万金保+薛杰春+万莉+章洪涛+邬容伟

摘要： 为减轻重金属对猪场废水生物处理效果的影响，从影响程度和毒性机制的角度，分析养猪场废水的有机物降解效果和微生物活性的相互关系。以模拟猪场废水为研究对象，分析在废水中加入不同浓度Zn（Ⅱ）和Cu（Ⅱ）对序批式生物膜反应器（sequencing biofilm batch reactor，简称SBBR）系统的影响，包括化学需氧量（chemical oxygen demand，简称COD）、微生物呼吸、微生物代谢及相关性。结果表明：（1）在SBBR系统中，Zn（Ⅱ）、Cu（Ⅱ）对废水处理效果的影响和对微生物呼吸作用的影响均在2～4 mg/L之间，为促进和抑制的分界，且Cu（Ⅱ）对微生物的毒性大于Zn（Ⅱ）。（2）在SBBR系统中，Zn（Ⅱ）、Cu（Ⅱ）对废水处理效果的影响与其对微生物呼吸的影响有一定的相互关系，且Zn（Ⅱ）、Cu（Ⅱ）不仅能影响微生物自身活性，还可阻碍微生物吸收营养物质，从而抑制COD降解。（3）溶解性微生物产物（soluble microbial products，简称SMP）因其来源和自身化学特性，在Cu（Ⅱ）的存在下，不能反映微生物代谢活性。

关键词： 序批式生物膜反应器；重金属；猪场废水；微生物活性；呼吸作用

中图分类号： X703 文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2017）22-0304-04

随着近年来猪场的规模化发展，饲养者常在饲料中添加大量重金属为主的微量元素促进猪体生长。这些重金属大多无法被猪体吸收而随粪尿外排，进入废水。调查结果表明，在猪场废水中，Zn、Cu是最常见的重金属元素，且Zn浓度普遍高于Cu[1-3]。重金属浓度因不同的猪场而异，孙建平测定杭州市某一猪场废水重金属含量发现，Zn（Ⅱ）和Cu（Ⅱ）含量分别为27.0、13.6 mg/L[2]，笔者测定江西省某规模化养猪场中的Zn（Ⅱ）、Cu（Ⅱ）含量分别为13.3、7.8 mg/L。废水中Cu和Zn对活性污泥的微生物生长造成影响，进而影响废水生物处理的效果。关于猪场废水中重金属对微生物的毒性研究越来越多，有研究表明，一定浓度的重金属能抑制微生物对废水中有机物的降解[4-6]。本研究以序批式生物膜反应器（sequencing biofilm batch reactor，简称SBBR）为依托，处理模拟猪场废水，探究不同浓度的Zn（Ⅱ）、Cu（Ⅱ）对SBBR处理模拟猪场废水效果的影响，并通过测定污泥中的微生物活性，研究在Zn（Ⅱ）、Cu（Ⅱ）影响下，废水中有机物降解变化与微生物的呼吸及代谢间的关系。

1 材料与方法

1.1 试验用水

试验用水采用人工配制的模拟猪场废水，水质条件为CODCr为1 468.3 mg/L、NH3-N含量为244.5 mg/L、总磷（total phosphorus，简称TP）含量为19.3 mg/L、pH值为7.3。

1.2 接种污泥

试验污泥取自江西省某万头猪场SBBR池沉淀污泥，污泥体积指数（switch virtual interface，简称SVI）、污泥沉降比（settling vslocity，简称SV30）、悬浮固体浓度（mixed liquid suspended solids，简称MLSS）分别为50.3 mL/g、56%、18.5 g/L，取回后接种培养，试验前在SBBR装置中用模拟废水驯化7 d。

1.3 试验装置

SBBR工艺模型的规格为150 mm×100 mm×120 mm。共16组，每组挂有4个人造纤维作为污泥生长的载体，间歇运行，自动化控制。

1.4 试验方法

SBBR运行周期为进水（1 min）—曝气（4 h）—厌氧（2 h）—曝气（3 h）—静置（3 h）—出水（1 min）。

运行条件：温度为25 ℃；曝气时段溶解氧维持3～4 mg/L；pH值为6.5～7.5。

试验采用16组装置，每组装置加入350 mL活性污泥（平均含水率86.7%），并用模拟废水驯化1周。

试验各设6个浓度[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组平行空白。

1.5 分析方法

测定COD参考《水和废水检测分析方法》（第4版）[7]中的重铬酸钾滴定法；微生物呼吸采用氯化三苯基四氮唑（2、3、5-triphenyte-trazoliumchloride，简称TTC）作为指示剂，参考谭学军等的方法[8]测定，用电子传递体系（electron transport system，简称ETS）活性表示[9]；微生物代谢：溶解性微生物產物（soluble microbial products，简称SMP）通过将泥水混合物经微孔（0.45 μm）过滤后测定其总有机碳来表征[10]。

