摘要: 研究了低濃度鉻(三價和六價)對SBR生物系統(tǒng)的抑制影響,考察了兩種不同SBR工藝(傳統(tǒng)工藝和分段進(jìn)水工藝)在處理含低濃度鉻廢水過程中常規(guī)的出水水質(zhì)和活性污泥性狀的變化,以及微生物群落的變遷.研究結(jié)果表明,在進(jìn)水總鉻(Cr(Ⅲ):Cr(VI)=4:1)濃度為0.5 mg·L-1的條件下,傳統(tǒng)工藝和分段進(jìn)水工藝的氨氮去除率由99%分別下降至70%和65%,同時,磷酸鹽去除率也由99%分別下降至51%和43%.當(dāng)進(jìn)水中總鉻濃度達(dá)到1 mg·L-1時,分段進(jìn)水工藝SBR系統(tǒng)的氨氮和磷酸鹽去除率最終分別下降至44%和37%.此外,多糖和蛋白質(zhì)的分泌量變化分別呈下降和上升趨勢.高通量測序結(jié)果表明,活性污泥細(xì)菌群落豐富度和多樣性受到了鉻離子的影響,并且Nitrospira、Acidobacteria、Planctomycetes、Cyanobacteria和Candidatus_Accumulibacter等脫氮除磷功能菌種的生長都受到了一定程度的抑制,也與被抑制的SBR系統(tǒng)脫氮除磷去除率下降的宏觀現(xiàn)象相吻合.

　　1 引言

　　隨著工業(yè)的發(fā)展，越來越多的有毒的難降解污染物，特別是重金屬污染物排入到污水處理廠.目前，我國大多污水處理廠都采取活性污泥法，大量重金屬污染物的流入使得活性污泥微生物受到毒性抑制，從而導(dǎo)致COD、氮磷等物質(zhì)的去除率受到影響，出水難以穩(wěn)定達(dá)標(biāo).其中，鉻是應(yīng)用在煉鋼、電鍍、制革、化工和印染等行業(yè)的一類典型的重金屬.Novotnik等研究發(fā)現(xiàn)，Cr(Ⅲ)濃度超過50 mg·L-1或Cr(Ⅵ)濃度超過2.5 mg·L-1時，活性污泥硝化過程受到抑制影響.Stasinakis等研究表明，當(dāng)Cr(Ⅵ)濃度超過5 mg·L-1時，氨氮去除率在1 d之內(nèi)就下降70%，超過10 mg·L-1時，活性污泥的生長就會受到抑制.Fang等研究發(fā)現(xiàn)，Cr(Ⅵ)濃度超過5 mg·L-1時，生物強(qiáng)化除磷系統(tǒng)(EBPR)的除磷效率就會受到抑制.然而，這些研究主要考察了鉻離子對活性污泥的急性毒性(即高濃度鉻對活性污泥的沖擊)和短期影響.根據(jù)我國《電鍍污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 21900—2008)，總鉻排放限值為0.5 mg·L-1，可知我國實(shí)際污水處理廠的進(jìn)水中鉻離子濃度較低.因此，有必要研究低濃度鉻對活性污泥系統(tǒng)長期累積效應(yīng)的影響.活性污泥工藝中微生物群落的變遷與污染物去除效率有極大的相關(guān)性，研究低濃度鉻對活性污泥細(xì)菌群落的影響，特別是關(guān)于一些脫氮除磷功能菌的影響機(jī)制可以為宏觀污染物變化現(xiàn)象提供微觀解釋.從微觀方面，本試驗通過高通量測序技術(shù)分析低濃度鉻對SBR系統(tǒng)微生物群落的影響機(jī)制.研究結(jié)果對于污水生物處理系統(tǒng)的調(diào)控和優(yōu)化有重要的理論價值和實(shí)踐指導(dǎo)意義.

