三聚氰胺及其金屬絡(luò)合物對(duì)活性污泥功能菌活性的影響

裴立影， 姬少斌， 王霞霞， 雷鑫樂, 郭昌梓

(陜西科技大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院， 陜西 西安 710021)

0 引言

隨著我國城市化進(jìn)程的加快，生活污水的排放量空前增長，市政污水中含有大量的氮磷等營養(yǎng)元素，如不利用有效的方法對(duì)其進(jìn)行去除會(huì)導(dǎo)致受納水體的富營養(yǎng)化，造成水體生態(tài)惡化.統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，生活污水中源氮占我國廢水總氮排放量的59.7%，工業(yè)廢水中氮源占9.73%[1].雖然生活污水中的氨氮含量較高，但生活污水處理技術(shù)相對(duì)成熟.相比之下，工業(yè)廢水由于含有大量難降解的含氮污染物，如多環(huán)芳烴、鹵代烴、雜環(huán)類化合物、有機(jī)染料等，這些有機(jī)物不僅會(huì)增加污水處理廠進(jìn)水中總氮的負(fù)荷，而且可能會(huì)對(duì)污水生物處理的主體——活性污泥產(chǎn)生毒害作用.

三聚氰胺(MA)是一種應(yīng)用廣泛的化工原料，是重要的尿素后加工產(chǎn)品，還可用作阻燃劑、減水劑、甲醛清潔劑等[2-4].MA的大量使用為MA進(jìn)入環(huán)境尤其是水環(huán)境打開了缺口.研究結(jié)果表明，在河流和灌溉用水中都有MA的存在[5].Y.C.Qin等的研究發(fā)現(xiàn)在農(nóng)田中經(jīng)常會(huì)檢測(cè)到MA，在生產(chǎn)MA的工廠附近的污水里MA的濃度則會(huì)更高[5].一直以來人們普遍認(rèn)為只有在大量口服或者注射時(shí)，MA才表現(xiàn)出毒性[6].但大量的研究結(jié)果表明，食用被MA污染的食物會(huì)使得動(dòng)物因急性腎衰竭而死亡[7-9]，2008年，轟動(dòng)全國的三鹿奶粉事件，同樣證明了MA對(duì)人體的毒性[10].由此可見，MA是一種廣泛存在的對(duì)人和動(dòng)物體具有一定毒性的物質(zhì).

城市污水處理廠是污染物進(jìn)入水體的最后一道屏障， MA通過排水系統(tǒng)進(jìn)入污水處理廠，其本身及其與金屬離子的絡(luò)合物皆可能對(duì)活性污泥系統(tǒng)的生化過程帶來影響.Shengnan Xu等[11]對(duì)三聚氰胺對(duì)活性污泥的長期影響進(jìn)行了研究，結(jié)果顯示，活性污泥很難誘導(dǎo)出可以降解三聚氰胺的酶，因此也很難將其降解.Hongxue An等[12]認(rèn)為三聚氰胺在活性污泥中的去除主要是由吸附而非生物降解引起的.迄今為止，MA及其絡(luò)合物對(duì)活性污泥系統(tǒng)短期影響方面的報(bào)道仍然鮮見.本研究的目的是探究MA及其絡(luò)合物對(duì)硝化菌和聚磷菌活性造成的影響.研究結(jié)果為MA的最終處理提供基本理論和方法.

1 實(shí)驗(yàn)部分

本研究主要通過批式試驗(yàn)的方法考察MA-Cu2+絡(luò)合物對(duì)活性污泥中功能菌的影響，首先考察了Cu2+對(duì)氨氧化菌活性的影響，并確定絡(luò)合物中適宜的Cu2+濃度，并以此濃度為基準(zhǔn)，按照MA:Cu2+(摩爾比)為1∶1和2∶1確定其中MA的濃度分別為23.6 mg/L和47.2 mg/L，分別測(cè)定對(duì)應(yīng)MA濃度下的硝化菌活性(硝化速率)和聚磷菌活性(聚磷菌厭氧釋磷好氧吸磷速率)，最后按照摩爾比為1∶1、2∶1和1∶2的絡(luò)合比配制不同的MA-Cu2+,并確定其對(duì)硝化菌和聚磷菌活性的影響.

1.1 分析項(xiàng)目和方法

本試驗(yàn)中的常規(guī)項(xiàng)目如氨氮、亞硝氮、硝氮、磷酸鹽等分析方法，參考《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》[13].

