低浓度铬对SBR中微生物抑制影响研究

第３６卷第６期２０１６年６月环　境　科　学　学　报　ＡｃｔａＳｃｉｅｎｔｉａｅＣｉｒｃｕｍｓｔａｎｔｉａｅＶｏｌ．３６，Ｎｏ．６Ｊｕｎ．，２０１６基金项目：浙江省科技计划项目（Ｎｏ．２０１４Ｃ０３００２）；浙江工商大学研究生科技创新项目（Ｎｏ．３０７０ＫＺＮ０２１５０７５）ＳｕｐｐｏｒｔｅｄｂｙｔｈｅＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＰｒｏｊｅｃｔｏｆＺｈｅｊｉａｎｇＰｒｏｖｉｎｃｅ（Ｎｏ．２０１４Ｃ０３００２）ａｎｄｔｈｅＳｃｉｅｎｔｉｆｉｃＩｎｎｏｖａｔｉｖｅＲｅｓｅａｒｃｈＦｏｕｎｄａｔｉｏｎｏｆＧｒａｄｕａｔｅＳｃｈｏｏｌｏｆＺｈｅｊｉａｎｇＧｏｎｇｓｈａｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（Ｎｏ．３０７０ＫＺＮ０２１５０７５）作者简介：汪敏刚（１９９０—），男，Ｅ⁃ｍａｉｌ：[e-mail]；∗通讯作者（责任作者），Ｅ⁃ｍａｉｌ：[e-mail]：ＷＡＮＧＭｉｎｇａｎｇ（１９９０—），ｍａｌｅ，Ｅ⁃ｍａｉｌ：[e-mail]；∗Ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇａｕｔｈｏｒ，Ｅ⁃ｍａｉｌ：[e-mail]：１０．１３６７１／ｊ．ｈｊｋｘｘｂ．２０１６．００１２汪敏刚，孙培德，罗涛，等．２０１６．低浓度铬对ＳＢＲ中微生物抑制影响研究［Ｊ］．环境科学学报，３６（６）：１９７９⁃１９８５ＷａｎｇＭＧ，ＳｕｎＰＤ，ＬｕｏＴ，ｅｔａｌ．２０１６．ＩｎｈｉｂｉｔｉｏｎｅｆｆｅｃｔｏｆｌｏｗｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｃｈｒｏｍｉｕｍｏｎｔｈｅｍｉｃｒｏｏｒｇａｎｉｓｍｏｆＳＢＲｓ［Ｊ］．ＡｃｔａＳｃｉｅｎｔｉａｅＣｉｒｃｕｍｓｔａｎｔｉａｅ，３６（６）：１９７９⁃１９８５低浓度铬对ＳＢＲ中微生物抑制影响研究汪敏刚，孙培德∗，罗涛，鲁轩余浙江工商大学环境科学与工程学院，杭州３１００１２收稿日期：２０１５⁃１１⁃０９　　　修回日期：２０１６⁃０１⁃０３　　　录用日期：２０１６⁃０１⁃０７摘要：研究了低浓度铬（三价和六价）对ＳＢＲ生物系统的抑制影响，考察了两种不同ＳＢＲ工艺（传统工艺和分段进水工艺）在处理含低浓度铬废水过程中常规的出水水质和活性污泥性状的变化，以及微生物群落的变迁．研究结果表明，在进水总铬（Ｃｒ（ＩＩＩ）∶Ｃｒ（ＶＩ）＝４∶１）浓度为０．５ｍｇ·Ｌ－１的条件下，传统工艺和分段进水工艺的氨氮去除率由９９％分别下降至７０％和６５％，同时，磷酸盐去除率也由９９％分别下降至５１％和４３％．当进水中总铬浓度达到１ｍｇ·Ｌ－１时，分段进水工艺ＳＢＲ系统的氨氮和磷酸盐去除率最终分别下降至４４％和３７％．此外，多糖和蛋白质的分泌量变化分别呈下降和上升趋势．高通量测序结果表明，活性污泥细菌群落丰富度和多样性受到了铬离子的影响，并且Ｎｉｔｒｏｓｐｉｒａ、Ａｃｉｄｏｂａｃｔｅｒｉａ、Ｐｌａｎｃｔｏｍｙｃｅｔｅｓ、Ｃｙａｎｏｂａｃｔｅｒｉａ和Ｃａｎｄｉｄａｔｕｓ＿Ａｃｃｕｍｕｌｉｂａｃｔｅｒ等脱氮除磷功能菌种的生长都受到了一定程度的抑制，也与被抑制的ＳＢＲ系统脱氮除磷去除率下降的宏观现象相吻合．