　　2 材料與方法

　　2.1 試驗用水和活性污泥來源

　　本試驗采用自配制模擬污水，其母液分為5部分，分別為碳源(CH3COONa 32.03 g·L-1，無水葡萄糖 23.44 g·L-1)、氮源(NH4Cl 38.21 g·L-1，CaCl2 0.45 g·L-1，MgSO4 2 g·L-1)、磷源(KH2PO4 4.45 g·L-1)、Cr(Ⅲ)(3.769 g·L-1)和Cr(Ⅵ)(2.829 g·L-1).根據(jù)試驗所需，使用時配比相應(yīng)的營養(yǎng)物質(zhì)比例，考慮到模擬混合廢水，即有一部分工業(yè)廢水進(jìn)入，污染物濃度較高，故初始進(jìn)水COD、NH4+-N和PO43--P濃度分別設(shè)為900、100和12 mg·L-1.活性污泥取自浙江省杭州市七格污水處理廠，經(jīng)過1個月的馴化培養(yǎng)后再進(jìn)行抑制試驗.

　　2.2 試驗裝置

　　試驗采用SBR工藝，試驗裝置如圖 1 所示.共4套SBR裝置，為有機(jī)玻璃制成的圓柱體，包含溫控隔層，工藝運(yùn)行由DAC(數(shù)值模擬轉(zhuǎn)換器)系統(tǒng)和LABVIEW程序智能控制，反應(yīng)器內(nèi)溫度通過水浴隔層控制在(25±1)℃，pH和DO通過反饋控制系統(tǒng)分別保持在7.0±0.2和(4.0±0.5)mg·L-1，污泥濃度(MLSS)通過每天測定計算，控制在(3200±100)mg·L-1，系統(tǒng)每個周期運(yùn)行時間為8 h，排水比為1/3.R1和R2系統(tǒng)采用傳統(tǒng)的進(jìn)水-缺氧(150 min)-好氧(300 min)-排泥-排水工藝，而R3和R4系統(tǒng)采用分段進(jìn)水工藝，即進(jìn)水1/3-缺氧(45 min)-好氧(90 min)-缺氧(45 min)-好氧(90 min)-缺氧(60 min)-好氧(120 min)-排泥-排水.

　　圖 1試驗SBR裝置示意圖(1.進(jìn)水泵; 2.進(jìn)水流量計; 3.水浴器; 4.電磁閥; 5.磁力攪拌器; 6.轉(zhuǎn)子; 7.曝氣頭; 8.壓力傳感器; 9.DO、PH、溫度探頭; 10.酸堿蠕動泵; 11.空氣流量計; 12.曝氣機(jī); 13.DAC系統(tǒng))

　　2.3 試驗方法

　　本試驗共設(shè)4套SBR反應(yīng)器，經(jīng)過1個月的穩(wěn)定運(yùn)行后開始鉻抑制試驗，R1作為對照組，進(jìn)水不添加任何濃度的Cr.R2~R4為試驗組，R2和R3進(jìn)水總鉻濃度為0.5 mg·L-1，R4進(jìn)水總鉻濃度為1.0 mg·L-1，且Cr(Ⅲ)與Cr(Ⅵ)濃度比例為4:1.每天3個運(yùn)行周期，定期排泥，控制系統(tǒng)MLSS在指定范圍內(nèi)，為了觀察SBR系統(tǒng)的處理性能變化，每天測量一個周期的進(jìn)出水COD、NH4+-N、TN、NO3--N、PO43--P和活性污泥的MLSS和SVI，各指標(biāo)的測定方法見《水和廢水監(jiān)測分析方法》(第4版).定期測定活性污泥的EPS，其中，糖原測量采取蒽酮法，蛋白質(zhì)測量采取Folin-Lowry法.在抑制試驗的初期和末期分別取活性污泥的DNA，采用高通量測序技術(shù)考察細(xì)菌群落變化.

　　3 結(jié)果與討論

　　3.1 含鉻廢水對SBR系統(tǒng)性能的影響

　　在低濃度鉻條件下COD的去除率變化如圖 2所示，在0.5 mg·L-1和1 mg·L-1總鉻條件下，4套SBR系統(tǒng)都保持較高的COD去除率，平均分別為96.8%、96.9%、96.7%和95.7%，相比之下，R4的COD平均去除率最低，說明1 mg·L-1總鉻條件下SBR系統(tǒng)的COD去除率受到了一定的影響.活性污泥工藝水中COD主要靠異養(yǎng)菌的生長代謝所去除，Wang等研究發(fā)現(xiàn)，10 mg·L-1 Ni(II)會造成SBR系統(tǒng)TOC去除率由90.2%降至75%.Stasinakis等的研究表明，10 mg·L-1 Cr(Ⅵ)會對有機(jī)物的氧化產(chǎn)生抑制.Cheng等也發(fā)現(xiàn)，SBR工藝的COD去除率在添加5 mg·L-1 Cr(Ⅵ)條件下由93.6%降至75.8%.說明Cr(Ⅵ)達(dá)到一定濃度時，異養(yǎng)菌去除COD的能力會受到抑制作用.綜合本試驗結(jié)果，說明低濃度鉻對活性污泥系統(tǒng)中異養(yǎng)菌有一定的抑制影響作用.

