采用生物亲和聚氨酯处理污水的原理与应用

赵方琳，叶正芳，陈艳玲，翟 雪，康蒙恩，白 雪,2*

1. 河海大学环境学院，江苏 南京 210098

2. 长江保护与绿色发展研究院，江苏 南京 210098

3. 北京大学环境科学与工程学院，北京 100871

生物膜法作为一种高效的污水处理方法，因具有较高的生物量密度、较强的抗负荷冲击能力、较少的剩余污泥产量以及较为方便的运行与管理等优势，在污水处理领域得到了广泛应用[1-2]. 生物载体是生物膜法处理废水的关键，它能够为微生物的附着、生长和繁殖提供必要场所，促进水流在载体间隙内的再分布，同时截留和去除废水中的悬浮物[3-4]. 因而，生物载体的性能(如材质、比表面积、生物亲和性等)对生物膜的形成起着重要作用，直接影响着生物膜中微生物的数量、种类和活性等，进而决定相关生物膜反应器或工艺的污水处理效果[5-7].

目前市面上常见的生物载体主要由聚乙烯、聚丙烯和聚酯等高分子材料制成，这主要是由于有机高分子材料在材质、密度、机械强度等方面具有明显优势[8-9].然而长期的实际工程应用发现，这些高分子生物载体的亲水性和生物亲和性往往较差且缺乏功能性设计，导致生物传质和微生物黏附性能较差，使得生物膜形成困难且易脱落，难以满足污水处理的相关需求，从而对相应的生物膜工艺去除率产生影响[10]. 因此，如何提升生物载体的表面性能成为了近年来的研究热点.

该研究采用简单的物理涂覆方法制备了BPU(生物亲和性聚氨酯)，测定了载体表面的微观结构和表观特性，并对其化学组分进行了分析. 在此基础上，将载体投入MBBR(移动床生物膜反应器)中使用，进一步研究了载体的生物亲和性和微生物群落多样性，验证BPU 作为新型生物载体处理废水的可行性，以期为新型载体的研发与应用提供参考.

1 材料与方法

1.1 改性载体的制备

试验所用PU(聚氨酯)为1.5 cm×1.5 cm×1.5 cm的立方体，载体在改性前被浸泡在无水乙醇和超纯水中，于70 kHz 超声条件下清洗2 h，以去除表面杂质.之后，向200 mL 无水乙醇中加入600 mg Fe3O4NPs(四氧化三铁纳米颗粒，用量根据预试验结果选定)，超声处理30 min. 然后将载体浸入分散溶液中，于室温下进行12 h 的磁力搅拌，干燥后用去离子水冲洗载体，在60 ℃鼓风干燥箱中烘干6 h. 随后将载体浸泡在含CPAM(阳离子聚丙烯酰胺)的溶液(3 g/L)中搅拌2 h，75 ℃鼓风干燥. 最后再次将载体洗涤烘干，即可得到改性载体BPU.

1.2 生物膜反应器的启动与运行

为了评估改性载体BPU 的生物亲和性和污水处理能力，分别将PU 和BPU 投入到2 个相同的MBBR中使用，并记为R1 和R2，填充率均为20%. MBBR 由有机玻璃制成，有效容积为2.5 L. 试验采用人工排泥挂膜法，接种活性污泥取自南京某污水处理厂的二沉池，浓度为6 000 mg/L. 试验进水采用人工配制的模拟废水，主要由葡萄糖(600 mg/L)、硫酸铵(142 mg/L)、磷酸二氢钾(27 mg/L)及微量元素(CaCl2·2H2O 0.386 mg/L，MgSO42.476 mg/L，MnCl2·4H2O 0.275 mg/L，ZnSO4·7H2O 0.440 mg/L， CuSO4·5H2O 0.391 mg/L，CoCl2·6H2O 0.420 mg/L， Na2MoO4·2H2O 1.26 mg/L，FeCl3·6H2O 2.416 mg/L)组成，由蠕动泵泵入反应器，并从反应器上部流出. 试验期间进水TOC 浓度为180～220 mg/L，NH4+-N 浓度为27～32 mg/L，TP 浓度为5.8～6.5 mg/L，HRT(水力停留时间)维持在8 h，整个反应系统连续运行. 此外，为了保证液体中载体分布的均匀性，并为微生物提供一个好氧环境，通过调节底部进气量，将溶解氧浓度控制在2～4 mg/L 范围内.