关键词：铬离子；脱氮除磷；ＳＢＲ；高通量测序；细菌群落文章编号：０２５３⁃２４６８（２０１６）０６⁃１９７９⁃０７　　　中图分类号：Ｘ７０３　　　文献标识码：ＡＩｎｈｉｂｉｔｉｏｎｅｆｆｅｃｔｏｆｌｏｗｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｃｈｒｏｍｉｕｍｏｎｔｈｅｍｉｃｒｏｏｒｇａｎｉｓｍｏｆＳＢＲｓＷＡＮＧＭｉｎｇａｎｇ，ＳＵＮＰｅｉｄｅ∗，ＬＵＯＴａｏ，ＬＵＸｕａｎｙｕＳｃｈｏｏｌｏｆＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＺｈｅｎｊｉａｎｇＧｏｎｇｓｈａｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈａｎｇｚｈｏｕ３１００１２Ｒｅｃｅｉｖｅｄ９Ｎｏｖｅｍｂｅｒ２０１５；　　　ｒｅｃｅｉｖｅｄｉｎｒｅｖｉｓｅｄｆｏｒｍ３Ｊａｎｕａｒｙ２０１６；　　　ａｃｃｅｐｔｅｄ７Ｊａｎｕａｒｙ２０１６Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｓｔｕｄｙｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｃｈｒｏｍｉｕｍ（ｔｒｉｖａｌｅｎｔａｎｄｈｅｘａｖａｌｅｎｔ）ｏｎＳＢＲｓｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｔｒａｔｅｇｉｅｓ（ｇｅｎｅｒａｌａｎｄｓｔｅｐ⁃ｆｅｅｄｉｎｇ），ｔｈｅｗａｔｅｒｑｕａｌｉｔｙｉｎｄｉｃａｔｏｒｓ，ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆａｃｔｉｖａｔｅｄｓｌｕｄｇｅ，ａｎｄｖａｒｉａｔｉｏｎｏｆｂａｃｔｅｒｉａｃｏｍｍｕｎｉｔｉｅｓｗｅｒｅｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ．Ｗｉｔｈ０．５ｍｇ·Ｌ－１ｃｈｒｏｍｉｕｍ（８０％ｔｒｉｖａｌｅｎｔａｎｄ２０％ｈｅｘａｖａｌｅｎｔ）ｉｎｉｎｆｌｕｅｎｔ，ｔｈｅａｍｍｏｎｉａｎｉｔｒｏｇｅｎｒｅｍｏｖａｌｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｏｆＳＢＲｓｗｉｔｈｇｅｎｅｒａｌｓｔｒａｔｅｇｙａｎｄｓｔｅｐ⁃ｆｅｅｄｉｎｇｓｔｒａｔｅｇｙｒｅｄｕｃｅｄｆｒｏｍ９９％ｔｏ７０％ａｎｄ６５％ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ，ｗｈｉｌｅｔｈｅｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓｒｅｍｏｖａｌｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｒｅｄｕｃｅｄｆｒｏｍ９９％ｔｏ５１％ａｎｄ４３％ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｗｉｔｈ１ｍｇ·Ｌ－１ｃｈｒｏｍｉｕｍｉｎｉｎｆｌｕｅｎｔ，ｔｈｅａｍｍｏｎｉａｎｉｔｒｏｇｅｎａｎｄｐｈｏｓｐｈｏｒｕｓｒｅｍｏｖａｌｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｏｆＳＢＲｗｉｔｈｓｔｅｐ⁃ｆｅｅｄｉｎｇｓｔｒａｔｅｇｙｄｅｃｌｉｎｅｆｒｏｍ９９％ｔｏ４４％ａｎｄ３７％ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｍｏｒｅｏｖｅｒ，ｔｈｅｐｏｌｙｓａｃｃｈａｒｉｄｅｓｐｒｅｓｅｎｔｅｄｄｅｃｒｅａｓｅｔｒｅｎｄｗｈｉｌｅｐｒｏｔｅｉｎｓｐｒｅｓｅｎｔｅｄｉｎｃｒｅａｓｅｔｒｅｎｄ．