复苏促进因子增效PACT 处理印染废水

2021-03-23战晓慧周高燕周尚平章静方荣业史惠祥

浙江大学学报（理学版） 2021年2期

战晓慧，周高燕，周尚平，章静，方荣业，史惠祥*

（1.浙江大学环境与资源学院，浙江杭州310058； 2.嘉兴市洪溪污水处理厂，浙江嘉兴314109；3.宁波心觉科技有限公司，浙江宁波315000）

0 引言

我国是纺织品生产、出口大国，印染行业用水量大，印染废水一直是主要的工业废水之一。纺织染整废水水质、水量变化大，回用率低，有机物浓度高，色度高，是废水处理的难点和焦点［1］。印染废水中含有大量活的但不可培养（viable but nonculturable，VBNC）的微生物［2］。

目前印染废水的处理方法主要有化学处理法、物理处理法、物理化学处理法和生物处理法4种［3-6］，因单一处理方法难以达到行业废水排放标准，多种技术联用已成为印染废水处理的发展方向。

由于粉末活性炭（powder activated carbon，PAC）的比表面积大，处理过程操作简单，故被广泛应用于印染废水处理［7］。粉末活性炭活性污泥工艺（powder activated carbon treatment，PACT）通过向好氧池中投加活性炭强化活性污泥处理能力，同时利用活性炭的吸附作用提升出水水质。与传统活性炭吸附工艺相比，PACT 提高了对印染废水有机物、色度等污染物的去除率，且系统的运行更稳定。

MUKAMOLOVA 等［8］从藤黄球菌（Micrococcus luteus）上清液中分离出复苏促进因子（resuscitation-promoting factor，Rpf），Rpf 是Rpf 基因编码产生的一种分泌蛋白，经研究发现，其在皮物质的量浓度下即可复苏处于VBNC 状态的藤黄球菌，同时促进细菌的生长。

本文探究Rpf 增效PACT 处理印染废水的效果，明确最佳工艺参数，探究PAC 和Rpf 复合投加时对活性污泥的强化机理，以及两者的协同效应机制。

1 材料与方法

1.1 实验材料

实验用活性污泥、废水取自嘉兴市某印染厂；Rpf 来自浙江省环境保护科学设计研究院（是由E.coli BL21（DE3）工程菌培养、破壁后形成的混合液），PAC 为302 号木质粉末活性炭，由溧阳恒源炭业提供。

1.2 SBR 实验装置

序列间歇式活性污泥法（SBR）实验装置如图1所示。实验运行周期为6 h，连续运行84 个周期，每个运行周期运行工况如表1 所示。

1.3 实验方法

在SBR 实验中，通过控制变量确定Rpf、PAC的最佳投加量和最佳投加频率，用COD、色度、氨氮、总氮、总磷等水质指标衡量出水水质。

各设置2 组进行最佳投加量和最佳投加频率实验，每组实验设置5 组反应器（a、b、c、d、e），投加条件如表2 和表3 所示。

图1 SBR 实验装置Fig.1 Diagram of SBR device

表1 SBR 运行工况Table 1 SBR operation condition

表2 投加浓度实验Table 2 The experiment of dosing concentration

表3 投加频率实验Table 3 The experiment of dosing frequency

2 结果与讨论

2.1 Rpf 和PAC 的投加量及投加频率确定

2.1.1 确定最佳投加量

测定每日出水水样COD（如图2 所示）、氨氮（如图3 所示）、总氮（如图4 所示）、总磷（如图5 所示）浓度。

图2 PAC、Rpf 投加量与COD 去除率的关系Fig.2 Relationship between PAC，Rpf dosage and COD removal rate

结果表明，当PAC 投加量为30 mg·L-1时，COD平均去除率最高，而PAC 投加量对氮、磷去除率影响差别不大，因此，选择30 mg·L-1为PAC 的每日最佳投加量。当Rpf 投加量为3 mg·L-1时，COD 平均去除率（78.36%）最高。从脱氮除磷效果看，Rpf 投加量对废水中氮、磷去除率影响不明显，原因可能是废水中总磷量本身就很低且活性污泥的脱氮除磷效果较好。从经济角度分析，Rpf 投加量为3 mg·L-1时的药剂费比2 mg·L-1时的药剂费高50%，但COD去除率仅提高0.15%。因此，选择2 mg·L-1为Rpf的每日最佳投加量。

2.1.2 确定最佳投加频率

由投加量实验可知，活性污泥脱氮除磷效果较好，5 组反应器中氮、磷的去除效果差别较小，故仅比较PAC、Rpf 投加频率对水样COD 去除率的影响，实验结果如图6 所示。

