采用生物親和聚氨酯處理污水的原理與應用

趙方琳，葉正芳，陳艷玲，翟 雪，康蒙恩，白 雪,2*

1. 河海大學環境學院，江蘇 南京 210098

2. 長江保護與綠色發展研究院，江蘇 南京 210098

3. 北京大學環境科學與工程學院，北京 100871

生物膜法作為一種高效的污水處理方法，因具有較高的生物量密度、較強的抗負荷沖擊能力、較少的剩余污泥產量以及較為方便的運行與管理等優勢，在污水處理領域得到了廣泛應用[1-2]. 生物載體是生物膜法處理廢水的關鍵，它能夠為微生物的附著、生長和繁殖提供必要場所，促進水流在載體間隙內的再分布，同時截留和去除廢水中的懸浮物[3-4]. 因而，生物載體的性能(如材質、比表面積、生物親和性等)對生物膜的形成起著重要作用，直接影響著生物膜中微生物的數量、種類和活性等，進而決定相關生物膜反應器或工藝的污水處理效果[5-7].

目前市面上常見的生物載體主要由聚乙烯、聚丙烯和聚酯等高分子材料制成，這主要是由于有機高分子材料在材質、密度、機械強度等方面具有明顯優勢[8-9].然而長期的實際工程應用發現，這些高分子生物載體的親水性和生物親和性往往較差且缺乏功能性設計，導致生物傳質和微生物黏附性能較差，使得生物膜形成困難且易脫落，難以滿足污水處理的相關需求，從而對相應的生物膜工藝去除率產生影響[10]. 因此，如何提升生物載體的表面性能成為了近年來的研究熱點.

該研究采用簡單的物理涂覆方法制備了BPU(生物親和性聚氨酯)，測定了載體表面的微觀結構和表觀特性，并對其化學組分進行了分析. 在此基礎上，將載體投入MBBR(移動床生物膜反應器)中使用，進一步研究了載體的生物親和性和微生物群落多樣性，驗證BPU 作為新型生物載體處理廢水的可行性，以期為新型載體的研發與應用提供參考.

1 材料與方法

1.1 改性載體的制備

試驗所用PU(聚氨酯)為1.5 cm×1.5 cm×1.5 cm的立方體，載體在改性前被浸泡在無水乙醇和超純水中，于70 kHz 超聲條件下清洗2 h，以去除表面雜質.之后，向200 mL 無水乙醇中加入600 mg Fe3O4NPs(四氧化三鐵納米顆粒，用量根據預試驗結果選定)，超聲處理30 min. 然后將載體浸入分散溶液中，于室溫下進行12 h 的磁力攪拌，干燥后用去離子水沖洗載體，在60 ℃鼓風干燥箱中烘干6 h. 隨后將載體浸泡在含CPAM(陽離子聚丙烯酰胺)的溶液(3 g/L)中攪拌2 h，75 ℃鼓風干燥. 最后再次將載體洗滌烘干，即可得到改性載體BPU.

1.2 生物膜反應器的啟動與運行

為了評估改性載體BPU 的生物親和性和污水處理能力，分別將PU 和BPU 投入到2 個相同的MBBR中使用，并記為R1 和R2，填充率均為20%. MBBR 由有機玻璃制成，有效容積為2.5 L. 試驗采用人工排泥掛膜法，接種活性污泥取自南京某污水處理廠的二沉池，濃度為6 000 mg/L. 試驗進水采用人工配制的模擬廢水，主要由葡萄糖(600 mg/L)、硫酸銨(142 mg/L)、磷酸二氫鉀(27 mg/L)及微量元素(CaCl2·2H2O 0.386 mg/L，MgSO42.476 mg/L，MnCl2·4H2O 0.275 mg/L，ZnSO4·7H2O 0.440 mg/L， CuSO4·5H2O 0.391 mg/L，CoCl2·6H2O 0.420 mg/L， Na2MoO4·2H2O 1.26 mg/L，FeCl3·6H2O 2.416 mg/L)組成，由蠕動泵泵入反應器，并從反應器上部流出. 試驗期間進水TOC 濃度為180～220 mg/L，NH4+-N 濃度為27～32 mg/L，TP 濃度為5.8～6.5 mg/L，HRT(水力停留時間)維持在8 h，整個反應系統連續運行. 此外，為了保證液體中載體分布的均勻性，并為微生物提供一個好氧環境，通過調節底部進氣量，將溶解氧濃度控制在2～4 mg/L 范圍內.

