Zn（Ⅱ）和Cu（Ⅱ）對SBBR處理豬場廢水效果和微生物活性影響及相互關系

萬金保+薛杰春+萬莉+章洪濤+鄔容偉

摘要： 為減輕重金屬對豬場廢水生物處理效果的影響，從影響程度和毒性機制的角度，分析養豬場廢水的有機物降解效果和微生物活性的相互關系。以模擬豬場廢水為研究對象，分析在廢水中加入不同濃度Zn（Ⅱ）和Cu（Ⅱ）對序批式生物膜反應器（sequencing biofilm batch reactor，簡稱SBBR）系統的影響，包括化學需氧量（chemical oxygen demand，簡稱COD）、微生物呼吸、微生物代謝及相關性。結果表明：（1）在SBBR系統中，Zn（Ⅱ）、Cu（Ⅱ）對廢水處理效果的影響和對微生物呼吸作用的影響均在2～4 mg/L之間，為促進和抑制的分界，且Cu（Ⅱ）對微生物的毒性大于Zn（Ⅱ）。（2）在SBBR系統中，Zn（Ⅱ）、Cu（Ⅱ）對廢水處理效果的影響與其對微生物呼吸的影響有一定的相互關系，且Zn（Ⅱ）、Cu（Ⅱ）不僅能影響微生物自身活性，還可阻礙微生物吸收營養物質，從而抑制COD降解。（3）溶解性微生物產物（soluble microbial products，簡稱SMP）因其來源和自身化學特性，在Cu（Ⅱ）的存在下，不能反映微生物代謝活性。

關鍵詞： 序批式生物膜反應器；重金屬；豬場廢水；微生物活性；呼吸作用

中圖分類號： X703 文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2017）22-0304-04

隨著近年來豬場的規模化發展，飼養者常在飼料中添加大量重金屬為主的微量元素促進豬體生長。這些重金屬大多無法被豬體吸收而隨糞尿外排，進入廢水。調查結果表明，在豬場廢水中，Zn、Cu是最常見的重金屬元素，且Zn濃度普遍高于Cu[1-3]。重金屬濃度因不同的豬場而異，孫建平測定杭州市某一豬場廢水重金屬含量發現，Zn（Ⅱ）和Cu（Ⅱ）含量分別為27.0、13.6 mg/L[2]，筆者測定江西省某規模化養豬場中的Zn（Ⅱ）、Cu（Ⅱ）含量分別為13.3、7.8 mg/L。廢水中Cu和Zn對活性污泥的微生物生長造成影響，進而影響廢水生物處理的效果。關于豬場廢水中重金屬對微生物的毒性研究越來越多，有研究表明，一定濃度的重金屬能抑制微生物對廢水中有機物的降解[4-6]。本研究以序批式生物膜反應器（sequencing biofilm batch reactor，簡稱SBBR）為依托，處理模擬豬場廢水，探究不同濃度的Zn（Ⅱ）、Cu（Ⅱ）對SBBR處理模擬豬場廢水效果的影響，并通過測定污泥中的微生物活性，研究在Zn（Ⅱ）、Cu（Ⅱ）影響下，廢水中有機物降解變化與微生物的呼吸及代謝間的關系。

1 材料與方法

1.1 試驗用水

試驗用水采用人工配制的模擬豬場廢水，水質條件為CODCr為1 468.3 mg/L、NH3-N含量為244.5 mg/L、總磷（total phosphorus，簡稱TP）含量為19.3 mg/L、pH值為7.3。

1.2 接種污泥

試驗污泥取自江西省某萬頭豬場SBBR池沉淀污泥，污泥體積指數（switch virtual interface，簡稱SVI）、污泥沉降比（settling vslocity，簡稱SV30）、懸浮固體濃度（mixed liquid suspended solids，簡稱MLSS）分別為50.3 mL/g、56%、18.5 g/L，取回后接種培養，試驗前在SBBR裝置中用模擬廢水馴化7 d。

