Cu2+ 對SBR工藝電子傳遞體系的影響

賈艷萍，姜修平，張明爽，張蘭河，楊宗明

(東北電力大學化學工程學院，吉林　132012)

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Cu2+對SBR工藝電子傳遞體系的影響

賈艷萍，姜修平，張明爽，張蘭河，楊宗明

(東北電力大學化學工程學院，吉林132012)

脫氮除磷； ETS； SBR； 重金屬

1　引　言

重金屬離子影響水處理效果的本質是重金屬對微生物活性有抑制作用。通過微生物活性的變化能夠預測微生物脫氮除磷能力的變化，其中電子傳遞體系(ETS)活性是評價微生物活性的重要指標之一，ETS活性體現了微生物呼吸過程中電子傳遞過程受抑制的程度。INT(碘硝基四氮唑)是一種常見的脫氫酶活性測定劑(也稱INT-ETS活性)[7,8]。利用INT表征污泥活性受到廣泛的關注。Jun Yin等[9]通過監測硝化反硝化過程中INT-ETS活性變化發現，INT-ETS活性可以及時有效地反映SBR工藝的生化反應進程。因此，通過INT-ETS活性分析，能夠間接衡量有機物的降解速率和生物處理設施的運行效果。

本研究考察Cu2+對SBR脫氮除磷效率和INT-ETS活性的的影響，分析微生物脫氮除磷能力與INT-ETS相關性，為探討重金屬對脫氮除磷的影響機理奠定基礎。

2　實　驗

2.1實驗裝置及實驗方案

SBR反應器由有機玻璃制成，內徑為30 cm，有效工作容積為15 L，采用ACO-003電磁式空氣泵曝氣，通過氣體流量計控制進氣流量，利用硼砂曝氣頭作為微孔曝氣器，采用JJ-1精密定時電動攪拌器攪拌，攪拌速度200 r/min。pH、DO電極置于反應器內，監測指標的變化。采用KG316T時間繼電器控制每個運行周期反應時間。反應器設置3個取樣口，底部設有排泥口。運行周期為9 h，瞬間進水→厭氧2 h→好氧5 h→缺氧2h→排水閑置。溫度控制在25～30 ℃，pH 7.0～8.5，DO 2～3 mg/L。實驗裝置如圖1所示。

圖1　SBR實驗裝置示意圖Fig.1　The schematic diagram of SBR experimental setup

2.2實驗用水

實驗用水采用人工模擬廢水，主要成分為葡萄糖、氯化銨、磷酸二氫鉀、結晶硫酸鎂、氯化鈣和1 ml/L微量元素。其水質為：COD 800～1000 mg/L、TN 40～55 mg/L、TP 15～21 mg/L；微量元素液成分為FeSO4·7H2O，20 mg/L；CuSO4·5H2O，50 mg/L；H3BO3，50 mg/L；MnSO4·H2O，50 mg/L；Na2MoO4·2H2O，10 mg/L；ZnCl2·7H2O，10 mg/L；CoCl2·6H2O，50 mg/L。

2.3分析項目和檢測方法

INT-ETS活性測定：取0.6 mL污泥混合液，置于15 mL的離心管中，再向其中加入3 mL的Tris-HCI緩沖溶液，2 mL的0.2 %INT溶液。將制備的樣品放在(37±1) ℃的水浴振蕩器內振蕩培養30 min，然后加入2 mL 37%甲醛溶液終止酶反應。將該樣品在4000 r/min下離心5 min，棄去上清液，加入10 mL丙酮，攪拌混合均勻后，繼續在(37±1) ℃下暗處振蕩萃取30 min。待樣品萃取完畢，在4000 r/min下離心5 min，將上清液和沉淀污泥分離。用分光光度計在485 nm測定萃取液的吸光度。INT-ETS活性的計算公式如下：

式中：UT-activation of INT-ETS，mg·(g·h)-1；D485-absorbance of supermate(wavelength=485 nm)；V-volume of extract liquor，mL；K-slope of standard curve(K=0.0258 L/mg)；W-weight of sludge，mg；T-culture time，h。