如图6（a）所示，投加PAC 后废水COD 去除率显著提高。5 组反应器中，COD 平均去除率分别为72.60%，75.45%，74.65%，74.55% 和74.54%。可知，当PAC 投加频率为1 d-1，即投加条件为30 mg·L-1·d-1时，COD 平均去除率最大。因此，应采取每日投加的方式，不断向反应器内补充PAC。

图3 PAC、Rpf 投加量与氨氮去除率的关系Fig.3 Relationship between PAC，Rpf dosage and NH3-N removal rate

图4 PAC、Rpf 投加量与总氮去除率的关系Fig.4 Relationship between PAC，Rpf dosage and TN removal rate

图5 PAC、Rpf 投加量与总磷去除率的关系Fig.5 Relationship between PAC，Rpf dosage and TP removal rate

如图6（b）所示，用不同频率投加Rpf 均可提高COD 去除率。5 组反应器中，COD 平均去除率分别为73.04%，77.16%，77.49%，76.81% 和75.89%。当投加频率为d-1，即投加条件为6 mg·L-1·（3 d）-1时，COD 平均去除率（77.49%）最高，因此，Rpf 投加频率取d-1。

2.2 PAC 和Rpf 复合投加实验

由PAC 和Rpf 的最佳投加量和最佳投加频率，取4 组SBR 反应器，编号分别为0，1，2，3，每组反应器的投加情况见表4。监测每日排水的COD、氨氮、总氮和总磷。

进水COD 浓度变化情况见图7，复合投加时，出水COD 浓度变化情况见图8。

由图7 可知，进水COD 平均浓度为681 mg·L-1。由图8 可知，0，1，2，3 号反应器出水COD平均浓度分别为186，168，156，132 mg·L-1。由图9可知，0 号反应器COD 平均去除率为72.72%，COD去除率曲线呈下降趋势，说明其生化处理能力变差；1，2，3 号反应器中，COD 平均去除率分别为75.50%，77.05%，80.37%，且COD 去除率呈上升趋势，说明系统生化能力变强。同时，Rpf 增效PACT时COD 平均去除率（7.64%）较单独投加Rpf 和PAC 的COD 平均去除率之和（7.10%）大，可能是由于PAC 和Rpf 之间的协同作用增强了活性污泥的生化处理性能。

图6 PAC、Rpf 投加频率与COD 去除率的关系Fig.6 Relationship between PAC，Rpf dosing frequency and COD removal rate

表4 PAC 和Rpf 投加情况Table 4 The dosage and frequency of PAC and RPF

由图10 可知，在实验的84 个周期内，经计算，进水氨氮平均浓度为11.92 mg·L-1；0，1，2，3 号反应器出水氨氮平均浓度依次为1.06，0.97，0.80，0.66 mg·L-1。由此可知，氨氮去除效果最好的为3 号反应器。由图11 可知，1，2 号反应器去除的氨氮浓度之和（0.35 mg·L-1）小于3 号反应器去除的氨氮浓度（0.40 mg·L-1），说明PAC 和Rpf 可协同去除废水中的氨氮。

图7 进水COD 浓度变化情况Fig.7 Change of COD in influent water

图8 复合投加时出水COD 浓度Fig.8 COD concentration of effluent during composite dosing

图9 复合投加时COD 去除率Fig.9 Removal rate of COD during compound dosing

图10 复合投加时进出水氨氮浓度变化情况Fig.10 Change of NH3-N in and out of water during compound dosing

图11 复合投加时氨氮去除率Fig.11 NH3-N removal rate in compound dosing

综上可知，添加Rpf 可提高PACT 对COD 和氨氮的去除率，另外，PAC 和Rpf 间不只是简单的效果叠加，而是存在协同效应。

2.3 Rpf 增效PACT 处理印染废水的机理研究

研究Rpf 增效PACT 中活性污泥的性能（污泥指数、沉降比等）、菌落种类和丰度，分析水中溶解性有机物的变化，深入研究PAC 和Rpf 复合投加对活性污泥的影响机理及协同作用机制。

2.3.1 对污泥性质的影响

比较1，2，3 号反应器中活性污泥的污泥指数（SVI）、挥发性污泥浓度（MLSS）、污泥沉降比（MLVSS），见图12～14。

由图12 可知，3 组反应器的初始SVI 均为170 mL·g-1。实验过程中，2 号反应器的SVI 呈上升趋势，1，3 号反应器的SVI 呈下降趋势，在第84 个周期，3 组反应器的SVI 分别为140，186 和145 mL·g-1，表明Rpf 增效PACT 使活性污泥的性能得到提高。

