針對鹽度脅迫下硝化微生物富集難、亞硝酸鹽易積累等問題，以亞硝態(tài)氮為唯一氮源，開展了不同鹽度（NaCl）對序批式移動(dòng)床生物膜馴化前后硝化特性影響的研究。結(jié)果表明，隨著馴化鹽度的提升（R1~R4的鹽度分別為0、10、20、40g/L），硝化生物膜成熟時(shí)間逐漸延長，分別為31、31、39及>50d，反應(yīng)器R1~R3性能穩(wěn)定時(shí)出水NO2--N濃度<0.1mg/L。采用非競爭性抑制模型獲得不同反應(yīng)器內(nèi)鹽度對硝化性能的半抑制濃度分別為<40、44.36和62.94g/L，表明在0~20g/L鹽度范圍內(nèi)，馴化鹽度越高則生物膜的耐鹽沖擊性能越強(qiáng)。R2和R3中生物膜的EPS含量為147.91和102.45mg/gVS，明顯高于R1（94.61mg/gVS）。DGGE結(jié)果顯示,四組生物膜微生物種群結(jié)構(gòu)豐富，對照組R1與R2、R3、R4的相似性系數(shù)分別為68.7%、66.0%和44.7%，反映出微生物群落結(jié)構(gòu)相似性隨鹽度差異增大而明顯降低。相比較而言，當(dāng)鹽度≤20g/L時(shí)，硝化生物膜反應(yīng)器可直接啟動(dòng)；鹽度>20g/L時(shí)，可考慮梯度鹽度馴化法啟動(dòng)反應(yīng)器，以20g/L鹽度為基準(zhǔn)，可在一個(gè)月左右獲得成熟的硝化生物膜并使其獲得較高的耐高鹽沖擊能力。

近年來，隨著我國社會經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，水資源短缺形勢日益嚴(yán)峻。作為緩解淡水資源短缺的有效途徑，海水已成功應(yīng)用于工業(yè)冷卻水、城市廁所和道路的沖洗水等。海水直接利用雖可有效節(jié)約淡水、緩解淡水資源短缺現(xiàn)狀，但同時(shí)也產(chǎn)生大量含鹽廢水。除此之外，工業(yè)生產(chǎn)中很多環(huán)節(jié)也會產(chǎn)生高含鹽廢水，如印染、造紙、化工、農(nóng)藥、海產(chǎn)品加工等。隨著含鹽廢水排放量的逐漸增加，高鹽濃度下傳統(tǒng)生物系統(tǒng)的處理效率往往會降低或失效，含鹽廢水生物處理技術(shù)已成為目前的一大研究熱點(diǎn)。

我國大部分水體富營養(yǎng)化污染凸顯，尤以氮污染為重。隨著含鹽廢水排放量的增加，勢必會影響到污水生物脫氮性能。已有研究顯示，在含鹽污水的硝化過程中易發(fā)生亞硝酸鹽積累，即硝化菌活性比亞硝化菌活性更易受到鹽度的抑制。為進(jìn)一步明確鹽度對硝化的影響和機(jī)理，依托于移動(dòng)床生物膜反應(yīng)器（MBBR），研究以亞硝態(tài)氮為唯一氮源，不同鹽度對序批式MBBR硝化特性的影響，以期為含鹽污水高效生物膜反應(yīng)器的開發(fā)提供技術(shù)支撐。

1、材料與方法

1.1試驗(yàn)裝置

裝置為聚丙烯材料加工而成的圓柱形反應(yīng)器，口部直徑為11.5cm，高為14.3cm，底部直徑為12cm，總?cè)莘e為1.5L。內(nèi)布設(shè)階梯環(huán)狀的柱形懸浮填料，材質(zhì)為高密度聚乙烯，規(guī)格為25mm×25mm，比表面積為228m2/m3，孔隙率為95%，堆積密度為98kg/m3，填充率為43%。

