榮宏偉，李權(quán)斌，張朝升，王連杰，董明

（1.廣州大學(xué)土木工程學(xué)院，廣東廣州510006；2.青島市旅游規(guī)劃建筑設(shè)計研究院，山東青島266001；3.中冶焦耐工程技術(shù)有限公司，遼寧大連116085）

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Cu2+對污泥微生物活性影響的恢復(fù)性研究

榮宏偉1，李權(quán)斌1，張朝升1，王連杰2，董明3

（1.廣州大學(xué)土木工程學(xué)院，廣東廣州510006；2.青島市旅游規(guī)劃建筑設(shè)計研究院，山東青島266001；3.中冶焦耐工程技術(shù)有限公司，遼寧大連116085）

通過人工投加Cu2+對馴化污泥進行破壞性實驗，觀察了Cu2+對活性污泥氨氮、COD降解及其碘硝基四氮唑脫氫酶（INT-ETS）活性、比氧攝取速率（SOUR）、氨攝取速率（AUR）的影響。當加入1～10mg/LCu2+時，受到影響的微生物系統(tǒng)和活性污泥可在后期的培養(yǎng)馴化中恢復(fù)其相關(guān)功能，指標可恢復(fù)至未投加Cu2+時的水平；當Cu2+質(zhì)量濃度達到25mg/L時，系統(tǒng)受到較為嚴重的破壞，無法自我修復(fù)。

活性污泥；Cu2+；污泥微生物活性；恢復(fù)周期

活性污泥法由于低價高效而被廣泛應(yīng)用于城市污水處理廠，由于微生物是污水處理工藝中污染物的重要分解者，重金屬對活性污泥微生物的毒性研究一直備受關(guān)注〔1-3〕。銅是城市污水中四大常見的有害重金屬之一，其主要來源于城市生活污水和某些工業(yè)廢水〔4-6〕。重金屬離子的毒效應(yīng)影響會使多種微生物受到抑制，最終導(dǎo)致整個污水處理體系的微生物種類銳減，處理效果減弱，處理效率下降甚至系統(tǒng)失效等嚴重后果〔7-10〕。

微量（μg/L級）的重金屬（如銅、鋅、鐵、鎳和鈷）是生物酶活性的輔助因子，是微生物生長必需元素；然而，當大多數(shù)生物體內(nèi)重金屬離子濃度達到了一定量（mg/L級）的水平時便會中毒〔11〕。重金屬可以影響甚至破壞微生物酶的結(jié)構(gòu)和活性〔12-14〕，但是某些微生物可以通過自身生物解毒功能對重金屬毒性產(chǎn)生抗性并在后期馴化培養(yǎng)中恢復(fù)自身活性及相關(guān)功能。根據(jù)當前的代謝適應(yīng)假說，在馴化時被重金屬離子破壞了的酶被新合成酶取代或者失活的通道被新的途徑取代〔15〕。

筆者采用循序漸進的培養(yǎng)馴化方式，通過研究活性污泥在某一濃度重金屬Cu2+作用條件下生物活性的變化情況，對重金屬Cu2+對微生物活性影響的恢復(fù)功能做進一步研究，以期為重金屬廢水處理研究提供參考。

1　試驗材料和方法

1.1材料

實驗污泥：取自廣州市瀝滘污水處理廠二沉池，采用人工配制的污水進行馴化和培養(yǎng)，使其出水的各項指標達到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918—2002）中的一級A標準。

實驗污水：采用模擬城市生活污水，由自來水、啤酒、NH4Cl、KH2PO4、NaHCO3及少量CaCl2、MgSO4、FeSO4配制而成。其水質(zhì)：COD 280～300mg/L、NH4+-N 25～30mg/L、pH 7.0～7.5、NO3--N 0.1～2.0mg/L、NO2--N 0～1.1mg/L、TP 6.5～7.5mg/L。