1.3 生物量及EPS(胞外聚合物)测定

每2 d 从反应器中随机取出一定数量的载体，通过生物膜剥离前后载体的质量差来确定生物载体表面负载的生物量. EPS 的分层提取主要参考张兰河等[11]的方法，PN(蛋白质)含量测定采用考马斯亮蓝法；PS(多糖)含量测定采用苯酚-硫酸法；DNA 含量测定采用二苯胺比色法. EPS 的总量为PN、PS 和DNA含量的总和.

1.4 水质分析方法

每天对反应器的进水和出水进行取样，经0.45 μm滤膜过滤后进行水质指标检测. 其中，TOC 浓度采用TOC 分析仪(Elementar Vario TOC select，德国元素分析系统公司)测定. TN、-N、-N 和-N 的浓度分别按照HJ 636-2012《水质 总氮的测定 碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法》、HJ 535-2009《水质氨氮的测定 纳氏试剂分光光度法 》、HJ/T 346-2007《水质 硝酸盐氮的测定 紫外分光光度法(试行)》和GB 7493-1987《水质 亚硝酸盐氮的测定 分光光度法》进行测定. SND(同步硝化反硝化性能)、NR(硝化速率)和DNR(反硝化速率)分别根据式(1)(2)(3)计算[12]：

通过IBM SPSS Statistics 26 软件对试验数据进行单因素ANOVA 检验，P＜0.05 表示存在显著性差异.

1.5 微生物群落分析

在MBBR 系统运行至42 d 时从2 个反应器(R1和R2)中采集生物膜样本，通过高通量测序揭示微生物特征. 为了确保DNA 的纯化，使用正向引物338F(ACTCCTACGGGAGGCAGCAG)和反向引物806R(GGACTACHVGGGTWTCTAAT)，采用PCR(聚合酶链反应)方法对16rRNA 基因的V3、V4 区域进行扩增，之后进行Illumina MiSeq 测序.

2 结果与讨论

2.1 生物载体的表观特性及化学组成分析

采用SEM(扫描电子显微镜，JSM-7800F，日本捷欧路公司)对原始载体和经过不同步骤处理载体的微观形貌进行表征. 由图1 可见：原始载体表面较为平滑；浸泡Fe3O4NPs 分散液后，颗粒状的Fe3O4NPs较为均匀地负载在载体表面，增加了其粗糙程度；而在经过CPAM 的浸泡后，Fe3O4NPs 出现团聚现象，分布更为致密均匀，推测Fe3O4NPs 被CPAM 包裹，增加了颗粒之间以及颗粒与载体之间的黏附性. 结合进汞-退汞曲线及孔径分布特征(见图2)可以看出，经过改性，载体的微孔数量显著增多，BET(比表面积)由36.2 m2/g 增至42.6 m2/g，从而为细菌提供了更多的结合位点[13].

图1 不同载体的扫描电镜图像Fig.1 The SEM images of different carriers

图2 改性前后载体的进汞-退汞曲线及孔径分布特征Fig.2 The mercury intrusion and extrusion curve and pore size distributions of PU and BPU

PU 表面通常呈现电负性，该试验所用PU 的Zeta电位为(-31.70±1.93) mV(固体表面Zeta 电位测试仪检测，SurPASS 3，奥地利安东帕)，经过改性，载体表面带正电(见表1)，由于细菌表面存在大量羟基、羧基、磷酸基等基团，往往呈现电负性，因此，更容易在静电作用下附着在带正电荷的载体表面，从而提高废水处理过程中生物量的稳定性[14]. 此外，经过改性，载体表面接触角(视频光学接触角测定仪检测，OCA100，德国德飞)大幅降低，说明其亲水性显著增强.