1.2裝置運(yùn)行工況

針對鹽度脅迫下含鹽污水硝化微生物富集難、亞硝酸鹽易積累等問題，以亞硝態(tài)氮為唯一氮源，原水的水質(zhì)如下：NO-2-N為55~62mg/L，TOC為82.61~87.20mg/L，PO43--P為4.5~6.0mg/L。通過改變海水占生活污水的比例，考察鹽度對去除有機(jī)物及硝化的影響(鹽度為0、10、20、40g/L的反應(yīng)器分別記作R1、R2、R3、R4）。接種污泥取自舟山勾山污水處理廠曝氣池。各反應(yīng)器均設(shè)計(jì)為兩個(gè)工況：工況Ⅰ為硝化生物膜馴化期（1~49d），考察不同鹽度環(huán)境下硝化生物膜性能與差異；工況Ⅱ?yàn)辂}度沖擊期（50~90d），調(diào)整各反應(yīng)器鹽度分別至40、60和100g/L，了解各生物膜的耐鹽沖擊性能。反應(yīng)器的HRT為24h，DO維持在8mg/L以上，溫度維持為20℃左右。

1.3分析方法

常規(guī)分析指標(biāo)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：鉬酸銨分光光度法；pH值：便攜式pH計(jì)；TOC：TOC-VCPH分析儀。

微生物相分析包括生物膜量、胞外多聚物、生物膜表面結(jié)構(gòu)及生物膜微生物群落結(jié)構(gòu)。其中，生物膜量用質(zhì)量法分析（采用堿液溶解與超聲脫落填料表面生物膜）；生物膜胞外多聚物(EPS)經(jīng)熱提取后于4℃、20000r/min離心20min，取上清液進(jìn)行測定，其中多聚糖(PS)采用苯酚—硫酸比色法測定，總蛋白(PN)以牛血清蛋白為標(biāo)準(zhǔn)物采用改良Lowry法測定;生物膜表面結(jié)構(gòu)采用顯微鏡和環(huán)境掃描電鏡觀察。

生物膜微生物群落結(jié)構(gòu)采用PCR-DGGE進(jìn)行分析，具體操作方法課題組已有過報(bào)道，PCR引物為GC-P357f和P518r，DGGE指紋圖譜采用Bio-RadQuantityOne4.6一維分析軟件進(jìn)行相似性矩陣、聚類分析以及多樣性指數(shù)計(jì)算，并利用SPSS統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行主成分分析。

2、結(jié)果與討論

2.1MBBR工藝的除污特性

馴化期間反應(yīng)器進(jìn)水TOC為82.61~87.20mg/L,均值為(85.12±1.49)mg/L,各組生物膜反應(yīng)器對TOC的去除率均保持在70%以上。在穩(wěn)定期反應(yīng)器R1、R2、R3和R4對TOC的平均去除率分別為(92.56±5.66)%、(79.17±9.92)%、(77.49±10.11)%、(87.70±11.72)%，出水濃度分別為(6.43±3.94)、(17.25±6.80)、(19.42±7.56)、(10.25±8.45)mg/L。由此表明，接種污泥異養(yǎng)菌活性高，增長速率快，能快速適應(yīng)不同鹽度環(huán)境而富集成為優(yōu)勢菌。

不同鹽度下MBBR工藝啟動(dòng)過程中對NO-2-N的去除性能如圖1所示。

圖1對NO2--N去除性能的變化

與有機(jī)物去除特性不同，工況Ⅰ下各反應(yīng)器去除NO2--N的性能隨時(shí)間變化明顯。前期研究結(jié)果顯示，生物膜反應(yīng)器啟動(dòng)成功往往以硝化性能達(dá)到穩(wěn)定作為標(biāo)準(zhǔn)。進(jìn)水NO2--N平均為(57.91±5.27)mg/L。由圖1可知，反應(yīng)器R1、R2和R3在生物膜形成階段具有相似變化趨勢，可分為緩滯期、對數(shù)增長期和穩(wěn)定期。各反應(yīng)器在緩滯期時(shí)對NO2--N的去除率均低于30%，R1經(jīng)過11d由緩滯期進(jìn)入對數(shù)增長期，而反應(yīng)器R2和R3分別推遲8d和10d進(jìn)入對數(shù)增長期。隨著反應(yīng)器運(yùn)行至31d，R1和R2對NO2--N的去除率均達(dá)到99.9%以上并最終獲得穩(wěn)定，NO2--N基本被完全去除，出水濃度<0.1mg/L，至此認(rèn)為這兩組反應(yīng)器均已掛膜成功；而此時(shí)R3對NO2--N的去除率僅約為40%，約10d后逐漸增至99.9%以上。相比較而言，在工況Ⅰ下R4對NO2--N的去除性能一直未有明顯波動(dòng)，平均去除率低至(15.25±11.14)%。