1.3 試驗裝置

SBBR工藝模型的規格為150 mm×100 mm×120 mm。共16組，每組掛有4個人造纖維作為污泥生長的載體，間歇運行，自動化控制。

1.4 試驗方法

SBBR運行周期為進水（1 min）—曝氣（4 h）—厭氧（2 h）—曝氣（3 h）—靜置（3 h）—出水（1 min）。

運行條件：溫度為25 ℃；曝氣時段溶解氧維持3～4 mg/L；pH值為6.5～7.5。

試驗采用16組裝置，每組裝置加入350 mL活性污泥（平均含水率86.7%），并用模擬廢水馴化1周。

試驗各設6個濃度[Zn（Ⅱ）：1、2、4、8、16、32 mg/L；Cu（Ⅱ）：0.5、1.0、2.0、4.0、8.0、16.0 mg/L]和2組平行空白。

1.5 分析方法

測定COD參考《水和廢水檢測分析方法》（第4版）[7]中的重鉻酸鉀滴定法；微生物呼吸采用氯化三苯基四氮唑（2、3、5-triphenyte-trazoliumchloride，簡稱TTC）作為指示劑，參考譚學軍等的方法[8]測定，用電子傳遞體系（electron transport system，簡稱ETS）活性表示[9]；微生物代謝：溶解性微生物產物（soluble microbial products，簡稱SMP）通過將泥水混合物經微孔（0.45 μm）過濾后測定其總有機碳來表征[10]。

2 結果與分析

2.1 Zn（Ⅱ）和Cu（Ⅱ）對廢水處理效果的影響

由圖1、圖2可知，Zn（Ⅱ）、Cu（Ⅱ）在濃度小于4 mg/L時，均小幅促進COD的降解。在18 d的運行周期里，Zn（Ⅱ）濃度為1、2 mg/L處理組和空白組的平均去除率分別為8116%、81.05、80.66%；Cu（Ⅱ）濃度為0.5、1.0、2.0 mg/L處理組和空白組的平均去除率分別為82.18%、80.81%、8046%、78.01%。當Zn（Ⅱ）、Cu（Ⅱ）濃度≥4.0 mg/L時，對COD的去除效果都表現為前期抑制，后期恢復。抑制效果隨濃度增大表現越明顯。

對比Zn（Ⅱ）、Cu（Ⅱ）對SBBR系統廢水處理效果的影響，發現濃度在2～4 mg/L之間是促進和抑制的分界，但促進效果不如抑制效果明顯。抑制方面，在相同濃度下，Cu（Ⅱ）對出水COD的抑制明顯大于Zn（Ⅱ）。這與大量研究結果表明的Cu（Ⅱ）對微生物的毒性大于Zn（Ⅱ）的毒性[11-12]相似。endprint

低濃度重金屬促進COD降解，是由于Zn（Ⅱ）與Cu（Ⅱ）作為微生物生長的微量元素能提高酶活性，促進其對有機物的降解。濃度高于一定值會產生毒性，李健中等從分子生物學角度解釋了其機制：（1）大量重金屬進入微生物體內，與生物大分子結合，如氨基酸和蛋白質上的配位基，導致生物酶的活性降低甚至失活；（2）高濃度的重金屬破壞了微生物體內滲透壓的平衡，干擾物質交換；（3）高濃度重金屬與核酸結合引起微生物遺傳物質的突變。由于重金屬進入微生物體內并產生影響需要一個過程，故抑制緩慢增加，后期恢復是微生物對環境的適應[12-14]。

2.2 Zn（Ⅱ）和Cu（Ⅱ）對微生物呼吸的影響

重金屬對微生物ETS活性的影響，表現為ETS活性越高微生物呼吸作用越強（圖3、圖4）。為直觀表示投加不同濃度的重金屬對于微生物呼吸作用的影響，引出影響率Ix的概念：