Ｒｅｓｕｌｔｓｏｆｈｉｇｈ⁃ｔｈｒｏｕｇｈｐｕｔｓｅｑｕｅｎｃｉｎｇａｎａｌｙｓｉｓｒｅｖｅａｌｅｄｔｈａｔｒｉｃｈｎｅｓｓａｎｄｄｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆｂａｃｔｅｒｉａｃｏｍｍｕｎｉｔｉｅｓａｎｄｓａｍｅｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｂａｃｔｅｒｉａｏｆｎｕｔｒｉｅｎｔｒｅｍｏｖａｌｐｒｏｃｅｓｓ，ｓｕｃｈａｓＮｉｔｒｏｓｐｉｒａ、Ａｃｉｄｏｂａｃｔｅｒｉａ、Ｐｌａｎｃｔｏｍｙｃｅｔｅｓ、ＣｙａｎｏｂａｃｔｅｒｉａａｎｄＣａｎｄｉｄａｔｕｓ＿Ａｃｃｕｍｕｌｉｂａｃｔｅｒ，ｗｅｒｅｉｎｈｉｂｉｔｅｄ．Ｔｈｉｓｗａｓｃｏｎｓｉｓｔｅｎｔｗｉｔｈｔｈｅｍａｃｒｏ⁃ｐｈｅｎｏｍｅｎａ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃｈｒｏｍｉｕｍ；ｎｕｔｒｉｅｎｔｓｒｅｍｏｖａｌ；ＳＢＲ；ｈｉｇｈ⁃ｔｈｒｏｕｇｈｐｕｔｓｅｑｕｅｎｃｉｎｇ；ｂａｃｔｅｒｉａ１　引言（Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ）随着工业的发展，越来越多的有毒的难降解污染物，特别是重金属污染物排入到污水处理厂．目前，我国大多污水处理厂都采取活性污泥法，大量重金属污染物的流入使得活性污泥微生物受到毒性抑制（李艳丽，２０１４；Ｃｈｅｎｇｅｔａｌ．，２０１１），从而导致ＣＯＤ、氮磷等物质的去除率受到影响，出水难以稳定达标．其中，铬是应用在炼钢、电镀、制革、化工和印染等行业的一类典型的重金属（Ｖａｉｏｐｏｕｌｏｕｅｔａｌ．，２０１２）．Ｎｏｖｏｔｎｉｋ等（２０１４）研究发现，Ｃｒ（ＩＩＩ）浓度超过５０ｍｇ·Ｌ－１或Ｃｒ（ＶＩ）浓度超过２．５ｍｇ·Ｌ－１时，活性污泥硝化过程受到抑制影响．Ｓｔａｓｉｎａｋｉｓ等（２００２；２００３）研究表明，当Ｃｒ（ＶＩ）浓度超过５ｍｇ·Ｌ－１时，氨环　　境　　科　　学　　学　　报３６卷氮去除率在１ｄ之内就下降７０％，超过１０ｍｇ·Ｌ－１时，活性污泥的生长就会受到抑制．Ｆａｎｇ等（２０１２）研究发现，Ｃｒ（ＶＩ）浓度超过５ｍｇ·Ｌ－１时，生物强化除磷系统（ＥＢＰＲ）的除磷效率就会受到抑制．然而，这些研究主要考察了铬离子对活性污泥的急性毒性（即高浓度铬对活性污泥的冲击）和短期影响（董国日等，２０１０）．根据我国《电镀污染物排放标准》（ＧＢ２１９００—２００８），总铬排放限值为０．５ｍｇ·Ｌ－１，可知我国实际污水处理厂的进水中铬离子浓度较低．因此，有必要研究低浓度铬对活性污泥系统长期累积效应的影响．活性污泥工艺中微生物群落的变迁与污染物去除效率有极大的相关性，研究低浓度铬对活性污泥细菌群落的影响，特别是关于一些脱氮除磷功能菌的影响机制可以为宏观污染物变化现象提供微观解释．从微观方面，本试验通过高通量测序技术分析低浓度铬对ＳＢＲ系统微生物群落的影响机制．研究结果对于污水生物处理系统的调控和优化有重要的理论价值和实践指导意义．２　材料与方法（Ｍａｔｅｒｉａｌｓａｎｄｍｅｔｈｏｄｓ）２．