1.3 生物量及EPS(胞外聚合物)測定

每2 d 從反應器中隨機取出一定數量的載體，通過生物膜剝離前后載體的質量差來確定生物載體表面負載的生物量. EPS 的分層提取主要參考張蘭河等[11]的方法，PN(蛋白質)含量測定采用考馬斯亮藍法；PS(多糖)含量測定采用苯酚-硫酸法；DNA 含量測定采用二苯胺比色法. EPS 的總量為PN、PS 和DNA含量的總和.

1.4 水質分析方法

每天對反應器的進水和出水進行取樣，經0.45 μm濾膜過濾后進行水質指標檢測. 其中，TOC 濃度采用TOC 分析儀(Elementar Vario TOC select，德國元素分析系統公司)測定. TN、-N、-N 和-N 的濃度分別按照HJ 636-2012《水質 總氮的測定 堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法》、HJ 535-2009《水質氨氮的測定 納氏試劑分光光度法 》、HJ/T 346-2007《水質 硝酸鹽氮的測定 紫外分光光度法(試行)》和GB 7493-1987《水質 亞硝酸鹽氮的測定 分光光度法》進行測定. SND(同步硝化反硝化性能)、NR(硝化速率)和DNR(反硝化速率)分別根據式(1)(2)(3)計算[12]：

通過IBM SPSS Statistics 26 軟件對試驗數據進行單因素ANOVA 檢驗，P＜0.05 表示存在顯著性差異.

1.5 微生物群落分析

在MBBR 系統運行至42 d 時從2 個反應器(R1和R2)中采集生物膜樣本，通過高通量測序揭示微生物特征. 為了確保DNA 的純化，使用正向引物338F(ACTCCTACGGGAGGCAGCAG)和反向引物806R(GGACTACHVGGGTWTCTAAT)，采用PCR(聚合酶鏈反應)方法對16rRNA 基因的V3、V4 區域進行擴增，之后進行Illumina MiSeq 測序.

2 結果與討論

2.1 生物載體的表觀特性及化學組成分析

采用SEM(掃描電子顯微鏡，JSM-7800F，日本捷歐路公司)對原始載體和經過不同步驟處理載體的微觀形貌進行表征. 由圖1 可見：原始載體表面較為平滑；浸泡Fe3O4NPs 分散液后，顆粒狀的Fe3O4NPs較為均勻地負載在載體表面，增加了其粗糙程度；而在經過CPAM 的浸泡后，Fe3O4NPs 出現團聚現象，分布更為致密均勻，推測Fe3O4NPs 被CPAM 包裹，增加了顆粒之間以及顆粒與載體之間的黏附性. 結合進汞-退汞曲線及孔徑分布特征(見圖2)可以看出，經過改性，載體的微孔數量顯著增多，BET(比表面積)由36.2 m2/g 增至42.6 m2/g，從而為細菌提供了更多的結合位點[13].

圖1 不同載體的掃描電鏡圖像Fig.1 The SEM images of different carriers

圖2 改性前后載體的進汞-退汞曲線及孔徑分布特征Fig.2 The mercury intrusion and extrusion curve and pore size distributions of PU and BPU

PU 表面通常呈現電負性，該試驗所用PU 的Zeta電位為(-31.70±1.93) mV(固體表面Zeta 電位測試儀檢測，SurPASS 3，奧地利安東帕)，經過改性，載體表面帶正電(見表1)，由于細菌表面存在大量羥基、羧基、磷酸基等基團，往往呈現電負性，因此，更容易在靜電作用下附著在帶正電荷的載體表面，從而提高廢水處理過程中生物量的穩定性[14]. 此外，經過改性，載體表面接觸角(視頻光學接觸角測定儀檢測，OCA100，德國德飛)大幅降低，說明其親水性顯著增強.

