摘要：該研究通過磁場強化彌補生物反應器低溫運行的不足, 考察磁場作用下活性污泥微生物在快速降溫、復溫沖擊條件下磷脂脂肪酸 (PLFA) 的變化規律, 結合PLFA生物標記反映微生物的適冷性及磁場對活性污泥菌群抗冷沖擊性能的強化效果。結果表明, 快速降溫導致COD去除率下降40%, 磁場強化可提高COD去除率5%¹0%, 且有利于低溫下革蘭氏陰性菌的富集, 同時提高了微生物細胞膜內PLFA的多樣性及微生物適冷性, 進而提高了污水處理效率。

  溫度對微生物的新陳代謝起著決定作用, 溫度降低會導致微生物最大比生長速率和基質利用率下降, 同時導致廢水的物理和化學性質發生變化, 影響生物反應器的性能。在研究中發現, 過快的冷卻速率會導致細胞內形成胞內冰, 造成細胞的損傷。低溫 (0~10℃) 已成為目前生物水處理領域面臨的一大難題。

  低溫生化法處理污水工藝中通常通過考察磷脂脂肪酸 (PLFA) 的特性來反應微生物的適冷性。PLFA為甲基化活性污泥中提取的磷脂后得到的脂肪酸產物, 總在專屬的一類微生物中出現, 且一般只存在于活體細胞中。

  根據以上特性, PLFA鑒定技術被廣泛應用于環境微生物研究領域的微生物群落結構表征。在細胞膜中, 脂類組成是保持膜流動以及相結構的前提, 確保膜中的蛋白質發揮正常的生理功能, 如電子轉移、營養吸收等。當溫度降低時, 膜流動性會隨之減弱, 從而影響膜的相結構和正常功能。因此, 微生物必須通過調節細胞膜內脂類的組成, 改變膜的流動性和相結構, 以適應環境溫度的下降, 膜脂質的改變主要是改變脂肪酸的組成。生物膜由磷脂雙分子層構成, 雙分子層結構具有不對稱性, 存在磁各向異性, 磁場導致其發生取向重排作用, 增加膜的通透性, 提高微生物的活性, 從而大大提高了低溫廢水的生物降解效率。污水處理工藝中針對不同類別的工業及生活污水加入磁場輔助降解有機物, 已經成為一項新興的水處理技術。

  本研究通過磁場強化彌補生物反應器低溫運行的不足, 主要考察磁場作用下活性污泥微生物在快速降溫、復溫沖擊條件下的磷脂脂肪酸 (PLFA) 變化規律及污染物去除效率, 結合PLFA生物標記反映微生物的適冷性及磁場對活性污泥菌群抗冷沖擊能力的強化效果, 為改善低溫污水生物處理效果提供依據。

1.研究方法

1.1 實驗設計

本實驗設計活性污泥反應器在快速降溫及復溫條件下運行, 研究低溫下活性污泥微生物抗冷沖擊 (Cold-shock) 性能及污水處理效果。實驗設計如下: (1) 將反應器置于生化培養箱內, 通過溫度控制器調節培養溫度。25℃下培養2個模擬序批式活性污泥反應器 (SBR) A1、A2, 反應器為3L的有機玻璃柱, 高度和半徑分別為30cm、5cm;A2在中心場強為30m T的磁場下運行 (磁場以平行放置的2塊異極磁鐵產生, 通過調節磁鐵間距控制中心場強) , A1為A2的對照組, 無磁場設置。

(2) 反應器在經過常溫培養后, A1、A2經歷快速降溫及復溫過程 (瞬時轉移至0℃及瞬時轉移至25℃) 。

(3) 反應歷經S1~S7 7個階段, S1為反應器常溫下馴化穩定后25℃運行, S2-S4為快速降溫后低溫下運行, S5~S7為快速復溫后25℃運行, 每個階段運行5d。

(4) 模擬廢水組成:C₆H₁₂O₆、NH₄Cl、KH₂PO₄, 以自來水配水濃度為400mg/L, 其中C:N:P為100:5:1 (質量比) 。

(5) 設置反應器循環周期為12h, 每個反應器內放置1 L模擬廢水和1 L活性污泥, 曝氣量為4.0L/min, 水力停留時間 (HRT) 為10h, 固體停留時間 (SRT) 為10d。

(6) 反應為序批式運行, 進水時間、反應時間、沉降時間分別為0.2h、10h、1h, 過程中溶氧量為8.20~8.65mg/L。

(7) 污泥取自南京某污水處理廠, 裝入反應器前污泥MLSS為4200mg/L。

1.2 實驗方法

1.2.1 COD測定

COD測定方法采用快速密閉催化消解法。

1.2.2 PLFA提取與命名

PLFA通過提取與分離、皂化、甲基化、萃取、洗滌等處理, 采用安捷倫7890A氣相色譜測定。氣相色譜各參數由MIDI Sherlock程序設置調用。PLFA常用的命名格式為X:YωZ (c/t) , 其中, X是總碳數;Y為雙鍵數;ω表示甲基末端;Z是距離甲基端的距離;C表示順式, t表示反式;a和i分別表示支鏈的反異構和異構;10Me表示一個甲基團在距分子末端第10個碳原子上;環丙烷脂肪酸用cy表示。

