放SMP可用微生物呼吸作用解釋,Cu(Ⅱ)相對復(fù)雜,原因如下:(1)SMP自身的化學(xué)性質(zhì),與Zn(Ⅱ)不易形成金屬螯合物,與Cu(Ⅱ)易形成螯合物。(2)SMP來源復(fù)雜,不僅來自微生物自身代謝,外界的復(fù)雜環(huán)境也會影響微生物釋放SMP,嚴(yán)格來說,SMP不能在所有情況下代表微生物的代謝情況。

      2.4 廢水處理效果與微生物活性的關(guān)系

      2.4.1 出水COD與ETS活性相互關(guān)系

      低濃度的2種重金屬促進(jìn)微生物呼吸,廢水的COD去除率也得到提高;反之,去除率降低。但對比“2.1”“2.2”節(jié)可看出,低濃度的重金屬能極大地促進(jìn)微生物的呼吸,但效果只是小幅上升,原因可能是:(1)剩余的一部分有機(jī)物(COD)包含了溶解性微生物產(chǎn)物(SMP)中無法被生物降解的部分。(2)微生物降解有機(jī)物達(dá)到了飽和,COD不能隨著微生物呼吸的增加而繼續(xù)降解。當(dāng)高濃度的重金屬小幅抑制了微生物的呼吸,對系統(tǒng)降解有機(jī)物產(chǎn)生極大的影響,原因可能是:在SBBR中,高濃度的重金屬影響微生物處理廢水的效果,不僅與其抑制微生物的呼吸有關(guān),還包括影響滲透壓的平衡,阻斷部分有機(jī)物進(jìn)入微生物體內(nèi),從而干擾微生物降解有機(jī)物,而不影響微生物正常呼吸。綜上所述,在Zn(Ⅱ)和Cu(Ⅱ)的存在下,SBBR對COD的去除,主要是受重金屬對ETS活性的影響。endprint

      2.4.2 ETS活性與SMP相互關(guān)系

      Zn(Ⅱ)對SMP的影響,只與ETS活性相關(guān),即當(dāng)微生物的呼吸作用受到低濃度 Zn(Ⅱ) 的影響而加強(qiáng),SMP也增加;反之減少。

      Cu(Ⅱ)對SMP的影響,不僅涉及ETS活性,還須考慮其與SMP形成的金屬螯合物和微生物死亡釋放的SMP。故SMP濃度和ETS活性不呈簡單的正相關(guān)性。

      3 結(jié)論

      (1)在SBBR系統(tǒng)中,Zn(Ⅱ)、Cu(Ⅱ)對廢水處理效果的影響及對微生物呼吸作用的影響均在2~4 mg/L之間,為促進(jìn)和抑制的分界,且Cu(Ⅱ)對微生物的毒性大于Zn(Ⅱ)。

      (2)在SBBR系統(tǒng)中,Zn(Ⅱ)和Cu(Ⅱ)對廢水處理效果的影響與其對微生物呼吸的影響有較好的相關(guān)性。同時Zn(Ⅱ)和Cu(Ⅱ)也通過阻斷微生物吸收營養(yǎng)物質(zhì)而抑制COD降解。

      (3)SMP因其來源和自身化學(xué)特性,在Cu(Ⅱ)存在下,不能反映微生物代謝活性。

      參考文獻(xiàn):

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      [21]苗 楠. SBR中微量重金屬對微生物代謝產(chǎn)物與生物多樣性的影響[D]. 天津:天津大學(xué),2012.endprint

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