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

1、 Zn（）和Cu（）對(duì)SBBR處理豬場(chǎng)廢水效果和微生物活性影響及相互關(guān)系 萬(wàn)金保+薛杰春+萬(wàn)莉+章洪濤+鄔容偉Summary： 為減輕重金屬對(duì)豬場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)廢水為研究對(duì)象，分析在廢水中加入不同濃度Zn（）和Cu（）對(duì)序批式生物膜反應(yīng)器（sequencing biofilm batch reactor，簡(jiǎn)稱SBBR）系統(tǒng)的影響，包括化學(xué)需氧量（chemical oxygen demand，簡(jiǎn)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（）、Cu（）對(duì)廢水

2、處理效果的影響和對(duì)微生物呼吸作用的影響均在24 mg/L之間，為促進(jìn)和抑制的分界，且Cu（）對(duì)微生物的毒性大于Zn（）。（2）在SBBR系統(tǒng)中，Zn（）、Cu（）對(duì)廢水處理效果的影響與其對(duì)微生物呼吸的影響有一定的相互關(guān)系，且Zn（）、Cu（）不僅能影響微生物自身活性，還可阻礙微生物吸收營(yíng)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(jiǎn)稱SMP）因其來(lái)源和自身化學(xué)特性，在Cu（）的存在下，不能反映微生物代謝活性。Key： 序批式生物膜反應(yīng)器；重金屬；豬場(chǎng)廢水；微生物活性；呼吸作用： X703 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A：1002-1302（201

3、7）22-0304-04隨著近年來(lái)豬場(chǎng)的規(guī)?；l(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(zhǎng)。這些重金屬大多無(wú)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(chǎng)廢水中，Zn、Cu是最常見(jiàn)的重金屬元素，且Zn濃度普遍高于Cu1-3。重金屬濃度因不同的豬場(chǎng)而異，孫建平測(cè)定杭州市某一豬場(chǎng)廢水重金屬含量發(fā)現(xiàn)，Zn（）和Cu（）含量分別為27.0、13.6 mg/L2，筆者測(cè)定江西省某規(guī)?；B(yǎng)豬場(chǎng)中的Zn（）、Cu（）含量分別為13.3、7.8 mg/L。廢水中Cu和Zn對(duì)活性污泥的微生物生長(zhǎng)造成影響，進(jìn)而影響廢水生物處理的效果。關(guān)于豬場(chǎng)廢水中重金屬對(duì)微生物的毒性研究越來(lái)越多，有研

4、究表明，一定濃度的重金屬能抑制微生物對(duì)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(jiǎn)稱SBBR）為依托，處理模擬豬場(chǎng)廢水，探究不同濃度的Zn（）、Cu（）對(duì)SBBR處理模擬豬場(chǎng)廢水效果的影響，并通過(guò)測(cè)定污泥中的微生物活性，研究在Zn（）、Cu（）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(chǎng)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(jiǎn)稱TP）含量為19.3 m

5、g/L、pH值為7.3。1.2 接種污泥試驗(yàn)污泥取自江西省某萬(wàn)頭豬場(chǎng)SBBR池沉淀污泥，污泥體積指數(shù)（switch virtual interface，簡(jiǎn)稱SVI）、污泥沉降比（settling vslocity，簡(jiǎn)稱SV30）、懸浮固體濃度（mixed liquid suspended solids，簡(jiǎn)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 mm100 mm120 mm。共16組，每組掛有4個(gè)人造纖維作為污泥生長(zhǎng)的載體，間歇運(yùn)行，自動(dòng)化控制。1.4 試驗(yàn)方法SB

6、BR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(shí)段溶解氧維持34 mg/L；pH值為6.57.5。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(gè)濃度Zn（）：1、2、4、8、16、32 mg/L；Cu（）：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(cè)定COD參考水和廢水檢測(cè)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-trazoliu

7、mchloride，簡(jiǎn)稱TTC）作為指示劑，參考譚學(xué)軍等的方法8測(cè)定，用電子傳遞體系（electron transport system，簡(jiǎn)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(jiǎn)稱SMP）通過(guò)將泥水混合物經(jīng)微孔（0.45 m）過(guò)濾后測(cè)定其總有機(jī)碳來(lái)表征10。2 結(jié)果與分析2.1 Zn（）和Cu（）對(duì)廢水處理效果的影響由圖1、圖2可知，Zn（）、Cu（）在濃度小于4 mg/L時(shí)，均小幅促進(jìn)COD的降解。在18 d的運(yùn)行周期里，Zn（）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%；C

8、u（）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（）、Cu（）濃度4.0 mg/L時(shí)，對(duì)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(duì)比Zn（）、Cu（）對(duì)SBBR系統(tǒng)廢水處理效果的影響，發(fā)現(xiàn)濃度在24 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（）對(duì)出水COD的抑制明顯大于Zn（）。這與大量研究結(jié)果表明的Cu（）對(duì)微生物的毒性大于Zn（）的毒性11-12相似。endprint低濃度重金屬促進(jìn)COD降解，是由于Zn（）與Cu（）作為