表1 改性前后載體表觀特性(pH=7)Table 1 The apparent characteristics of carriers before and after modification (pH=7)

為了探究載體性能變化的原因，利用XPS(X 射線光電子能譜儀，Thermo Scientific K-Alpha，美國賽默飛公司)對載體的化學組成成分進行分析，結果表明，未改性載體O/C(二者相對含量之比，下同)值為31.60%；經過改性，載體表面C 元素的相對含量下降，O 元素相對含量上升，O/C 增至72.81%(見表2). 由此可見，改性引入了含氧基團. XPS 圖像可以看出，增加的含氧基團主要為C=O，其來源于CPAM 的引入. 此外，改性后載體表面C-N 鍵所占比例也有所增加，由N 1s的能譜分析可知，C-N 鍵的增加主要是因為改性引入了酰胺基和季銨鹽[15]. 由于C=O、酰胺基屬于親水基團，而C-C 為疏水基團，因此經過改性，載體表面親水性能提升.

表2 改性前后載體表面元素相對含量的變化Table 2 Changes in the relative content of surface elements on the carriers before and after modification

Fe 2p 光電子線的出現表明，Fe3O4NPs 成功負載在PU 載體表面〔見圖3(d)〕. 之后利用VSM(振動樣品磁強計，LakeShore7404，美國LakeShore 公司)在室溫條件下研究BPU 在-15 000 ～15 000 Oe 范圍內的磁性行為，發現改性載體的矯頑力幾乎為0，說明改性載體具有順磁性，其飽和磁化強度為3.84 emu/g(見表1).結果表明，Fe3O4NPs 的存在引起了磁響應，可能在載體內部產生微磁場，提升微生物的代謝活性[16].

圖3 PU 和BPU 的XPS 光譜，C 1s、N 1s 的XPS 精細掃描光譜以及BPU 的Fe 2p XPS 精細掃描光譜Fig.3 XPS survey spectra of PU and BPU, the fine-scanned XPS spectra for C 1s, N 1s of PU and BPU,as well as the fine-scanned XPS spectra for Fe 2p of BPU

2.2 改性載體的生物親和性研究

載體表面微生物的生長情況是反映載體生物親和性的一個重要指標[17]. 而有研究表明，生物載體表面性質的改善可直接促進細胞的初始黏附，增強EPS的分泌，進而增加載體表面附著的微生物含量[18-19]，因此，EPS 含量能夠從側面反映生物載體的生物親和性. 因而，該研究主要通過測定生物膜形成過程中載體上附著的相應生物量以及EPS 組分，對載體的生物親和性進行評估.

2.2.1 載體表面生物膜生長情況

將載體投入MBBR 系統中連續運行42 d 后，BPU表面負載的生物膜含量明顯多于PU(見圖4). 具體來看，在系統啟動初期，2 種載體表面的生物膜增量均趨近于線性增長，但BPU 表面生物膜量的增長速率〔23.76 mg/(g·d)〕顯著高于PU〔16.30 mg/(g·d)〕，是PU的1.46 倍. 此外，在系統運行至18 d 左右時，R2 反應器中的載體表面生物膜由白色透明狀逐漸轉變為黃褐色，此時TOC 和NH4+-N 的去除率基本分別穩定在90%和80%左右，且在電子顯微鏡下可明顯觀察到菌膠團以及鐘蟲、輪蟲、線蟲等后生生物的存在，認為掛膜啟動完成[20-23]，而含未改性載體反應器的掛膜完成則需要24 d 左右. 反應器穩定運行后，PU 表面生物膜量為(359.27±20.24) mg/g，而BPU 表面生物膜量則較PU 增加了近20%，為(428.40±23.03) mg/g.

圖4 改性前后載體附著的生物量變化Fig.4 Attached biomass change of carrier before and after modification

2.2.2 EPS 組分分析

生物膜主要由微生物、EPS 及無機物組成，其中，EPS 可用于微生物的自我保護和相互黏附，為細菌提供穩定的棲息地[24-26]. 根據結合緊密程度的不同，EPS可分為S-EPS(黏附層EPS)、LB-EPS(松散結合層EPS)和TB-EPS(緊密結合層EPS)[27].