0.2%INT溶液：取2 g碘硝基四氮唑（INT）溶于少量蒸餾水中，完全溶解后，將其稀釋定容至1 L，貯存于棕色試劑瓶中，并置于暗處。

Tris-HCl緩沖液（pH=8.4）：準確稱取6.037 g三羥甲基氨基甲烷（Tris）溶于20mL、1mol/L的HCl中，完全溶解后，將其稀釋定容至1 L。

1.0mg/L INT標準溶液：稱取0.050 g INT，溶于50mL去離子水中，存于棕色容量瓶中，該溶液即為1.0mg/L INT標準溶液。

1.2分析項目及方法

1.2.1常規(guī)水質(zhì)分析項目及方法

試驗期間對各項水質(zhì)指標和系統(tǒng)控制指標進行了定時定量分析，CODCr、MLSS、NH4+-N、SV、重金屬Cu2+均采用國家發(fā)布的標準方法〔16〕，采用WTW測定儀及相應(yīng)探頭在線監(jiān)測反應(yīng)器內(nèi)DO和pH。

1.2.2碘硝基四氮唑脫氫酶（INT-ETS）活性檢測方法

取0.6mL污泥混合液，置于15mL離心管中，向其中加入4mL的Tris-HCI緩沖液、2mL的0.2% INT溶液。迅速將制備好的樣品放入溫度為（37± 1）℃的水浴振蕩器內(nèi)振蕩培養(yǎng)0.5 h，振蕩結(jié)束后，向樣品中加入2mL的37%甲醛以終止酶的反應(yīng)。將該樣品放入離心機離心5min（離心機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)至4 000 r/min，下同），小心棄去離心管中的上清液，并加入10mL的丙酮，攪拌混合均勻后，將其放入溫度為（37±1）℃的水浴振蕩器內(nèi)振蕩萃取0.5 h（暗處操作）。待樣品萃取完畢，將樣品放入離心機中離心5min，將上清液和沉淀污泥徹底分離。用分光光度計在485 nm處讀取萃取液的吸光度，按式（1）計算INT-ETS活性（以TSS計，下同）。

式中：UT——INT-ETS活性，mg/（g·h）；

D485——上清液在波長485 nm處的吸光度；

V——萃取劑（丙酮）體積，mL；

K——標準曲線斜率，本試驗取0.003 9；

W——污泥干重，g；

t——培養(yǎng)時間，h。

1.2.3比氧攝取速率（SOUR）檢測方法

采用溶解氧電極測定活性污泥的SOUR。將活性污泥樣品置于錐形瓶中，充分曝氣使樣品中溶解氧濃度達到飽和狀態(tài)，然后插入溶解氧電極，記錄溶解氧隨時間的變化情況。測試過程中，利用磁力攪拌器對污泥樣品進行攪拌混合，并注意保持錐形瓶良好的氣密性。待溶解氧測定完成后，將錐形瓶內(nèi)的活性污泥樣品全部取出并測定其污泥濃度。利用溶解氧-時間曲線的直線部分和污泥濃度計算活性污泥的SOUR，見式（2）。