1.2 活性污泥硝化速率的測(cè)定

活性污泥硝化速率的測(cè)定包括比氨氧化速率(specific ammonia utilizing rate,SAUR)和亞硝酸鹽氧化速率(specific nitrite utilizing rate,SNUR)的測(cè)定.試驗(yàn)用活性污泥取自西安市第五污水處理廠生物反應(yīng)池末端，取得的活性污泥在2 h內(nèi)沉淀后倒去上清液，自來水淘洗一次，純水淘洗一次后將活性污泥濃縮或稀釋到適宜濃度(3 000～4 000 mg/L)，通過水浴將活性污泥混合液溫度調(diào)整至20±1 ℃，通過添加NaHCO3將pH控制在7～8，DO控制在3 mg/L以上，通過測(cè)定NH4+-N和NO2--N的消耗確定SAUR和SNUR，起始基質(zhì)(NH4+-N和NO2--N)濃度分別為30 mg/L和20 mg/L，取樣時(shí)間間隔為10 min，SAUR和SNUR的線性回歸系數(shù)R2>0.97.

1.3 活性污泥釋磷吸磷速率的測(cè)定

聚磷菌活性的測(cè)定包括厭氧釋磷速率、好氧吸磷速率.批式試驗(yàn)開始前向活性污泥混合液中加入磷酸鹽，使得混合液中磷酸鹽濃度為 10 mg/L，曝氣1 h使活性污泥充分吸磷，同時(shí)適應(yīng)試驗(yàn)環(huán)境，然后用自來水淘洗兩次后加入蒸餾水，使活性污泥混合液達(dá)到一定濃度(3 000～4 000 mg/L)后進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度控制在 20±1 ℃， pH控制在 7.0±0.5.具體測(cè)定步驟如下：

厭氧釋磷速率：厭氧試驗(yàn)過程中沖入氮?dú)庖员ＷC厭氧環(huán)境，磁子攪拌，以乙酸鈉作為碳源，起始濃度為 50 mg COD/gVSS，厭氧釋磷試驗(yàn)時(shí)間為2 h，前1 h取樣間隔時(shí)間為10 min，后1 h取樣間隔時(shí)間為20 min，樣品經(jīng)過濾后測(cè)定磷酸鹽的濃度.厭氧試驗(yàn)結(jié)束后，進(jìn)行好氧吸磷試驗(yàn).

好氧吸磷速率：向進(jìn)行好氧吸磷試驗(yàn)的裝置中通入氧氣，按照厭氧釋磷的取樣時(shí)長和取樣間隔時(shí)間進(jìn)行取樣測(cè)定磷酸鹽濃度.

2 結(jié)果與討論

2.1 銅離子對(duì)活性污泥氨氧化菌活性的影響分析

不同Cu2+濃度對(duì)氨氧化速率的影響如圖1所示.由圖1可知，隨著Cu2+濃度的增加，氨氧化速率先增加后減小.

圖1 不同濃度Cu2+對(duì)氨氧化速率的影響

當(dāng)Cu2+濃度從0 mg/L增加到4 mg/L時(shí)， SAUR從3.9 mg NH4+-N/(gVSS·h)增加到5.75 mg NH4+-N/(gVSS·h),提高了32.1%，并達(dá)到最大值.當(dāng)Cu2+濃度繼續(xù)增加時(shí)，氨氧化菌活性持續(xù)下降，當(dāng)Cu2+濃度達(dá)到18 mg/L時(shí)，SAUR下降到2.19 mg NH4+-N/(gVSS·h)，較之對(duì)照，SAUR下降了43.9%.即Cu2+對(duì)氨氧化菌的活性存在明顯的“低促高抑”現(xiàn)象，這與Brown C A等[7]和Dobson R L M等[8]的研究結(jié)果相似.另外，從圖中還可直觀地看出，Cu2+濃度接近12 mg/L時(shí)，硝化菌活性接近空白組，因此本試驗(yàn)選定的最適Cu2+濃度為12 mg/L.

2.2 三聚氰胺對(duì)活性污泥硝化菌活性的影響

傳統(tǒng)的硝化過程分為兩步，第一步是氨氮在氨氧化菌的作用下氧化為亞硝氮，第二步是亞硝氮在亞硝酸鹽氧化菌的作用下氧化為硝氮.分別創(chuàng)造適宜兩類功能菌，即氨氧化菌和亞硝酸鹽氧化菌氧化底物的條件，并測(cè)定底物隨時(shí)間降解的速率即可得到兩類微生物的活性，即SAUR和SNUR，統(tǒng)稱為硝化速率.圖2為不同濃度MA條件下的氨氮和亞硝氮濃度隨時(shí)間變化曲線.