3　結果與討論

3.1無Cu2+存在下INT-ETS的變化規律

厭氧段，COD由1019.7 mg/L迅速下降至212.2 mg/L，有機底物由產酸菌將其分解，聚磷菌可以吸收產酸菌的分解產物作為碳源，從而達到去除有機物的作用。這一過程所需能量由細胞內聚磷酸鹽水解產生。細胞內聚磷酸鹽水解釋放磷酸鹽，導致廢水中磷酸鹽濃度從14.7 mg/L上升至65.3 mg/L，完成厭氧段聚磷菌釋磷過程。通過脫氫酶參與傳遞電子，完成氧化還原反應，利用INT-ETS活性可間接指示微生物的呼吸活性[10-12]。隨著反應器運行至1.5 h，INT-ETS活性從254.8 mg/(g·h)逐漸降低至117.4 mg/(g·h)。然而，當厭氧反應進行至2 h時，INT-ETS活性上升至201.2 mg/(g·h)后開始下降，這恰好與COD去除及釋磷過程結束的時間相吻合，說明厭氧段測定的INT-ETS活性可以表征厭氧段聚磷菌反應進程和活性的變化。

圖2　無Cu2+時SBR系統INT-ETS活性、COD、氨氮及磷酸鹽的變化規律Fig.2　Changes of the activation of INT-ETS、COD、

3.2低濃度Cu2+對INT-ETS的影響

由圖3可見，厭氧段結束(0～2 h)，當Cu2+濃度為0.5 mg/L時，COD由921.7 mg/L下降至216 mg/L；當Cu2+濃度為1 mg/L時，COD由923.4 mg/L下降至207.2 mg/L。此時間點磷酸鹽濃度由14.7 mg/L和14.6 mg/L分別上升至64.9 mg/L和65.2 mg/L；INT-ETS活性分別由256.3 mg/(g·h)和253.2 mg/(g·h)下降至187.1 mg/(g·h)和205.7 mg/(g·h)。通過對比發現，0.5 mg/L Cu2+對COD去除和磷酸鹽釋放存在一定的抑制作用，1.0 mg/L Cu2+對COD去除和磷酸鹽釋放產生一定的促進作用。

圖3　低濃度Cu2+對SBR系統INT-ETS活性、COD、氨氮及磷酸鹽的變化規律(a)0.5 mg/L Cu2+;(b)1.0 mg/LCu2+Fig.3　Changes of the activation of -N and -P of SBR with low concentration of Cu2+

Cu2+對酶的抑制作用復雜，在酶促反應過程中Cu2+與酶、底物結合形成絡合物，并以此影響酶活性，從而使活性污泥INT-ETS值降低，反應機制如圖4所示。Cu2+與酶的結合形成酶與金屬離子的絡合物，破壞酶與底物的絡合物之間的相互轉化，Cu2+與底物產生了相互的競爭性抑制。

圖4　重金屬作為酶的抑制劑反應機制Fig.4　The reaction mechanism of heavy metal irons as enzyme controlling reagent

3.3高濃度Cu2+對INT-ETS的影響

圖5　高濃度Cu2+存在下INT-ETS活性、COD、氨氮和磷酸鹽的變化規律(a)5.0 mg/L Cu2+(b)10 mg/L Cu2+Fig.5　Changes of the activation of -N and -P with high concentration of Cu2+

Cu2+(mg/L)RemovalrateofCOD(%)RemovalrateofNH+4-N(%)RemovalrateofPO3-4-P(%)TheaverageofactivatedINT-ETS(mg/(g·h))087.779.290.5139.50.586.574.891.2136.51.088.271.092.5144.05.078.268.970.692.910.036.436.112.374.4

4　結　論

(1)INT-ETS 活性可以及時、有效地反映出SBR工藝生化反應進程。INT-ETS變化波動與各反應階段開啟與結束時間同步；

(3)高濃度Cu2+對INT-ETS活性產生較大地抑制作用，當Cu2+濃度為5.0 mg/L時，INT-ETS平均值為92.9 mg/(g·h)，并隨著Cu2+濃度升高INT-ETS平均值降低，Cu2+對ETS抑制作用顯著增強。

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Effect of Cu2+on the ETS by Using SBR

JIAYan-ping,JIANGXiu-ping,ZHANGMing-shuang,ZHANGLan-he,YANGZong-ming

(School of Chemical Engineering,Northeast Dianli University,Jilin 132012,China)

nitrogen and phosphorus removal;ETS;SBR;heavy metal

國家自然科學基金項目(51478093)；吉林省科技發展計劃項目(20150204052SF，20160101268JC)

賈艷萍(1973-)，女，博士，副教授.主要從事廢水生物處理理論與工藝的研究.

TU528

A

1001-1625(2016)05-1390-06