瞬時Cu2+沖擊負荷對序批式反應器脫氮性能、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， 吳淑妍， 武原原， 高孟春??

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

銅被廣泛應用于金屬加工、電鍍、采礦和各種制造業[1-2]，其工業廢水通常經預處理后排放到城市的下水道系統，與城市污水混合，最終進入城市污水處理廠[3-4]。由于工業活動不同，銅離子(Cu2+)在不同工業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]，一些工業廢水未經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，改變微生物群落結構，大大降低系統的污水處理效率，甚至導致污水處理系統的崩潰。污水處理系統抗沖擊負荷的穩定性是污水處理廠最重要的設計特性之一，因此，有必要研究生物處理工藝在受到Cu2+沖擊時運行的穩定性以評價工藝效能的優劣。

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作為反應裝置，其材質為有機玻璃，有效容積為7.7 L，有效高度和內徑分別為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。進水由反應器底部的蠕動泵控制，出水由反應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子流量計調節，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經過18 d的運行達到穩定狀態。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繼續運行。

1.2 接種污泥及水質

1.3 分析方法

2 結果與討論

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相關的好氧異養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]研究發現當反應器內加入5 mg/L的Cu2+沖擊后，SOUR活性和SAOR活性在第3個周期結束后分別降低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個周期結束后恢復至未投加Cu2+時的水平。目前研究結果表明，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，對應值為(21.98±1.58)和(22.07±0.46) mg N/(g MLVSS·h)。以上研究結果表明沖擊停止后，SBR去除有機物和脫氮性能恢復至穩定狀態。

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的產量是反映細胞氧化應激水平的重要指標[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，結果如圖4所示。在受到Cu2+沖擊后，ROS的產量在第20天增加了134.28%，表明Cu2+沖擊使細胞產生了強烈的氧化應激反應。ROS以膜磷脂的不飽和脂肪酸為靶點，破壞細胞的蛋白質、核酸、脂質等成分，最終導致細胞形態的損傷[26]。Hu等[28]發現Cu2+可以催化羥基自由基的產生，并通過氧化還原循環反應促進氧化應激，導致細胞膜功能受損。從第21天起，ROS的產量呈現逐漸下降的趨勢，第80天，ROS產量為(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產量增加時，細胞需要分泌更多的抗氧化酶來抑制ROS產生。從第21天起，CAT和SOD的相對酶活性呈現逐漸下降的趨勢，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變化。Good’s coverage指數在第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指數來表示，其多樣性常用Simpson和Shannon指數來表示。Chao1和ACE指數從第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、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。從以上結果可以看出，在61天的恢復期內，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

圖5 Cu2+沖擊負荷下微生物群落的分類

3 結語