1.2.3 統計分析

磷脂脂肪酸數據通過SPSS18.0軟件進行分析。在主成分分析 (PCA) 中, 個別PLFA含量以占PLFA總樣本中百分比的形式表示。經過SPSS軟件降維得到2個主成分, 它們包含超過80%的差異度。

Shannon-Wiener多樣性指數通常被定義為:

 

式中, H為Shannon-Wiener指數, s是每個樣品中磷脂脂肪酸的總數, p_i為各磷脂脂肪酸占總峰面積的百分比。氣相色譜分析的峰面積用來計算每個磷脂脂肪酸的p_i值。

2.結果與分析

2.1 COD降解率

圖1描述了反應器整個運行過程中的COD去除率變化情況。A₁和A₂在S1常溫運行階段保持76.8%~77.2%的平均COD去除率, 在S2階段2個反應器瞬時轉移至0℃, COD去除率受到大幅度影響, 在S2~S4階段A₁和A₂的平均去除率分別為32.7%和37.6%;在S5階段2個反應器瞬時轉移至室溫, 反應器COD處理效率有一定的提高, 在S5~S7階段A₁和A₂的平均去除率分別為70.2%和73.7%。快速降溫對2個反應器微生物有較大的沖擊, 導致COD去除率大幅下降;S2~S4階段A₂的去除率高于A₁可以發現, 磁場對反應器低溫下COD去除率有正向的強化作用, 對低溫下微生物適冷性有一定的促進作用。同理在復溫后, A₂反應器的去除率說明磁場強化更有利于活性污泥微生物低溫損傷的恢復及提高微生物降解有機物的效能。

 

圖1 反應器不同階段COD去除率

2.2 PLFA生物標記及脂肪酸分類分析

反應器各階段運行末期整個PLFA的碳鏈長度主要分布在C10~C20。微生物種群結構即不同類群微生物的相對豐度, 可以通過微生物各種群的特征脂肪酸的相對含量表征。PLFA生物標記可反映生物量、革蘭氏陽性菌、革蘭氏陰性菌和真菌的相對含量。生物量與十六烷脂肪酸 (16:0) 有著正相關關系, 可用該脂肪酸含量來表征總生物量相對大小, 多種支鏈脂肪酸可表征革蘭氏陽性菌, 單不飽和脂肪酸和環丙烷脂肪酸則可指示革蘭氏陰性菌, 特定的磷脂脂肪酸 (如18:1ω9、18:2ω6、18:3ω6、18:3ω3) 可用于表征真菌。

圖2表示溫度變化的不同階段2個反應器活性污泥菌群的種群結構PLFA生物標記。通過對常溫下、降溫末期及復溫末期各反應器PLFA的測定, 常溫下A₁的革蘭氏陽性菌、革蘭氏陰性菌和真菌所占比例與A₂對應微生物比例都比較接近。降溫后歷經S2~S4階段, 2個反應器的革蘭氏陽性菌及真菌含量均有所降低, A₂的革蘭氏陰性菌比例明顯高于A₁。復溫后, 兩個反應器生物量均有所下降, A₁、A₂的真菌含量恢復至降溫前的水平。

冷激實驗主要考察在短時間內微生物受冷沖擊所發生的相應生理功能的變化。在降溫S4階段, 2個反應器革蘭氏陽性菌出現下降趨勢, 與其短時間內受低溫抑制有關;有研究表明低溫下革蘭氏陰性菌有更好的適冷性, A₂的革蘭氏陰性菌含量高于A₁說明低溫下磁場強化有利于革蘭氏陰性菌的富集;復溫后2個反應器較低的生物量說明快速降溫及復溫的擾動導致反應器微生物受到一定程度損傷;真菌受溫度變化擾動相對較小, 但降溫及復溫沖擊下A₂真菌量高于A₁, 說明磁場強化有利于真菌富集, 提高了反應器內的生物多樣性。

 

圖2 溫度變化過程中PLFA生物標記及活性污泥菌群變化

2.3 不飽和脂肪酸含量分析

圖3描述了2個反應器中的不飽和脂肪酸含量的變化, 從圖3可以看出, C16:1ω7c、C18:1ω7c、C18:1ω9c 3種不飽和脂肪酸在每個反應器微生物細胞膜中占主要成分 (平均含量>5%) 。在降溫末期A₁和A₂的不飽和脂肪酸含量明顯低于常溫運行階段, 同時A₂的不飽和脂肪酸含量略高于A₁;在復溫階段2個反應器的不飽和脂肪酸含量有所回升, 但仍低于降溫前的水平。

