许多国家和地区正在加速利用海水来缓解淡水资源的短缺。我国一些沿海地区已经在使用海水进行市政应用,特别是香港地区海水冲厕系统已经相当完善,在保证海水比例小于36%的情况下利用活性污泥法处理市政污水取得良好效果。因此,含盐污水的处理已成为沿海地区水处理领域的热点^[1]。

无机盐是微生物生长的必需营养素,可调节渗透压平衡,参与细胞结构组成和酶合成^[2]。一般生化反应盐分需低于0.8%,如果盐分过高,会抑制微生物的生长。例如:渗透压增加导致微生物细胞脱水,降低微生物细胞的酶活性。同时,高浓度的氯离子对微生物有毒害作用。无机盐会增加污水的密度,导致活性污泥的上浮流失^[3]。为了提高对含盐污水的处理效果,近年来,国内外学者通过不同的技术研究了盐度对有机物去除和脱氮的影响。研究表明,可以通过逐步提高盐度或投加耐盐活性污泥,使微生物适应含盐环境,从而减轻抑制作用,提高高盐污水的出水水质^[2]。

张悠慈等^[4]采用SBR工艺研究了盐度对普通活性污泥和耐盐活性污泥脱氮性能的影响。结果表明,在不同盐度环境下,除盐活性污泥具有比普通活性污泥更好的脱氮性能。 Uygur^[5]通过SBR工艺比较了两种耐盐活性污泥和普通活性污泥系统中COD和NH₃-N的变化与盐度的关系。随着盐度的增加,COD和NH₃-N在两个系统中的降解率均呈下降趋势。然而,耐盐活性污泥系统的养分特异性降解速率明显高于常规活性污泥系统。 Moussa等^[6]研究了硝化细菌和氨氧化细菌的活性以及不同盐浓度下活性污泥的性能。结果表明,当盐浓度发生变化时,硝化细菌的变化比氨氧化细菌更明显。汪善全等^[7]利用各种类型的接种污泥处理SSBR中的高盐废水。研究表明,驯化的好氧颗粒污泥可以有效地处理含盐量增加的含盐废水。同时,与对照组相比,驯化污泥在耐盐性,污泥稳定性和污泥活性方面具有显着优势。

崔有为等^[8]利用海口河沉积物培育嗜盐活性污泥。可以实现高效稳定的氨氮去除,证明了野生型嗜盐污泥对高盐废水进行硝化处理的可行性。李维国^[9]将分离的嗜盐菌接种到SBR反应器中处理高盐分的制革废水,研究表明该嗜盐菌可以显著改善高盐制革废水的处理。信欣^[10]研究了耐盐废水降解菌株的分离和特性。

微生物群落可以在特定环境中形成稳定的生态位,这是生物处理中活性污泥过程的原理。由于缺乏生物多样性和单一种群结构,单个嗜盐细菌容易出现诸如不稳定的出水水质和实际废水处理中的系统抗冲击性差的问题。因此,需要对自然环境中自然演化的嗜盐生物群落进行研究,判断其对高盐废水处理的可能性。

本项目通过测定和分析不同来源活性污泥的硝化和反硝化活性,对比研究未驯化微生物、盐驯化微生物和海滩底泥对含盐污水的除氮性能,同时对海滩底泥中的微生物种群进行高通量测序,判断自然演化嗜盐菌群用于高盐废水处理的可能性,以期为高盐污水的生物脱氮处理提供支持,研究思路如图1所示。

(1)取青岛海泊河污水处理厂MSBR工艺好氧段的活性污泥作为未驯化污泥,带回中国海洋大学水污染控制实验室开展试验研究。目前海泊河污水处理厂进水主要为城市生活污水,COD含量较高,自2013年由AB法改良至MSBR工艺后,运行效果良好。

(2)取本实验室经盐驯化的活性污泥。

(3)海滩底泥,取自青岛沿岸海滩李村河入海口处(36°9′28″N,120°21′19″E)底泥。

在不同含盐量条件下测定污水处理厂污泥、实验室经SBBR反应器盐驯化污泥和海滩底泥中微生物的氨氧化速率、亚硝酸盐氧化速率、硝酸盐反硝化速率、亚硝酸盐反硝化速率和比耗氧速率,分析经盐驯化的微生物的氨氧化活性、亚硝酸盐氧化活性、硝酸盐反硝化活性和亚硝酸盐反硝化活性。

