单宁酸对活性污泥中功能微生物的影响

裴立影,朱红霞,侯银萍,郝 杰,杜 琳,郭昌梓,马宏瑞

(1.陕西科技大学 环境科学与工程学院,陕西 西安 710021;2.东北电力大学 化学工程学院,吉林 吉林 132112;3.西安市第五再生水厂,陕西 西安 710021)

0 引言

制革工业在我国轻工业中占有重要的经济地位,虽然人们已经认识到环境保护的重要性,促进了制革生产中的清洁生产,但由于排放巨大,水质复杂,仍然是污染最严重的行业之一[1].皮革废水具有高硫、高Cr(Ⅲ)、高p H、高盐、高悬浮物和高色度以及水质波动大等特点,如某猪皮制革厂,综合废水平均COD 值为3 000～4 000 mg/L[2].

目前,对于国内外的制革企业来说,基本上都是采用物理化学处理和生物处理相结合同时辅以深度处理的工艺流程[3].最常用的物理化学处理技术是混凝沉淀法和混凝气浮法,这些方法可以有效去除S2-和Cr(Ⅲ)等的有害成分以及大量表面活性剂、染料等难降解有机物.制革废水BOD5/TN值约0.35～0.40,可生化性较好,因此生物处理法是制革废水处理的核心方法,大部分有机物和氨氮可以在生化处理单元去除[4].深度处理主要是通过高级氧化如Fenton等技术对生化出水中的COD等进行进一步去除以达到排放标准,因此生化处理单元运行的好坏直接影响到后续处理的运行费用.

本课题组前期调研结果表明,皮革在鞣制过程中加入的化料中单宁酸类聚合物占比较高,它们中的一部分会直接或间接的进入到后续的制革废水中,使得制革废水中难生物降解类有机物增加,有研究表明,单宁酸在好氧微生物的作用下去除率可以达到90%以上,但COD 仍有25%的残留[5].同时,单宁对微生物具有广谱的抑制性[6],即在增加处理系统有机负荷的同时可能会对活性污泥微生物产生毒性.探明单宁酸对活性污泥系统运行的影响规律,尤其是对活性污泥功能微生物的作用,以期为单宁酸类鞣剂的使用以及污水处理系统的运行提供一定的依据.

1 实验部分

1.1 试验装置与运行

批式试验在烧杯中进行,根据皮革加工与单宁酸类化料的用量估算废水中单宁酸类有机物浓度在十几到几十毫克/升,因此批式试验中选用30 mg/L,60 mg/L,90 mg/L作为供试单宁酸的浓度来研究单宁酸短期暴露对硝化菌代谢活性的影响,并根据此批式试验的结果选择60 mg/L作为单宁酸长期暴露对功能微生物代谢活性影响研究的依据.

SBR反应器的运行周期为8 h,其中进水:2 min;反应:405 min(好氧段为200 min,厌氧段为205 min);沉淀:60 min;排水:5 min;闲置:2 min.反应器排水比为0.5,水力停留时间(Hydraulic Retention Time,HRT)为16 h,污泥停留时间(Sludge Retention Time,SRT)为15 d.反应器温度控制在25℃±1℃,pH 控制在6.5～8.0.

两组反应器平行运行,其中1号反应器为对照组,2号反应器为实验组,2号反应器运行分为两个阶段,第一阶段(0～35天)为反应器启动阶段,第二阶段(加药阶段)从第36天开始,向进水中投加60 mg/L单宁酸探究其对活性污泥处理系统及其功能微生物代谢活性的长期影响.

1.2 试验用水与接种污泥

反应器运行期间进水采用人工配置,并模拟城市污水水质,具体如表1所示,微量元素溶液组成如表2所示.接种污泥取自西安市第五污水处理厂曝气池末端.活性污泥呈现黄褐色,含有丰富的原生动物和良好的沉淀性能,混合液悬浮固体浓度在7 500 mg/L左右,具有良好的脱氮除磷性能.

