污泥負荷對生物處理系統(tǒng)的影響范文

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《中國環(huán)境科學(xué)雜志》2014年第八期

1材料與方法

1.1污水水樣污水水樣取自上海市Q污水廠沉砂池出水段,用25L滅菌聚乙烯塑料桶盛裝后15min內(nèi)運送至實驗室進行實驗.

1.2活性污泥系統(tǒng)

1.2.1反應(yīng)器設(shè)計主體裝置為2個相同的圓柱形有機玻璃反應(yīng)器(圖1),內(nèi)徑14cm,高度26cm,有效容積3.85L,采用磁力攪拌器攪拌,增氧泵曝氣.系統(tǒng)以SBR的方式運行.

1.2.2反應(yīng)器啟動及運行反應(yīng)器的接種污泥取自上海Q污水廠回流污泥,將污泥接種于2個反應(yīng)器內(nèi),至反應(yīng)器體積的1/3左右,再加入Q污水廠沉砂池出水至頂端刻度線.保持攪拌和曝氣并每天更換一次進水.定期監(jiān)測反應(yīng)器混合液污泥濃度(MLSS)和污泥沉降比(SV);當MLSS>1000mg/L,SV在30%左右后認為污泥馴化完畢.將兩反應(yīng)器污泥混合液充分混合攪拌后均分至A、B兩個反應(yīng)器中.運行期間,兩反應(yīng)器的運行周期均設(shè)置為8h,攪拌器轉(zhuǎn)速為100r/min,DO濃度保持在2~3mg/L,污泥齡均為8d,周期內(nèi)進水、反應(yīng)、沉淀、排水4個反應(yīng)階段運行時間兩反應(yīng)器保持一致且分別為2,448,25,5min,通過調(diào)節(jié)進水水力負荷,使得2個反應(yīng)器的污泥負荷分別為0.24和0.4kgCOD/(kgMLSS⋅d).按照上述反應(yīng)條件運行5周,期間定期監(jiān)測出水COD、濁度等指標,確保反應(yīng)器處于穩(wěn)定運行狀態(tài).

1.3取樣及水質(zhì)分析在反應(yīng)器穩(wěn)定運行5周后開始取樣,取樣點包括進水,2個反應(yīng)器活性污泥混合液、出水以及剩余污泥,取樣量均為50mL.立即監(jiān)測其污泥濃度(MLSS)、pH值、濁度、化學(xué)需氧量(COD)、氨氮(NH4+-N)、硝態(tài)氮(NO3-N)、總氮(TN)總磷(TP)等指標,剩余水樣置于4℃保存以用于后續(xù)抗藥細菌的檢測.pH值采用便攜式pH計(pH340i,WTW)測定;濁度采用便攜式濁度儀(2100P,HACH)測定;COD采用COD快速測定儀(DR2800,HACH)測定;SS、NH4+-N、NO3-N、TN、TP和MLSS采用國標中規(guī)定的方法進行測定.

1.4抗性異養(yǎng)菌檢測采用細菌平板計數(shù)(標準)的方法檢測磺胺嘧啶抗性異養(yǎng)細菌的數(shù)目.向滅菌冷卻后的營養(yǎng)培養(yǎng)基(牛肉膏3g/L,蛋白胨10g/L,NaCl5g/L,瓊脂15g/L,pH7.2±0.2)中加入一定量的抗生素試劑,使培養(yǎng)基中的磺胺嘧啶濃度達到512mg/L.培養(yǎng)基中磺胺嘧啶的濃度根據(jù)CLSI(2011版)[13]中規(guī)定的各種常見病原菌對磺胺嘧啶具有抗藥性的標準中最大值確定.分別取一系列濃度梯度稀釋后的水樣(或泥樣)1mL加至含有上述培養(yǎng)基的皮式培養(yǎng)皿中混合,待冷卻凝固后放入恒溫培養(yǎng)箱中37℃培養(yǎng)24h,統(tǒng)計菌落數(shù)在20~300CFU/mL的培養(yǎng)皿,確定磺胺嘧啶抗性異養(yǎng)細菌的數(shù)目.每個梯度濃度的樣品均設(shè)置3個平行樣本.此外,將1mL同樣梯度稀釋操作的上述水樣加入不含磺胺嘧啶的營養(yǎng)培養(yǎng)基中同時進行培養(yǎng)計數(shù)操作,用來反映水樣中的異養(yǎng)菌總數(shù)目.

1.5數(shù)據(jù)分析

1.5.1磺胺嘧啶抗性異養(yǎng)菌比例該比例由磺胺嘧啶抗性異養(yǎng)菌數(shù)除以相應(yīng)的總異養(yǎng)菌數(shù)得到.

