基因工程菌生物强化ＭＢＲ工艺处理阿特拉津试验研究
2007-04-03 11:20:20   来源：环境科学   评论：0 点击：

　　在过去的数十年,大量的人工合成化学品被排放到环境中,其中大部分是自然环境中不存在的物质,而且具有相当的生物毒性;同时,环境中的土著微生物对这些物质缺乏生物降解能力,造成这些物质在环境中的长期存在和累积.另一方面,传统的生物处理工艺在去除这些难降解污染物方面表现不佳,因此,接种具有特殊降解能力的高效菌或基因工程菌进行生物强化处理,是解决这一问题的可行途径[1].生物强化的应用研究主要集中于土壤生物修复和废水生物处理.目前,已有一些在传统生物反应器中应用基因工程菌进行生物强化处理的研究报道,目标物质主要是芳烃、氯代芳烃、酚等[2～11].由于基因工程菌的生物强化处理有时会表现得不稳定,因此一些研究对基因工程菌生物强化方式进行改进,以改善其生物强化稳定性和处理效果[12].另一方面,改变反应器的形式,采用膜生物反应器(ＭＢＲ)取代传统生物反应器,可以高效截留工程菌细胞,而且污泥龄比较长,有利于保持基因工程菌的种群密度,改善生物强化稳定性.已有研究表明,携带具有水平迁移能力降解基因的工程菌,在ＭＢＲ中降解稳定性优于普通活性污泥法[13,14],但是其采用的基因工程菌有一定的特殊性,缺乏普遍意义.本研究采用1株具有较好代表性的普通基因工程菌,探讨其在ＭＢＲ中的生物强化效果.所采用的基因工程菌ｐＭＤ4含有阿特拉津脱氯水解酶基因片段,可以将阿特拉津转化为羟基阿特拉津[15],具有很高的转化活性[16],这个转化可以大大降低阿特拉津的生物毒性,提高生物可降解性.由于该基因工程菌不能完全矿化阿特拉津,所以需要其它碳源作为生长和代谢基质.以生活污水作为共基质一起处理,既可以满足生物强化对碳源的需求,又可以完成生活污水的处理.为此,本研究在连续运行条件下,考察了基因工程菌在ＭＢＲ中对阿特拉津生物强化处理的效果,以及阿特拉津负荷对处理效果的影响;探讨了该强化处理过程对ＭＢＲ原有处理功能的影响;比较了基因工程菌在ＭＢＲ和活性污泥反应器中对阿特拉津生物强化效果的差异.

1　材料与方法

1 1　菌株和菌悬液的制备本研究使用的基因工程菌受体细胞为大肠杆菌ＤＨ5α,质粒载体为ｐＡＣＹＣ184,携带阿特拉津脱氯水解酶基因,对氯霉素有抗性.挑单菌落于ＬＢ培养基中(含25μｇ ｍＬ氯霉素),在37℃,120～140ｒ ｍｉｎ摇床转速下培养过夜,离心,磷酸缓冲液(ｐＨ7 0)洗涤,收获细胞,制成菌悬液备用.菌悬液密度测定如下:首先在不同密度条件下,测得菌密度(ｍｇ ｍＬ)与600ｎｍ波长下的光密度值的标准直线,然后在实验中,通过测定600ｎｍ波长下的光密度值,计算菌悬液细胞的密度.

1 2　膜生物反应器和活性污泥反应器采用一体式膜生物反应器(ＭＢＲ)和活性污泥反应器(ＣＡＳ)同时开展并行实验.一体式ＭＢＲ容积为6Ｌ,内置中空纤维膜组件,膜材质为聚乙烯,膜面积为0 03ｍ2,孔径为0 4μｍ.ＣＡＳ反应器采用曝气池和沉淀池合建式,曝气池和沉淀池容积分别为12Ｌ和4 5Ｌ.