Ix=（Rx-R0）/R0×100%。

式中：Ix表示在濃度為x的重金屬影響下ETS的影響率，%；Rx表示在濃度為x的重金屬影響下ETS活性，mg/（g·h）；R0表示空白組ETS活性，mg/（g·h）。當Ix>0，該濃度重金屬促進微生物的呼吸，當Ix<0，該濃度重金屬抑制微生物的呼吸。

由圖5、圖6可知，Zn（Ⅱ）濃度為1、2、4 mg/L對應的平均影響率分別為50.39%、53.28%、2.33%；Cu（Ⅱ）濃度為0.5、1.0、2.0 mg/L對應的平均影響率分別為25.94%、4414%、53.05%；當Zn（Ⅱ）濃度為8、16、32 mg/L時，對應 的平均影響率分別為-7.72%、-20.29%、-18.98%； Cu（Ⅱ） 濃度為4.0、8.0、16.0 mg/L對應的平均影響率分別為-13.95%、 -13.16%、-20.34%。高濃度重金屬對微生物呼

吸的抑制效果不如低濃度的促進效果明顯。

對比Zn（Ⅱ）和Cu（Ⅱ）對微生物呼吸的影響率，2、4 mg/L 的濃度均為促進和抑制的分界點，這與其對廢水處理效果的影響相同；在相同濃度下，Cu（Ⅱ）對微生物呼吸的促進作用小于Zn（Ⅱ），而抑制作用大于Zn（Ⅱ），即Cu（Ⅱ）毒性大于Zn（Ⅱ），這和“2.1”節中它們對廢水處理效果的影響所得出的結論相同。說明在SBBR中，Zn（Ⅱ）、Cu（Ⅱ）在影響廢水處理效果與微生物呼吸方面有明顯的相關性。

2.3 Zn（Ⅱ）和Cu（Ⅱ）對微生物代謝的影響

溶解性微生物產物是微生物在降解有機物時，通過合成代謝、細胞膜擴散等向外界排放的可溶性物質[15]，具有可降解性[16]毒性、抑制微生物活性[17]、與重金屬螯合[18]等特性。董春娟等認為，在廢水生物處理中，SMP的釋放與微生物的正常生長、維持細胞濃度平衡、外界有機物匱乏、抵抗饑餓、保持正常代謝、微生物死亡、高濃度的能源物質等有關[19]。即微生物的生長代謝、營養物質匱乏和死亡都有可能導致其釋放SMP。

由圖7可知，Zn（Ⅱ）濃度<8 mg/L時，SMP釋放量均較空白組大；濃度≥8 mg/L時，均較空白組小。這與“2.2“節中，Zn（Ⅱ）濃度在<8 mg/L時促進ETS活性，而濃度在 ≥8 mg/L 時抑制ETS活性相同，說明Zn（Ⅱ）對SMP釋放與微生物正常生長代謝相關。在促進微生物釋放SMP的Zn（Ⅱ）濃度下，隨著時間的延長，SMP釋放量整體呈增加趨勢，而ETS活性在后期有所回落，可能的原因是SMP更多地累積在污泥當中，不易隨排水而排出。在抑制微生物釋放SMP的Zn（Ⅱ）濃度下，前期SMP減少是由于微生物活性減弱；后期SMP升高，是由于微生物經馴化而適應了高濃度的Zn（Ⅱ），微生物的活性增強、代謝加快。綜上所述，Zn（Ⅱ）對微生物代謝的影響與對微生物呼吸作用的影響呈正相關，SMP的釋放和微生物正常生長代謝有關。