1.5.2磺胺嘧啶抗性異養(yǎng)菌凈比生長速率采用凈比生長速率來描述污泥負荷對磺胺嘧啶抗性異養(yǎng)菌生長的影響.凈比生長速率采用式(1)計算.inineenetwwddxVQXQXXVQXt=−+µ−(1)式中:µnet為磺胺嘧啶抗性異養(yǎng)菌凈比生長速率,d1;ddxt為磺胺嘧啶抗性異養(yǎng)菌濃度變化率,CFU/d;X為SBR混合液中磺胺嘧啶抗性異養(yǎng)菌濃度,CFU/mL;Xin為進水中磺胺嘧啶抗性異養(yǎng)菌濃度,CFU/mL;Xe為出水中磺胺嘧啶抗性異養(yǎng)菌濃度,CFU/mL;Xw為剩余污泥中磺胺嘧啶抗性異養(yǎng)菌濃度,CFU/mL;Qin為日進水量,L/d;Qw為日排泥量,L/d;Qe為日排水量,L/d;V為反應(yīng)器有效體積,L.1.5.3統(tǒng)計分析統(tǒng)計分析測試采用SPSS19.0進行.利用t-分布來檢驗數(shù)據(jù)之間的顯著性差異,檢驗過程在顯著性水平為0.05下進行.

2結(jié)果與討論

2.1污泥負荷對活性污泥系統(tǒng)中磺胺嘧啶抗性異養(yǎng)菌濃度分布的影響反應(yīng)器穩(wěn)定運行期間主要水質(zhì)參數(shù)見表1.可以看出,盡管兩反應(yīng)器的污泥負荷不同,但它們在好氧條件下進行的有機物降解、硝化反應(yīng)等都較為充分,說明兩反應(yīng)器運行穩(wěn)定,且均處于較優(yōu)的狀態(tài)下運行,且兩個系統(tǒng)對常規(guī)指標的去除效果相近,并未因污泥負荷不同而有明顯差異.不同污泥負荷的兩反應(yīng)器系統(tǒng)中各點位磺胺嘧啶抗性異養(yǎng)菌濃度和相對豐度(以所占百分比表示)見圖2.進水中磺胺嘧啶抗性異養(yǎng)菌的濃度為(4250±250)CFU/mL,所占百分比為17.6%±2.6%,由于磺胺類藥物價格低廉在水產(chǎn)和家禽養(yǎng)殖使用較廣泛[14],較高濃度的磺胺類抗生素在我國包括污水廠和其他水環(huán)境中也都有檢出[15],這可能導(dǎo)致微生物對磺胺類抗生素的較高抗藥率.在活性污泥混合液樣品中,低污泥負荷樣品抗藥細菌的豐度相比進水無明顯改變,濃度為(5000±1000)CFU/mL,而污泥負荷為0.4的樣品濃度顯著提高(P<0.05),達到(40000±10000)CFU/mL,為低污泥負荷樣品的8倍.在其他運行條件一致的情況下,污泥負荷有利于磺胺嘧啶抗性異養(yǎng)菌在活性污泥系統(tǒng)中的增殖.污水經(jīng)處理后反應(yīng)器出水細菌濃度明顯降低(P<0.05),去除率分別達97.6%和97.0%,但活性污泥系統(tǒng)無法完全去除水中的抗藥細菌,出水中仍含有較高濃度的磺胺嘧啶抗藥異養(yǎng)菌,而且濃度隨著污泥負荷的升高而顯著升高.高污泥負荷下出水抗藥細菌的排放濃度是低污泥負荷的10倍.這表明常規(guī)工藝出水是環(huán)境中潛在的抗藥細菌儲存庫,后續(xù)進一步降低抗藥細菌風(fēng)險的處理方法(如氯消毒、紫外消毒)仍十分必要.剩余污泥樣品由于污泥的濃縮細菌的濃度大大提高,抗藥菌濃度也顯著高于其他點位,剩余污泥是污水處理系統(tǒng)中抗藥細菌排放的重要方式.對比不同負荷下抗藥細菌的濃度發(fā)現(xiàn),較高負荷系統(tǒng)中的抗藥細菌濃度(101667±7368)CFU/mL仍高于低負荷(61667±12583)CFU/mL,但此時兩者的相對豐度相差不大(分別為18.7%和17.4%)且和進水相比無顯著差距.綜合分析污泥負荷對磺胺嘧啶抗藥細菌豐度的影響,發(fā)現(xiàn)負荷提高使抗藥菌在活性污泥、出水和剩余污泥中的濃度均提高.這種提高可能主要是由于負荷提高加快了污泥生長,使抗藥細菌在活性污泥系統(tǒng)中的濃度也相應(yīng)提高,但從抗藥細菌的相對豐度看,各點位磺胺嘧啶抗藥細菌百分比均不隨污泥負荷的提高而發(fā)生顯著改變(P>0.05),表明污泥負荷不會顯著改變活性污泥系統(tǒng)磺胺嘧啶抗藥細菌的抗藥特性.