1 3　反应器运行条件ＭＢＲ和ＣＡＳ反应器都接种北京清河污水处理厂的二沉池回流污泥,初始污泥浓度约为4ｇ Ｌ,待反应器运行稳定后,投加基因工程菌悬液,使工程菌在反应器中的终浓度约为0 03ｇ Ｌ,运行过程中没有排泥.反应器的运行温度在30℃左右,ＤＯ在4～5ｍｇ Ｌ,ｐＨ值保持在中性.反应器进水为清华大学校园生活污水,ＣＯＤ平均值约为240ｍｇ Ｌ,氨氮平均值约为36ｍｇ Ｌ.反应器运行参数如表1所示.

1 4　分析项目与方法阿特拉津浓度:含有阿特拉津的水样用0 45μｍ的滤膜过滤后,采用ＨＰ1050型ＨＰＬＣ检测,色谱柱为ＡｉｃｈｒｏｍＣ18反相柱,检测器为二极管阵列检测器,检测条件为:流动相配比为甲醇∶水=70∶30,检测波长为223ｎｍ.活性污泥活性:通过测定耗氧速率(ＯＵＲ)来反映污泥活性[17].在测定过程中,当ＤＯ降到3ｍｇ Ｌ时,加入氯酸钠抑制硝化活性,降到2ｍｇ Ｌ时,加入ＡＴＵ抑制亚硝化活性,以此得到污泥的硝化、亚硝化和碳氧化活性.测定中所使用的基质为模拟生活污水的自配水(葡萄糖为主要碳源,ＮＨ+4为主要氮源).ＣＯＤ、氨氮、ＭＬＳＳ等常规指标的测定采用国家标准方法.

2　结果与讨论

2 1　ＭＢＲ和ＣＡＳ反应器对阿特拉津的生物强化处理在ＭＢＲ和ＣＡＳ反应器中,基因工程菌对阿特拉津的生物强化处理首先经历了一个启动期,约为4ｄ,在启动期,阿特拉津的去除率仅有20%～40%.启动之后,如图1、图2所示,ＭＢＲ对阿特拉津始终保持了良好的强化处理效果,出水阿特拉津浓度保持在1ｍｇ Ｌ以下,平均为0 84ｍｇ Ｌ,平均去除率为95%.在Ｒｕｎ 1、Ｒｕｎ 2、Ｒｕｎ 3这3个阶段,阿特拉津平均容积负荷分别为26、57、68ｍｇ (Ｌ·ｄ),相应的平均去除负荷为24 5、54 1和65 1ｍｇ (Ｌ·ｄ),最大去除负荷可以达到70ｍｇ (Ｌ·ｄ).在启动期,阿特拉津的容积负荷较低时,阿特拉津的出水浓度也比较高,除此之外,阿特拉津容积负荷的增加不会影响ＭＢＲ系统对阿特拉津的处理效果,出水阿特拉津浓度始终保持在很低的水平,如图3所示.这个结果说明ＭＢＲ经过生物强化后,可以处理较高负荷的阿特拉津.本研究中,由于受到膜通量的限制,没有进一步缩短水力停留时间.ＣＡＳ反应器对阿特拉津也有很好的强化处理效果,在Ｒｕｎ 1阶段出水阿特拉津浓度也保持在1ｍｇ Ｌ左右,平均0 92ｍｇ Ｌ,平均去除率为93%.与活性污泥反应器相比,ＭＢＲ的强化处理效果略好一些,但是差别不大.但是运行2周之后(14～16ｄ),活性污泥反应器出现污泥膨胀,污泥开始流失,导致污泥浓度下降,阿特拉津去除率出现不稳定,开始下降,直到系统崩溃.