１　试验用水和活性污泥来源本试验采用自配制模拟污水，其母液分为５部分，分别为碳源（ＣＨ３ＣＯＯＮａ３２．０３ｇ·Ｌ－１，无水葡萄糖２３．４４ｇ·Ｌ－１）、氮源（ＮＨ４Ｃｌ３８．２１ｇ·Ｌ－１，ＣａＣｌ２０．４５ｇ·Ｌ－１，ＭｇＳＯ４２ｇ·Ｌ－１）、磷源（ＫＨ２ＰＯ４４．４５ｇ·Ｌ－１）、Ｃｒ（ＩＩＩ）（３．７６９ｇ·Ｌ－１）和Ｃｒ（ＶＩ）（２．８２９ｇ·Ｌ－１）．根据试验所需，使用时配比相应的营养物质比例，考虑到模拟混合废水，即有一部分工业废水进入，污染物浓度较高，故初始进水ＣＯＤ、ＮＨ＋４⁃Ｎ和ＰＯ３－４⁃Ｐ浓度分别设为９００、１００和１２ｍｇ·Ｌ－１．活性污泥取自浙江省杭州市七格污水处理厂，经过１个月的驯化培养后再进行抑制试验．２．２　试验装置试验采用ＳＢＲ工艺，试验装置如图１所示．共４套ＳＢＲ装置，为有机玻璃制成的圆柱体，包含温控隔层，工艺运行由ＤＡＣ（数值模拟转换器）系统和ＬＡＢＶＩＥＷ程序智能控制，反应器内温度通过水浴隔层控制在（２５±１）℃，ｐＨ和ＤＯ通过反馈控制系统分别保持在７．０±０．２和（４．０±０．５）ｍｇ·Ｌ－１，污泥浓度（ＭＬＳＳ）通过每天测定计算，控制在（３２００±１００）ｍｇ·Ｌ－１，系统每个周期运行时间为８ｈ，排水比为１／３．Ｒ１和Ｒ２系统采用传统的进水⁃缺氧（１５０ｍｉｎ）⁃好氧（３００ｍｉｎ）⁃排泥⁃排水工艺，而Ｒ３和Ｒ４系统采用分段进水工艺，即进水１／３⁃缺氧（４５ｍｉｎ）⁃好氧（９０ｍｉｎ）⁃缺氧（４５ｍｉｎ）⁃好氧（９０ｍｉｎ）⁃缺氧（６０ｍｉｎ）⁃好氧（１２０ｍｉｎ）⁃排泥⁃排水．图１　试验ＳＢＲ装置示意图（１．进水泵；２．进水流量计；３．水浴器；４．电磁阀；５．磁力搅拌器；６．转子；７．曝气头；８．压力传感器；９．ＤＯ、ＰＨ、温度探头；１０．酸碱蠕动泵；１１．空气流量计；１２．曝气机；１３．ＤＡＣ系统）Ｆｉｇ．１　ＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｕｎｉｔｏｆＳＢＲｓｙｓｔｅｍ２．３　试验方法本试验共设４套ＳＢＲ反应器，经过１个月的稳定运行后开始铬抑制试验，Ｒ１作为对照组，进水不添加任何浓度的Ｃｒ．Ｒ２～Ｒ４为试验组，Ｒ２和Ｒ３进水总铬浓度为０．５ｍｇ·Ｌ－１，Ｒ４进水总铬浓度为１．０ｍｇ·Ｌ－１，且Ｃｒ（ＩＩＩ）与Ｃｒ（ＶＩ）浓度比例为４∶１．每天３个运行周期，定期排泥，控制系统ＭＬＳＳ在指定范围内，为了观察ＳＢＲ系统的处理性能变化，每天测量一个周期的进出水ＣＯＤ、ＮＨ＋４⁃Ｎ、ＴＮ、ＮＯ－３⁃Ｎ、ＰＯ３－４⁃Ｐ和活性污泥的ＭＬＳＳ和ＳＶＩ，各指标的测定方法见《水和废水监测分析方法》（第４版）（国家环保总局，２００２）．定期测定活性污泥的ＥＰＳ，其中，糖原测量采取蒽酮法，蛋白质测量采取Ｆｏｌｉｎ⁃Ｌｏｗｒｙ法（曹秀芹等，２０１０）．在抑制试验的初期和末期分别取活性污泥的ＤＮＡ，采用高通量测序技术考察细菌群落变化（Ｌｉｅｔａｌ．，２０１３）．３　结果与讨论（Ｒｅｓｕｌｔｓａｎｄｄｉｓｃｕｓｓｉｏｎ）３．１　含铬废水对ＳＢＲ系统性能的影响在低浓度铬条件下ＣＯＤ的去除率变化如图２所示，在０．５ｍｇ·Ｌ－１和１ｍｇ·Ｌ－１总铬条件下，４套ＳＢＲ系统都保持较高的ＣＯＤ去除率，平均分别为９６．８％、９６．９％、９６．７％和９５．７％，相比之下，Ｒ４的ＣＯＤ平均去除率最低，说明１ｍｇ·Ｌ－１总铬条件下０８９１６期汪敏刚等：低浓度铬对ＳＢＲ中微生物抑制影响研究ＳＢＲ系统的ＣＯＤ去除率受到了一定的影响．活性污泥工艺水中ＣＯＤ主要靠异养菌的生长代谢所去除，Ｗａｎ