由上述試驗(yàn)現(xiàn)象可知，當(dāng)鹽度為零時(shí)，生物膜從緩滯期進(jìn)入對數(shù)增長期用時(shí)最少，且對數(shù)增長期最短。而在其他鹽度下，生物膜馴化用時(shí)逐漸增長,至鹽度達(dá)到40g/L時(shí)，生物膜完全被抑制。由此表明，以污水廠污泥為接種源，隨著鹽度的提升，硝化生物膜馴化時(shí)間逐漸延長，鹽度對硝化菌（NOB）的抑制明顯，直接采用不小于40g/L的鹽度環(huán)境啟動(dòng)硝化膜工藝較為困難。

2.2MBBR生物膜耐鹽沖擊特性

為探討經(jīng)不同鹽度馴化后的生物膜的耐鹽沖擊性能，逐步提高NaCl含量，觀察對NO-2-N的去除性能。由圖1可知，鹽度上升至40g/L時(shí)（50~61d），R1對NO-2-N的去除率急劇下降到(14.85±3.27)%，而R2和R3仍能完全去除NO-2-N，表明經(jīng)10~20g/L鹽度馴化的生物膜能完全適應(yīng)鹽度為40g/L的環(huán)境，耐鹽沖擊能力明顯高于未經(jīng)鹽度馴化的R1。繼續(xù)提升鹽度至60g/L時(shí)（62~73d），R2和R3對NO-2-N的去除率分別降至(38.63±3.79)%、(56.14±7.24)%，其中Ｒ３的硝化性能顯著高于R2（P<0.05），而R1和R4對NO-2-N的去除率均在30%以下。鹽度最終上升至100g/L時(shí)（74~85d），R1、R2、R3和R4對NO-2-N的平均去除率分別為(14.85±3.27)%、(22.08±2.16)%、(26.78±4.31)%、(38.32±10.93)%，各反應(yīng)器內(nèi)生物膜活性均受到明顯抑制。綜上所述，隨著鹽度的不斷提高，對NO-2-N的去除呈現(xiàn)一個(gè)逐漸被抑制的過程，但經(jīng)一定鹽度馴化后的生物膜的耐鹽沖擊性能明顯增強(qiáng)。

采用修正的非競爭性抑制模型模擬鹽度對硝化性能的抑制作用，見式(１)。

由此，根據(jù)耐鹽度沖擊過程對NO2--N去除性能的變化，可獲得R1、R2、R3內(nèi)鹽度對生物膜硝化性能的半抑制濃度。其中，R1在鹽度提升至40g/L時(shí)對NO2--N的去除率已經(jīng)明顯低于50%，即其a值<40g/L；R2和R3的半抑制濃度分別為44.36和62.94g/L。由此進(jìn)一步表明，在0~20g/L鹽度范圍內(nèi)馴化硝化生物膜，鹽度越高則對硝化性能的半抑制濃度也越高，生物膜耐鹽沖擊性能越強(qiáng)。

2.3微生物相分析

在運(yùn)行穩(wěn)定期間（45d）取各反應(yīng)器中生物膜樣品進(jìn)行生物膜量、EPS及微生物群落結(jié)構(gòu)分析，以進(jìn)一步揭示鹽度的影響。相對于R1，鹽度提升至10g/L并未引起生物膜量減少；而當(dāng)鹽度提升至20~40g/L后，生物膜量有顯著下降(見表1)，與前期研究結(jié)果相似。