表1 改性前后载体表观特性(pH=7)Table 1 The apparent characteristics of carriers before and after modification (pH=7)

为了探究载体性能变化的原因，利用XPS(X 射线光电子能谱仪，Thermo Scientific K-Alpha，美国赛默飞公司)对载体的化学组成成分进行分析，结果表明，未改性载体O/C(二者相对含量之比，下同)值为31.60%；经过改性，载体表面C 元素的相对含量下降，O 元素相对含量上升，O/C 增至72.81%(见表2). 由此可见，改性引入了含氧基团. XPS 图像可以看出，增加的含氧基团主要为C=O，其来源于CPAM 的引入. 此外，改性后载体表面C-N 键所占比例也有所增加，由N 1s的能谱分析可知，C-N 键的增加主要是因为改性引入了酰胺基和季铵盐[15]. 由于C=O、酰胺基属于亲水基团，而C-C 为疏水基团，因此经过改性，载体表面亲水性能提升.

表2 改性前后载体表面元素相对含量的变化Table 2 Changes in the relative content of surface elements on the carriers before and after modification

Fe 2p 光电子线的出现表明，Fe3O4NPs 成功负载在PU 载体表面〔见图3(d)〕. 之后利用VSM(振动样品磁强计，LakeShore7404，美国LakeShore 公司)在室温条件下研究BPU 在-15 000 ～15 000 Oe 范围内的磁性行为，发现改性载体的矫顽力几乎为0，说明改性载体具有顺磁性，其饱和磁化强度为3.84 emu/g(见表1).结果表明，Fe3O4NPs 的存在引起了磁响应，可能在载体内部产生微磁场，提升微生物的代谢活性[16].

图3 PU 和BPU 的XPS 光谱，C 1s、N 1s 的XPS 精细扫描光谱以及BPU 的Fe 2p XPS 精细扫描光谱Fig.3 XPS survey spectra of PU and BPU, the fine-scanned XPS spectra for C 1s, N 1s of PU and BPU,as well as the fine-scanned XPS spectra for Fe 2p of BPU

2.2 改性载体的生物亲和性研究

载体表面微生物的生长情况是反映载体生物亲和性的一个重要指标[17]. 而有研究表明，生物载体表面性质的改善可直接促进细胞的初始黏附，增强EPS的分泌，进而增加载体表面附着的微生物含量[18-19]，因此，EPS 含量能够从侧面反映生物载体的生物亲和性. 因而，该研究主要通过测定生物膜形成过程中载体上附着的相应生物量以及EPS 组分，对载体的生物亲和性进行评估.

2.2.1 载体表面生物膜生长情况

将载体投入MBBR 系统中连续运行42 d 后，BPU表面负载的生物膜含量明显多于PU(见图4). 具体来看，在系统启动初期，2 种载体表面的生物膜增量均趋近于线性增长，但BPU 表面生物膜量的增长速率〔23.76 mg/(g·d)〕显著高于PU〔16.30 mg/(g·d)〕，是PU的1.46 倍. 此外，在系统运行至18 d 左右时，R2 反应器中的载体表面生物膜由白色透明状逐渐转变为黄褐色，此时TOC 和NH4+-N 的去除率基本分别稳定在90%和80%左右，且在电子显微镜下可明显观察到菌胶团以及钟虫、轮虫、线虫等后生生物的存在，认为挂膜启动完成[20-23]，而含未改性载体反应器的挂膜完成则需要24 d 左右. 反应器稳定运行后，PU 表面生物膜量为(359.27±20.24) mg/g，而BPU 表面生物膜量则较PU 增加了近20%，为(428.40±23.03) mg/g.

图4 改性前后载体附着的生物量变化Fig.4 Attached biomass change of carrier before and after modification

2.2.2 EPS 组分分析

生物膜主要由微生物、EPS 及无机物组成，其中，EPS 可用于微生物的自我保护和相互黏附，为细菌提供稳定的栖息地[24-26]. 根据结合紧密程度的不同，EPS可分为S-EPS(黏附层EPS)、LB-EPS(松散结合层EPS)和TB-EPS(紧密结合层EPS)[27].

