戰(zhàn)曉慧，周高燕，周尚平，章靜，方榮業(yè)，史惠祥*

（1.浙江大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院，浙江 杭州310058； 2.嘉興市洪溪污水處理廠，浙江 嘉興314109；3.寧波心覺(jué)科技有限公司，浙江寧波315000）

0 引 言

我國(guó)是紡織品生產(chǎn)、出口大國(guó)，印染行業(yè)用水量大，印染廢水一直是主要的工業(yè)廢水之一。紡織染整廢水水質(zhì)、水量變化大，回用率低，有機(jī)物濃度高，色度高，是廢水處理的難點(diǎn)和焦點(diǎn)［1］。印染廢水中含有大量活的但不可培養(yǎng)（viable but nonculturable，VBNC）的微生物［2］。

目前印染廢水的處理方法主要有化學(xué)處理法、物理處理法、物理化學(xué)處理法和生物處理法4種［3-6］，因單一處理方法難以達(dá)到行業(yè)廢水排放標(biāo)準(zhǔn)，多種技術(shù)聯(lián)用已成為印染廢水處理的發(fā)展方向。

由于粉末活性炭（powder activated carbon，PAC）的比表面積大，處理過(guò)程操作簡(jiǎn)單，故被廣泛應(yīng)用于印染廢水處理［7］。粉末活性炭活性污泥工藝（powder activated carbon treatment，PACT）通過(guò)向好氧池中投加活性炭強(qiáng)化活性污泥處理能力，同時(shí)利用活性炭的吸附作用提升出水水質(zhì)。與傳統(tǒng)活性炭吸附工藝相比，PACT 提高了對(duì)印染廢水有機(jī)物、色度等污染物的去除率，且系統(tǒng)的運(yùn)行更穩(wěn)定。

MUKAMOLOVA 等［8］從 藤 黃 球 菌（Micrococcus luteus）上清液中分離出復(fù)蘇促進(jìn)因子（resuscitation-promoting factor，Rpf），Rpf 是Rpf 基因編碼產(chǎn)生的一種分泌蛋白，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，其在皮物質(zhì)的量濃度下即可復(fù)蘇處于VBNC 狀態(tài)的藤黃球菌，同時(shí)促進(jìn)細(xì)菌的生長(zhǎng)。

本文探究Rpf 增效PACT 處理印染廢水的效果，明確最佳工藝參數(shù)，探究PAC 和Rpf 復(fù)合投加時(shí)對(duì)活性污泥的強(qiáng)化機(jī)理，以及兩者的協(xié)同效應(yīng)機(jī)制。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)用活性污泥、廢水取自嘉興市某印染廠；Rpf 來(lái)自浙江省環(huán)境保護(hù)科學(xué)設(shè)計(jì)研究院（是由E.coli BL21（DE3）工程菌培養(yǎng)、破壁后形成的混合液），PAC 為302 號(hào)木質(zhì)粉末活性炭，由溧陽(yáng)恒源炭業(yè)提供。

1.2 SBR 實(shí)驗(yàn)裝置

序列間歇式活性污泥法（SBR）實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。實(shí)驗(yàn)運(yùn)行周期為6 h，連續(xù)運(yùn)行84 個(gè)周期，每個(gè)運(yùn)行周期運(yùn)行工況如表1 所示。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

在SBR 實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)控制變量確定Rpf、PAC的最佳投加量和最佳投加頻率，用COD、色度、氨氮、總氮、總磷等水質(zhì)指標(biāo)衡量出水水質(zhì)。

各設(shè)置2 組進(jìn)行最佳投加量和最佳投加頻率實(shí)驗(yàn)，每組實(shí)驗(yàn)設(shè)置5 組反應(yīng)器（a、b、c、d、e），投加條件如表2 和表3 所示。

