Cu2+ 對SBR工藝電子傳遞體系的影響

賈艷萍，姜修平，張明爽，張?zhí)m河，楊宗明

(東北電力大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，吉林　132012)

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Cu2+對SBR工藝電子傳遞體系的影響

賈艷萍，姜修平，張明爽，張?zhí)m河，楊宗明

(東北電力大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，吉林132012)

脫氮除磷； ETS； SBR； 重金屬

1　引　言

重金屬離子影響水處理效果的本質(zhì)是重金屬對微生物活性有抑制作用。通過微生物活性的變化能夠預(yù)測微生物脫氮除磷能力的變化，其中電子傳遞體系(ETS)活性是評價微生物活性的重要指標(biāo)之一，ETS活性體現(xiàn)了微生物呼吸過程中電子傳遞過程受抑制的程度。INT(碘硝基四氮唑)是一種常見的脫氫酶活性測定劑(也稱INT-ETS活性)[7,8]。利用INT表征污泥活性受到廣泛的關(guān)注。Jun Yin等[9]通過監(jiān)測硝化反硝化過程中INT-ETS活性變化發(fā)現(xiàn)，INT-ETS活性可以及時有效地反映SBR工藝的生化反應(yīng)進(jìn)程。因此，通過INT-ETS活性分析，能夠間接衡量有機(jī)物的降解速率和生物處理設(shè)施的運(yùn)行效果。

本研究考察Cu2+對SBR脫氮除磷效率和INT-ETS活性的的影響，分析微生物脫氮除磷能力與INT-ETS相關(guān)性，為探討重金屬對脫氮除磷的影響機(jī)理奠定基礎(chǔ)。

2　實(shí)　驗(yàn)

2.1實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)方案

SBR反應(yīng)器由有機(jī)玻璃制成，內(nèi)徑為30 cm，有效工作容積為15 L，采用ACO-003電磁式空氣泵曝氣，通過氣體流量計控制進(jìn)氣流量，利用硼砂曝氣頭作為微孔曝氣器，采用JJ-1精密定時電動攪拌器攪拌，攪拌速度200 r/min。pH、DO電極置于反應(yīng)器內(nèi)，監(jiān)測指標(biāo)的變化。采用KG316T時間繼電器控制每個運(yùn)行周期反應(yīng)時間。反應(yīng)器設(shè)置3個取樣口，底部設(shè)有排泥口。運(yùn)行周期為9 h，瞬間進(jìn)水→厭氧2 h→好氧5 h→缺氧2h→排水閑置。溫度控制在25～30 ℃，pH 7.0～8.5，DO 2～3 mg/L。實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。

圖1　SBR實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.1　The schematic diagram of SBR experimental setup

2.2實(shí)驗(yàn)用水

實(shí)驗(yàn)用水采用人工模擬廢水，主要成分為葡萄糖、氯化銨、磷酸二氫鉀、結(jié)晶硫酸鎂、氯化鈣和1 ml/L微量元素。其水質(zhì)為：COD 800～1000 mg/L、TN 40～55 mg/L、TP 15～21 mg/L；微量元素液成分為FeSO4·7H2O，20 mg/L；CuSO4·5H2O，50 mg/L；H3BO3，50 mg/L；MnSO4·H2O，50 mg/L；Na2MoO4·2H2O，10 mg/L；ZnCl2·7H2O，10 mg/L；CoCl2·6H2O，50 mg/L。

2.3分析項(xiàng)目和檢測方法

INT-ETS活性測定：取0.6 mL污泥混合液，置于15 mL的離心管中，再向其中加入3 mL的Tris-HCI緩沖溶液，2 mL的0.2 %INT溶液。將制備的樣品放在(37±1) ℃的水浴振蕩器內(nèi)振蕩培養(yǎng)30 min，然后加入2 mL 37%甲醛溶液終止酶反應(yīng)。將該樣品在4000 r/min下離心5 min，棄去上清液，加入10 mL丙酮，攪拌混合均勻后，繼續(xù)在(37±1) ℃下暗處振蕩萃取30 min。待樣品萃取完畢，在4000 r/min下離心5 min，將上清液和沉淀污泥分離。用分光光度計在485 nm測定萃取液的吸光度。INT-ETS活性的計算公式如下：

式中：UT-activation of INT-ETS，mg·(g·h)-1；D485-absorbance of supermate(wavelength=485 nm)；V-volume of extract liquor，mL；K-slope of standard curve(K=0.0258 L/mg)；W-weight of sludge，mg；T-culture time，h。