式中：UO——活性污泥的比氧攝取速率，mg/（g·h）；

ΔDO——溶解氧的減少量，mg/L；

X——混合液懸浮固體質(zhì)量濃度，g/L；

t——測試時間，h。

1.2.4氨攝取速率（AUR）檢測方法

采用氨電極在線測定氨氮濃度變化情況，通過氨氮-時間曲線的直線部分以及測定的污泥濃度值計算活性污泥的AUR，見式（3）。

式中：A——活性污泥的氨攝取速率，mg/（g·h）；

ΔNH4+-N——NH4+-N減少的質(zhì)量濃度，mg/L；

X——混合液懸浮固體質(zhì)量濃度，g/L；

t——測試時間，h。

1.3實驗方案

采用穩(wěn)定運行的SBR反應(yīng)器進行實驗。反應(yīng)器內(nèi)用啤酒配制的人工污水將其污泥質(zhì)量濃度稀釋至4 000mg/L左右，向SBR反應(yīng)器內(nèi)加入Cu2+溶液，使反應(yīng)器內(nèi)Cu2+質(zhì)量濃度分別達到1.0、5.0、10.0、25.0 mg/L。將其曝氣攪拌運行，溶解氧濃度控制在3～4 mg/L，pH控制在7.0～7.5。反應(yīng)器運行5 h后停止運行，取0.6mL污泥混合液進行INT-ETS活性檢測。沉淀15 min，沉淀結(jié)束后，取出上清液，測量其NH4+-N、COD。同時，從反應(yīng)器中取出污泥混合液置于250mL的錐形瓶內(nèi)并進行充分曝氣，當污泥混合液溶解氧達到飽和狀態(tài)時插入溶解氧電極，保證錐形瓶具有良好氣密性的條件下在線檢測溶解氧濃度并記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。測量結(jié)束后，除去錐形瓶內(nèi)上清液，將活性污泥倒回SBR反應(yīng)器內(nèi)進行后續(xù)實驗。

2　實驗結(jié)果與討論

2.1 1mg/LCu2+對微生物活性的影響

1mg/LCu2+對微生物活性的影響見圖1。

當反應(yīng)器內(nèi)加入1mg/L的Cu2+后，COD、NH4+-N去除率在前2個周期內(nèi)呈直線下降趨勢，第2個周期結(jié)束后兩參數(shù)降至最低，分別從初始的95.85%、89.28%降低至87.35%、65.68%；隨后，NH4+-N、COD去除率逐漸上升，在第7個周期結(jié)束后，COD、NH4+-N去除率分別恢復(fù)至96.75%、90.12%，與未投加Cu2+時的去除效果類似。

當反應(yīng)器內(nèi)加入1mg/L的Cu2+后，污泥INT-ETS活性在前3個周期內(nèi)呈下降趨勢，第3個周期結(jié)束后降至最低，從初始的439.30mg/（g·h）降低至254.53mg/（g·h）。隨后，污泥INT-ETS活性逐漸上升，在第12個周期結(jié)束后，污泥INT-ETS活性恢復(fù)至未投加Cu2+時的水平。

圖1　 1mg/LCu2+對微生物活性的影響

當反應(yīng)器內(nèi)加入1mg/L的Cu2+后，污泥SOUR活性和AUR活性呈下降趨勢，分別在第2個和第3個周期結(jié)束后降至最低，并分別從初始的64.62、4.8mg/（g·h）降低至40.68、2.81mg/（g·h）；隨后，污泥SOUR活性和AUR活性逐漸上升，分別在第7個、第8個周期結(jié)束后，兩活性恢復(fù)至未投加Cu2+時的水平。

上述結(jié)果表明，當受到1mg/LCu2+影響時，微生物系統(tǒng)及活性污泥可在后期的培養(yǎng)馴化中恢復(fù)其相關(guān)活性，即微生物系統(tǒng)有一定的自我修復(fù)功能。

2.2 5mg/LCu2+對微生物活性的影響

5mg/LCu2+對微生物活性的影響見圖2。

圖2　 5mg/LCu2+對微生物活性的影響

當反應(yīng)器內(nèi)加入5mg/L的Cu2+后，COD、NH4+-N去除率在前4個周期內(nèi)呈直線下降趨勢，第4個周期結(jié)束后兩參數(shù)降至最低，分別從初始的94.35%、85.68%降低至80.45%、30.22%；隨后，COD、NH4+-N去除率逐漸上升，分別在第9個和第14個周期結(jié)束后恢復(fù)至初始去除效果。

當反應(yīng)器內(nèi)加入5mg/L的Cu2+后，污泥INTETS活性在前4個周期內(nèi)呈下降趨勢，第4個周期結(jié)束后降至最低，從初始的425.68mg/（g·h）降低至206.75mg/（g·h）。隨后，污泥INT-ETS活性逐漸上升，在第10個周期結(jié)束后，污泥INT-ETS活性恢復(fù)至未投加Cu2+時的水平。