表1穩(wěn)定運(yùn)行期間各反應(yīng)器生物膜量及EPS含量比較（第45天）

研究各反應(yīng)器EPS含量及組分發(fā)現(xiàn)，R2和R3中生物膜的EPS含量明顯高于R1，表明在0~20g/L內(nèi)提升鹽度會促進(jìn)EPS分泌。Zhang等在研究部分硝化系統(tǒng)時(shí)發(fā)現(xiàn)，鹽度從零上升到10g/L時(shí)，EPS總量從54.2mg/gVS上升到99.6mg/gVS；也有研究報(bào)道稱耐鹽菌Rhodopseudomonasacidophila及藥用菌Phellinuslinteus受鹽度脅迫后EPS分泌明顯增強(qiáng)。當(dāng)鹽度上升后，EPS分泌增強(qiáng)可視為微生物自我保護(hù)機(jī)制，在一定程度上保護(hù)細(xì)胞和提升耐鹽能力。另外，也有研究指出EPS的靜電鍵合位點(diǎn)通常比細(xì)菌表面高出許多倍，可為微生物提供較大的表面積，有利于細(xì)胞凝聚與物質(zhì)吸附。EPS通常由蛋白質(zhì)（PN）、多糖（PS）、DNA、脂類、腐殖酸、糖醛酸、氨基酸以及一些無機(jī)成分組成，其中PN和PS占據(jù)大部分。由表1可知，各反應(yīng)器中生物膜的EPS組分以PN為主。而R4生物膜EPS含量最低可能是由于生物膜并未成熟，高鹽度環(huán)境下生物膜生長慢，EPS分泌量較少。

結(jié)合掃描電鏡及PCR-DGGE技術(shù)探索生物膜微生物群落結(jié)構(gòu)的差異,結(jié)果見圖2、3。

圖2工況Ⅰ下穩(wěn)定運(yùn)行期間填料表觀鏡檢結(jié)果(×500)

圖3生物膜樣品的DGGE圖譜

DGGE圖譜相似性采用如表２所示的相似性矩陣進(jìn)行分析；細(xì)菌多樣性采用Shannon指數(shù)(S)表征，其值越高則說明微生物種群越豐富。4個(gè)反應(yīng)器中的微生物群落結(jié)構(gòu)均較為豐富，各泳道條帶有14條左右,S值分別為2.38、2.08、2.30和2.22，表明未加鹽度馴化的生物膜S值最高，鹽度上升在一定程度上降低了微生物多樣性，但并不與鹽度存在統(tǒng)計(jì)相關(guān)性；R4的高微生物多樣性表明高鹽度環(huán)境下仍能較好地富集異養(yǎng)菌，因而獲得高效的有機(jī)物去除效果。分析相似性矩陣發(fā)現(xiàn)，R1與R2、R3、R4的相似性系數(shù)分別為68.7%、66.0%和44.7%，表明隨著鹽度上升，微生物群落結(jié)構(gòu)差異明顯增大。觀察圖譜發(fā)現(xiàn)微生物群落結(jié)構(gòu)差異主要體現(xiàn)在條帶的消失（條帶1、7、8和9）和新條帶產(chǎn)生（條帶13和14），各反應(yīng)器在同一接種污泥條件下經(jīng)過45d的馴化，可富集到不同類型的耐鹽微生物種群。從電鏡結(jié)果可初步推測鹽度脅迫下桿狀菌和絲狀菌較為明顯。由此表明，不同鹽度馴化下生物膜耐鹽沖擊特性差異與EPS分泌及微生物群落結(jié)構(gòu)變化均有一定相關(guān)性。

表2生物膜DGGE圖譜相似性分析

3、結(jié)論

隨著馴化鹽度的提升，硝化生物膜成熟時(shí)間逐漸延長。在0~20g/L鹽度范圍內(nèi)，馴化鹽度越高，生物膜耐鹽沖擊性能越強(qiáng)，可能與EPS分泌量增多加強(qiáng)細(xì)胞自我保護(hù)有關(guān)。不同鹽度馴化下生物膜微生物種群結(jié)構(gòu)豐富，異養(yǎng)微生物群落結(jié)構(gòu)相似性隨鹽度增大而明顯降低。相比較而言，當(dāng)鹽度≤20g/L時(shí)，硝化生物膜反應(yīng)器可直接啟動(dòng)；鹽度>20g/L時(shí)，可考慮梯度鹽度馴化法啟動(dòng)反應(yīng)器，以20g/L鹽度為基準(zhǔn)，可在一個(gè)月左右獲得成熟的硝化生物膜并使其獲得較高的耐高鹽沖擊能力。

作者：趙佳偉，徐艷梅，馮麗娟，陽廣鳳，穆軍，徐向陽

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