圖1 SBR 實(shí)驗(yàn)裝置Fig.1 Diagram of SBR device

表1 SBR 運(yùn)行工況Table 1 SBR operation condition

表2 投加濃度實(shí)驗(yàn)Table 2 The experiment of dosing concentration

表3 投加頻率實(shí)驗(yàn)Table 3 The experiment of dosing frequency

2 結(jié)果與討論

2.1 Rpf 和PAC 的投加量及投加頻率確定

2.1.1 確定最佳投加量

測(cè)定每日出水水樣COD（如圖2 所示）、氨氮（如圖3 所示）、總氮（如圖4 所示）、總磷（如圖5 所示）濃度。

圖2 PAC、Rpf 投加量與COD 去除率的關(guān)系Fig.2 Relationship between PAC，Rpf dosage and COD removal rate

結(jié)果表明，當(dāng)PAC 投加量為30 mg·L-1時(shí)，COD平均去除率最高，而PAC 投加量對(duì)氮、磷去除率影響差別不大，因此，選擇30 mg·L-1為PAC 的每日最佳投加量。當(dāng)Rpf 投加量為3 mg·L-1時(shí)，COD 平均去除率（78.36%）最高。從脫氮除磷效果看，Rpf 投加量對(duì)廢水中氮、磷去除率影響不明顯，原因可能是廢水中總磷量本身就很低且活性污泥的脫氮除磷效果較好。從經(jīng)濟(jì)角度分析，Rpf 投加量為3 mg·L-1時(shí)的藥劑費(fèi)比2 mg·L-1時(shí)的藥劑費(fèi)高50%，但COD去除率僅提高0.15%。因此，選擇2 mg·L-1為Rpf的每日最佳投加量。

2.1.2 確定最佳投加頻率

由投加量實(shí)驗(yàn)可知，活性污泥脫氮除磷效果較好，5 組反應(yīng)器中氮、磷的去除效果差別較小，故僅比較PAC、Rpf 投加頻率對(duì)水樣COD 去除率的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6 所示。

如圖6（a）所示，投加PAC 后廢水COD 去除率顯著提高。5 組反應(yīng)器中，COD 平均去除率分別為72.60%，75.45%，74.65%，74.55% 和74.54%?？芍?dāng)PAC 投加頻率為1 d-1，即投加條件為30 mg·L-1·d-1時(shí)，COD 平均去除率最大。因此，應(yīng)采取每日投加的方式，不斷向反應(yīng)器內(nèi)補(bǔ)充PAC。

圖3 PAC、Rpf 投加量與氨氮去除率的關(guān)系Fig.3 Relationship between PAC，Rpf dosage and NH3-N removal rate

圖4 PAC、Rpf 投加量與總氮去除率的關(guān)系Fig.4 Relationship between PAC，Rpf dosage and TN removal rate

圖5 PAC、Rpf 投加量與總磷去除率的關(guān)系Fig.5 Relationship between PAC，Rpf dosage and TP removal rate

如圖6（b）所示，用不同頻率投加Rpf 均可提高COD 去除率。5 組反應(yīng)器中，COD 平均去除率分別為73.04%，77.16%，77.49%，76.81% 和75.89%。當(dāng)投加頻率為d-1，即投加條件為6 mg·L-1·（3 d）-1時(shí)，COD 平均去除率（77.49%）最高，因此，Rpf 投加頻率取d-1。

2.2 PAC 和Rpf 復(fù) 合 投 加 實(shí) 驗(yàn)

由PAC 和Rpf 的最佳投加量和最佳投加頻率，取4 組SBR 反應(yīng)器，編號(hào)分別為0，1，2，3，每組反應(yīng)器的投加情況見(jiàn)表4。監(jiān)測(cè)每日排水的COD、氨氮、總氮和總磷。

