磺胺甲恶唑对除磷微生物胞内聚合物的影响研究.pdf
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1、第49卷 第 10 期2023 年 10 月Vol.49 No.10Oct.,2023水处理技术水处理技术TECHNOLOGY OF WATER TREATMENT磺胺甲恶唑对除磷微生物胞内聚合物的影响研究磺胺甲恶唑对除磷微生物胞内聚合物的影响研究辛浩洋1,2,3,张华1,2,3,黄健1,2,3,奚姗姗1,2,3,罗涛1,2,3,何春华1,2,3(1.安徽建筑大学环境与能源工程学院;2.环境污染控制与废弃物资源化利用安徽省重点实验室;3.安徽省生态文明研究院:安徽 合肥 230601)摘摘 要要:研究通过建立SBR反应器来探究磺胺甲恶唑对生物除磷性能的影响,并从胞内聚合物的角度出发研究其机理。
2、结果表明较低浓度的磺胺甲恶唑(0.05、0.1 mg/L)对生物除磷性能及典型周期内营养盐的利用、胞内聚合物含量无显著影响,当磺胺甲恶唑浓度提升至1 mg/L时,开始表现出抑制作用,且随着浓度的升高,抑制作用增强。在高浓度磺胺甲恶唑的存在下,活性污泥系统中COD去除率及除磷率最高降至79.64%及78.5%,且典型周期内有机物及正磷酸盐的消耗也受到明显的抑制,从而导致胞内poly-P、PHB、糖原降解及合成量受到显著影响。关键词关键词:磺胺甲恶唑;生物除磷;活性污泥;胞内聚合物开放科学开放科学(资源服务资源服务)标识码标识码(OSID):中图分类号中图分类号:R978.1 文献标识码文献标识码
3、:A 文章编号文章编号:10003770(2023)10-0113-005磺胺类抗生素为人工合成的抗菌药,具有抗菌谱广、性质稳定、使用简便等优点。磺胺甲恶唑作为磺胺类药物的典型代表,即使是低微浓度,其对葡萄球菌、大肠杆菌等细菌也会产生较强的抑制作用 1,因此被广泛应用于人类及动物治疗感染疾病、畜禽畜牧业及水产养殖业的生长促进剂使用。随着磺胺甲恶唑使用量的增加,大量残留的抗生素会随着市政污水管网进入城市污水处理厂,目前在多个国家城市的污水厂中均检测出高含量的磺胺甲恶唑残留,而城市污水厂的除磷工艺大多以生物除磷为主,磺胺甲恶唑的残留对生物除磷必然构成潜在威胁 2-4。生物除磷技术一直以来被认为是有
4、效抑制水体富营养化的重要途径5。目前常用的生物除磷技术主要依靠活性污泥中富集的聚磷菌(PAO)厌氧释磷,好氧吸磷的能力来去除水体中过量的正磷酸盐6。生物除磷过程与聚磷菌细胞内的多聚磷酸盐(poly-P)、聚羟基烷酸酯(PHAs)和糖原等中间代谢产物的转化息息相关,聚磷菌在厌氧阶段利用水解细胞内储存的 poly-P 及糖原所产生能量用于合成PHAs,在好氧阶段通过降解 PHAs 来合成糖原及poly-P并过量吸收水体中的正磷酸盐7。为了探究抗生素类药物对生物除磷过程的影响,越来越多的学者从胞内聚合物的角度进行研究。XU8等研究发现高浓度的诺氟沙星会影响细胞内PHAs及糖原的转化从而抑制生物除磷性
5、能,LONG9等发现较高浓度的四环素会抑制聚磷菌胞内poly-P的积累及糖原的合成,YI10等通过研究表明高浓度的环丙沙星会显著抑制聚磷菌胞内糖原及PHAs在缺氧及好氧阶段的转化。然而污水中磺胺甲恶唑对生物除磷性能的研究目前较少,其对生物除磷过程中胞内聚合物的变化影响尚不清楚。因此本研究通过投加不同浓度的磺胺甲恶唑来探讨其对生物除磷性能的影响,并对微生物典型周期内营养盐利用及胞内聚合物含量的变化进行探究,以期为了解磺胺甲恶唑对污水生物除磷的影响机制提供一定的指导意义。1 材料与方法材料与方法1.1试验用水与污泥试验用水与污泥试验所用的活性污泥取自安徽省合肥市某污水DOI:10.16796/ki
6、.10003770.2023.10.021收稿日期:2022-11-11基金项目:国家重点研发计划专项项目(2019YFC0408504);安徽省高校省级自然科学研究项目(KJ2019ZD52,KJ2020A0466,KJ2021A0619);安徽建筑大学引进人才及博士启动基金项目(2019QDZ64,2019QDZ60)作者简介:辛浩洋(1997),男,硕士研究生,研究方向为水处理理论与技术;电子邮件:113第 49 卷 第 10 期水处理技术水处理技术处理厂氧化沟末端,取回后的污泥经浓缩沉淀后于实验室内进行培养。人工模拟废水水质的营养物质含量如下:三水合乙酸钠600 mg/L,氯化铵73
