SBR 对废水中布洛芬去除效果的研究

王宗程，张宇晴，王昕，王竞＊

（1. 大连理工大学，辽宁 大连 116024； 2. 辽宁省河库管理服务中心（辽宁省水文局），辽宁 沈阳 110003；3. 吉林省辽源市田家炳高级中学，吉林 辽源 136201）

有机微污染物（OMPs）是指含量少、有毒有害难降解的污染物。目前，污水处理厂以对COD、氮、磷营养物等常规指标的去除效果为主要考察对象，往往忽视了OMPs 的处理，导致污水中频繁检测出OMPs。OMPs 有毒有害难降解，且种类繁多，对人体健康及生态系统造成有害影响[1]。

污水处理厂以生物处理工艺为主，如传统活性污泥法、A2O 工艺、间歇曝气等工艺，但这些常见工艺对污水中OMPs 处理效率很低，导致其出水对人体健康及生态系统造成潜在风险，目前污水厂主要依靠出水的高成本深度处理来提高OMPs 去除率[2]；而原位强化生物反应器中OMPs 去除性能的研究则少见。许多研究表明氨氧化细菌对OMPs 降解至关重要[3]，推测硝化过程中产生的氨单加氧酶可能具有相对广泛的底物特异性，进而通过共代谢作用降解OMPs。MIÈGE[4]等发现，在生物脱氮系统中，OMPs 的去除效率通常高于其他处理方法，主要是因为系统中富集了大量的硝化细菌，而硝化细菌在OMPs 的生物降解中起到了关键作用。REN[5]等的研究结果表明，活性污泥系统中异养菌也可能发挥重要作用。JIANG[5]等研究发现，雌二醇是被异养菌降解为雌酮，可能是由于异养菌的生物多样性高，能够发挥酶功能催化OMPs 的降解。目前关于参与OMPs 微生物降解的规律和机制尚不清晰，因此难以有针对性地原位强化污水处理中OMPs 的微生物降解。

基于此，本研究以污水中典型OMPs——布洛芬（IBP）为目标污染物，开展了强化序批式生物反应器中IBP 生物降解研究，并探究了其强化机理。

1 材料与方法

1.1 试验材料

实验用活性污泥取自污水厂，实验用水为模拟城市污水，组成如表1 所示。本课题采用碳氮比为5 的人工废水作为实验用水，补充微量元素以满足微生物的正常生长需求。葡萄糖提供的COD 为400 mg·L-1，氯化铵提供的氨氮质量浓度为80 mg·L-1。

表1 人工废水组成

IBP 在NaOH 溶液中溶解，配制母液质量浓度为5 g·L-1，避光置于冰箱中备用。

改性沸石制备：天然斜发沸石经研磨过筛后，在NaCl 溶液中水浴加热（80 ℃、2 h），反应均匀后离心洗涤5 次，倒入玻璃皿中，放置90 ℃烘箱直至烘干，得到改性沸石粉，具体方法参照文献[6-7]。

1.2 批次实验

1）为了探究不同污泥质量浓度对布洛芬降解的影响，设置4 个实验组，体系体积为100 mL，MLSS分别为2、4、8、12 g·L-1，布洛芬进水质量浓度为0.5 mg·L-1，置于250 mL 锥形瓶中，在150 r·min-1、25 ℃摇床中反应12 h，倒掉上清液后补充进水，循环3 次后取样检测布洛芬，进行循环实验是为了重复实验结果，保证实验结果的可靠性。每个组别都有相应的平行组。

2）为了探究沸石对布洛芬降解影响，空白对照组为50 mL、4 g·L-1的活性污泥，设为A，另外有2 个实验组B、C。实验组B 在对照组A 的基础上提高污泥质量浓度为8 g·L-1，实验组C 是在实验组B的基础上投加0.2 g、＞200 目（＞0.074 mm）的改性沸石，实验体系置于250 mL 锥形瓶中，在150 r·min-1、25 ℃摇床中反应10 h，长期循环后取样检测IBP质量浓度。每个组别都有相应的平行组。