2 结果与分析

2.1 Zn（Ⅱ）和Cu（Ⅱ）对废水处理效果的影响

由图1、图2可知，Zn（Ⅱ）、Cu（Ⅱ）在浓度小于4 mg/L时，均小幅促进COD的降解。在18 d的运行周期里，Zn（Ⅱ）浓度为1、2 mg/L处理组和空白组的平均去除率分别为8116%、81.05、80.66%；Cu（Ⅱ）浓度为0.5、1.0、2.0 mg/L处理组和空白组的平均去除率分别为82.18%、80.81%、8046%、78.01%。当Zn（Ⅱ）、Cu（Ⅱ）浓度≥4.0 mg/L时，对COD的去除效果都表现为前期抑制，后期恢复。抑制效果随浓度增大表现越明显。

对比Zn（Ⅱ）、Cu（Ⅱ）对SBBR系统废水处理效果的影响，发现浓度在2～4 mg/L之间是促进和抑制的分界，但促进效果不如抑制效果明显。抑制方面，在相同浓度下，Cu（Ⅱ）对出水COD的抑制明显大于Zn（Ⅱ）。这与大量研究结果表明的Cu（Ⅱ）对微生物的毒性大于Zn（Ⅱ）的毒性[11-12]相似。endprint

低浓度重金属促进COD降解，是由于Zn（Ⅱ）与Cu（Ⅱ）作为微生物生长的微量元素能提高酶活性，促进其对有机物的降解。浓度高于一定值会产生毒性，李健中等从分子生物学角度解释了其机制：（1）大量重金属进入微生物体内，与生物大分子结合，如氨基酸和蛋白质上的配位基，导致生物酶的活性降低甚至失活；（2）高浓度的重金属破坏了微生物体内渗透压的平衡，干扰物质交换；（3）高浓度重金属与核酸结合引起微生物遗传物质的突变。由于重金属进入微生物体内并产生影响需要一个过程，故抑制缓慢增加，后期恢复是微生物对环境的适应[12-14]。

2.2 Zn（Ⅱ）和Cu（Ⅱ）对微生物呼吸的影响

重金属对微生物ETS活性的影响，表现为ETS活性越高微生物呼吸作用越强（图3、图4）。为直观表示投加不同浓度的重金属对于微生物呼吸作用的影响，引出影响率Ix的概念：

Ix=（Rx-R0）/R0×100%。

式中：Ix表示在浓度为x的重金属影响下ETS的影响率，%；Rx表示在浓度为x的重金属影响下ETS活性，mg/（g·h）；R0表示空白组ETS活性，mg/（g·h）。当Ix>0，该浓度重金属促进微生物的呼吸，当Ix<0，该浓度重金属抑制微生物的呼吸。

由图5、图6可知，Zn（Ⅱ）浓度为1、2、4 mg/L对应的平均影响率分别为50.39%、53.28%、2.33%；Cu（Ⅱ）浓度为0.5、1.0、2.0 mg/L对应的平均影响率分别为25.94%、4414%、53.05%；当Zn（Ⅱ）浓度为8、16、32 mg/L时，对应 的平均影响率分别为-7.72%、-20.29%、-18.98%； Cu（Ⅱ） 浓度为4.0、8.0、16.0 mg/L对应的平均影响率分别为-13.95%、 -13.16%、-20.34%。高浓度重金属对微生物呼

吸的抑制效果不如低浓度的促进效果明显。

对比Zn（Ⅱ）和Cu（Ⅱ）对微生物呼吸的影响率，2、4 mg/L 的浓度均为促进和抑制的分界点，这与其对废水处理效果的影响相同；在相同浓度下，Cu（Ⅱ）对微生物呼吸的促进作用小于Zn（Ⅱ），而抑制作用大于Zn（Ⅱ），即Cu（Ⅱ）毒性大于Zn（Ⅱ），这和“2.1”节中它们对废水处理效果的影响所得出的结论相同。说明在SBBR中，Zn（Ⅱ）、Cu（Ⅱ）在影响废水处理效果与微生物呼吸方面有明显的相关性。

2.3 Zn（Ⅱ）和Cu（Ⅱ）对微生物代谢的影响

溶解性微生物产物是微生物在降解有机物时，通过合成代谢、细胞膜扩散等向外界排放的可溶性物质[15]，具有可降解性[16]毒性、抑制微生物活性[17]、与重金属螯合[18]等特性。董春娟等认为，在废水生物处理中，SMP的释放与微生物的正常生长、维持细胞浓度平衡、外界有机物匮乏、抵抗饥饿、保持正常代谢、微生物死亡、高浓度的能源物质等有关[19]。即微生物的生长代谢、营养物质匮乏和死亡都有可能导致其释放SMP。