2.2污泥負荷對磺胺嘧啶抗性異養(yǎng)菌生長及排放的影響采用凈比生長速率和細菌產(chǎn)量兩項指標來反映系統(tǒng)中磺胺嘧啶抗性異養(yǎng)菌的生長狀況.從表2可以看出,高負荷下耐磺胺嘧啶異養(yǎng)菌的凈比生長速率略高于低污泥負荷,而產(chǎn)量顯著高于后者,表明污泥負荷的提高有利于磺胺嘧啶抗藥細菌的生長,這也導(dǎo)致高負荷下系統(tǒng)中包括混合液、出水和剩余污泥各點位的細菌濃度均高于低污泥負荷.相比之下兩反應(yīng)器中異養(yǎng)菌總數(shù)的比生長速率分別為0.35和0.38d1,不同污泥負荷下異養(yǎng)菌總數(shù)的生長速率和產(chǎn)量均高于抗磺胺嘧啶異養(yǎng)菌,可能是因為抗性細菌只占總異養(yǎng)菌的一部分,因而產(chǎn)量低于后者,這也導(dǎo)致在混合液中抗性細菌的比例有所降低.低污泥負荷下磺胺嘧啶抗藥菌的排放比高達28.4,說明在負荷較低的條件下絕大部分抗藥菌都是通過剩余污泥的方式排放,其在出水中的排放量只占極小的比例,負荷提高后,通過出水排放的抗藥細菌量顯著提高,已經(jīng)接近剩余污泥中的排放量(排放比1.1),成為抗藥細菌排放的主要方式之一,隨著負荷進一步提高,排放比將進一步降低,但進一步增加負荷可能會影響生物處理工藝對常規(guī)污染物的去除效果,使出水水質(zhì)下降。高污泥負荷反應(yīng)器由于出水抗藥性細菌的排放量顯著增加,其排放總量也顯著升高,從5.9×106CFU/d變?yōu)?.8×107CFU/d,但由于此時水力負荷是低污泥負荷下的4倍,相同水力負荷下,高污泥負荷的抗性細菌排放量反而有顯著降低(P<0.05),從抗藥細菌風(fēng)險控制的角度來看,負荷提高更有利于抗藥細菌的控制.另外,高污泥負荷下排水將成為抗藥性細菌排放的重要形式,就我國目前對污水生物處理工藝出水和剩余污泥的后續(xù)處理來看,一般污水廠出水還都會經(jīng)過深度處理或消毒處理后排放,通常對包括抗藥細菌在內(nèi)的各類微生物有比較好的殺滅效果;而剩余污泥處理過程復(fù)雜,處理費用較高,一般污水廠不會對其進行十分完善的處理,經(jīng)過常規(guī)的濃縮、穩(wěn)定、脫水過程后,污泥的抗藥性風(fēng)險可能并未有較明顯降低,因而小污泥負荷處理污水不利于抗藥性風(fēng)險的控制.另一方面,發(fā)展低排泥量的處理工藝,如采用氧化溝或MBR工藝等,可能有助于控制抗藥性風(fēng)險.當然,本研究僅以磺胺嘧啶抗性異養(yǎng)菌為例考察了其在活性污泥系統(tǒng)中的歸趨行為,其他常見抗性細菌在污水生物處理工藝的歸趨特性以及可能影響抗藥細菌分布的其他運行條件,如曝氣條件,污泥齡,水力停留時間等需要在以后的研究中進一步探討.

3結(jié)論

3.1污泥負荷增大[0.4kgCOD/(kgMLSS⋅d)]使活性污泥系統(tǒng)中混合液、出水和剩余污泥中磺胺嘧啶抗藥異養(yǎng)菌的濃度顯著提高,分別是低污泥負荷[0.24kgCOD/(kgMLSS⋅d)]下的8倍、10倍和1.7倍;但污泥負荷改變對抗藥細菌的相對豐度無顯著影響.

3.2污泥負荷的提高有利于活性污泥系統(tǒng)中磺胺嘧啶抗藥細菌的生長,凈比生長速率和細菌產(chǎn)量分別由0.32d1和2.3×106CFU/d提高至0.33d1和3.1×106CFU/d.

3.3較低污泥負荷下抗藥細菌主要通過剩余污泥形式排放,排放比(泥/水)為28.4;負荷提高后,通過出水排放抗藥細菌的比例顯著提高,排放比(泥/水)達1.1.

3.4處理單位污水,2種污泥負荷反應(yīng)器磺胺嘧啶抗藥細菌排放量分別為3.3×106CFU/L和2.6×106CFU/L,提高污泥負荷有利于活性污泥系統(tǒng)抗藥性風(fēng)險的控制.

作者：袁青彬郭美婷楊健單位：同濟大學(xué)污染控制與資源化研究國家重點實驗室同濟大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院