進(jìn)水COD 濃度變化情況見(jiàn)圖7，復(fù)合投加時(shí)，出水COD 濃度變化情況見(jiàn)圖8。

由圖7 可知，進(jìn)水COD 平均濃度為681 mg·L-1。由圖8 可知，0，1，2，3 號(hào)反應(yīng)器出水COD平均濃度分別為186，168，156，132 mg·L-1。由圖9可知，0 號(hào)反應(yīng)器COD 平均去除率為72.72%，COD去除率曲線呈下降趨勢(shì)，說(shuō)明其生化處理能力變差；1，2，3 號(hào) 反 應(yīng) 器 中，COD 平 均 去 除 率 分 別 為75.50%，77.05%，80.37%，且COD 去除率呈上升趨勢(shì)，說(shuō)明系統(tǒng)生化能力變強(qiáng)。同時(shí)，Rpf 增效PACT時(shí)COD 平均去除率（7.64%）較單獨(dú)投加Rpf 和PAC 的COD 平均去除率之和（7.10%）大，可能是由于PAC 和Rpf 之間的協(xié)同作用增強(qiáng)了活性污泥的生化處理性能。

圖6 PAC、Rpf 投加頻率與COD 去除率的關(guān)系Fig.6 Relationship between PAC，Rpf dosing frequency and COD removal rate

表4 PAC 和Rpf 投加情況Table 4 The dosage and frequency of PAC and RPF

由圖10 可知，在實(shí)驗(yàn)的84 個(gè)周期內(nèi)，經(jīng)計(jì)算，進(jìn)水氨氮平均濃度為11.92 mg·L-1；0，1，2，3 號(hào)反應(yīng)器出水氨氮平均濃度依次為1.06，0.97，0.80，0.66 mg·L-1。由此可知，氨氮去除效果最好的為3 號(hào)反應(yīng)器。由圖11 可知，1，2 號(hào)反應(yīng)器去除的氨氮濃度之和（0.35 mg·L-1）小于3 號(hào)反應(yīng)器去除的氨氮濃度（0.40 mg·L-1），說(shuō)明PAC 和Rpf 可協(xié)同去除廢水中的氨氮。

圖7 進(jìn)水COD 濃度變化情況Fig.7 Change of COD in influent water

圖8 復(fù)合投加時(shí)出水COD 濃度Fig.8 COD concentration of effluent during composite dosing

圖9 復(fù)合投加時(shí)COD 去除率Fig.9 Removal rate of COD during compound dosing

圖10 復(fù)合投加時(shí)進(jìn)出水氨氮濃度變化情況Fig.10 Change of NH3-N in and out of water during compound dosing

圖11 復(fù)合投加時(shí)氨氮去除率Fig.11 NH3-N removal rate in compound dosing

綜上可知，添加Rpf 可提高PACT 對(duì)COD 和氨氮的去除率，另外，PAC 和Rpf 間不只是簡(jiǎn)單的效果疊加，而是存在協(xié)同效應(yīng)。

2.3 Rpf 增效PACT 處理印染廢水的機(jī)理研究

研究Rpf 增效PACT 中活性污泥的性能（污泥指數(shù)、沉降比等）、菌落種類(lèi)和豐度，分析水中溶解性有機(jī)物的變化，深入研究PAC 和Rpf 復(fù)合投加對(duì)活性污泥的影響機(jī)理及協(xié)同作用機(jī)制。

2.3.1 對(duì)污泥性質(zhì)的影響

比較1，2，3 號(hào)反應(yīng)器中活性污泥的污泥指數(shù)（SVI）、揮發(fā)性污泥濃度（MLSS）、污泥沉降比（MLVSS），見(jiàn)圖12～14。

由圖12 可知，3 組反應(yīng)器的初始SVI 均為170 mL·g-1。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，2 號(hào)反應(yīng)器的SVI 呈上升趨勢(shì)，1，3 號(hào)反應(yīng)器的SVI 呈下降趨勢(shì)，在第84 個(gè)周期，3 組 反 應(yīng) 器 的SVI 分 別 為140，186 和145 mL·g-1，表明Rpf 增效PACT 使活性污泥的性能得到提高。