　　圖 2鉻對SBR系統(tǒng)COD去除率的影響

　　SBR系統(tǒng)中氨氮主要通過硝化菌在好氧條件下氧化為硝態(tài)氮，硝態(tài)氮進(jìn)而在缺氧條件下通過反硝化菌還原為N2，系統(tǒng)進(jìn)水和出水亞硝酸濃度都低于0.3 mg·L-1，可以認(rèn)為本試驗中不存在亞硝酸鹽積累現(xiàn)象.從圖 3a可以看出，在總鉻濃度為0.5 mg·L-1和1 mg·L-1的進(jìn)水條件下，氨氮去除率在第29 d出現(xiàn)了顯著下降，并在后續(xù)的試驗中持續(xù)下降，R2、R3和R4系統(tǒng)的氨氮去除率最終分別下降至70%、65%和40%.說明硝化過程在研究時間段內(nèi)不會受到低濃度鉻的影響，隨著抑制時間的增加，系統(tǒng)中活性污泥吸附累積的鉻達(dá)到了一定限量，抑制了硝化細(xì)菌的正常生長和工作，導(dǎo)致了氨氮去除率下降.相比R2和R3系統(tǒng)，在同樣總鉻濃度進(jìn)水條件下，分段進(jìn)水工藝受到的抑制作用更強(qiáng)(第29 d后，R2和R3的氨氮去除率平均值分別為86%和75%)，可能是因為分段進(jìn)水增加了缺氧和好氧交替次數(shù)，從而細(xì)菌活動更加頻繁，也增加了鉻抑制細(xì)菌的機(jī)會，導(dǎo)致分段進(jìn)水更早出現(xiàn)抑制現(xiàn)象.由圖 3b和圖 3c可見，R3和R4系統(tǒng)出水的硝酸鹽濃度明顯低于R1和R2在硝化過程受到抑制之前(29 d之前)，系統(tǒng)出水硝酸鹽濃度平均值分別為R1(15 mg·L-1)>R2(12 mg·L-1)>R3(5.8 mg·L-1)>R4(5.8 mg·L-1)，總氮去除率大小依次為R3(92%)>R4(90%)>R2(87%)>R1(85%).證實(shí)了分段進(jìn)水模式相比SBR傳統(tǒng)A/O工藝具有更高的反硝化效率和總氮去除率.反硝化必須具備缺氧和碳源兩個條件，分段進(jìn)水工藝提供了3次反硝化條件，而傳統(tǒng)A/O工藝只有在進(jìn)水后的缺氧段才有充足的反硝化條件.試驗后期氨氮通過硝化轉(zhuǎn)變?yōu)橄跛猁}氮的過程受到抑制，導(dǎo)致后期系統(tǒng)出水硝酸鹽濃度較低，這也造成了后期R2、R3和R4的總氮去除率的變化趨勢與氨氮去除率變化相近，在第40 d，分別下降至62%、62%和44%.綜合以上結(jié)果可得，在長期低濃度鉻進(jìn)水條件下，SBR工藝的硝化過程會受到顯著的抑制作用，而且分段進(jìn)水工藝的硝化過程受到的抑制作用更強(qiáng);相反，低濃度鉻的存在有利于反硝化作用的進(jìn)行，且分段進(jìn)水模式相比傳統(tǒng)的SBR工藝具有更高的反硝化效率.