由圖8可知，在前2 d，6組不同濃度的Cu（Ⅱ）試驗組SMP的濃度急劇下降，而空白組保持平穩，這與張笑雪等的研究結果[20-21]相同，原因是Cu（Ⅱ）與SMP形成了金屬螯合物。Cu（Ⅱ）濃度為0.5、1.0、2.0 mg/L時，從2 d開始到12 d，SMP濃度快速上升，參考“2.2”節中，此階段ETS活性上升，說明微生物的正常生長、代謝加快而促進SMP的釋放；后期SMP的小幅下降也和ETS活性減弱有關。Cu（Ⅱ）濃度為4.0、8.0 mg/L時，在2 d開始到10 d，SMP濃度快速上升，且高于空白組，參考“2.2”節中微生物呼吸被抑制，可能的原因是微生物自身呼吸作用下降，從外界獲得營養物質困難，刺激了微生物釋放SMP，這和前述Cu（Ⅱ）濃度為0.5、1.0、2.0 mg/L 時，與中期SMP濃度增大的原因不同；后期SMP濃度下降是由于微生物適應，ETS活性增大的結果。當Cu（Ⅱ）濃度為16 mg/L時，SMP濃度從6 d開始迅速增加，可能原因是部分微生物的死亡，釋放了SMP。

對比Zn（Ⅱ）和Cu（Ⅱ）對SMP的影響，Zn（Ⅱ）影響微生物釋放SMP可用微生物呼吸作用解釋，Cu（Ⅱ）相對復雜，原因如下：（1）SMP自身的化學性質，與Zn（Ⅱ）不易形成金屬螯合物，與Cu（Ⅱ）易形成螯合物。（2）SMP來源復雜，不僅來自微生物自身代謝，外界的復雜環境也會影響微生物釋放SMP，嚴格來說，SMP不能在所有情況下代表微生物的代謝情況。

2.4 廢水處理效果與微生物活性的關系

2.4.1 出水COD與ETS活性相互關系

低濃度的2種重金屬促進微生物呼吸，廢水的COD去除率也得到提高；反之，去除率降低。但對比“2.1”“2.2”節可看出，低濃度的重金屬能極大地促進微生物的呼吸，但效果只是小幅上升，原因可能是：（1）剩余的一部分有機物（COD）包含了溶解性微生物產物（SMP）中無法被生物降解的部分。（2）微生物降解有機物達到了飽和，COD不能隨著微生物呼吸的增加而繼續降解。當高濃度的重金屬小幅抑制了微生物的呼吸，對系統降解有機物產生極大的影響，原因可能是：在SBBR中，高濃度的重金屬影響微生物處理廢水的效果，不僅與其抑制微生物的呼吸有關，還包括影響滲透壓的平衡，阻斷部分有機物進入微生物體內，從而干擾微生物降解有機物，而不影響微生物正常呼吸。綜上所述，在Zn（Ⅱ）和Cu（Ⅱ）的存在下，SBBR對COD的去除，主要是受重金屬對ETS活性的影響。endprint

2.4.2 ETS活性與SMP相互關系

Zn（Ⅱ）對SMP的影響，只與ETS活性相關，即當微生物的呼吸作用受到低濃度 Zn（Ⅱ） 的影響而加強，SMP也增加；反之減少。

Cu（Ⅱ）對SMP的影響，不僅涉及ETS活性，還須考慮其與SMP形成的金屬螯合物和微生物死亡釋放的SMP。故SMP濃度和ETS活性不呈簡單的正相關性。

3 結論

（1）在SBBR系統中，Zn（Ⅱ）、Cu（Ⅱ）對廢水處理效果的影響及對微生物呼吸作用的影響均在2～4 mg/L之間，為促進和抑制的分界，且Cu（Ⅱ）對微生物的毒性大于Zn（Ⅱ）。

（2）在SBBR系統中，Zn（Ⅱ）和Cu（Ⅱ）對廢水處理效果的影響與其對微生物呼吸的影響有較好的相關性。同時Zn（Ⅱ）和Cu（Ⅱ）也通過阻斷微生物吸收營養物質而抑制COD降解。

（3）SMP因其來源和自身化學特性，在Cu（Ⅱ）存在下，不能反映微生物代謝活性。

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