2 2　ＭＢＲ和ＣＡＳ反应器中ＣＯＤ和氨氮的去除将阿特拉津的生物强化处理和生活污水的处理结合在一起,既要保证阿特拉津的去除效果,也要考虑生活污水的处理效果.阿特拉津和基因工程菌都有可能对污泥原有的活性产生影响,从而影响反应器对污染物的处理能力.因此,在考察生物强化过程中阿特拉津去除效果的同时,也考察了反应器对ＣＯＤ和氨氮的处理效果.如图4所示,在平均进水ＣＯＤ浓度为240ｍｇ Ｌ时,ＭＢＲ和ＣＡＳ反应器对ＣＯＤ具有较好的去除效果.在Ｒｕｎ 1、Ｒｕｎ 2、Ｒｕｎ 33个运行条件下,ＣＯＤ容积负荷分别为0 42、0 70、0 97ｇ (Ｌ·ｄ),相应的ＭＢＲ的平均ＣＯＤ去除负荷为0 32、0 49和0 63ｇ (Ｌ·ｄ),平均出水ＣＯＤ浓度为47、71和85ｍｇ Ｌ,平均ＣＯＤ去除率为76%、72%和66%.可见,随着ＣＯＤ负荷的增加,ＣＯＤ的去除效果有所下降.整个ＭＢＲ运行期间平均出水ＣＯＤ浓度为65ｍｇ Ｌ,平均去除率为71%,和普通ＭＢＲ相比,本研究中生物强化ＭＢＲ对ＣＯＤ的去除效果稍差.这可能是由于阿特拉津负荷的增加对污泥活性产生了影响.活性污泥反应器仅维持了在Ｒｕｎ 1阶段的运行,平均出水ＣＯＤ浓度为55ｍｇ Ｌ,平均去除率为75%,基本与ＭＢＲ相同.

对于氨氮,ＭＢＲ和ＣＡＳ反应器均具有很好的去除效果,如图5所示.在Ｒｕｎ 1、Ｒｕｎ 2、Ｒｕｎ 33个运行条件下,氨氮的容积负荷分别为75、87、132ｍｇ (Ｌ·ｄ),相应地ＭＢＲ对氨氮的平均去除负荷分别为70、85和130ｍｇ (Ｌ·ｄ),最大去除负荷可以达到143ｍｇ (Ｌ·ｄ),平均出水氨氮浓度为1 1、0 9和1 2ｍｇ Ｌ,平均氨氮去除率均为97%.可见,在本实验的氨氮负荷范围内,ＭＢＲ对氨氮的去除效果没有受到氨氮负荷增加的影响.整个稳定运行期间,平均出水氨氮浓度为1 1ｍｇ Ｌ,平均去除率为97%.活性污泥反应器在稳定运行时,对氨氮也有较好的去除效果,但出现污泥膨胀之后,去除率大幅下降.

2 3　生物强化对污泥活性的影响ＭＢＲ和ＣＡＳ反应器对ＣＯＤ和氨氮的处理效果反映了污泥的碳氧化活性和硝化活性,为了进一步比较生物强化处理后污泥活性的变化,对生物强化后的ＭＢＲ中污泥和普通的ＭＢＲ中的污泥活性进行了比较,如图6所示.可以看到,生物强化处理后污泥的硝化活性和亚硝化活性要高于普通污泥,而碳氧化活性要低于普通污泥,而总的耗氧速率基本相当.和前面ＣＯＤ和氨氮的去除效果的结果相比较,可以看到强化生物处理后污泥的硝化活性和亚硝化活性比较高,保证了对氨氮很好的处理效果;而碳氧化活性比较低,使得生物强化的ＭＢＲ对ＣＯＤ的处理效果不及普通ＭＢＲ.