　　圖 3鉻對SBR脫氮系統(tǒng)的影響(a.系統(tǒng)氨氮去除率,b.系統(tǒng)總氮去除率,c.系統(tǒng)出水硝酸鹽濃度)

　　如圖 4所示，試驗前期磷酸鹽去除率穩(wěn)定保持在99%，隨著活性污泥中鉻漸漸地積累，R2、R3、R4系統(tǒng)在第34、31和27 d陸續(xù)出現(xiàn)了磷去除率下降現(xiàn)象，直至試驗結(jié)束，R2、R3和R4系統(tǒng)磷去除率分別下降至51%、43%和37%.活性污泥系統(tǒng)除磷過程主要依賴于聚磷菌的過量吸磷，研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)EBPR系統(tǒng)中Cr(Ⅵ)高于0.3 mg·L-1時，其除磷性能逐漸喪失，聚磷菌占全菌的比例由84.26%下降至38.40%.本試驗中隨著鉻離子對SBR系統(tǒng)中活性污泥的不斷影響，系統(tǒng)內(nèi)鉻累積的量不斷增加，聚磷菌生長代謝過程受到了抑制，導(dǎo)致整個系統(tǒng)除磷效率降低.此外，比較R2和R3系統(tǒng)，同樣可發(fā)現(xiàn)分段進(jìn)水工藝更早出現(xiàn)抑制現(xiàn)象，原因可能是分段進(jìn)水工藝(R3)相比傳統(tǒng)SBR工藝(R2)提供更多釋磷吸磷交替過程.比較R3和R4系統(tǒng)，可見進(jìn)水鉻濃度越高，抑制現(xiàn)象越早出現(xiàn)，即更易受到抑制影響.總之，在低濃度鉻條件下，SBR系統(tǒng)除磷過程受到了顯著的抑制影響.

　　圖 4鉻對SBR系統(tǒng)磷酸鹽去除率的影響

　　3.2 活性污泥性狀的影響

　　活性污泥性狀在本試驗中是用SVI值和胞外聚合物分泌量(本試驗以多糖和蛋白質(zhì)為主，DNA和腐殖酸含量很低)來表征，如圖 5所示，在0.5 mg·L-1總鉻濃度條件下，活性污泥SVI值基本不受影響，其值始終與R1系統(tǒng)的相接近.然而，在1 mg·L-1總鉻濃度條件下，SVI值在第36 d開始上升，直至第38 d達(dá)到160 mL·mg-1，表明活性污泥出現(xiàn)污泥膨脹現(xiàn)象.

　　圖 5鉻對SBR系統(tǒng)SVI值的影響

　　EPS在低濃度鉻的影響下也發(fā)生了較大的變化，R2、R3和R4系統(tǒng)多糖的分泌能力受到了抑制，最終的分泌量相比初始值分別下降了58.7%、59.6%和67.7%(圖 6a).與之相反，由于微生物可以通過促進(jìn)蛋白質(zhì)的分泌來抵御鉻的生物毒性，因此，試驗開始后出現(xiàn)了蛋白質(zhì)量上升的現(xiàn)象(圖 6b).由此可見，0.5 mg·L-1總鉻濃度對SBR系統(tǒng)的SVI值影響不大，但1 mg·L-1總鉻濃度則會引起污泥膨脹;而且低濃度鉻對細(xì)胞多糖的分泌功能有抑制作用，對細(xì)胞蛋白質(zhì)合成則有促進(jìn)作用.

　　圖 6鉻對SBR系統(tǒng)EPS的影響(a.多糖,b.蛋白質(zhì))

　　3.3 對SBR系統(tǒng)微生物群落的影響

　　在試驗的第1 d和第40 d，提取了活性污泥DNA進(jìn)行高通量測序.表 1評估了SBR系統(tǒng)微生物群落的豐富度和多樣性.表中數(shù)據(jù)表明，各反應(yīng)器Coverage值均較高，基本保持在0.996以上，說明本次測序結(jié)果具有很好的代表性.OTUs(R1>R3>R2>R4)和Chao1值(R1=R3>R2>R4)表明系統(tǒng)中微生物群落的豐富度，說明在低濃度鉻的影響下，活性污泥系統(tǒng)微生物群落的豐富度受到了抑制.Shannon值(R3>R4>R1>R2)表征了系統(tǒng)微生物群落的多樣性，可見SBR分段進(jìn)水工藝的活性污泥群落多樣性高于傳統(tǒng)SBR工藝，且系統(tǒng)內(nèi)微生物群落的多樣性也受到了鉻離子的抑制作用(R2

