盐度胁迫下MBBR系统硝化性能及生物膜特性
针对盐度胁迫下硝化微生物富集难、亚硝酸盐易积累等问题，以亚硝态氮为唯一氮源，开展了不同盐度（NaCl）对序批式移动床生物膜驯化前后硝化特性影响的研究。结果表明，随着驯化盐度的提升（R1~R4的盐度分别为0、10、20、40g/L），硝化生物膜成熟时间逐渐延长，分别为31、31、39及>50d，反应器R1~R3性能稳定时出水NO2--N浓度<0.1mg/L。采用非竞争性抑制模型获得不同反应器内盐度对硝化性能的半抑制浓度分别为<40、44.36和62.94g/L，表明在0~20g/L盐度范围内，驯化盐度越高则生物膜的耐盐冲击性能越强。R2和R3中生物膜的EPS含量为147.91和102.45mg/gVS，明显高于R1（94.61mg/gVS）。DGGE结果显示,四组生物膜微生物种群结构丰富，对照组R1与R2、R3、R4的相似性系数分别为68.7%、66.0%和44.7%，反映出微生物群落结构相似性随盐度差异增大而明显降低。相比较而言，当盐度≤20g/L时，硝化生物膜反应器可直接启动；盐度>20g/L时，可考虑梯度盐度驯化法启动反应器，以20g/L盐度为基准，可在一个月左右获得成熟的硝化生物膜并使其获得较高的耐高盐冲击能力。
近年来，随着我国社会经济的迅猛发展，水资源短缺形势日益严峻。作为缓解淡水资源短缺的有效途径，海水已成功应用于工业冷却水、城市厕所和道路的冲洗水等。海水直接利用虽可有效节约淡水、缓解淡水资源短缺现状，但同时也产生大量含盐废水。除此之外，工业生产中很多环节也会产生高含盐废水，如印染、造纸、化工、农药、海产品加工等。随着含盐废水排放量的逐渐增加，高盐浓度下传统生物系统的处理效率往往会降低或失效，含盐废水生物处理技术已成为目前的一大研究热点。
我国大部分水体富营养化污染凸显，尤以氮污染为重。随着含盐废水排放量的增加，势必会影响到污水生物脱氮性能。已有研究显示，在含盐污水的硝化过程中易发生亚硝酸盐积累，即硝化菌活性比亚硝化菌活性更易受到盐度的抑制。为进一步明确盐度对硝化的影响和机理，依托于移动床生物膜反应器（MBBR），研究以亚硝态氮为唯一氮源，不同盐度对序批式MBBR硝化特性的影响，以期为含盐污水高效生物膜反应器的开发提供技术支撑。
1、材料与方法
1.1试验装置
装置为聚丙烯材料加工而成的圆柱形反应器，口部直径为11.5cm，高为14.3cm，底部直径为12cm，总容积为1.5L。内布设阶梯环状的柱形悬浮填料，材质为高密度聚乙烯，规格为25mm×25mm，比表面积为228m2/m3，孔隙率为95%，堆积密度为98kg/m3，填充率为43%。
1.2装置运行工况
针对盐度胁迫下含盐污水硝化微生物富集难、亚硝酸盐易积累等问题，以亚硝态氮为唯一氮源，原水的水质如下：NO-2-N为55~62mg/L，TOC为82.61~87.20mg/L，PO43--P为4.5~6.0mg/L。通过改变海水占生活污水的比例，考察盐度对去除有机物及硝化的影响(盐度为0、10、20、40g/L的反应器分别记作R1、R2、R3、R4）。接种污泥取自舟山勾山污水处理厂曝气池。各反应器均设计为两个工况：工况Ⅰ为硝化生物膜驯化期（1~49d），考察不同盐度环境下硝化生物膜性能与差异；工况Ⅱ为盐度冲击期（50~90d），调整各反应器盐度分别至40、60和100g/L，了解各生物膜的耐盐冲击性能。反应器的HRT为24h，DO维持在8mg/L以上，温度维持为20℃左右。
1.3分析方法
常规分析指标主要有TOC、NO2--N、NO3--N、PO43--P及pH值。其中，NO2--N：N-(1-萘基)-乙二胺分光光度法；NO3--N：麝香草酚分光光度法；PO43--P：钼酸铵分光光度法；pH值：便携式pH计；TOC：TOC-VCPH分析仪。
微生物相分析包括生物膜量、胞外多聚物、生物膜表面结构及生物膜微生物群落结构。其中，生物膜量用质量法分析（采用碱液溶解与超声脱落填料表面生物膜）；生物膜胞外多聚物(EPS)经热提取后于4℃、20000r/min离心20min，取上清液进行测定，其中多聚糖(PS)采用苯酚—硫酸比色法测定，总蛋白(PN)以牛血清蛋白为标准物采用改良Lowry法测定;生物膜表面结构采用显微镜和环境扫描电镜观察。