污泥浓度在生物强化ＭＢＲ中的变化规律,与普通ＭＢＲ相比,也有一定的差别.如图7所示,污泥浓度随时间的变化明显受到ＣＯＤ负荷和阿特拉津负荷的共同影响.在Ｒｕｎ 1运行条件下,污泥浓度从原有稳定浓度开始下降,然后趋于稳定.而后在Ｒｕｎ 2运行条件下,ＣＯＤ容积负荷从0 42ｇ (Ｌ·ｄ)提高到0 70ｇ (Ｌ·ｄ),若在普通ＭＢＲ中,污泥浓度应该提高,但是在本研究中,污泥浓度却有所下降,说明污泥的产率系数与前一个负荷相比,有大幅度下降.分析原因,可能是阿特拉津容积负荷从26ｍｇ (Ｌ·ｄ)增加到57ｍｇ (Ｌ·ｄ),比Ｒｕｎ 1时增加了1倍多,阿特拉津容积负荷的大幅度提高对活性污泥的增殖表现出明显的抑制作用.不过,当污泥对阿特拉津的高负荷有一定适应之后,再小幅增加容积负荷到Ｒｕｎ 3的68ｍｇ (Ｌ·ｄ)时,阿特拉津对污泥增殖的抑制作用就没有那么明显了.此时ＣＯＤ容积负荷增加到0 97ｇ (Ｌ·ｄ),污泥浓度随ＣＯＤ负荷的增加而增加,并达到一个相对较高的稳定浓度.该结果表明,阿特拉津的存在对活性污泥中的微生物还是存在相当的影响.但和活性污泥反应器相比,污泥浓度可以保持在一个相当高的水平.而在活性污泥反应器中,受阿特拉津负荷增加的影响,发生污泥膨胀,产生污泥流失,污泥浓度持续下降(在重复试验中得到相同的结果,对照试验未处理阿特拉津活性污泥反应器没有出现污泥膨胀).

已有研究表明,阿特拉津的存在会显著降低水环境中细菌的生物量[18],对活性污泥中的微生物会产生一定程度的毒害作用[19].本研究中,ＭＢＲ和ＣＡＳ反应器在运行过程中都出现了污泥絮体解体、平均粒径降低、ＳＶＩ值下降的现象.特别是在ＣＡＳ反应器中,大量的细小污泥絮体随出水流失,导致污泥丝状菌膨胀,系统崩溃.可见,阿特拉津的存在和容积负荷的增加对活性污泥的影响非常显著,这可能是造成污泥性状变化和碳氧化活性较低的重要因素.在ＭＢＲ中,虽然污泥性状也发生变化,但由于膜的高效分离作用,可以保持污泥不流失,因而在运行稳定性上具有更大的优势.

3　结论

(1)以生活污水为共基质,基因工程菌在ＭＢＲ中可以实现对阿特拉津的生物强化处理,阿特拉津平均出水浓度0 84ｍｇ Ｌ,平均去除率为95%,最大去除负荷可达70ｍｇ (Ｌ·ｄ).(2)生物强化的ＭＢＲ对生活污水ＣＯＤ的平均去除率为71%,ＣＯＤ平均出水浓度65ｍｇ Ｌ,ＣＯＤ负荷的增加对去除效果有一定影响;对生活污水中的氨氮具有很好的去除效果,氨氮平均出水浓度1 1ｍｇ Ｌ,平均去除率为97%,最大氨氮去除负荷为143ｍｇ (Ｌ·ｄ).(3)生物强化的活性污泥反应器在较低容积负荷下稳定运行时,具有较好的阿特拉津、ＣＯＤ和氨氮去除效果,阿特拉津平均出水浓度1 27ｍｇ Ｌ,平均去除率为93%,但运行2周后污泥发生膨胀,系统被破坏.ＭＢＲ的运行稳定性优于ＣＡＳ反应器.(4)和普通ＭＢＲ污泥相比,强化生物处理后ＭＢＲ污泥的硝化活性和亚硝化活性略高,碳氧化活性略低.阿特拉津的存在和负荷的增加会对污泥性状产生影响,可能是造成活性污泥碳氧化活性较低和出现污泥膨胀的重要原因.致谢:感谢南开大学蔡宝立教授赠送菌株.