由图7可知，Zn（Ⅱ）浓度<8 mg/L时，SMP释放量均较空白组大；浓度≥8 mg/L时，均较空白组小。这与“2.2“节中，Zn（Ⅱ）浓度在<8 mg/L时促进ETS活性，而浓度在 ≥8 mg/L 时抑制ETS活性相同，说明Zn（Ⅱ）对SMP释放与微生物正常生长代谢相关。在促进微生物释放SMP的Zn（Ⅱ）浓度下，随着时间的延长，SMP释放量整体呈增加趋势，而ETS活性在后期有所回落，可能的原因是SMP更多地累积在污泥当中，不易随排水而排出。在抑制微生物释放SMP的Zn（Ⅱ）浓度下，前期SMP减少是由于微生物活性减弱；后期SMP升高，是由于微生物经驯化而适应了高浓度的Zn（Ⅱ），微生物的活性增强、代谢加快。综上所述，Zn（Ⅱ）对微生物代谢的影响与对微生物呼吸作用的影响呈正相关，SMP的释放和微生物正常生长代谢有关。

由图8可知，在前2 d，6组不同浓度的Cu（Ⅱ）试验组SMP的浓度急剧下降，而空白组保持平稳，这与张笑雪等的研究结果[20-21]相同，原因是Cu（Ⅱ）与SMP形成了金属螯合物。Cu（Ⅱ）浓度为0.5、1.0、2.0 mg/L时，从2 d开始到12 d，SMP浓度快速上升，参考“2.2”节中，此阶段ETS活性上升，说明微生物的正常生长、代谢加快而促进SMP的释放；后期SMP的小幅下降也和ETS活性减弱有关。Cu（Ⅱ）浓度为4.0、8.0 mg/L时，在2 d开始到10 d，SMP浓度快速上升，且高于空白组，参考“2.2”节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，从外界获得营养物质困难，刺激了微生物释放SMP，这和前述Cu（Ⅱ）浓度为0.5、1.0、2.0 mg/L 时，与中期SMP浓度增大的原因不同；后期SMP浓度下降是由于微生物适应，ETS活性增大的结果。当Cu（Ⅱ）浓度为16 mg/L时，SMP浓度从6 d开始迅速增加，可能原因是部分微生物的死亡，释放了SMP。

对比Zn（Ⅱ）和Cu（Ⅱ）对SMP的影响，Zn（Ⅱ）影响微生物释放SMP可用微生物呼吸作用解释，Cu（Ⅱ）相對复杂，原因如下：（1）SMP自身的化学性质，与Zn（Ⅱ）不易形成金属螯合物，与Cu（Ⅱ）易形成螯合物。（2）SMP来源复杂，不仅来自微生物自身代谢，外界的复杂环境也会影响微生物释放SMP，严格来说，SMP不能在所有情况下代表微生物的代谢情况。

2.4 废水处理效果与微生物活性的关系

2.4.1 出水COD与ETS活性相互关系

低浓度的2种重金属促进微生物呼吸，废水的COD去除率也得到提高；反之，去除率降低。但对比“2.1”“2.2”节可看出，低浓度的重金属能极大地促进微生物的呼吸，但效果只是小幅上升，原因可能是：（1）剩余的一部分有机物（COD）包含了溶解性微生物产物（SMP）中无法被生物降解的部分。（2）微生物降解有机物达到了饱和，COD不能随着微生物呼吸的增加而继续降解。当高浓度的重金属小幅抑制了微生物的呼吸，对系统降解有机物产生极大的影响，原因可能是：在SBBR中，高浓度的重金属影响微生物处理废水的效果，不仅与其抑制微生物的呼吸有关，还包括影响渗透压的平衡，阻断部分有机物进入微生物体内，从而干扰微生物降解有机物，而不影响微生物正常呼吸。综上所述，在Zn（Ⅱ）和Cu（Ⅱ）的存在下，SBBR对COD的去除，主要是受重金属对ETS活性的影响。endprint

2.4.2 ETS活性与SMP相互关系

Zn（Ⅱ）对SMP的影响，只与ETS活性相关，即当微生物的呼吸作用受到低浓度 Zn（Ⅱ） 的影响而加强，SMP也增加；反之减少。

Cu（Ⅱ）对SMP的影响，不仅涉及ETS活性，还须考虑其与SMP形成的金属螯合物和微生物死亡释放的SMP。故SMP浓度和ETS活性不呈简单的正相关性。

3 结论

（1）在SBBR系统中，Zn（Ⅱ）、Cu（Ⅱ）对废水处理效果的影响及对微生物呼吸作用的影响均在2～4 mg/L之间，为促进和抑制的分界，且Cu（Ⅱ）对微生物的毒性大于Zn（Ⅱ）。

（2）在SBBR系统中，Zn（Ⅱ）和Cu（Ⅱ）对废水处理效果的影响与其对微生物呼吸的影响有较好的相关性。同时Zn（Ⅱ）和Cu（Ⅱ）也通过阻断微生物吸收营养物质而抑制COD降解。

（3）SMP因其来源和自身化学特性，在Cu（Ⅱ）存在下，不能反映微生物代谢活性。

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