3　結(jié)果與討論

3.1無Cu2+存在下INT-ETS的變化規(guī)律

厭氧段，COD由1019.7 mg/L迅速下降至212.2 mg/L，有機(jī)底物由產(chǎn)酸菌將其分解，聚磷菌可以吸收產(chǎn)酸菌的分解產(chǎn)物作為碳源，從而達(dá)到去除有機(jī)物的作用。這一過程所需能量由細(xì)胞內(nèi)聚磷酸鹽水解產(chǎn)生。細(xì)胞內(nèi)聚磷酸鹽水解釋放磷酸鹽，導(dǎo)致廢水中磷酸鹽濃度從14.7 mg/L上升至65.3 mg/L，完成厭氧段聚磷菌釋磷過程。通過脫氫酶參與傳遞電子，完成氧化還原反應(yīng)，利用INT-ETS活性可間接指示微生物的呼吸活性[10-12]。隨著反應(yīng)器運(yùn)行至1.5 h，INT-ETS活性從254.8 mg/(g·h)逐漸降低至117.4 mg/(g·h)。然而，當(dāng)厭氧反應(yīng)進(jìn)行至2 h時，INT-ETS活性上升至201.2 mg/(g·h)后開始下降，這恰好與COD去除及釋磷過程結(jié)束的時間相吻合，說明厭氧段測定的INT-ETS活性可以表征厭氧段聚磷菌反應(yīng)進(jìn)程和活性的變化。

圖2　無Cu2+時SBR系統(tǒng)INT-ETS活性、COD、氨氮及磷酸鹽的變化規(guī)律Fig.2　Changes of the activation of INT-ETS、COD、

3.2低濃度Cu2+對INT-ETS的影響

由圖3可見，厭氧段結(jié)束(0～2 h)，當(dāng)Cu2+濃度為0.5 mg/L時，COD由921.7 mg/L下降至216 mg/L；當(dāng)Cu2+濃度為1 mg/L時，COD由923.4 mg/L下降至207.2 mg/L。此時間點(diǎn)磷酸鹽濃度由14.7 mg/L和14.6 mg/L分別上升至64.9 mg/L和65.2 mg/L；INT-ETS活性分別由256.3 mg/(g·h)和253.2 mg/(g·h)下降至187.1 mg/(g·h)和205.7 mg/(g·h)。通過對比發(fā)現(xiàn)，0.5 mg/L Cu2+對COD去除和磷酸鹽釋放存在一定的抑制作用，1.0 mg/L Cu2+對COD去除和磷酸鹽釋放產(chǎn)生一定的促進(jìn)作用。

圖3　低濃度Cu2+對SBR系統(tǒng)INT-ETS活性、COD、氨氮及磷酸鹽的變化規(guī)律(a)0.5 mg/L Cu2+;(b)1.0 mg/LCu2+Fig.3　Changes of the activation of -N and -P of SBR with low concentration of Cu2+

Cu2+對酶的抑制作用復(fù)雜，在酶促反應(yīng)過程中Cu2+與酶、底物結(jié)合形成絡(luò)合物，并以此影響酶活性，從而使活性污泥INT-ETS值降低，反應(yīng)機(jī)制如圖4所示。Cu2+與酶的結(jié)合形成酶與金屬離子的絡(luò)合物，破壞酶與底物的絡(luò)合物之間的相互轉(zhuǎn)化，Cu2+與底物產(chǎn)生了相互的競爭性抑制。

圖4　重金屬作為酶的抑制劑反應(yīng)機(jī)制Fig.4　The reaction mechanism of heavy metal irons as enzyme controlling reagent

3.3高濃度Cu2+對INT-ETS的影響

圖5　高濃度Cu2+存在下INT-ETS活性、COD、氨氮和磷酸鹽的變化規(guī)律(a)5.0 mg/L Cu2+(b)10 mg/L Cu2+Fig.5　Changes of the activation of -N and -P with high concentration of Cu2+

Cu2+(mg/L)RemovalrateofCOD(%)RemovalrateofNH+4-N(%)RemovalrateofPO3-4-P(%)TheaverageofactivatedINT-ETS(mg/(g·h))087.779.290.5139.50.586.574.891.2136.51.088.271.092.5144.05.078.268.970.692.910.036.436.112.374.4