氨氧化活性和亚硝酸盐氧化活性的测定:分别用比氨氧化速率和比亚硝酸盐氧化速率表示。取100 mL污泥冲洗后放入锥形瓶中,加入含铵盐或含亚硝酸盐的培养液,使最终体积为200 mL左右。将锥形瓶放入水浴恒温振荡器中进行反应,温度和转速保持恒定,每隔一定时间从锥形瓶中取液样,过滤后测定NH₃-N或NO^-₂-N浓度,绘制浓度随时间的变化曲线,根据曲线斜率确定比氨氧化速率和比亚硝酸盐氧化速率。

硝酸盐反硝化活性和亚硝酸盐反硝化活性的测定:分别用比硝酸盐反硝化速率和比亚硝酸盐反硝化速率表示。取一定量含硝酸盐或含亚硝酸盐的培养液放入血清瓶中,连续充入氮气赶走氧气,加入洗净的污泥100 mL进行混合,反应液总体积为200 mL左右,用橡胶塞塞紧血清瓶防止空气进入。将血清瓶放入水浴恒温振荡器中进行反应,温度和转速保持恒定,每隔一定时间从血清瓶中取液样,过滤后测定NO^-₃-N或NO^-₂-N浓度,绘制浓度随时间的变化曲线,计算比硝酸盐反硝化速率和比亚硝酸盐反硝化速率。

所有活性测定试验,均设置多个盐度梯度,并设不加盐的条件作为对照。所有活性测定均做3个平行样,计算平均值和标准差。

未驯化污泥硝化活性和反硝化活性的测定结果见图2。

从数据中可以明显地看出比氨氧化速率和比亚硝酸盐氧化速率随盐度的增大而减小,随着盐度由0 g/L以10 g/L为梯度上升至40 g/L,活性污泥的比氨氧化速率由3.76 mg/(LMLSS·h)降至0.35 mg/(LMLSS·h)、比亚硝酸盐氧化速率由3.95 mg/(LMLSS·h)降至0.48 mg/(LMLSS·h)、比亚硝酸盐反硝化速率由3.26 mg/(LMLSS·h)降至0.42 mg/(LMLSS·h)、比硝酸盐反硝化速率由9.19 mg/(LMLSS·h)降至1.15 mg/(LMLSS·h)。当盐度到达30 g/L以上时活性污泥活性接近为零,表明活性污泥已基本失去脱氮能力。比亚硝酸盐反硝化速率和比硝酸盐反硝化速率随盐度的增大而减小,当盐度达到20 g/L时就有67%左右的下降率;当盐度到达30 g/L以上时活性污泥活性很低,表明此时受盐度影响很大。对于普通活性污泥而言,比硝酸盐反硝化速率较高,说明硝酸盐反硝化菌在受盐度冲击的承受能力较高^[11]11]。普通非耐盐活性污泥处理废水的最大盐度限度为20 g/L,超过盐度范围微生物活性急剧下降,对于污水的脱氮处理效果变差。对于普通污水处理工艺,若保证脱氮单元中混合液的盐度低于20 g/L可以保证污泥活性。试验结果印证了香港海水冲厕经验的可行性。

根据微生物反应动力学,建立毒性效应的monod方程(式(1)),试图分析盐度对活性污泥活性的抑制动力学。

$v=\frac{v{}_{\max }S}{{\rm K}{}_{\text{s}}+S}\cdot \frac{{\rm K}{}_{\text{Y}}}{Y+{\rm K}{}_{\text{Y}}}(1)$

式中 v_max——不存在盐分时比降解速率,mg/(LMLSS·h);

K_s ——半饱和常数;

S ——底物浓度,mg/L;

K_Y ——盐抑制常数;

Y ——盐度,mg/L。

在盐度为0 g/L时,式(1)变为:

$v=v{}_0=\frac{v{}_{\max }S}{{\rm K}{}_{\text{s}}+S}(2)$

对各种盐环境下式(1)可以写为:

$v=v{}_0\cdot \frac{{\rm K}{}_Y}{Y+{\rm K}{}_Y}(3)$

对其做倒数变换得式(4):

$\frac{1}{v}=\frac{1}{v{}_0}+\frac{Y}{v{}_0{\rm K}{}_{\text{Y}}}(4)$

如图2所示,v₀为盐度为0 g/L时比降解速率,将各个盐度下微生物对不同底物的比降解速率对盐度做线性拟合,结果见图3。

由图3可以看出,试验结果基本上吻合有毒害物质存在的底物降解方程,证明了盐分对微生物降解底物的影响可以用抑制动力学解释。其中拟合直线斜率为$\frac{1}{v{}_0{\rm K}{}_{\text{Y}}}$,截距为$\frac{1}{v{}_0}$,根据拟合方程可求解氨氧化反应、亚硝酸盐氧化反应、亚硝酸盐反硝化反应和硝酸盐反硝化反应的盐抑制常数K_Y。

由此可得反应动力学方程见表1。

由反应动力学方程可以得到,盐抑制系数越大,盐分对于反应的影响就越明显,对于所测试未驯化污泥,亚硝酸盐氧化反应比氨氧化反应更容易受到盐度的影响,硝酸盐反硝化反应比亚硝酸盐反硝化反应更容易受到盐度的影响,盐度对活性污泥的反应进程起到明显的制约作用。

本试验分别取SBBR中悬浮污泥和生物膜,在盐度3.2%条件下测试了氨氧化速率,亚硝酸盐氧化速率,亚硝酸盐反硝化速率,硝酸盐反硝化速率,平行试验3组。结果见表2。

结果表明,悬浮污泥的氨氧化速率、亚硝酸盐反硝化速率和硝酸盐反硝化速率比生物膜的大,而生物膜的亚硝酸盐氧化速率较高。一般来说,氨氧化菌的世代周期较短,适合在活性污泥中生存,因此对于悬浮污泥而言氨氧化速率要高于生物膜氨氧化速率;亚硝酸盐氧化菌世代周期较长,适合在生物膜中生活,因此生物膜的亚硝酸盐氧化速率略高于悬浮污泥中的亚硝酸盐氧化速率,这与实验显示结果一致。比氨氧化速率在悬浮污泥中达到3.06 mg/(LMLSS·h),在生物膜中达到2.00 mg/(LMLSS·h),而对于未驯化污泥,在30 g/L盐度时氨氧化速率仅为0.46 mg/(LMLSS·h)。比亚硝酸盐氧化速率悬浮污泥中为0.24 mg/(LMLSS·h),在生物膜中达到1.37 mg/(LMLSS·h),未驯化污泥应对相似盐度时这一指标仅为0.82 mg/(LMLSS·h)。比亚硝酸盐反硝化速率和比硝酸盐反硝化速率在驯化反应器中均较高,悬浮污泥分别为5.19 mg/(LMLSS·h)和3.81 mg/(LMLSS·h),生物膜中分别为3.49 mg/(LMLSS·h)和3.07 mg/(LMLSS·h),在与驯化盐度相似的30 g/L的条件下,未驯化污泥的比亚硝酸盐反硝化速率和比硝酸盐反硝化速率分别为0.50 mg/(LMLSS·h)和2.27 mg/(LMLSS·h)。经过分析可以得出以下结论:驯化污泥可以良好地适应较高盐度的污水,具有良好的反应活性。由于反应器中优势微生物种群的增长稳定,反应器形成耐盐生物群落^[12]12]。反应器的运行显示出对于高盐废水的处理,盐驯化微生物可以起到良好的效果。

在对海水底泥进行活性试验前,观察污泥性状,可见石英结晶状物质,同时通过坩埚焙烧至恒重,观察剩余物质为矿物结晶,测得底泥的MLVSS/MLSS为0.145,证明底泥中具有活性的微生物含量很少。根据底泥取样位置,推测无机成分主要是陆源输入的矿物质。因此对于底泥的生物活性判断以单位混合液挥发性悬浮固体浓度底泥所降解氮素速率作为标准。不同盐度条件下海滩底泥硝化活性和反硝化活性的测定结果见图4。