(a)不用濃度MA條件下氨氮隨時(shí)間變化曲線

(b)不用濃度MA條件下亞硝氮隨時(shí)間變化曲線圖2 不同濃度MA條件下的氨氮和亞硝氮濃度隨時(shí)間變化曲線

圖2(a)為不同濃度MA條件下的氨氮濃度隨時(shí)間變化曲線.由圖2(a)可知，隨著MA濃度的增加，SAUR逐漸降低，較之對(duì)照，分別下降了8.1%、23.8%、26.4%，因此，MA對(duì)氨氧化菌的活性有一定的抑制作用.

圖2(b)為不同濃度MA條件下亞硝氮濃度隨時(shí)間變化的曲線.由圖2(b)可知，隨著MA濃度的增加，SNUR有所下降，較之對(duì)照，分別下降了4.8%、6.3%和16.9%.由此可見，MA對(duì)亞硝酸鹽氧化菌的活性的影響較氨氧化菌小.因此，MA對(duì)硝化菌活性的抑制主要體現(xiàn)在對(duì)氨氧化菌的影響上.Shangnan Xu等[11]認(rèn)為長時(shí)間的適應(yīng)并不能誘導(dǎo)活性污泥微生物產(chǎn)生具有降解MA功能的酶.Hongxue An等[12]的研究結(jié)果與本研究相似，即高濃度的MA對(duì)活性污泥微生物有毒害作用.

2.3 不同濃度三聚氰胺和銅絡(luò)合物對(duì)硝化菌活性的影響

如上所述，在Cu2+濃度一定的條件下，本實(shí)驗(yàn)分別測(cè)定了MA∶Cu2+為1∶1、1∶2和2∶1三個(gè)不同摩爾比下的氨氮和亞硝氮濃度隨時(shí)間變化的曲線，其結(jié)果具體如下：

圖3為MA-Cu2+不同絡(luò)合比條件下的氨氮濃度隨時(shí)間變化曲線.由圖3可知，較之對(duì)照，隨著MA-Cu2+絡(luò)合物的加入，SAUR和SNUR均有所下降.

(a)MA-Cu2+不同絡(luò)合比條件下氨氮隨時(shí)間變化曲線

(b)MA-Cu2+不同絡(luò)合比條件下亞硝氮隨時(shí)間變化曲線圖3 MA-Cu2+不同絡(luò)合比條件下氨氮和亞硝氮濃度隨時(shí)間變化曲線

圖3(a)為MA-Cu2+不同絡(luò)合比條件下氨氮濃度隨時(shí)間變化曲線.由圖3(a)可知，MA-Cu2+絡(luò)合物對(duì)SAUR的總體趨勢(shì)有較大的影響，這說明絡(luò)合物對(duì)氨氧化菌的活性有明顯的抑制作用，其中絡(luò)合比為1∶2時(shí)的抑制作用最大，可使得SAUR下降60.2%.較之對(duì)照，MA-Cu2+絡(luò)合物對(duì)SNUR的影響較小，如圖3(b)所示，絡(luò)合物的加入使得SNUR最大下降比例為5.8%.

為進(jìn)一步分析Cu2+、MA和MA-Cu2+對(duì)硝化菌活性的影響，將不同批式實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，如圖4所示.

(a)Cu2+、MA和MA-Cu2+對(duì)氨氧化菌活性的影響

由圖4(a)中Cu2+、MA和MA-Cu2+對(duì)氨氧化菌活性的影響可知，12 mg/L的Cu2+暴露下，SAUR為3.9 mg NH4+-N/(gVSS·h)，Cu2+濃度不變，絡(luò)合不同比例的MA(1∶1和2∶1)后，SAUR分別為2.26 mg NH4+-N/(gVSS·h)和1.85 mg NH4+-N/(gVSS·h)，即絡(luò)合物對(duì)氨氧化菌活性的抑制效應(yīng)較單一Cu2+的強(qiáng).同樣，由相同濃度的MA與對(duì)應(yīng)的絡(luò)合物對(duì)氨氧化菌活性的影響可知，絡(luò)合物對(duì)氨氧化菌活性的抑制效應(yīng)較單一MA強(qiáng).因此，MA和Cu2+的絡(luò)合使得其對(duì)氨氧化菌的毒性增加，表現(xiàn)出毒性協(xié)同效應(yīng).

圖4(b)為MA和MA-Cu2+絡(luò)合物的對(duì)亞硝酸鹽氧化菌活性的影響.由圖4(b)可知，向活性污泥體系中加入不同濃度的MA(即11.8 mg/L，23.6 mg/L和47.2 mg/L)，對(duì)應(yīng)的亞硝酸鹽氧化速率分別為3.95 mg NO2--N/(gVSS·h)、3.89 mg NO2--N/(gVSS·h)和3.45 mg NO2--N/(gVSS·h)，對(duì)應(yīng)MA濃度下向活性污泥體系中加入MA-Cu2+絡(luò)合物(絡(luò)合比1∶1、1∶2和2∶1)，對(duì)應(yīng)的亞硝酸鹽氧化速率分別為3.91 mg NO2--N/(gVSS·h)、4.21 mg NO2--N/(gVSS·h)和4.0 mg NO2--N/(gVSS·h)，即絡(luò)合物對(duì)亞硝酸鹽氧化菌活性的抑制作用較小，甚至還有促進(jìn)作用，因此，MA和Cu2+的絡(luò)合使得其對(duì)亞硝酸鹽氧化菌Cu2+暴露有一定的解毒作用.

