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

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)：

[1] 張樹清，張夫道，劉秀梅，等. 規(guī)?；B(yǎng)殖畜禽糞主要有害成分測定分析研究[J]. 植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報，2005，11（6）：822-829.

[2]孫建平. 抗生素與重金屬對豬場廢水厭氧消化的抑制效應(yīng)及其調(diào)控對策[D]. 杭州：浙江大學(xué)，2009.

[3]Hill G M，Cromwell G L，Crenshaw T D，et al. Growth promotion effects and plasma changes from feeding high dietary concentrations of zinc and copper to weanling pigs（regional study）[J]. Journal of Animal Science，2000，78（4）：1010-1016.

[4]黎淑端，孫連鵬，潘心紅. 廣東省污水處理廠污泥重金屬含量及其毒性浸出分析[J]. 中國衛(wèi)生檢驗(yàn)雜志，2014，24（12）：1763-1765.

[5]陳凌云. 等離子體發(fā)射光譜法測定城市污泥中重金屬[J]. 化學(xué)分析計量，2008，17（3）：39-41.

[6]劉玉年. 重金屬離子對污水生物處理影響的研究進(jìn)展及展望[J]. 安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2008，36（18）：7893-7895.

[7]國家環(huán)境保護(hù)總局. 水和廢水監(jiān)測分析方法[M]. 4版. 北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社，2002：210-211.

[8]譚學(xué)軍，尹 軍，唐 利，等. 用TTC-ETS活性表征污泥生物活性的可行性研究[J]. 哈爾濱商業(yè)大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2005，21（5）：566-571.

[9]尹 軍，譚學(xué)軍，任南琪. 用TTC與INT-電子傳遞體系活性表征重金屬對污泥活性的影響[J]. 環(huán)境科學(xué)，2005，26（1）：56-62.

[10] Anderson K，Koopman B，Bitton G. Evaluation of INT—dehydrogenase assay for heavy metal inhibition of activated sludge[J]. Water Research，1988，22（3）：349-353.

[11]榮宏偉，王 勤，張朝升，等. Cu2+、Zn2+對生物脫氮系統(tǒng)的影響[J]. 環(huán)境工程學(xué)報，2009，3（4）：617-620.

[12]李健中. 重金屬對生物脫氮除磷系統(tǒng)中微生物的毒性影響[D]. 廣州：廣州大學(xué)，2010.

[13]Altas L. Inhibitory effect of heavy metals on methane—producing anaerobic granular sludge[J]. Journal of Hazardous Materials，2009，162（2/3）：1551-1556.

[14]Riggle P J，Kumamoto C A. Role of a Candida albicans P1-type ATPase in resistance to copper and silver ion toxicity[J]. Journal of Bacteriology，2000，182（17）：4899-4905.

[15]余 萍，于 鑫，戢啟宏，等. 廢水生物處理出水中溶解性微生物產(chǎn)物的形成機(jī)制與特征[J]. 環(huán)境污染與防治，2006，28（5）：352-355.

[16]Gaudy A F，Blachly T R. A study of the biodegradability of residual COD[J]. Journal of the Water Pollution Control Federation，1985，57（4）：332-338.

[17]Zhang B，Yamamoto K. Seasonal change of microbial population and activities in a building wastewater reuse system using a membrane separation activated sludge process[J]. Water Science and Technology，1996，34（5/6）：295-302.

[18]Kuo W C，Parkin G F. Characterization of soluble microbial products from anaerobic treatment by molecular weight distribution and nickel-chelating properties[J]. Water Research，1996，30（4）：915-922.

[19]董春娟，呂炳南. 污水生物處理中的溶解性微生物產(chǎn)物（SMP）[J]. 中國給水排水，2004，20（1）：22-25.

[20]張笑雪，孫寶盛，苗 楠，等. Cu2+對活性污泥代謝及群落結(jié)構(gòu)的影響[J]. 安全與環(huán)境學(xué)報，2015，15（6）：265-268.

[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