4　結(jié)　論

(1)INT-ETS 活性可以及時、有效地反映出SBR工藝生化反應(yīng)進(jìn)程。INT-ETS變化波動與各反應(yīng)階段開啟與結(jié)束時間同步；

(3)高濃度Cu2+對INT-ETS活性產(chǎn)生較大地抑制作用，當(dāng)Cu2+濃度為5.0 mg/L時，INT-ETS平均值為92.9 mg/(g·h)，并隨著Cu2+濃度升高INT-ETS平均值降低，Cu2+對ETS抑制作用顯著增強(qiáng)。

[1]Altas L. Inhibitory effect of heavy metals on methane-producing anaerobic granular sludge[J].JournalofHazardousMaterials,2008,162(2-3): 1551-1556.

[2]Celal F, Gokcay U Y. Effect of chromium(VI) on activated sludge[J].WaterResearch,1991,25(1): 65-73.

[3]王勤. 重金屬對生物脫氮的毒性效應(yīng)研究[D].廣州：廣州大學(xué)碩士學(xué)位論文, 2009.

[4]Ting Y P, Imai H, Kinoshita S. Effect of shock-loading of heavy metals on total organic carbon and phosphate removal in an anaerobic aerobic activated sludge process[J].WorldJournalofMicrobiologyandBiotechnology,1994,10(3): 308-312.

[5]謝曙光. 重金屬對生物除磷影響的研究[D].西安：西安理工大學(xué)碩士學(xué)位論文, 2000.

[6]Coyle Barry, Kavanagh K, McCann M, et al. Mode of anti-fungal activity of 1,10-phenanthroline and its Cu(II), Mn(II) and Ag(I) complexes[J].Biometals,2003,16(2): 321-329.

[7]Blenkinsopp S A, Lock A. The measurement of electron transport system activity in river biofilms[J].WaterResearch,1990,24(4): 441-445.

[8]Kim C W, Koopman B, Bitton G. INT-dehydrogenase activity test for assessing chlorine and hydrogen peroxide inhibition of filamentous pure cultures and activated sludge[J].WaterResearch,1994,28(5): 1117-1121.

[9]Wang J H, Yin J, Lu H. INT-ETS activity change of activated sludge during nitrification, denirijication and organism removal in SBR process[C]. Wuhan, China: Conference on Environmental Science and Information Application Technology, 2010.

[10]尹軍, 王建輝. SBR反應(yīng)器中有機(jī)物去除與硝化反硝化過程INT-ETS活性變化[J].環(huán)境科學(xué), 2007,25(10): 49-55.

[11]Lopez J M, Koopman B, Bitton G. INT-dehydrogenase test for activated sludge process control[J].BiotechnologyandBioengineering,1986,28(7): 1080-1085.

[12]Awong J, Bitton G, Koopman B. ATP, oxygen uptake rate and INT-dehydrogease activity of acitinomycete foams[J].WaterResearch,1985,19(7): 917-921.

[13]Tang C J, Zheng P, Mahmood Q, et al. Start-up and inhibition analysis of the anammox process seeded with anaerobic granular sludge[J].JournalofIndustrialMicrobiology&Biotechnology,2009,36(8): 1093-1100.

[14]榮宏偉, 李健中, 張可方. 銅對活性污泥微生物活性影響研究[J].環(huán)境工程學(xué)報,2010,4(8): 1709-1713.

[15]霍培書, 管越強(qiáng), 周可新, 等. 重金屬離子對活性污泥處理污水的影響[J].環(huán)境工程學(xué)報,2010,4(10): 2173-2178.

[16]陳皓, 陳玲, 趙建夫, 等. 重金屬對厭氧污泥電子傳遞體系活性影響研究[J].環(huán)境科學(xué),2007,28(4): 786-790.

Effect of Cu2+on the ETS by Using SBR

JIAYan-ping,JIANGXiu-ping,ZHANGMing-shuang,ZHANGLan-he,YANGZong-ming

(School of Chemical Engineering,Northeast Dianli University,Jilin 132012,China)

nitrogen and phosphorus removal;ETS;SBR;heavy metal

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51478093)；吉林省科技發(fā)展計劃項(xiàng)目(20150204052SF，20160101268JC)

賈艷萍(1973-)，女，博士，副教授.主要從事廢水生物處理理論與工藝的研究.

TU528

A

1001-1625(2016)05-1390-06