根据批次实验的结果进一步设计反应器实验。

1.3 试验装置

采用500 mL 锥形瓶模拟序批式生物反应器（SBR），共两组试验装置，在150 r·min-1、25 ℃摇床中进行，R1 反应器为对照组，R2 反应器为强化组；反应器中布洛芬进水质量浓度为0.5 mg·L-1，R1和R2 中活性污泥MLSS 分别为4 g·L-1和8 g·L-1。人工计时调节反应时间，每个运行周期进水1 h，反应6～10 h，沉降及排水1 h。

改性沸石能够吸附NH4+，推测其有助于硝化细菌的富集及IBP 的强化降解。在强化组R2 投加改性沸石，粒径为20～200 目（0.074～0.841 mm），反应器分为4 个阶段运行，具体参数如表2 所示，定期取样检测水质指标。

表2 反应器不同阶段的运行参数

1.4 试验方法

1）批次实验。调节污泥质量浓度，探究不同污泥质量浓度对布洛芬降解的影响，确定布洛芬降解的最适污泥质量浓度；调节沸石投加量，探究不同沸石投加量对布洛芬降解的影响，确定沸石对布洛芬的强化效果，得到最适的强化方式。

2）反应器实验。根据批次实验获得的适宜强化方式，设计SBR 反应器。空白组R1 的实验条件与批次实验中的空白对照组条件相同，强化组R2 中，提高污泥质量浓度，并投加改性沸石。分为4 个阶段调整反应器参数，长期运行SBR 反应器，以进一步考察期强化性能。

3）机理探究。在反应器运行结束后检测体系中的酶活性，并分析活性污泥的微生物群落结构。

1.5 分析方法

1.5.1 理化指标检测方法

COD、氨氮、硝态氮、亚硝态氮理化指标依据《水和废水监测分析方法》（第四版）进行测定，分别选用重铬酸钾法、紫外分光光度法、N-(1-萘基)-乙二胺光度法；高效液相色谱法测定IBP[7]。

1.5.2 生物指标检测方法

脱氢酶（DHA）活性测定采用TTC 分光光度法[8]；计算羟胺氧化速率表征羟胺还原酶（HAO）；用比亚硝酸盐氧化速率（SNOR）表征亚硝酸盐氧化还原酶（NOR）；用潜在硝化速率（PN）表征氨单加氧酶（AMO）[9]。公式如下：

活性污泥16S rRNA 基因序列分析委托第三方公司进行。

2 结果与讨论

2.1 强化方式确定

2.1.1 污泥质量浓度对布洛芬降解的影响调节污泥质量浓度分别为2、4、8、12 g·L-1，得到污泥质量浓度对布洛芬降解的影响如图1 所示。由图1 发现，随着污泥质量浓度升高，IBP 降解率也不断提高，当污泥质量浓度达到8 g·L-1时，IBP降解率可达 100%，当污泥质量浓度再提高至12 g·L-1时，IBP 降解率不再变化，说明此时污泥负荷已经达到极限值。同时实验过程中也检测了体系的COD 和NH4+-N 的去除情况，始终保持较高去除率。可见，IBP 生物降解的适宜质量浓度为8 g·L-1。

图1 污泥质量浓度对IBP 降解的影响

2.1.2 改性沸石对布洛芬降解的影响

沸石可以吸附NH4+-N，创造局部富氨环境，为硝化细菌增殖提供有利条件[10-11]。投加改性沸石（0.2 g）对IBP 生物降解的影响如图2 所示。结果表明，随着循环次数增加，投加沸石的实验组IBP降解率不断提高，到第5 次循环时，实验组C 比实验组A 的IBP 降解率提高77.7%，比对照组提高299.4%，强化效果显著。因此，提高污泥质量浓度联合投加改性沸石对IBP 的生物降解强化效果最佳。