微生物細胞膜中不飽和脂肪酸含量反映了微生物的適冷能力, 研究表明Bacillus subtilis中的脂肪酸去飽和酶對微生物抗冷沖擊具有積極的作用, 同時有研究表明不飽和脂肪酸對微生物適應低溫環境具有促進作用。快速降溫導致2個反應器微生物活性受到抑制, 且微生物難以在短時間內調整膜內不飽和脂肪酸含量以適應環境;A₂反應器含量在降溫和復溫階段均接近A₁說明磁場對快速降溫下微生物不飽和脂肪酸的強化作用較弱, 同時體現快速降溫對微生物通過不飽和脂肪調節機體適冷性的機能沖擊較大。

 

圖3 反應器不同階段微生物細胞膜不飽和脂肪酸情況

2.4 主成分分析

主成分分析 (PCA) 可以通過2個反應器PLFA的狀況反映微生物種群的變化。主成分1 (PC1) 和主成分2 (PC2) 分別含有52%和35%的差異度。從圖4可以看出, 因子C14:0 iso、C15:0 anteiso、C16:0 iso和C17:0 cyclo在PC1上有較高的負荷, 因子C16:1ω7c、C18:1ω7c、C18:1ω9c在主成分2上有較高的負荷。在快速降溫末期與常溫階段相比, A₁在PC1上有較大差異度, A₂在PC2上有較大差異度;在S4階段, A₁和A₂在PC1和PC2上均有差異度。

溫度是影響微生物生長導致磷脂脂肪酸組成差異的主要因素之一, 同時A₁和A₂之間的差異反映在PC1和PC2。PC1上高負荷的因子多為支鏈脂肪酸, 此為革蘭氏陽性菌的生物標記因子;單烯不飽和脂肪酸在PC2上有較高負荷, 此為革蘭氏陰性菌的生物標記。溫度作為主要環境因子直接導致革蘭氏陽性菌和革蘭氏陰性菌在微生物群落上的多樣性差異, 同時在受到快速降溫冷沖擊后, A₁與A₂的差異度表明磁場強化同樣導致2個反應器微生物菌群的多樣性差異。

 

圖4 反應器不同階段磷脂脂肪酸主成分分析

2.5 Shannon-Wiener生物多樣性分析

微生物種群的多樣性體現種群結構的穩定程度, 相對穩定的種群結構對于生物反應器內微生物降解有機物具有積極的促進作用。為了考察PLFA的豐富度和均勻度, 運用ShannonWiener多樣性指數反映微生物種群多樣性。溫度變化的不同階段2個反應器活性污泥PLFA的Shannon-Wiener多樣性指數如圖5所示。從圖5可以看出, 在降溫末期A₁、A₂2個反應器PLFA多樣性相比于常溫階段均有降低, A₁降幅最大 (5.74%) , A₂的PLFA多樣性在低溫運行末期下降相對較小 (3.25%) 。在復溫后A₁、A₂的PLFA多樣性恢復甚至超過降溫前的水平, 且A₁的多樣性指數相對更高。

降溫會抑制中溫微生物生長活性, 使之休眠甚至死亡, 低溫微生物逐漸成為優勢菌群, 但是由于低溫微生物生長速率相對較慢, 世代時間較長, 在數量上很難達到中溫微生物的水平, 造成低溫污水中微生物總量減少, 總體活性降低, 同時低溫下物種數量會隨之減少, 導致PLFA多樣性相應減小。快速降溫沖擊下A₂更高的多樣性指數表明磁場強化有利于提高微生物細胞膜內PLFA的多樣性。復溫后中溫微生物開始大量繁殖, 活性污泥微生物總量和種群數量逐漸恢復, 含有特定PLFA的物種數量也隨之增加, 使2個反應器PLFA多樣性提高, 進而提高低溫下污水處理效率。

 

圖5 不同階段磷脂脂肪酸Shannon-Wiener多樣性指數 

3.結論

(1) 快速降溫導致反應器COD去除率大幅下降, 低溫運行階段A₁和A₂的平均去除率分別為32.7%和37.6%, 磁場強化提高了A₂的COD去除率。

(2) 快速降溫下磁場強化有利于革蘭氏陰性菌的富集, 同時提高了微生物細胞膜內PLFA的多樣性, 但對微生物通過調節不飽和脂肪酸含量增強適冷性的強化作用較弱;主成分分析表明溫度和磁場導致快速降溫冷沖擊下2個反應器革蘭氏陽性菌和革蘭氏陰性菌在微生物群落上的多樣性差異。

(3) 通過磁場強化, 可以彌補快速降溫對活性污泥微生物的沖擊影響, 同時調節微生物活性及多樣性以提高污水處理效率。

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