蛋白质和多糖是EPS 的主要组成成分，在相同的试验条件下，2 个反应器(R1 和R2)中不同层EPS的蛋白质和多糖含量具有较大差别，但二者的变化趋势相似，整体呈现为TB-EPS＞S-EPS＞LB-EPS (见图5)，这与其他学者的研究结果[22,28]一致. 从总量上看，反应器稳定运行后，PU 表面的胞外蛋白含量约为139.56 mg/(g MLSS)，而BPU 则为163.59 mg/(g MLSS)，提高了17.22%. 这是由于蛋白质由氨基酸组成，属于两性物质，当有铁离子存在时，蛋白质的等电点发生改变，进而促进了其在载体表面的形成[29]. 高含量的胞外蛋白不仅能够提高载体表面附着的生物量，还能够说明该生物膜具有较高的生物活性. 同样，BPU 表面的多糖含量也高于PU，是PU 的1.22 倍. 多糖含量的增加能够提高载体表面生物膜的附着性及稳定性，进而加速反应器的启动. 此外，R1 反应器中的PN/PS(蛋白质含量与多糖含量的比值，下同)值为1.25，高于R2 反应器(1.20)，而PN/PS 值与反应器的稳定性密切相关，PN/PS 值越高，反应器稳定性越差，反之越好[30]. 由此可见，改性提高了载体的生物亲和性，进而增强了反应器的稳定性.

图5 改性前后生物膜中EPS 各组分含量Fig.5 Concentration of EPS components in biofilms before and after modification

2.3 改性载体的废水处理效果评价

反应器在启动和稳定运行期间对污染物的去除效果如图6 所示. 由图6(a)可知，在系统稳定之后，2 个反应器(R1 和R2)中TOC 的去除率无明显差异，分别为 90.80%±2.51%和 91.08%±3.26% (ANOVA,P＞0.05)，出水TOC 浓度稳定在20 mg/L 左右. 这是由于在整个反应器运行期间，载体表面和本体溶液中存在大量异养细菌，足以将废水中的有机营养物质消耗殆尽，即使在反应器启动阶段厌氧细菌的数量相对较低，也能实现TOC 的高效去除[31].

图6(c)反映了2 个反应器(R1 和R2)中TN 的去除率和SND 性能，反应器稳定运行后，R2 反应器中TN 的平均去除率为61.71%±3.22%，高于R1 反应器〔55.44%±3.52% (ANOVA,P＜0.05)〕，R1 和R2 反应器的SND 性能分别为81.88%±5.59%和90.19%±2.15%.结合硝化速率和反硝化速率〔见图6(d)〕能够发现，R2 反应器中的平均硝化速率为2.88 mg/(L·h)，平均反硝化速率为2.68 mg/(L·h)，均高于R1 反应器，但2个反应器(R1 和R2)中的硝化速率均大于反硝化速率，说明反硝化是MBBR 反应器脱氮性能的控制因素[33]. 因此，R2 反应器中较好的反硝化效果使得TN去除率和SND 性能分别提高了6.27%±0.30%和8.31%±3.44%.

图6 MBBR 中TOC 和-N 的浓度变化、TN 去除率和SND 性能的变化以及硝化速率和反硝化速率Fig.6 Concentration variations of TOC, -N, TN removal efficiencies and SND performance,as well as the rates of NR and DNR in MBBRs

综上，含有改性载体的R2 反应器对废水的处理效果及系统的稳定性整体优于R1 反应器. 另外，为测试载体的重复利用性，在试验结束后将部分载体生物膜进行洗脱，称量得到使用前后BPU 的平均质量分别为(63.23±1.74)和(62.59±1.17) mg，无明显减少，认为负载在载体上的Fe3O4NPs 不易发生脱落.此外，将剩余改性载体重新投放入清洗过的反应器继续运行一个月后，TOC 的去除率仍旧在90%以上，-N 的去除率也维持在80%左右，因此认为改性后的载体能够支持反应器长期运行，具备重复利用的潜力.

2.4 改性载体增效机理分析

2.4.1 生物膜生长情况的差异

如2.2 节所述，BPU 表面微生物的生长情况优于PU，结合载体表观特性分析可知，一方面，载体表面比表面积的增加有利于微生物的附着和生长；另一方面，BPU 的亲水性能更好，载体表面自由能更高，而水体中微生物大多都是亲水的，因此更容易附着在亲水性好的载体上，进而形成致密的生物膜[34]. 此外，BPU 周围存在弱磁场，而弱磁场可以刺激微生物体内酶的合成，增强载体附近底物的传质，在一定程度上促进微生物在载体上的黏附、生长和繁殖，提高微生物的代谢活性，从而增加污染物的去除. 另外，由于BPU 上附着了更多的微生物，这些微生物包裹在载体表面，阻碍了溶解氧的扩散，导致载体内部溶解氧浓度减少，形成缺氧环境；同时，生物量的增多使得微生物代谢作用增加，而微生物代谢消耗氧气，增加了载体内部的氧浓度梯度，这均有利于反硝化细菌的增长. 因此，经过改性，生物膜系统中的硝化速率和反硝化速率增加，进而提高了污染物的去除.