表1 反应器进水水质

表2 微量元素组分

1.3 分析方法

1.3.1 常规指标分析

本实验中常规项目如氨氮、亚硝氮、硝氮、磷酸盐和COD 等分析方法,参考《水和废水监测分析方法》[7].

1.3.2 其他分析方法

硝化菌代谢活性测定采用批式实验法[8],利用扫描电镜[9]对活性污泥的形貌进行表征和观察.

2 结果与讨论

2.1 单宁酸短期暴露对硝化菌代谢活性的影响

本试验选取30 mg/L,60 mg/L 和90 mg/L的浓度来研究单宁酸短期暴露对硝化菌代谢活性的影响.

图1为不同单宁酸浓度条件下的氨氧化速率(ammonia utilizing rate,AUR).由图1可知,氨氧化速率随着单宁酸浓度的增加而降低.当单宁酸的浓度从0增加到30 mg/L时,氨氧化速率从4.42 mg降低到4.29 mgh,降幅不明显.当单宁酸浓度增加到60 mg/L 和90 mg/L时,氨氧化速率分别为3.47 mgN/g VSS h和3.33 mg-N/gVSS h,降低比例为21.5%和24.7%,降幅明显,并且影响程度接近.由以上的实验结果和分析可知,单宁酸的短期暴露影响了活性污泥中氨氧化细菌的代谢活性,从而导致氨氧化速率降低.

图1 不同单宁酸浓度条件下的氨氧化速率

图2为不同单宁酸浓度条件下的亚硝酸盐氧化速率(nitrite utilizing rate,NUR).由图2可知,亚硝酸盐氧化速率随着单宁酸浓度的增加而降低.当单宁酸的浓度为0 mg/L,30 mg/L,60 mg/L和90 mg/L时,亚硝酸盐氧化速率分别为5.04 mgN/g VSS h,降低比例分别为4.37%,9.33%和14.29%.单宁酸的存在抑制了亚硝酸盐氧化菌的代谢活性,每增加30 mg/L 的单宁酸对亚硝酸盐氧化菌代谢活性的影响程度大致相当.

图2 不同单宁酸浓度条件下的亚硝酸盐氧化速率

据上述实验结果及分析可知,单宁酸对氨氧化菌和亚硝酸盐氧化菌的代谢活性均有抑制作用,且随着单宁酸浓度的增加抑制程度更大.相比较而言,单宁酸对氨氧化速率的影响程度大于对亚硝酸盐氧化速率,即对氨氧化菌的影响大于对亚硝酸盐氧化菌.单宁酸属于多酚类物质,多酚类物质与蛋白质的结合是其最重要的特性之一[10].有研究表明,单宁酸的存在会对纤维素酶和木聚糖酶的活性产生影响[11].分析认为,单宁酸对硝化菌的活性的影响可能是限制了参与硝化反应的酶的活性所致.

2.2 单宁酸长期暴露对硝化菌代谢活性的影响

为探明单宁酸长期暴露对活性污泥处理系统运行效果尤其是硝化菌代谢活性的影响,试验启动SBR 反应器,系统运行稳定后,投加60 mg/L的单宁酸,研究单宁酸长期暴露的影响.

经过35 天的运行,系统污泥浓度稳定在3 400 mg/L,pH 在7.0～8.0 之间,系统启动完成,在36天的时候开始投加单宁酸.

2.2.1 氮磷和有机物的去除效率

反应器出水水质变化如图3所示.由图3可知,污泥驯化期间(0～36 d)SBR反应器氨氮的去除率一直比较高,基本处于检测不到的状态.2号反应器加单宁酸后,出水氨氮浓度从第七天开始呈现出逐渐增加的趋势,到第11天的时候基本稳定在30 mg/L左右.