蛋白質和多糖是EPS 的主要組成成分，在相同的試驗條件下，2 個反應器(R1 和R2)中不同層EPS的蛋白質和多糖含量具有較大差別，但二者的變化趨勢相似，整體呈現為TB-EPS＞S-EPS＞LB-EPS (見圖5)，這與其他學者的研究結果[22,28]一致. 從總量上看，反應器穩定運行后，PU 表面的胞外蛋白含量約為139.56 mg/(g MLSS)，而BPU 則為163.59 mg/(g MLSS)，提高了17.22%. 這是由于蛋白質由氨基酸組成，屬于兩性物質，當有鐵離子存在時，蛋白質的等電點發生改變，進而促進了其在載體表面的形成[29]. 高含量的胞外蛋白不僅能夠提高載體表面附著的生物量，還能夠說明該生物膜具有較高的生物活性. 同樣，BPU 表面的多糖含量也高于PU，是PU 的1.22 倍. 多糖含量的增加能夠提高載體表面生物膜的附著性及穩定性，進而加速反應器的啟動. 此外，R1 反應器中的PN/PS(蛋白質含量與多糖含量的比值，下同)值為1.25，高于R2 反應器(1.20)，而PN/PS 值與反應器的穩定性密切相關，PN/PS 值越高，反應器穩定性越差，反之越好[30]. 由此可見，改性提高了載體的生物親和性，進而增強了反應器的穩定性.

圖5 改性前后生物膜中EPS 各組分含量Fig.5 Concentration of EPS components in biofilms before and after modification

2.3 改性載體的廢水處理效果評價

反應器在啟動和穩定運行期間對污染物的去除效果如圖6 所示. 由圖6(a)可知，在系統穩定之后，2 個反應器(R1 和R2)中TOC 的去除率無明顯差異，分別為 90.80%±2.51%和 91.08%±3.26% (ANOVA,P＞0.05)，出水TOC 濃度穩定在20 mg/L 左右. 這是由于在整個反應器運行期間，載體表面和本體溶液中存在大量異養細菌，足以將廢水中的有機營養物質消耗殆盡，即使在反應器啟動階段厭氧細菌的數量相對較低，也能實現TOC 的高效去除[31].

圖6(c)反映了2 個反應器(R1 和R2)中TN 的去除率和SND 性能，反應器穩定運行后，R2 反應器中TN 的平均去除率為61.71%±3.22%，高于R1 反應器〔55.44%±3.52% (ANOVA,P＜0.05)〕，R1 和R2 反應器的SND 性能分別為81.88%±5.59%和90.19%±2.15%.結合硝化速率和反硝化速率〔見圖6(d)〕能夠發現，R2 反應器中的平均硝化速率為2.88 mg/(L·h)，平均反硝化速率為2.68 mg/(L·h)，均高于R1 反應器，但2個反應器(R1 和R2)中的硝化速率均大于反硝化速率，說明反硝化是MBBR 反應器脫氮性能的控制因素[33]. 因此，R2 反應器中較好的反硝化效果使得TN去除率和SND 性能分別提高了6.27%±0.30%和8.31%±3.44%.

圖6 MBBR 中TOC 和-N 的濃度變化、TN 去除率和SND 性能的變化以及硝化速率和反硝化速率Fig.6 Concentration variations of TOC, -N, TN removal efficiencies and SND performance,as well as the rates of NR and DNR in MBBRs

綜上，含有改性載體的R2 反應器對廢水的處理效果及系統的穩定性整體優于R1 反應器. 另外，為測試載體的重復利用性，在試驗結束后將部分載體生物膜進行洗脫，稱量得到使用前后BPU 的平均質量分別為(63.23±1.74)和(62.59±1.17) mg，無明顯減少，認為負載在載體上的Fe3O4NPs 不易發生脫落.此外，將剩余改性載體重新投放入清洗過的反應器繼續運行一個月后，TOC 的去除率仍舊在90%以上，-N 的去除率也維持在80%左右，因此認為改性后的載體能夠支持反應器長期運行，具備重復利用的潛力.

2.4 改性載體增效機理分析

2.4.1 生物膜生長情況的差異

如2.2 節所述，BPU 表面微生物的生長情況優于PU，結合載體表觀特性分析可知，一方面，載體表面比表面積的增加有利于微生物的附著和生長；另一方面，BPU 的親水性能更好，載體表面自由能更高，而水體中微生物大多都是親水的，因此更容易附著在親水性好的載體上，進而形成致密的生物膜[34]. 此外，BPU 周圍存在弱磁場，而弱磁場可以刺激微生物體內酶的合成，增強載體附近底物的傳質，在一定程度上促進微生物在載體上的黏附、生長和繁殖，提高微生物的代謝活性，從而增加污染物的去除. 另外，由于BPU 上附著了更多的微生物，這些微生物包裹在載體表面，阻礙了溶解氧的擴散，導致載體內部溶解氧濃度減少，形成缺氧環境；同時，生物量的增多使得微生物代謝作用增加，而微生物代謝消耗氧氣，增加了載體內部的氧濃度梯度，這均有利于反硝化細菌的增長. 因此，經過改性，生物膜系統中的硝化速率和反硝化速率增加，進而提高了污染物的去除.