2.4.2 微生物群落结构的变化

除了改性所引起的生物量的差异外，生物载体中微生物群落的构成也是影响反应器处理性能差异的关键因素，不同生物载体的使用将导致微生物多样性发生变化，进而影响污染物的去除[31]. 微生物物种多样性指数的统计结果如表3 所示. 由表3 可知，R1和R2 反应器中生物膜的样本序列分别为22 800 和29 790；Simpson 指数和Shannon-Wiener 指数常被用来评估样品中的微生物多样性，通常Simpson 指数值越大，Shannon-Wiener 指数值越小，则表明微生物群落多样性越高，由此可见，R2 反应器的生物多样性高于R1 反应器. Ace 指数和Chao1 指数常用来评估物种总数，在反应器稳定运行后，R2 反应器内生物膜样品的Ace 指数和Chao1 指数均高于R1 反应器，这意味着BPU 的使用增加了反应器中物种的总数量. 此外，在运行过程中，2 个反应器(R1 和R2)的Coverage并无较大差异，且数值较高，说明测序结果能够代表样本的真实情况. 上述结果表明，R2 反应器中微生物群落多样性和稳定性有所提高，而微生物多样性与污染物去除效果之间的正相关关系已经被广泛报道[35-36]，因此，无论是生物量的积累还是较高的微生物多样性都能够证明R2 反应器比R1 反应器更有利于废水的生物处理.

表3 微生物物种Alpha 多样性指数表Table 3 Alpha diversity index table of microbial species

为了进一步揭示2 种生物载体上生物膜样品中微生物群落的差异，总结了2 种生物载体上有效细菌序列在门水平上的分类，结果如图7 所示. 2 个生物膜样品中共鉴定出了22 个门，其中，Proteobacteria和Bacteroidetes 是2 个反应器运行过程中涉及到的最主要的2 种细菌，这与大多数的研究发现相同，这是因为Proteobacteria 和Bacteroidetes 都属于革兰氏阴性菌，表面主要由脂多糖组成，使得它们很容易附着在生物载体表面，其主要功能是降解有机物[37]；Actinobacteria 同样可能是降解葡萄糖的主要微生物. 尽管R1 反应器中Proteobacteria、Bacteroidetes 和Actinobacteria 的总占比更高，但由于BPU 表面具有更高的生物膜含量，因此二者最终并未在TOC 去除方面表现出明显差异. Chloroflexi 是与Nitrospirae 相近的分类单元，在硝化过程和反硝化过程中起着重要作用[38]； Firmicutes 是厌氧环境下重要的反硝化菌[39]；Patescibacteria 是近年来提议组建的超级类群，目前针对该门微生物的研究较少，在该试验中可能起到反硝化作用[40]；而Myxococcota 则可能减少亚硝酸盐的积累. 这些细菌在R2 反应器中的含量均高于R1 反应器，说明BPU 上存在更多的脱氮功能菌，从而增强了污染物的去除率.

图7 门水平上微生物群落的相对丰度Fig.7 Relative abundance of the microbial community at the phylum level

3 结论

a) 改性增加了载体表面的粗糙程度和比表面积，改善了生物载体的表观特性，使得其生物亲和性得到明显提升.

b) 与未改性PU 相比，BPU 上具有更高的生物膜含量、更丰富的微生物群落组成及更多的功能菌数量，从而增强了反应器的稳定性，使得TOC、TN 和-N 的去除率分别为91.08%±3.26%、61.71%±3.22%和83.72%±2.94%.

c) 作为一种高效的生物载体，BPU 在废水处理中具有一定的应用价值，可为扩大生物膜工艺的应用范围、提高生物膜工艺的处理效率提供思路.