生物膜微生物群落结构采用PCR-DGGE进行分析，具体操作方法课题组已有过报道，PCR引物为GC-P357f和P518r，DGGE指纹图谱采用Bio-RadQuantityOne4.6一维分析软件进行相似性矩阵、聚类分析以及多样性指数计算，并利用SPSS统计软件进行主成分分析。
2、结果与讨论
2.1MBBR工艺的除污特性
驯化期间反应器进水TOC为82.61~87.20mg/L,均值为(85.12±1.49)mg/L,各组生物膜反应器对TOC的去除率均保持在70%以上。在稳定期反应器R1、R2、R3和R4对TOC的平均去除率分别为(92.56±5.66)%、(79.17±9.92)%、(77.49±10.11)%、(87.70±11.72)%，出水浓度分别为(6.43±3.94)、(17.25±6.80)、(19.42±7.56)、(10.25±8.45)mg/L。由此表明，接种污泥异养菌活性高，增长速率快，能快速适应不同盐度环境而富集成为优势菌。
不同盐度下MBBR工艺启动过程中对NO-2-N的去除性能如图1所示。
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图1对NO2--N去除性能的变化
与有机物去除特性不同，工况Ⅰ下各反应器去除NO2--N的性能随时间变化明显。前期研究结果显示，生物膜反应器启动成功往往以硝化性能达到稳定作为标准。进水NO2--N平均为(57.91±5.27)mg/L。由图1可知，反应器R1、R2和R3在生物膜形成阶段具有相似变化趋势，可分为缓滞期、对数增长期和稳定期。各反应器在缓滞期时对NO2--N的去除率均低于30%，R1经过11d由缓滞期进入对数增长期，而反应器R2和R3分别推迟8d和10d进入对数增长期。随着反应器运行至31d，R1和R2对NO2--N的去除率均达到99.9%以上并最终获得稳定，NO2--N基本被完全去除，出水浓度<0.1mg/L，至此认为这两组反应器均已挂膜成功；而此时R3对NO2--N的去除率仅约为40%，约10d后逐渐增至99.9%以上。相比较而言，在工况Ⅰ下R4对NO2--N的去除性能一直未有明显波动，平均去除率低至(15.25±11.14)%。
由上述试验现象可知，当盐度为零时，生物膜从缓滞期进入对数增长期用时最少，且对数增长期最短。而在其他盐度下，生物膜驯化用时逐渐增长,至盐度达到40g/L时，生物膜完全被抑制。由此表明，以污水厂污泥为接种源，随着盐度的提升，硝化生物膜驯化时间逐渐延长，盐度对硝化菌（NOB）的抑制明显，直接采用不小于40g/L的盐度环境启动硝化膜工艺较为困难。
2.2MBBR生物膜耐盐冲击特性
为探讨经不同盐度驯化后的生物膜的耐盐冲击性能，逐步提高NaCl含量，观察对NO-2-N的去除性能。由图1可知，盐度上升至40g/L时（50~61d），R1对NO-2-N的去除率急剧下降到(14.85±3.27)%，而R2和R3仍能完全去除NO-2-N，表明经10~20g/L盐度驯化的生物膜能完全适应盐度为40g/L的环境，耐盐冲击能力明显高于未经盐度驯化的R1。继续提升盐度至60g/L时（62~73d），R2和R3对NO-2-N的去除率分别降至(38.63±3.79)%、(56.14±7.24)%，其中Ｒ３的硝化性能显著高于R2（P<0.05），而R1和R4对NO-2-N的去除率均在30%以下。盐度最终上升至100g/L时（74~85d），R1、R2、R3和R4对NO-2-N的平均去除率分别为(14.85±3.27)%、(22.08±2.16)%、(26.78±4.31)%、(38.32±10.93)%，各反应器内生物膜活性均受到明显抑制。综上所述，随着盐度的不断提高，对NO-2-N的去除呈现一个逐渐被抑制的过程，但经一定盐度驯化后的生物膜的耐盐冲击性能明显增强。
采用修正的非竞争性抑制模型模拟盐度对硝化性能的抑制作用，见式(１)。
由此，根据耐盐度冲击过程对NO2--N去除性能的变化，可获得R1、R2、R3内盐度对生物膜硝化性能的半抑制浓度。其中，R1在盐度提升至40g/L时对NO2--N的去除率已经明显低于50%，即其a值<40g/L；R2和R3的半抑制浓度分别为44.36和62.94g/L。由此进一步表明，在0~20g/L盐度范围内驯化硝化生物膜，盐度越高则对硝化性能的半抑制浓度也越高，生物膜耐盐冲击性能越强。