7、mg/L,磷酸二氢钾40 mg/L,氯化钙 5 mg/L,硫酸镁95 mg/L,蛋白胨 5 mg/L,酵母膏 5 mg/L,烯丙基硫脲 4 mg/L,乙二胺四乙酸 10 mg/L。为强化污泥中微生物的活性,向污水中加入一定量微量元素配液,微量元素的基本组成为三氯化铁 1.5 mg/L,硼酸 0.15 mg/L,碘化钾0.18 mg/L,氯化锰0.12 mg/L,钼酸钠0.06 mg/L,硫酸锌 0.12 mg/L,六水合氯化钴 0.15 mg/L,硫酸铜 0.03 mg/L。1.2试验装置及运行试验装置及运行试验所用的反应器为9个相同的SBR反应器,其有效体积为6.0 L,内置机械搅拌器,采用
8、BT100-2J 型蠕动泵进水,采用 ACO-002 型空气泵进行曝气,并配置玻璃转子流量计控制曝气量大小,反应器每天运行6个周期,每周期4 h(进水10 min,厌氧搅拌1 h,好氧曝气2 h,静置45 min,出水5 min),所有运行均通过微电脑时控开关进行控制。反应器运行阶段控制pH维持在7.07.5,MLSS为4 200 mg/L,厌氧期溶解氧控制在0.2 mg/L以下,好氧期溶解氧控制在25.5 mg/L。试验首先向反应器中加入培养稳定的活性污泥混合液,然后向各反应器中投加一定量的磺胺甲恶唑控制其浓度分别为 0、0.05、0.1、1、5、10、20、40、60 mg/L。待各反应器
9、运行稳定后测量相关指标来分析磺胺甲恶唑对除磷微生物胞内聚合物的影响机制。1.3分析方法分析方法COD 及正磷酸盐采用国标方法进行测定,pH采用 HQ11d 便携式 pH 仪进行测定,溶解氧采用HQ30d便携式DO仪进行测定,MLSS采用滤纸称重法;微生物胞内多聚磷酸盐的含量采用钼锑抗分光光度法测量11,PHB 的含量采用次氯酸钠法测量12,糖原的含量采用蒽酮-硫酸比色法测定11。2 结果与讨论结果与讨论2.1磺胺甲恶唑对磺胺甲恶唑对SBR性能的影响性能的影响有机物的去除效率及除磷率是直接评价SBR反应器性能的重要指标。磺胺甲恶唑存在情况下对SBR中COD去除效果的影响见图1。由图1可知,所有反
10、应器运行至30周期时COD去除性能基本维持稳定,此时空白组的出水COD为23.38 mg/L,去除率达到91.84%,当磺胺甲恶唑的浓度为0.05、0.1 mg/L时,出水 COD 为 24.37、26.35 mg/L,此时去除率为91.50%与90.81%,表明低浓度的磺胺甲恶唑对SBR中COD的去除几乎无影响。当磺胺甲恶唑浓度提升至1 mg/L时,出水COD升高至36.93 mg/L,COD去除率降至87.11%,此后随着磺胺甲恶唑浓度升高至5、10、20、40、60 mg/L 时,COD 去除率分别降至86.16%、84.28%、83.11%、80.65%、79.63%,说明高浓度的磺胺
11、甲恶唑对COD的去除有明显的抑制作用。图2为磺胺甲恶唑对反应器正磷酸盐去除效果的影响。由图2可知,当反应器运行稳定时,空白组的 出 水 正 磷 酸 盐 浓 度 为 0.08 mg/L,去 除 率 为99.11%,当磺胺甲恶唑浓度较低时(0.05、0.1 mg/L),正磷酸盐去除率为98.75%、98.03%,仍维持在较高水平,说明低浓度的磺胺甲恶唑对正磷酸盐的去除影响不显著。当磺胺甲恶唑的浓度为1 mg/L,此时出水正磷酸盐浓度为0.59 mg/L,已超出城市污水排放的一级A标准,正磷酸盐去除率为93.02%,当磺胺甲恶唑浓度继续升高至5、10、20、40、60 mg/L时,正磷酸盐的去除率分
12、别下降至 89.25%、85.62%、82.01%、79.11%、78.5%。02040608010012020253035404550556065磺胺甲恶唑/(mgL-1)0 0.05 0.1 1 5 10 20 40 60出水COD/(mgL-1)时间/h(a)出水COD0204060801001207580859095100磺胺甲恶唑/(mgL-1)0 0.05 0.1 1 5 10 20 40 60COD去除率/%时间/h(b)COD去除率图1磺胺甲恶唑对各反应器出水COD含量及去除率的影响Fig.1Effect of sulfamethoxazole on COD content a