當反應(yīng)器內(nèi)加入5mg/L的Cu2+后，污泥SOUR活性和AUR活性呈下降趨勢，在第3個周期結(jié)束后降至最低，分別從初始的60.54、4.6mg/（g·h）降低至24.63、0.8mg/（g·h）；隨后，污泥SOUR活性和AUR活性逐漸上升，分別在第6個、第9個周期結(jié)束后，兩活性恢復(fù)至未投加Cu2+時的水平。

上述結(jié)果表明，當受到5mg/LCu2+影響時，微生物系統(tǒng)及活性污泥可在后期的培養(yǎng)馴化中恢復(fù)其相關(guān)活性，即微生物系統(tǒng)有一定的自我修復(fù)功能。

2.3 10mg/LCu2+對微生物活性的影響

10mg/LCu2+對微生物活性的影響見圖3。

當反應(yīng)器內(nèi)加入10mg/L的Cu2+后，COD、NH4+-N去除率在前2個周期內(nèi)呈直線下降趨勢，第2個周期結(jié)束后兩參數(shù)降至最低，分別從初始的93.45%、89.28%降低至65.85%、15.46%；隨后，COD、NH4+-N去除率逐漸上升，分別在第22個和第28個周期結(jié)束后恢復(fù)至初始去除效果。

當反應(yīng)器內(nèi)加入10mg/L的Cu2+后，污泥INTETS活性在前3個周期內(nèi)呈下降趨勢，第3個周期結(jié)束降至最低，從初始的420.74mg/（g·h）降低至182.08mg/（g·h）。隨后，污泥INT-ETS活性逐漸上升，在第14個周期結(jié)束后，污泥INT-ETS活性恢復(fù)至未投加Cu2+時的水平。

當反應(yīng)器內(nèi)加入10mg/L的Cu2+后，污泥SOUR活性和AUR活性呈下降趨勢，分別在第3個、第2個周期結(jié)束后降至最低，并分別從初始的58.96、4.5 mg/（g·h）降低至15.65、0.6 mg/（g·h）；隨后，污泥SOUR活性和AUR活性逐漸上升，分別在第12個、第17個周期結(jié)束后，兩活性恢復(fù)至未投加Cu2+時的水平。

上述結(jié)果表明，當受到10mg/LCu2+影響時，微生物系統(tǒng)及活性污泥可在后期的培養(yǎng)馴化中恢復(fù)其相關(guān)活性，即微生物系統(tǒng)有一定的自我修復(fù)功能。

2.4 25mg/LCu2+對微生物活性的影響

25mg/LCu2+對微生物活性的影響見圖4。

圖4　 25mg/LCu2+對微生物活性的影響

當反應(yīng)器內(nèi)加入25mg/L的Cu2+后，COD、NH4+-N去除率在前9個周期內(nèi)呈下降趨勢，第9個周期結(jié)束后兩參數(shù)降至最低，分別從初始的92.05%、88.56%降低至38.45%、5.45%；隨后，COD、NH4+-N去除率有上升趨勢，但幅度較小。從第40周期開始COD、NH4+-N去除率始終在某一數(shù)值范圍內(nèi)浮動。這說明較高濃度的Cu2+對微生物系統(tǒng)造成嚴重的破壞，這種破壞具有一定的延續(xù)性，利用微生物自身修復(fù)功能很難使其恢復(fù)至未受破壞之前的狀態(tài)。