2.3微生物相分析
在运行稳定期间（45d）取各反应器中生物膜样品进行生物膜量、EPS及微生物群落结构分析，以进一步揭示盐度的影响。相对于R1，盐度提升至10g/L并未引起生物膜量减少；而当盐度提升至20~40g/L后，生物膜量有显著下降(见表1)，与前期研究结果相似。
表1稳定运行期间各反应器生物膜量及EPS含量比较（第45天）
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研究各反应器EPS含量及组分发现，R2和R3中生物膜的EPS含量明显高于R1，表明在0~20g/L内提升盐度会促进EPS分泌。Zhang等在研究部分硝化系统时发现，盐度从零上升到10g/L时，EPS总量从54.2mg/gVS上升到99.6mg/gVS；也有研究报道称耐盐菌Rhodopseudomonasacidophila及药用菌Phellinuslinteus受盐度胁迫后EPS分泌明显增强。当盐度上升后，EPS分泌增强可视为微生物自我保护机制，在一定程度上保护细胞和提升耐盐能力。另外，也有研究指出EPS的静电键合位点通常比细菌表面高出许多倍，可为微生物提供较大的表面积，有利于细胞凝聚与物质吸附。EPS通常由蛋白质（PN）、多糖（PS）、DNA、脂类、腐殖酸、糖醛酸、氨基酸以及一些无机成分组成，其中PN和PS占据大部分。由表1可知，各反应器中生物膜的EPS组分以PN为主。而R4生物膜EPS含量最低可能是由于生物膜并未成熟，高盐度环境下生物膜生长慢，EPS分泌量较少。
结合扫描电镜及PCR-DGGE技术探索生物膜微生物群落结构的差异,结果见图2、3。
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图2工况Ⅰ下稳定运行期间填料表观镜检结果(×500)
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图3生物膜样品的DGGE图谱
DGGE图谱相似性采用如表２所示的相似性矩阵进行分析；细菌多样性采用Shannon指数(S)表征，其值越高则说明微生物种群越丰富。4个反应器中的微生物群落结构均较为丰富，各泳道条带有14条左右,S值分别为2.38、2.08、2.30和2.22，表明未加盐度驯化的生物膜S值最高，盐度上升在一定程度上降低了微生物多样性，但并不与盐度存在统计相关性；R4的高微生物多样性表明高盐度环境下仍能较好地富集异养菌，因而获得高效的有机物去除效果。分析相似性矩阵发现，R1与R2、R3、R4的相似性系数分别为68.7%、66.0%和44.7%，表明随着盐度上升，微生物群落结构差异明显增大。观察图谱发现微生物群落结构差异主要体现在条带的消失（条带1、7、8和9）和新条带产生（条带13和14），各反应器在同一接种污泥条件下经过45d的驯化，可富集到不同类型的耐盐微生物种群。从电镜结果可初步推测盐度胁迫下杆状菌和丝状菌较为明显。由此表明，不同盐度驯化下生物膜耐盐冲击特性差异与EPS分泌及微生物群落结构变化均有一定相关性。
表2生物膜DGGE图谱相似性分析
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3、结论
随着驯化盐度的提升，硝化生物膜成熟时间逐渐延长。在0~20g/L盐度范围内，驯化盐度越高，生物膜耐盐冲击性能越强，可能与EPS分泌量增多加强细胞自我保护有关。不同盐度驯化下生物膜微生物种群结构丰富，异养微生物群落结构相似性随盐度增大而明显降低。相比较而言，当盐度≤20g/L时，硝化生物膜反应器可直接启动；盐度>20g/L时，可考虑梯度盐度驯化法启动反应器，以20g/L盐度为基准，可在一个月左右获得成熟的硝化生物膜并使其获得较高的耐高盐冲击能力。
作者：赵佳伟，徐艳梅，冯丽娟，阳广凤，穆军，徐向阳
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