圖12 1，2，3 號(hào)反應(yīng)器的SVI 變化Fig.12 Change of SVI in unit 1，2，3 reactors

圖13 1，2，3 號(hào)反應(yīng)器的MLSS 變化Fig.13 Change of MLSS in unit 1，2，3 reactors

由 圖13 和 圖14 可 知，實(shí) 驗(yàn) 周 期 內(nèi)，MLSS 與MLVSS 曲線走勢(shì)相近。1，2，3 號(hào)反應(yīng)器初始MLSS和MLVSS 分別為3 500 和2 700 mg·L-1。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，MLSS 和MLVSS 均有不同程度上升。84 個(gè)周期內(nèi)，1，2，3 號(hào)反應(yīng)器MLSS 平均值分別為4 399，4 266 和2 855 mg·L-1，MLVSS 平均值分別為3 313，3 193 和2 855 mg·L-1。復(fù) 合 投 加 時(shí)，MLSS 和MLVSS 平均值較單一投加Rpf 時(shí)分別提升了3.12%和3.76%，較難達(dá)到單獨(dú)投加PAC 時(shí)提升的15.51%和16.06%，分析其原因可能是Rpf 使污泥中處于VBNC 的微生物復(fù)蘇，PAC 為微生物的生長(zhǎng)提供了生存環(huán)境，且二者具有協(xié)同作用，使復(fù)合投加效果優(yōu)于二者單獨(dú)投加之和。

2.3.2 對(duì)微生物群落的影響

通過(guò)對(duì)比4 組反應(yīng)器連續(xù)運(yùn)行21 d 后活性污泥中的DNA 及高通量測(cè)序結(jié)果（見(jiàn)表5），分析復(fù)合投加Rpf 和PAC 對(duì)污泥中微生物群落、菌群豐度和多樣性的影響。

圖14 1，2，3 號(hào)反應(yīng)器的MLVSS 變化Fig.14 Change of MLVSS in unit 1，2，3 reactors

表5 4 組反應(yīng)器的細(xì)菌豐度和多樣性指數(shù)Table 5 The bacterial richness and diversity index of four reactors

由表5 可知，對(duì)ACE、Chao1 指數(shù)，3 號(hào)反應(yīng)器與1 號(hào)反應(yīng)器接近，且均大于2 號(hào)反應(yīng)器；對(duì)Shannon和Simpson 指數(shù)，3 號(hào)反應(yīng)器與2 號(hào)反應(yīng)器較為接近，且均大于1 號(hào)反應(yīng)器。說(shuō)明添加PAC 能提高菌群豐度和微生物多樣性，添加Rpf 不能增加菌群豐度，但其提升微生物多樣性的能力比添加PAC 強(qiáng)，添加Rpf 的PACT 能更好地提升微生物多樣性，增加菌群豐度。

利用Krona 軟件分析群落組成，利用QIIME 軟件得到Rpf、PAC 復(fù)合投加系統(tǒng)污泥微生物在門(mén)、綱水平上的組成和豐度，4 組反應(yīng)器的比較結(jié)果見(jiàn)圖15。

通過(guò)分析3 號(hào)反應(yīng)器微生物群落組成和門(mén)的分布可知，Rpf 增效PACT 的活性污泥中，菌群主要由變 形 菌 門(mén)（Proteobacteria） 、 擬 桿 菌 門(mén)（Bacteroidetes）、厚壁菌門(mén)（Firmicutes）組成，種群豐度達(dá)95.9%，其中，變形菌門(mén)占比最大（63.9%），其次為擬桿菌門(mén)（24.3%）。與單獨(dú)投加Rpf 和PAC 相比，污泥序列中3 種主要門(mén)類(lèi)微生物豐度均有提高，查閱文獻(xiàn)可知，變形菌門(mén)是微生物中脫氮除磷的主要功能菌群，厚壁菌門(mén)可代謝脂類(lèi)、蛋白質(zhì)等復(fù)雜的有機(jī)物，且可水解污泥絮體［9-11］，同時(shí)，由于這3 種門(mén)是廢水生化處理系統(tǒng)的主要微生物，占比越大，表示生化系統(tǒng)的處理能力越強(qiáng)。Rpf 增效PACT 中，此3 種門(mén)的占比為95.9%，大于單獨(dú)投加Rpf、PAC 和空白組，說(shuō)明Rpf 能提高PACT 活性污泥微生物的豐度和多樣性，且Rpf 與PAC 具有協(xié)同增效作用。