當反應(yīng)器內(nèi)加入25mg/L的Cu2+后，污泥INTETS活性在前7個周期內(nèi)呈下降趨勢，并且反應(yīng)較為明顯，第1個周期結(jié)束后就已經(jīng)下降至110.62 mg/（g·h）。第7個周期結(jié)束后降至最低，從初始的415.25mg/（g·h）降低至108.82mg/（g·h）。隨后，污泥INT-ETS活性逐漸上升，在第20個周期結(jié)束后，污泥INT-ETS活性恢復(fù)至380.54mg/（g·h）左右，低于未投加Cu2+時的水平。說明25mg/LCu2+對活性污泥結(jié)構(gòu)造成一定程度的破壞，其活性在后期的培養(yǎng)馴化中雖然有恢復(fù)，但很難達到未受破壞前的水平，這也能夠說明微生物系統(tǒng)自我修復(fù)功能是在一定的破壞范圍內(nèi)有效。

當反應(yīng)器內(nèi)加入25mg/L的Cu2+后，污泥SOUR活性和AUR活性在前9個周期內(nèi)呈下降趨勢，并且反應(yīng)較為明顯，第1個周期結(jié)束后就已經(jīng)分別下降至20.02、0.9mg/（g·h）。第9個周期結(jié)束后降至最低，隨后，污泥SOUR活性和AUR活性有所恢復(fù)，但幅度較緩，并且最終低于未投加Cu2+時的水平。

上述結(jié)果表明，25mg/LCu2+對活性污泥結(jié)構(gòu)造成一定程度的破壞，其活性在后期的培養(yǎng)馴化中雖然有恢復(fù)，但很難達到未受破壞前的水平，這也能夠說明微生物系統(tǒng)自我修復(fù)功能是在一定的破壞范圍內(nèi)有效。

3　結(jié)論

微生物系統(tǒng)遭到重金屬Cu2+破壞時，具有一定的自我修復(fù)能力，但這種能力只在一定的破壞范圍內(nèi)才有效。當生物處理系統(tǒng)中加入的Cu2+質(zhì)量濃度為1～10mg/L時，受到影響的微生物系統(tǒng)和活性污泥可在后期的培養(yǎng)馴化中恢復(fù)其相關(guān)功能，系統(tǒng)的COD、NH4+-N去除率以及活性污泥的INT-ETS活性、SOUR活性、AUR活性均能夠恢復(fù)至未投加Cu2+時的水平，但加入的Cu2+濃度越高，生物處理系統(tǒng)自我修復(fù)所需要的時間也越長；當加入的Cu2+質(zhì)量濃度達到25mg/L時，微生物系統(tǒng)受到較為嚴重的破壞，相關(guān)指標無法在后期的馴化中恢復(fù)至未受破壞前的水平。

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Studies on the recovery of the influences of Cu2+on sludgem icrobialactivity

Rong Hongwei1，LiQuanbin1，Zhang Chaosheng1，Wang Lianjie2，Dong Ming3

（1.Schoolof CivilEngineering，Guangzhou University，Guangzhou 510006，China；2.Qingdao Instituteof Tourism Planning&Architecture Design，Qingdao 266001，China；3.ACRECoking&Refractory Engineering Consulting Corporation，Dalian 116085，China）

Through destructive testson sludge acclimation by adding Cu2+artificially，the influencesof Cu2+on activated sludge ammonia nitrogen，COD degradation and its INT-ETS activity，SOUR and AUR are observed.When 1-10mg/LofCu2+isadded，theaffectedmicrobialsystemsand activated sludge can recover their related functions in the latter cultivation and acclimation，and the indexes can be recovered to the level before Cu2+wasadded.When the mass concentration of Cu2+reaches 25mg/L，the system is damaged rather seriously，being unable to do self-repairment.

activated sludge；Cu2+；microbialactivity ofsludge；recovery cycle

X703

A

1005-829X（2016）07-0034-05

國家自然科學(xué)基金資助項目（51278133，21477027）；廣東省科技計劃項目（2014A020216049）；廣州市教育系統(tǒng)創(chuàng)新團隊資助項目（13C01）

榮宏偉（1973—），教授，博士。電話：13570706055，E-mail：rhwcn@139.com。

2016-03-02（修改稿）