9、微生物生長(zhǎng)的微量元素能提高酶活性，促進(jìn)其對(duì)有機(jī)物的降解。濃度高于一定值會(huì)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(gè)過(guò)程，故抑制緩慢增加，后期恢復(fù)是微生物對(duì)環(huán)境的適應(yīng)12-14。2.2 Zn（）和Cu（）對(duì)微生物呼吸的影響重金屬對(duì)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

10、度的重金屬對(duì)于微生物呼吸作用的影響，引出影響率Ix的概念：Ix=（Rx-R0）/R0100%。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/（gh）；R0表示空白組ETS活性，mg/（gh）。當(dāng)Ix0，該濃度重金屬促進(jìn)微生物的呼吸，當(dāng)Ix0，該濃度重金屬抑制微生物的呼吸。由圖5、圖6可知，Zn（）濃度為1、2、4 mg/L對(duì)應(yīng)的平均影響率分別為50.39%、53.28%、2.33%；Cu（）濃度為0.5、1.0、2.0 mg/L對(duì)應(yīng)的平均影響率分別為25.94%、4414%、53.05%；當(dāng)Zn（）濃度為8、16、32 mg/L時(shí)，

11、對(duì)應(yīng) 的平均影響率分別為-7.72%、-20.29%、-18.98%； Cu（） 濃度為4.0、8.0、16.0 mg/L對(duì)應(yīng)的平均影響率分別為-13.95%、 -13.16%、-20.34%。高濃度重金屬對(duì)微生物呼吸的抑制效果不如低濃度的促進(jìn)效果明顯。對(duì)比Zn（）和Cu（）對(duì)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(duì)廢水處理效果的影響相同；在相同濃度下，Cu（）對(duì)微生物呼吸的促進(jìn)作用小于Zn（），而抑制作用大于Zn（），即Cu（）毒性大于Zn（），這和“2.1”節(jié)中它們對(duì)廢水處理效果的影響所得出的結(jié)論相同。說(shuō)明在SBBR中，Zn（）、Cu（）在影響廢水處理效

12、果與微生物呼吸方面有明顯的相關(guān)性。2.3 Zn（）和Cu（）對(duì)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(shí)，通過(guò)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(zhǎng)、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(zhǎng)代謝、營(yíng)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（）濃度由圖8可知，在前2 d，6組不同濃度的Cu（）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)

13、果20-21相同，原因是Cu（）與SMP形成了金屬螯合物。Cu（）濃度為0.5、1.0、2.0 mg/L時(shí)，從2 d開(kāi)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(shuō)明微生物的正常生長(zhǎng)、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（）濃度為4.0、8.0 mg/L時(shí)，在2 d開(kāi)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(yíng)養(yǎng)物質(zhì)困難，刺激了微生物釋放SMP，這和前述Cu（）濃度為0.5、1.0、2.0 mg/L 時(shí)，與中期SMP濃度增大的原因不同；

14、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（）濃度為16 mg/L時(shí)，SMP濃度從6 d開(kāi)始迅速增加，可能原因是部分微生物的死亡，釋放了SMP。對(duì)比Zn（）和Cu（）對(duì)SMP的影響，Zn（）影響微生物釋放SMP可用微生物呼吸作用解釋，Cu（）相對(duì)復(fù)雜，原因如下：（1）SMP自身的化學(xué)性質(zhì)，與Zn（）不易形成金屬螯合物，與Cu（）易形成螯合物。（2）SMP來(lái)源復(fù)雜，不僅來(lái)自微生物自身代謝，外界的復(fù)雜環(huán)境也會(huì)影響微生物釋放SMP，嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，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

15、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(duì)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(wú)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(duì)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

16、生物正常呼吸。綜上所述，在Zn（）和Cu（）的存在下，SBBR對(duì)COD的去除，主要是受重金屬對(duì)ETS活性的影響。endprint2.4.2 ETS活性與SMP相互關(guān)系Zn（）對(duì)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（） 的影響而加強(qiáng)，SMP也增加；反之減少。Cu（）對(duì)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(jiǎn)單的正相關(guān)性。3 結(jié)論（1）在SBBR系統(tǒng)中，Zn（）、Cu（）對(duì)廢水處理效果的影響及對(duì)微生物呼吸作用的影響均在24 mg/L之間，為促進(jìn)和抑制的分界，且Cu（）對(duì)微生物的毒性

17、大于Zn（）。（2）在SBBR系統(tǒng)中，Zn（）和Cu（）對(duì)廢水處理效果的影響與其對(duì)微生物呼吸的影響有較好的相關(guān)性。同時(shí)Zn（）和Cu（）也通過(guò)阻斷微生物吸收營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)而抑制COD降解。（3）SMP因其來(lái)源和自身化學(xué)特性，在Cu（）存在下，不能反映微生物代謝活性。Reference：1 張樹(shù)清，張夫道，劉秀梅，等. 規(guī)?；B(yǎng)殖畜禽糞主要有害成分測(cè)定分析研究J. 植物營(yíng)養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào)，2005，11（6）：822-829.2孫建平. 抗生素與重金屬對(duì)豬場(chǎng)廢水厭氧消化的抑制效應(yīng)及其調(diào)控對(duì)策D. 杭州：浙江大學(xué)，2009.3Hill G M，Cromwell G L，Crenshaw T D，et al.

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