亚硝氮的含量在加单宁酸后第5天出现增加的趋势,但是在第8天以后基本检测不到.分析原因可能是在第5天的时候出现了亚硝氮的累积,而随着氨氧化细菌的活性越来越低,氨氮转化成的亚硝氮越来越少,反应器中的亚硝酸盐氧化菌将积累的亚硝氮转化为硝氮1号反应器与2号反应器未加单宁酸阶段出水硝酸盐变化趋势基本一致,1号反应器运行基本稳定,出水硝酸盐浓度在25 mg/L所有.2号反应器加单宁酸后,由于氨氧化菌和亚硝酸盐氧化菌代谢活性受到抑制,因此进水中的氮主要以氨氮的形式从系统中排出,硝酸盐浓度维持在较低水平.反应器出水磷酸盐变化如图3所示。由图可知,加单宁酸后的前5天磷酸盐含量出现了由低到高再到低的变化,5 d以后基本检测不到.说明加单宁酸5天后聚磷菌能较快适应单宁酸的存在,进水中60 mg/L 的单宁酸对聚磷菌无明显抑制作用.

图3 反应器出水水质变化

反应器出水COD变化如图4为所示.由图4可知,反应器启动初期(0～11 d),运行效果不稳定,出水COD浓度在30～120 mg/L,波动较大.在运行的第12～26 d,两个反应器的出水水质在36～78 mg/L范围内波动,逐渐趋于稳定.在27～35 d,出水COD浓度为38±3 mg/L,反应器达到稳定运行阶段.从第36 d开始,向反应器中添加60 mg/L的单宁酸,可以看出,2 号反应器加入单宁酸的第二天出水COD由单宁酸加入前的36 mg/L升高到84 mg/L,并且在5 d内持续上升到110 mg/L,同时,1号反应器出水COD基本稳定在45±8 mg/L.由此可见,单宁酸的加入对有机物的去除起到了一定的抑制作用,这可能与单宁酸的抑菌有关[12-14].另一方面,单宁酸属于多酚类物质,它的加入本身增加了进水中有机物的量,王勇等的研究结果表明,单宁酸经好氧微生物降解后仍有25%左右的COD残留[5].

图4 反应器出水COD 的变化

2.2.2 污染物降解历程

典型周期内SBR 系统中水质的历时变化如图5所示.由图5可知,1号反应器在整个周期内,氨氮逐渐下降,运行2.5 h后,反应器内的氨氮几乎为零,亚硝氮在运行期间逐渐下降,在一个小时后,基本在检测线以下.硝酸盐处于一个逐渐上升的状态.由氨氮和亚硝酸盐的过程曲线可以看出,氨氧化和亚硝酸盐的氧化几乎同时进行.

加单宁酸后第10天对2号反应器典型周期内SBR 系统中的水质变化情况进行了检测,由图5可见,2号反应器中氨氮最开始逐渐下降,2 h以后基本保持在29 mg/L.亚硝氮一直处于检测不到的状态,硝酸盐氮浮动也不大.说明加单宁酸以后对氨氧化细菌的代谢活性影响较大.氨氧化过程受到抑制以后,亚硝酸盐氧化菌因缺少基质而使得亚硝氮一直处于较低水平.

图5 典型周期内SBR 系统中水质的历时变化

在整个运行周期内,磷酸盐含量逐渐下降,运行2～3 h 后,反应器内的磷酸盐几乎为零.可见,60 mg/L的单宁酸对磷酸盐的去除没有显著影响.

典型周期内SBR 系统中COD 的历时变化如图6所示.进水以葡萄糖为碳源,进水后COD 迅速下降.从图6 的对比来看,1 号反应器中出水COD 浓度基本保持在50 mg/L,而加了单宁酸的2号反应器COD 浓度基本保持在100 mg/L,与图4反应器出水COD 浓度变化基本吻合.

图6 典型周期内SBR 系统中COD 的历时变化

2.2.3 对硝化菌代谢活性影响

对照组与实验组组氨氧化速率与亚硝酸盐氧化速率对比如图7所示.试验的温度25 ℃±1 ℃.由图7可知,2号反应器氨氧化速率明显不及对照组即1号反应器.1号反应器中活性污泥氨氧化速率为4.15 mg2号反应器中活性污泥的氨氧化速率为2.69 mg说明单宁酸的长期暴露对氨氧化细菌的影响比较大.这一点可以和单宁酸短期暴露的结果互相印证.单宁酸对酶的抑制具有选择性[15],这可能是造成单宁酸对氨氧化菌和亚硝酸盐氧化菌抑制程度不同的原因.