图2 改性沸石对IBP 降解的影响

2.2 强化SBR 降解性能研究

为了验证上述批次实验获得的适宜强化方式，长期运行SBR 反应器，以进一步考察其强化性能。首先考察了反应器中NH4+-N 质量浓度的变化，如图3 所示。阶段I，首先是沸石吸附阶段，此时反应器处于初始阶段，体系中NH4+-N 去除以吸附为主，R2 中的NH4+-N 平均去除率在90%以上。约5 个周期后，沸石逐渐达到吸附饱和，微生物适应新环境，开始发生硝化反应，NH4+-N 的去除率开始下降。15 个周期后，NH4+-N 的去除率开始上升，推测是硝化细菌在沸石的作用下实现了一定程度的富集，有效强化了体系的脱氮能力[12]。为了探究反应器运行的最佳HRT，阶段Ⅱ将HRT 降低至6 h，R1 和R2中NH4+-N 的去除率有所下降，但从结果显示，R1下降程度更明显，在阶段Ⅱ结束时，R2 中NH4+-N的去除率已经有所回升，显示出了一定的环境适应能力。阶段Ⅲ启动时，向R2 中投加了20～200 目（0.074～0.841 mm）、4 g·L-1的改性沸石，R1 中没有改变条件，故各项水质指标均保持稳定，因R2 中新投加的沸石具有一定的吸附能力，NH4+-N 的去除率先达到100%，几次循环结束，达到吸附饱和，随后R2 中进一步发生硝化反应，且比阶段Ⅱ的硝化性能有所提升，阶段Ⅲ结束时，R1 和R2 中NH4+-N的去除率分别为24.0%和86.3%。阶段IV，适当延长水力停留时间为8 h，阶段IV 结束后，R1 和R2中NH4+-N 的去除率分别为42.3%和97.0%，R2 中NH4+-N 的去除率最终比R1 提高了129.3%，可以推出，R2 的硝化性能显著提升。

图3 R1 和R2 中NH4+-N 去除情况

考察反应器R1 和R2 对IBP 的降解情况，结果如图4 所示。阶段I，R1 和R2 中微生物逐渐适应环境，IBP 的降解率初始阶段较低，但都不断提高，其中R2 的IBP 降解率提高得更为显著，同时发现R2 中IBP 的降解率的变化趋势与NH4+-N 去除率的变化趋势较为相同。阶段Ⅱ，缩短水力停留时间，R1 和R2 中的活性污泥都受到冲击，对IBP 的降解率有所下降，但R2 在阶段Ⅲ中硝化性能逐渐增强，发现IBP 的降解率也随之逐渐提高，而R1 中则几乎没有变化。阶段Ⅲ结束时，R1 和R2 中IBP 的降解率分别为18.5%和88.5%。最后，阶段Ⅳ，提高HRT=8 h，IBP 降解率逐渐回升，从全过程的IBP降解情况来看，即使R2 受到水力负荷的冲击，体系的硝化性能也在提升，而IBP 降解也显示出了一定的相关性，也在逐渐提升，在阶段Ⅳ结束时，R2比R1 中IBP 降解率提升了214.5%。这进一步证明了污泥质量浓度的提高与沸石的投加能够有效强化体系的硝化性能，并强化IBP 的生物降解。

图4 R1 和R2 中IBP 去除情况

2.3 强化SBR 中酶活性研究

酶活性在污染物共代谢降解中起关键作用。因此考察了沸石对活性污泥中脱氢酶、氨单加氧酶、羟胺氧化还原酶和亚硝酸盐氧化还原酶的影响。

DHA 是一种氧化还原酶，可以用来表征体系中微生物活性及对有机物的氧化分解能力，是污水处理中考察污泥酶活性的重要指标。活性污泥中DHA含量直接关系到污染物的转化速率[13]。R1 和R2 活性污泥中DHA 含量、潜在硝化速率、羟胺氧化速率和比亚硝酸盐氧化速率如图5 所示。

图5 R1 和R2 活性污泥中DHA 含量、潜在硝化速率、羟胺氧化速率和比亚硝酸盐氧化速率

由图5 可以看出，R2 中DHA 含量是R1 的1.33 倍。由SBR 反应器参数设置已知R2 污泥质量浓度是R1 的2 倍，故R2 中DHA 的总量是R1 的2.66 倍，可见R2 中的DHA 含量明显高于R1，说明R2 体系具有较强的有机物氧化分解能力。结果表明，提高体系污泥质量浓度且投加沸石可显著提高DHA 含量，进一步通过促进体系中相关功能酶活性来提高脱氮效率及IBP 降解率。