由图4可知,排除底泥矿物质的影响,底泥处理亚硝酸盐的最适盐度大致是在20 g/L,底泥处理氨氮的最适盐度大致是在30 g/L,底泥处理硝酸盐的最适盐度大致是在30 g/L,而底泥所处的海水盐度为32 g/L左右, 超过最适盐度,处理效率降低。底泥处理亚硝酸盐、氨氮、硝酸盐效率较低,比氨氧化速率最高仅仅在0.2 mg/(LMLVSS·h)到0.5 mg/(LMLVSS·h)之间,对比驯化污泥效果依然很差,推测是因为未经培养的自然底泥中相关菌类的数量少,活性低,还不能有效消耗氨氮、亚硝态氮和硝态氮所致。因此为探究海水底泥对于含盐污水处理的可能性,笔者通过高通量测序,在微观层面对底泥改善高盐废水脱氮效率的可能性做进一步说明。

如图5所示,通过海水底泥进行高通量测序分析表明,取样处海水底泥在门的水平上含量最多的是变形菌门(占总菌含量的27.40%),其次是绿弯菌门(占总菌含量的25.24%),其中还有15.09%的拟杆菌门和12.91%的厚壁菌门。作为底泥中的优势菌,这4种菌的含量占全部菌种的80%以上。此外,还有4.28%的放线菌门以及2.02%浮霉状菌门。

变形菌门(Proteobacteria)种类丰富,有多种代谢途径。α-变形菌纲为自养代谢,常作用于废水的二级硝化过程^[13]13]。β-变形菌纲和γ-变形菌纲为兼性异养代谢,电子供体为有机物,在有氧或无氧条件下能通过有氧呼吸或无氧发酵代谢,其中一些反硝化菌常作用于污废水二级处理中有机物降解过程^[14]14]。

绿弯菌门(Chloroflexi)属于好氧异养菌,以糖类为基质,并以絮体骨架形式存在于污泥菌胶团絮状体内部,是活性污泥重要组成部分^[15]15]。

拟杆菌门(Bacteroidete)适宜厌氧或缺氧环境,可降解多种有机物,促进含氮物质利用类固醇的生物转化以及大分子物质水解,可以将蛋白质水解为氨基酸^[16]16]。

测序结果显示胶州湾底泥中存在可培养的耐盐反硝化菌,证明了胶州湾海水中自然演化菌对于高盐废水处理的可行性,可为青岛市政处理高盐废水提供高效菌株。但从测序结果可以看出,海水底泥中存在大量未知菌种,因此对于海水嗜盐菌群在反应器中驯化后处理效果的判断需要联合反应器运行条件综合评价。

污水处理厂脱氮装置的普通活性污泥对盐度更敏感。随着盐度的增加,污泥的比氧化活性,硝酸盐的氧化速率,硝酸盐的反硝化速率和硝酸盐的反硝化速率降低。当盐度小于20 g/L时,活性污泥仍能保持一定的脱氮能力。当盐度超过20 g/L,污水处理能力显著下降。原因是高盐度条件下微生物细胞膜内外渗透压失衡,微生物大量死亡,活性污泥难以维持其群落结构,进而丧失污水处理能力。一般活性污泥法污水处理单元要求盐度低于5 g/L,但对于稀释后盐度低于20 g/L的污水仍可尝试使用传统活性污泥法处理。

实验室经过盐梯度驯化的污泥已经运行良好,对一定范围内高盐度污水的处理效果提升显著,表明了耐盐氨氧化菌、硝化菌、反硝化菌在活性污泥法处理中的存在,证明了驯化污泥对于高盐废水处理的可行性。处理效果与反应过程的选择和反应器条件的选择有关。

取自胶州湾边缘的海水底泥对高盐废水的耐受程度提高到30 g/L,对其进行高通量测序的结果显示胶州湾底泥中自然演化的微生物群落存在脱氮菌,对于普通活性污泥有一定驯化作用。对驯化自然演化海水底泥用于废水脱氮给出了一定依据。