图7 对照组(1号反应器)和实验组(2号反应器)硝化速率

2号反应器亚硝酸盐氧化速率明显不及1号反应器.1号反应器中活性污泥亚硝酸盐氧化速率为5.01 mg-N/g VSS h,2 号反应器中活性污泥的亚硝酸盐氧化速率为2.09 mgN/g VSS h.说明单宁酸的长期暴露同样对亚硝酸盐氧化细菌的影响也比较大,抑制了亚硝酸盐氧化速率,降低了亚硝酸盐氮的去除率.

表3为单宁酸短期暴露和长期暴露条件下硝化菌代谢活性变化的数据,因长期暴露进水单宁酸浓度为60 mg/L,稀释比为2,即对应的反应器中单宁酸浓度为30 mg/L,因此将30 mg/L 单宁酸短期暴露与反应器进水单宁酸浓度为60 mg/L代谢活性数据进行对比分析,通过对比分析可知,长期暴露对硝化菌代谢活性的抑制作用更明显,长期暴露使得氨氧化和亚硝酸盐氧化的抑制率分别提高了32.3%和53.9%.即氨氧化菌和亚硝酸盐氧化菌对单宁酸的短期抑制具有一定程度的耐受性,长期接触后具有慢性的毒性积累.

表3 单宁酸短期、长期暴露对硝化代谢菌活性影响对照表

2.3 显微镜检结果

显微镜观察是收集活性污泥质量信息最快捷有效的方法之一.图8为对照组和实验组100倍显微镜检照片.由图8可知,1号反应器中活性污泥絮体较大,且结构密实.絮体大而密实的活性污泥在水质发生变化时具有更高的抗冲击力.同时固着型种属钟虫的存在也表明活性污泥活性良好[16].

图8 对照组(1号反应器)和实验组(2号反应器)显微镜检照片

由2号反应器镜检图发现有拟轮毛虫属存在,但污泥絮体明显减少,且结构更为松散的特征是一致的.结合污泥絮体情况及原生动物对活性污泥的指示作用[17]可知,单宁酸的投加对活性污泥絮体结构及原生动物的生存造成了不利影响.

2.4 SEM 结果

对照组和实验组运行不同时间段的SEM 图如图9所示.在对照组和实验组第4天的活性污泥样品中观察到大量的球菌,活性污泥絮体空隙明显,菌胶团之间的界限相对清晰,第8天的活性污泥孔隙结构明显减少,絮体分层结构削弱,菌胶团之间的界限模糊.An等[18]在研究三聚氰胺对活性污泥系统影响时观察到了类似的现象

图9 对照组和实验组运行不同时间段的SEM 图

大多数有毒物质都会对活性污泥产生不利影响.单宁酸作为皮革工业中常用化料,其在长期暴露的条件下不仅对硝化细菌的活性产生抑制作用,也对活性污泥表面形态造成不利影响.

3 结论

(1)单宁酸短期暴露对硝化菌活性具有明显抑制作用.当单宁酸浓度从0 mg/L增加到30 mg/L,60 mg/L和90 mg/L时,氨氧化菌的活性分别下降了2.95%,21.5%和24.7%,亚硝酸盐氧化菌活性分别下降了4.37%,9.33%和14.29%.即单宁酸短期暴露对氨氧化菌的影响整体大于对亚硝酸盐氧化菌.

(2)单宁酸长期暴露对污水处理系统的脱碳脱氮微生物均具有明显的抑制作用.长期暴露使得氨氧化和亚硝酸盐氧化的抑制率分别提高了32.3%和53.9%.即氨氧化菌和亚硝酸盐氧化菌对单宁酸的长期暴露毒性高于短期暴露.

(3)单宁酸的长期暴露会使得活性污泥结构松散,絮体减少.SEM 的结果表明,污泥絮体孔隙结构减少,絮体分层结构削弱,菌胶团之间的界限趋于模糊.