　　表 1 SBR系統(tǒng)微生物群落豐富度和多樣性評估

　　主要細(xì)菌群落變遷如圖 7所示.比較R1和R2系統(tǒng)，可見在低濃度鉻的影響下，許多微生物的生長都受到了抑制，如在脫氮過程中起重要作用的Acidobacteria(由22.8%降至1.2%)、Planctomycetes(由12%降至1%)和Cyanobacteria(由2.2%降至0.03%)，以及在除磷過程中起主導(dǎo)作用的Candidatus_Competibacter(由6.4%降至0.12%)和Candidatus_Accumulibacter(由5.5%降至0.25%)等，其在系統(tǒng)微生物群落中所占的比例出現(xiàn)大幅度下降，這也是試驗后期氨氮和磷酸鹽去除率下降的原因.另外，在強(qiáng)化生物除磷系統(tǒng)中經(jīng)常出現(xiàn)的Chlorobi也受到了明顯抑制(由4.1%降至0.7%).另一方面，低濃度鉻的條件也促進(jìn)了一些細(xì)菌的生長，導(dǎo)致其在群落中所占比例大大提升，如Candidate_division_TM7(由13%增至45%)、Bacteroidetes(由13%增至30%)和Zoogloea(由0.8%增至8.8%)等.通過比較R2和R3系統(tǒng)可知，在低濃度鉻條件下，SBR傳統(tǒng)A/O工藝和分段進(jìn)水工藝中微生物群落的變化存在差異.Proteobacteria和Thauera作為主要的反硝化細(xì)菌，其在R3中所占比例(分別為36%和3%)顯著大于R2中所占比例(分別20%和1.1%)，從微觀角度證明了分段進(jìn)水工藝有利于反硝化菌的生長，從而提高了SBR的反硝化效率.同時，分段進(jìn)水也更有利于某些其他重要菌種的生長，如Rhodocyclaceae(R2：3.2%;R3：11.7%)、Terrimonas(R2：0.4%;R3：2.8%)、Azospira(R2：0.2%;R3：3.5%)和Dechloromonas(R2：0.16%;R3：1.7%)等;比較R3和R4系統(tǒng)可知，在進(jìn)水鉻濃度增大至1 mg·L-1時，Bacteroidetes(R3：36%;R4：22%)、Acidobacteria(R3：2.3%;R4：0.5%)、Planctomycetes(R3：1.8%;R4：0.4%)、Rhodocyclaceae(R3：11.7%;R4：2.7%)、Nitrospira(R3：0.5%;R4：0.07%)等微生物群落比例都出現(xiàn)了顯著的下降.相比其他系統(tǒng)，R4中出現(xiàn)了一種新的微生物群落—BD1-5，并且占據(jù)較大比例(19%)，關(guān)于BD1-5出現(xiàn)在活性污泥中的報道較少，根據(jù)R4在第40 d時出現(xiàn)了污泥膨脹現(xiàn)象推測BD1-5有可能是一種絲狀菌.總之，從微生物群落變遷的結(jié)果可得，低濃度鉻對SBR活性污泥系統(tǒng)微生物群落有一定影響，特別是抑制了許多脫氮除磷功能菌的生長，導(dǎo)致了宏觀指標(biāo)去除率下降的現(xiàn)象.具體參見污水寶商城資料或http://www.bnynw.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

　　圖 7鉻對SBR系統(tǒng)細(xì)菌群落的影響

　　4 結(jié)論

　　在含低濃度鉻(總鉻濃度為0.5 mg·L-1)進(jìn)水條件下，SBR系統(tǒng)的COD、氨氮、磷酸鹽處理性能、活性污泥性狀及系統(tǒng)微生物群落都受到了不同程度的影響.傳統(tǒng)工藝和分段進(jìn)水工藝的氨氮去除率由99%分別下降至70%和65%，同時，磷酸鹽去除率也由99%分別下降至51%和43%.比較不同的SBR工藝，可發(fā)現(xiàn)分段進(jìn)水工藝在面對重金屬鉻的抑制時更加敏感;低濃度鉻對活性污泥胞外聚合物也有所影響，多糖的分泌量隨鉻抑制時間的推移而下降，而蛋白質(zhì)則呈上升趨勢;活性污泥細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)在低濃度鉻的影響下也發(fā)生了改變，系統(tǒng)微生物群落豐富度和多樣性都受到了抑制影響，Nitrospira、Acidobacteria、Planctomycetes、Cyanobacteria和Candidatus_Accumulibacter等脫氮除磷功能菌的生長都受到了一定程度的抑制，分段進(jìn)水工藝更有利于其反硝化作用的Proteobacteria和Thauera等細(xì)菌的生長.