13、nd removal rate of effluent from each reactor114辛浩洋等,磺胺甲恶唑对除磷微生物胞内聚合物的影响研究上述实验结果表明,低浓度的磺胺甲恶唑对SBR反应器的性能无直接影响,而当磺胺甲恶唑浓度提升至1 mg/L时,反应器中有机物及正磷酸盐的去除率开始出现明显的下降,且随着浓度的升高,磺胺甲恶唑的抑制效应越明显。2.2磺胺甲恶唑对微生物典型周期内营养盐利用磺胺甲恶唑对微生物典型周期内营养盐利用的影响的影响典型周期内营养盐含量的变化可以有效表征磺胺甲恶唑对生物除磷的抑制过程13。图3为磺胺甲恶唑存在下典型周期内 COD的含量变化。由图 3可知,生物除磷过程
14、中COD的消耗主要发生在厌氧阶段,而在好氧阶段COD也有适当的消耗,主要是用于微生物维持自身的代谢。空白组在厌氧阶段的COD消耗量为236.14 mg/L,当磺胺甲恶唑浓度较低时(0.05、0.1 mg/L),COD 在厌氧阶段的消耗量为234.3、234.22 mg/L,与空白组基本一致。当磺胺甲恶唑浓度提升至1 mg/L时,厌氧阶段的COD仍迅速降低,但消耗量为225.94 mg/L,为空白组的95.68%,说明1 mg/L的磺胺甲恶唑开始抑制微生物对COD的利用,随着磺胺甲恶唑浓度的提升至 5、10、20、40、60 mg/L 时,COD 的厌氧消耗量分别降低至224.73、219.81
15、、217.04、210.3、207.63 mg/L,说明高浓度的磺胺甲恶唑可以抑制微生物对污水中有机物的吸收利用。图4为磺胺甲恶唑对典型周期内正磷酸盐含量变化的影响。由图4可知,空白组的厌氧释磷量和好氧吸磷量分别为30.6、38.9 mg/L,当投加0.05、0.1 mg/L 的磺胺甲恶唑时,微生物的厌氧释磷量为29.77、29.44 mg/L,在随后的好氧阶段,微生物的吸磷量为38.04、37.66 mg/L,与空白组差异均不大,说明较低浓度的磺胺甲恶唑对微生物的释磷吸磷影响不显著。当磺胺甲恶唑浓度为1 mg/L时,聚磷菌的厌氧释磷量与好氧吸磷量为27.26、35.06 mg/L,为空白组的
16、89.1%、90.12%,说明此时开始体现出对释磷吸磷能力的抑制作用,而当磺胺甲恶唑浓度提高至5、10、20、40、60 mg/L 时,微生物的厌氧释磷量为26.66、26.59、24.57、23.71、22.71 mg/L,好氧吸磷量34.14、33.77、31.45、30.34、29.29 mg/L,在最高浓度磺胺甲恶唑的作用下,微生物的释磷量与吸磷量仅为空白组的74.22%、75.29%,说明高浓度的磺胺甲恶唑显著抑制了聚磷菌的释磷与吸磷能力。0306090120150180050100150200250300磺胺甲恶唑/(mgL-1)0 0.05 0.1 1 5 10 20 40 60
17、COD/(mgL-1)时间/min 图3磺胺甲恶唑对典型周期内COD利用的影响Fig.3Effect of sulfamethoxazole on COD utilization in typical cycle03060901201501800510152025303540磺胺甲恶唑/(mgL-1)0 0.05 0.1 1 5 10 20 40 60(正磷酸盐)/(mgL-1)时间/min 图4磺胺甲恶唑对典型周期内正磷酸盐含量变化的影响Fig.4Effect of sulfamethoxazole on the change of orthophosphate content in typ
18、ical cycles0204060801001200.00.20.40.60.81.01.21.41.61.82.0磺胺甲恶唑/(mgL-1)0 0.05 0.1 1 5 10 20 40 60出水磷含量(mgL-1)时间/h(a)出水正磷酸盐0204060801001207580859095100磺胺甲恶唑/(mgL-1)0 0.05 0.1 1 5 10 20 40 60正磷酸盐去除率/%时间/h(b)正磷酸盐去除率图2磺胺甲恶唑对各反应器出水正磷酸盐含量及去除率的影响Fig.2Effect of sulfamethoxazole on Phosphate content and rem
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