2.4.2 微生物群落結構的變化

除了改性所引起的生物量的差異外，生物載體中微生物群落的構成也是影響反應器處理性能差異的關鍵因素，不同生物載體的使用將導致微生物多樣性發生變化，進而影響污染物的去除[31]. 微生物物種多樣性指數的統計結果如表3 所示. 由表3 可知，R1和R2 反應器中生物膜的樣本序列分別為22 800 和29 790；Simpson 指數和Shannon-Wiener 指數常被用來評估樣品中的微生物多樣性，通常Simpson 指數值越大，Shannon-Wiener 指數值越小，則表明微生物群落多樣性越高，由此可見，R2 反應器的生物多樣性高于R1 反應器. Ace 指數和Chao1 指數常用來評估物種總數，在反應器穩定運行后，R2 反應器內生物膜樣品的Ace 指數和Chao1 指數均高于R1 反應器，這意味著BPU 的使用增加了反應器中物種的總數量. 此外，在運行過程中，2 個反應器(R1 和R2)的Coverage并無較大差異，且數值較高，說明測序結果能夠代表樣本的真實情況. 上述結果表明，R2 反應器中微生物群落多樣性和穩定性有所提高，而微生物多樣性與污染物去除效果之間的正相關關系已經被廣泛報道[35-36]，因此，無論是生物量的積累還是較高的微生物多樣性都能夠證明R2 反應器比R1 反應器更有利于廢水的生物處理.

表3 微生物物種Alpha 多樣性指數表Table 3 Alpha diversity index table of microbial species

為了進一步揭示2 種生物載體上生物膜樣品中微生物群落的差異，總結了2 種生物載體上有效細菌序列在門水平上的分類，結果如圖7 所示. 2 個生物膜樣品中共鑒定出了22 個門，其中，Proteobacteria和Bacteroidetes 是2 個反應器運行過程中涉及到的最主要的2 種細菌，這與大多數的研究發現相同，這是因為Proteobacteria 和Bacteroidetes 都屬于革蘭氏陰性菌，表面主要由脂多糖組成，使得它們很容易附著在生物載體表面，其主要功能是降解有機物[37]；Actinobacteria 同樣可能是降解葡萄糖的主要微生物. 盡管R1 反應器中Proteobacteria、Bacteroidetes 和Actinobacteria 的總占比更高，但由于BPU 表面具有更高的生物膜含量，因此二者最終并未在TOC 去除方面表現出明顯差異. Chloroflexi 是與Nitrospirae 相近的分類單元，在硝化過程和反硝化過程中起著重要作用[38]； Firmicutes 是厭氧環境下重要的反硝化菌[39]；Patescibacteria 是近年來提議組建的超級類群，目前針對該門微生物的研究較少，在該試驗中可能起到反硝化作用[40]；而Myxococcota 則可能減少亞硝酸鹽的積累. 這些細菌在R2 反應器中的含量均高于R1 反應器，說明BPU 上存在更多的脫氮功能菌，從而增強了污染物的去除率.

圖7 門水平上微生物群落的相對豐度Fig.7 Relative abundance of the microbial community at the phylum level

3 結論

a) 改性增加了載體表面的粗糙程度和比表面積，改善了生物載體的表觀特性，使得其生物親和性得到明顯提升.

b) 與未改性PU 相比，BPU 上具有更高的生物膜含量、更豐富的微生物群落組成及更多的功能菌數量，從而增強了反應器的穩定性，使得TOC、TN 和-N 的去除率分別為91.08%±3.26%、61.71%±3.22%和83.72%±2.94%.

c) 作為一種高效的生物載體，BPU 在廢水處理中具有一定的應用價值，可為擴大生物膜工藝的應用范圍、提高生物膜工藝的處理效率提供思路.