Cu2对以NO2为电子受体反硝化过程的影响买文可

1Cu2+对以为电子受体反硝化过程的影响买文可1,2，彭永臻1,2*，吉建涛1,2（1.北京工业大学城镇污水深度处理与资源化利用技术国家工程实验室，北京100124；2.北京市水质科学与水环境恢复工程重点实验室，北京100124）摘要:短程生物脱氮工艺在废水处理中已经得到较为广泛的应用，其反硝化过程是实现氮去除的关键步骤，而关于废水中常见重金属离子Cu2+对以为电子受体反硝化过程的影响尚无系统研究.选取A/O反应器内具有良好短程生物脱氮特性的污泥，通过批次试验及SBR长期试验分别探究了Cu2+对以为电子受体反硝化过程的短期及长期影响.短期试验结果表明，Cu2+对以为电子受体反硝化过程具有明显抑制作用，对污泥反硝化活性的半抑制浓度EC50为4.79mg·L-1.在长期影响试验中逐渐提高污泥对Cu2+的耐受浓度，当Cu2+浓度为0.5mg·L-1和1mg·L-1时，污泥反硝化活性降低后均能够通过驯化恢复至原有水平；而Cu2+浓度升高至3mg·L-1后污泥反硝化性能遭到破坏且难以恢复，-N去除率降低至10%以下，反硝化系统遭到严重抑制.但是，停止投加Cu2+后污泥反硝化活性在第14d恢复至原有水平.同时，在Cu2+的长期影响过程中，EPS含量增多，对微生物抵御Cu2+的毒害起到重要保护作用，促使污泥粒径增大，污泥沉降性得到提高.关键词：Cu2+；；反硝化；短期影响；长期影响中图分类号:文献标识码:A文章编号:0250-3301（2019）DOI:10.13227/j.hjkx.201812125EffectofCu2+onDenitritationUsingasElectronAcceptorsMAIWen-ke1,2，PENGYong-zhen1,2*，JIJian-tao1,2(1.NationalEngineeringLaboratoryforAdvancedMunicipalWastewaterTreatmentandReuseTechnology,BeijingUniversityofTechnology,Beijing100124,China;2.KeyLaboratoryofBeijingforWaterQualityScienceandWaterEnvironmentRecoveryEngineering,Beijing100124,China)Abstract:Theshort-cutbiologicalnitrogenremovalprocesshasbeenwidelyusedinindustrialwastewatertreatment,anddenitrificationisacrucialstepforremovingnitrogen,onwhichtheeffectofCu2+,acommonheavymetalioninwastewater,hasnotbeenstudied.Inthispaper,thesludgewithgoodshort-rangebiologicalnitrogenremovalcharacteristicsintheA/Oreactorwasselectedtoinvestigatetheshort-termandlong-termeffectofCu2+ondenitrificationprocessusingasanelectronacceptor.TheresultsshowedthatCu2+hadasignificantinhibitoryeffectondenitrificationprocessusingNO2-asanelectronacceptor,andthesemi-inhibitoryconcentrationEC50ofsludgeactivityis4.79mg·L-1.Inthelong-termexperiment,theconcentrationofCu2+wasgraduallyincreased.WhentheconcentrationofCu2+was0.5mg·L-1and1mg·L-1,thedenitrificationactivityofthesludgecouldberestoredtotheoriginallevelafteracclimation.AftertheconcentrationofCu2+increasedto3mg·L-1,thedenitrificationperformancewasdestroyedanddifficulttorecover,whenthe-Nremovalratewasreducedtolessthan10%andthedenitrificationsystemwasseverelyinhibited.However,therewasarecoveryofsludgedenitrificationcapacityafterstoppingtheadditionofCu2+for14days.Atthesametime,duringthelong-termeffectofCu2+,theEPScontentincreased,whichplayedanimportantroleinprotectingthemicroorganismagainsttheCu2+toxicity,andpromotedthesludgeparticlesizeandsludgesedimentation.Keywords:Cu2+;;denitrification;short-termeffect;long-termeffect1短程硝化反硝化是指将氧化过程控制在阶段，然后以NO2-为电子受体将其反硝化至N2的过程[1].