圖15 4 組反應(yīng)器微生物群落門(mén)、綱的組成和豐度Fig.15 Abundance of microbial community phyla and class of four reactors

2.3.3 對(duì)水中溶解性有機(jī)物的影響

由圖16 可知，當(dāng)波長(zhǎng)為200～800 nm 時(shí)，3 號(hào)反應(yīng)器生化出水共有3 個(gè)吸收峰，且集中分布在200～300 nm 處。

與0 號(hào)反應(yīng)器相比，3 號(hào)反應(yīng)器在215 nm 處無(wú)吸收峰，在205，230 和280 nm 處吸收峰較小，說(shuō)明3 號(hào)反應(yīng)器生化出水中不飽和脂肪族、不飽和脂環(huán)族、硫醚、醛類(lèi)、硝基和含有共軛體系的復(fù)雜化合物的量較少。

與1 號(hào)反應(yīng)器相比，3 號(hào)反應(yīng)器在230，280 nm處吸收峰強(qiáng)度相近，在205 nm 處吸收峰較小，在220 nm 處無(wú)吸收峰，說(shuō)明3 號(hào)反應(yīng)器能降低生化出水中不飽和脂肪族、硫醚、醛類(lèi)和硝基等物質(zhì)。

與2 號(hào)反應(yīng)器相比，3 號(hào)反應(yīng)器在280 nm 處吸收峰強(qiáng)度小，280 nm 處的吸收峰主要代表偶氮、醛類(lèi)、酮類(lèi)、溴化物和飽和共軛物等，吸收峰越小代表物質(zhì)含量越低，吸收峰減小說(shuō)明反應(yīng)器對(duì)這些物質(zhì)的處理能力提高。由此可知，3 號(hào)反應(yīng)器對(duì)這些物質(zhì)具有更高的去除能力。

圖16 4 組反應(yīng)器生化出水的紫外-可見(jiàn)光光譜Fig.16 Ultraviolet-Visible spectra of effluent of four reactors

另外，205 nm 處的吸收峰主要代表硫酮、羧類(lèi)和酯類(lèi)等，吸收峰減小說(shuō)明反應(yīng)器對(duì)這些物質(zhì)的處理能力提高。進(jìn)水吸光度為4.302，3 號(hào)反應(yīng)器的出水吸光度（4.032）低于2 號(hào)反應(yīng)器（4.266）和1 號(hào)反應(yīng)器（4.619），說(shuō)明復(fù)合投加PAC 和Rpf 可去除單一投加不能去除的物質(zhì)。由此可知，Rpf增效PACT 能更好地去除廢水中的硫酮、羧類(lèi)和酯類(lèi)等物質(zhì)。

3 結(jié) 論

3.1 通過(guò)SBR 實(shí)驗(yàn)，得到了Rpf 增效PACT 處理印染廢水的最佳投加條件為PAC 30 mg·L-1·d-1，Rpf 6 mg·L-1·（3 d）-1。

3.2 通過(guò)比較復(fù)合投加PAC 和Rpf 與空白組、單一投加PAC 或Rpf 的出水COD、氨氮、總氮、總磷可知，投加Rpf 可改良PACT 對(duì)COD、總氮的去除效果，對(duì)總磷的去除效果影響較小。

3.3 PAC 和Rpf 復(fù)合投加可提升污泥的沉降性能和生物量，兩者存在協(xié)同效應(yīng)，能在提升微生物群落多樣性的同時(shí)增加菌群豐度，由高通量測(cè)序結(jié)果知，復(fù)合投加時(shí)微生物群落占比總和（95.9%）高于單一投加PAC 或Rpf。

綜上可知，Rpf 增效PACT 可有效提高COD 去除率和對(duì)活性污泥的生化處理效果，提高污水處理系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。