2.4 三聚氰胺及三聚氰胺和銅絡(luò)合物對(duì)聚磷菌活性的影響

2.4.1 不同濃度三聚氰胺對(duì)聚磷菌活性的影響

圖5為不同濃度MA對(duì)聚磷菌活性的影響.由圖5可知，空白組的厭氧釋磷和好氧吸磷速率分別為1.85 mg PO43--P/(gVSS·h)和1.33 mg PO43--P/(gVSS·h)，向活性污泥體系中加入不同濃度的MA(即11.8 mg/L、23.6 mg/L和47.2 mg/L)，對(duì)應(yīng)的厭氧釋磷速率和好氧吸磷速率分別為1.72 mg PO43--P/(gVSS·h)和0.86 mg PO43--P/(gVSS·h)，1.6 mg PO43--P/(gVSS·h)和0.44 mg PO43--P/(gVSS·h)，1.09 mg PO43--P/(gVSS·h)和0.27 mg PO43--P/(gVSS·h).即隨著MA濃度的增加，其厭氧釋磷速率逐漸下降，較之對(duì)照，分別下降了5.4%、11.9%和39.5%，好氧吸磷速率分別下降了35.3%、66.9%、79.7%.可見，MA對(duì)好氧吸磷的影響大于對(duì)厭氧釋磷過程的影響.梁潔的研究結(jié)果表明MA會(huì)對(duì)聚磷菌厭氧釋磷好氧吸磷過程產(chǎn)生抑制作用，抑制的原因在于MA對(duì)除磷過程關(guān)鍵酶活性的抑制[14].對(duì)揭示本研究的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象有一定的借鑒.

此外，隨著活性污泥體系中MA濃度的增加，在厭氧一小時(shí)后觀察到聚磷菌吸磷的現(xiàn)象，厭氧段的最大釋磷量也出現(xiàn)了大幅度降低的現(xiàn)象，具體原因，有待于進(jìn)一步研究.

2.4.2 不同比例三聚氰胺和銅絡(luò)合物對(duì)聚磷菌活性的影響

圖6是MA-Cu2+不同絡(luò)合比條件下對(duì)聚磷菌活性的影響.由圖6可知，絡(luò)合物對(duì)聚磷菌厭氧釋磷和好氧吸磷過程均有不利影響.

將單一MA和MA-Cu2+絡(luò)合體系對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析可知，MA-Cu2+絡(luò)合物對(duì)聚磷菌厭氧釋磷和好氧吸磷的抑制作用均大于單純的MA體系，絡(luò)合體系對(duì)好氧吸磷過程的影響會(huì)隨著MA濃度的增加逐漸減弱.

圖5 不同濃度MA條件下磷酸鹽濃度隨時(shí)間變化曲線

圖6 不同絡(luò)比條件下磷酸鹽濃度隨時(shí)間變化曲線

3 結(jié)論

(1)Cu2+對(duì)活性污泥中氨氧化菌的活性表現(xiàn)出明顯的“低促高抑”現(xiàn)象，當(dāng)溶液中Cu2+濃度為4 mg/L時(shí)，氨氧化菌活性可以提高30%以上.

(2)MA對(duì)硝化菌活性具有明顯的抑制作用，相同濃度條件下，MA對(duì)氨氧化菌活性的抑制作用較亞硝酸鹽氮氧化菌強(qiáng).

(3)MA-Cu2+絡(luò)合物對(duì)硝化菌活性的影響主要表現(xiàn)在對(duì)氨氧化菌活性的抑制上.同時(shí)，絡(luò)合物的形成較單一Cu2+和MA體系對(duì)氨氧化菌抑制作用更強(qiáng)，對(duì)亞硝酸鹽氧化菌的影響較單一MA體系弱.

(4)MA對(duì)聚磷菌厭氧釋磷和好氧吸磷均表現(xiàn)出明顯的抑制，其中MA對(duì)好氧吸磷的抑制作用較厭氧釋磷強(qiáng).MA-Cu2+絡(luò)合物對(duì)聚磷菌活性的抑制作用較單獨(dú)MA體系強(qiáng).