相对于传统硝化反硝化工艺，短程硝化反硝化工艺（SHARAN工艺）具有节省曝气能耗，降低碳源投加收稿日期：2018-12-15；修订日期：2019-01-12基金项目:北京市科技计划项目（D171100001017002）；北京市教委项目作者简介：买文可（1994~），女，硕士研究生，主要研究方向为污水脱氮理论与技术，E-mail：[e-mail]*通信作者，E-mail：[e-mail]2019-02-2517:04:29费用，缩短反应历程等优点[2,3].目前以过程控制为手段的SHARAN工艺SBR中试已经实现了长久稳定的维持[4]，而其中以为电子受体的短程反硝化过程是该工艺的关键步骤之一[5].该工艺在对工业含氮废水（如焦化厂废水[6]和催化剂生产废水等[7]）的处理中也得到广泛应用.重金属作为主要有毒成分之一广泛存在于化工、冶金等工业废水中[8].微量的重金属是微生物生命活动需要的营养物质，但过量的重金属对生物具有毒害作用，不可避免地会导致生物废水处理系统的恶化[9,10].而Cu2+是工业废水中最常见的重金属离子之一，关于Cu2+对活性污泥系统如缺好氧生物膜系统[11]、硝化系统[12]、生物强化除磷系统[13,14]及反硝化除磷系统[15]等的影响已有广泛研究，而有关其对反硝化污泥系统影响的研究还较少.因此，研究Cu2+对以为电子受体反硝化过程的影响对SHARAN工艺处理污水的实际应用具有重要意义.本研究表明活性污泥细胞外聚合物（EPS）中包含的具有高吸收官能团的高分子量化合物（主要是多糖、蛋白质、腐殖质和DNA）对重金属具有吸附和粘附性质，其存在的带电荷的部分可作为配体源为金属带电粒子提供结合位点，因此EPS在一定浓度重金属范围内对于降低其潜在毒性有重要作用[16].基于以上背景，本试验采用SBR考察了Cu2+对还原过程的短期毒性作用，并对Cu2+负荷下微生物还原能力进行长期培养驯化，通过逐步提高污泥对Cu2+的耐受浓度考察了长期影响过程中以为电子受体的反硝化污泥对Cu2+的耐受度变化，同时探究了长期影响试验中EPS及污泥性质的变化情况，以期为短程脱氮工艺的实际应用起到一定指导作用.1材料与方法1.1试验装置及接种污泥本研究分别采用有效体积分别为500mL试剂瓶和3L的SBR反应器进行短期和长期试验，试验在室温下进行（24℃±3℃），反硝化过程中通过机械搅拌保证泥水混合均匀.接种污泥取自北京工业大学A/O短程硝化反硝化中试反应器，污泥具有良好的短程生物脱氮性能.1.2试验方案短期影响：基于批次试验，采用8个500mL试剂瓶考察不同浓度铜离子（0、0.5、1、2、3、5、7和10mg·L-1）对污泥反硝化过程的短期影响.SBR内污泥浓度均为3000mg·L-1左右，运行方式为瞬间进水，一次性投加基质，稀释后的基质浓度为150mg·L-1COD（乙酸钠）和50mg·L-1NaNO2，缺氧搅拌4h.批次试验共进行3次，结果为3次试验结果的平均值.长期影响：考察Cu2+对以为电子受体反硝化污泥的长期驯化过程，采用1个3LSBR反应器进行90d长期试验，每天运行2个周期，每周期4h，排水比为50%，污泥浓度不控制，不单独排泥.运行方式为瞬时进水，每周期一次性投加基质（成分和浓度同短期影响试验），根据Cu2+的投加浓度将长期试验分为5个阶段（如表1），分别对应投加Cu2+浓度为0、0.5、1和3mg·L-1以及系统反硝化效果遭到抑制后停止投加Cu2+阶段.表1长期影响试验运行阶段Table1Operationstagesoflong-termexperiment试验阶段IIIIIIIVV时间/d1~1011~2526~4041~7071~90Cu2+投加浓度/mg·L-100.51301.3检测指标和分析方法水样经0.45µm滤膜过滤进行参数测定.其中-N采用N-（1-萘基）-乙二胺分光光度法测定；pH采用德国WTW便携式多功能检测仪（Multi340i）进行实时监测；MLSS采用滤纸称重法测定；MLVSS采用马弗炉灼烧重量法测定；通过测定不同时刻的-N浓度值，绘制-N浓度随时间的变化曲线图，计算曲线的斜率与反应器MLVSS的比值，可求得-N比还原速率，即-N反硝化活性；多糖选用蒽酮比色法测定；DNA以小牛胸腺DNA作为标准物质，采用二苯胺法测定；菌群致死率采用LIVE/DEADBacLight细菌细胞活性测定试剂染色法测定（以细胞膜的完整性为基础），采用绿色荧光核酸染色剂SYTO®9和红色3荧光核酸染色Propidium（PI）分别对完好与受损的细胞膜进行标记后，使用使用荧光显微镜（OLYMPUS-BX61）对每个污泥样品拍摄30组照片，并用Image-ProPlus软件对照片进行处理与分析，计算出平均细菌死亡率；胞外聚合物（EPS）采用超声波法分层提取[17]，EPS中蛋白质以牛血清蛋白作为标准物质，用修正的Folin-酚法测定；污泥粒径采用MicrotracS3500激光粒度仪测定；SVI采用静沉法测定.2结果与讨论2.1不同浓度Cu2+对以为电子受体反硝化过程的短期影响不同浓度Cu2+对以为电子受体反硝化污泥活性的抑制作用如图1(a)所示.从中可以看出，Cu2+对反硝化活性表现出明显的抑制作用，且随着Cu2+浓度的升高，-N比还原速率呈线性降低，当Cu2+浓度升高至10mg·L-1时，-N比还原速率降低至0mg·(g·h)-1.Cu2+对以为电子受体反硝化污泥活性的抑制规律很好的符合Monod方程，相关系数R2大于0.97[18].Monod方程[式（1）]模拟得出Cu2+对-N反硝化活性的半抑制浓度（EC50）为4.79mg·L-1.（1）式中，为抑制率，%；为当为50%时的抑制物浓度（即EC50），mg·L-1；max为最高抑制率，%；x为限制物浓度，mg·L-1.有研究表明，以为电子受体反硝化过程是碱度增加、pH值连续升高的过程[19].图1(b)为不同浓度Cu2+下反硝化过程pH值变化变化曲线.随