AMO、HAO 和NOR 是硝化过程中3 种关键酶。AMO 催化NH4+-N 氧化生成NH2OH，HAO 催化NH2OH 生成NO2-，NOR 催化NO2-生成NO3-。硝化反应的化学计量方程能够显示反应物与生成物之间的定量关系，当已知一个反应物或产物的反应速率，另一个反应物或产物的反应速率可由化学计量方程确定。以单一反应物为底物，进行硝化动力学计算，即可间接表征对应的酶活性。以潜在硝化速率表征AMO 活性，以羟胺氧化速率表征HAO 活性，以比亚硝酸盐氧化速率表征NOR 活性[14]。

R1 和R2 中PN 分别为7.98 gN·(gMLSS·h)-1和11.10 gN·(gMLSS·h)-1；羟胺氧化速率分别为4.24 gN·(gMLSS·h)-1和7.12 gN·(gMLSS·h)-1；SNOR 分别为5.66 gN·(gMLSS·h)-1和6.25 gN·(gMLSS·h)-1。R2中的PN、羟胺氧化速率、SNOR 均比R1 中高，由此可知R2 中AMO、HAO、SNOR 的活性都比R1中高。改性沸石一方面可以吸附NH4+，创造局部富氨环境，为硝化细菌提供丰富的营养；另一方面硝化细菌本身具有一定的附着特性，可以将沸石这一固体基质作为较稳定的生活环境，在其附近逐渐生长。结合这一原理及实验结果，证明了R2 中硝化性能更强，有机物的降解能力也更强。

2.4 强化SBR 中细菌群落结构

为了进一步分析沸石强化的相关微生物机制，对反应器中细菌群落进行了高通量测序分析，结果如图6 所示。R2 中主要优势菌属有变形菌门下的代尔夫特菌属Delftia，其相对丰度为17.3%，R1中Delftia的相对丰度只有0.4%，有研究发现Delftia对污泥颗粒化具有正面作用，且有利于系统内有机污染物的降解[15]。Delftia是一种异养硝化细菌，多出现在氨氮污染的水体中，在NH4+-N 去除中能够发挥重要作用，这也解释了R2 反应器中呈现的良好脱氮性能[16]。硝化螺旋菌门下的硝化螺旋菌属（Nitrospira）是R2 中的特有菌属，Nitrospira在R1 和R2 中的相对丰度分别为1.9%和4.7%，其被认为是常见亚硝酸盐氧化细菌所属菌属，有利于促进氨氮/硝酸盐/亚硝酸盐的循环[17]。R2 中特吕珀菌属（Thauera）相对丰度为4.2%，比R1 提高了147.0%，Thauera在去除脱氮污染中能够发挥重要作用，且有研究中发现，Thauera随着磺胺甲恶唑浓度增大，相对丰度随之增大，说明Thauera还具有降解芳香族污染物的能力。R1 和R2 中的噬氢菌属（Hydrogenophaga）的相对丰度分别为0.2%和1.6%，这一菌属有降解有机物和有毒物质的能力。R2 中污泥质量浓度的提高和沸石的投加富集了与NH4+-N 去除和有机物降解相关的功能菌属，这与R2 更好的污染物去除性能相对应。

图6 R1 和R2 中微生物属水平群落组成

3 结 论

布洛芬生物强化降解研究中，批次实验结果表明，提高污泥zl 浓度至8 g·L-1以及投加粒径为20～200 目（0.074～0.841 mm）、投加量为4 g·L-1的改性沸石，对IBP 的降解率可提高299.4%。SBR 中布洛芬生物强化降解机理研究中，长期运行SBR 反应器，考察其强化性能，提高污泥质量浓度联合投加改性沸石的反应器体系，NH4+-N 的去除率最终比R1 提高了129.3%，IBP 的降解率最终比R1 提高了214.5%；酶活性检测结果表明，R2 中脱氢酶含量、潜在硝化速率、比亚硝酸盐氧化速率、羟胺氧化速率分别比R1 提高了2.66、1.39、1.67、1.10 倍。

本实验证实了采用沸石作为强化材料，并提高污泥质量浓度，使污水处理体系中微生物活性提高，硝化过程相关酶活性提升，与脱氮和有机物降解相关的功能菌得到富集，硝化性能得以强化，最终IBP生物降解率提高了214.5%。本研究获得的IBP 降解强化策略，为污水中有机微污染物的原位强化生物去除提供了理论基础。