图12 1，2，3 号反应器的SVI 变化Fig.12 Change of SVI in unit 1，2，3 reactors

图13 1，2，3 号反应器的MLSS 变化Fig.13 Change of MLSS in unit 1，2，3 reactors

由图13 和图14 可知，实验周期内，MLSS 与MLVSS 曲线走势相近。1，2，3 号反应器初始MLSS和MLVSS 分别为3 500 和2 700 mg·L-1。在实验过程中，MLSS 和MLVSS 均有不同程度上升。84 个周期内，1，2，3 号反应器MLSS 平均值分别为4 399，4 266 和2 855 mg·L-1，MLVSS 平均值分别为3 313，3 193 和2 855 mg·L-1。复合投加时，MLSS 和MLVSS 平均值较单一投加Rpf 时分别提升了3.12%和3.76%，较难达到单独投加PAC 时提升的15.51%和16.06%，分析其原因可能是Rpf 使污泥中处于VBNC 的微生物复苏，PAC 为微生物的生长提供了生存环境，且二者具有协同作用，使复合投加效果优于二者单独投加之和。

2.3.2 对微生物群落的影响

通过对比4 组反应器连续运行21 d 后活性污泥中的DNA 及高通量测序结果（见表5），分析复合投加Rpf 和PAC 对污泥中微生物群落、菌群丰度和多样性的影响。

图14 1，2，3 号反应器的MLVSS 变化Fig.14 Change of MLVSS in unit 1，2，3 reactors

表5 4 组反应器的细菌丰度和多样性指数Table 5 The bacterial richness and diversity index of four reactors

由表5 可知，对ACE、Chao1 指数，3 号反应器与1 号反应器接近，且均大于2 号反应器；对Shannon和Simpson 指数，3 号反应器与2 号反应器较为接近，且均大于1 号反应器。说明添加PAC 能提高菌群丰度和微生物多样性，添加Rpf 不能增加菌群丰度，但其提升微生物多样性的能力比添加PAC 强，添加Rpf 的PACT 能更好地提升微生物多样性，增加菌群丰度。

利用Krona 软件分析群落组成，利用QIIME 软件得到Rpf、PAC 复合投加系统污泥微生物在门、纲水平上的组成和丰度，4 组反应器的比较结果见图15。

通过分析3 号反应器微生物群落组成和门的分布可知，Rpf 增效PACT 的活性污泥中，菌群主要由变形菌门（Proteobacteria）、拟杆菌门（Bacteroidetes）、厚壁菌门（Firmicutes）组成，种群丰度达95.9%，其中，变形菌门占比最大（63.9%），其次为拟杆菌门（24.3%）。与单独投加Rpf 和PAC 相比，污泥序列中3 种主要门类微生物丰度均有提高，查阅文献可知，变形菌门是微生物中脱氮除磷的主要功能菌群，厚壁菌门可代谢脂类、蛋白质等复杂的有机物，且可水解污泥絮体［9-11］，同时，由于这3 种门是废水生化处理系统的主要微生物，占比越大，表示生化系统的处理能力越强。Rpf 增效PACT 中，此3 种门的占比为95.9%，大于单独投加Rpf、PAC 和空白组，说明Rpf 能提高PACT 活性污泥微生物的丰度和多样性，且Rpf 与PAC 具有协同增效作用。

图15 4 组反应器微生物群落门、纲的组成和丰度Fig.15 Abundance of microbial community phyla and class of four reactors

2.3.3 对水中溶解性有机物的影响

由图16 可知，当波长为200～800 nm 时，3 号反应器生化出水共有3 个吸收峰，且集中分布在200～300 nm 处。

与0 号反应器相比，3 号反应器在215 nm 处无吸收峰，在205，230 和280 nm 处吸收峰较小，说明3 号反应器生化出水中不饱和脂肪族、不饱和脂环族、硫醚、醛类、硝基和含有共轭体系的复杂化合物的量较少。

与1 号反应器相比，3 号反应器在230，280 nm处吸收峰强度相近，在205 nm 处吸收峰较小，在220 nm 处无吸收峰，说明3 号反应器能降低生化出水中不饱和脂肪族、硫醚、醛类和硝基等物质。

与2 号反应器相比，3 号反应器在280 nm 处吸收峰强度小，280 nm 处的吸收峰主要代表偶氮、醛类、酮类、溴化物和饱和共轭物等，吸收峰越小代表物质含量越低，吸收峰减小说明反应器对这些物质的处理能力提高。由此可知，3 号反应器对这些物质具有更高的去除能力。

图16 4 组反应器生化出水的紫外-可见光光谱Fig.16 Ultraviolet-Visible spectra of effluent of four reactors

另外，205 nm 处的吸收峰主要代表硫酮、羧类和酯类等，吸收峰减小说明反应器对这些物质的处理能力提高。进水吸光度为4.302，3 号反应器的出水吸光度（4.032）低于2 号反应器（4.266）和1 号反应器（4.619），说明复合投加PAC 和Rpf 可去除单一投加不能去除的物质。由此可知，Rpf增效PACT 能更好地去除废水中的硫酮、羧类和酯类等物质。