环境科学  2016, Vol. 37 Issue (8): 3101-3107   PDF    
引用本文
刘春, 于长富, 张静, 陈晓轩, 张磊, 杨景亮 . 膜曝气-生物膜反应器生物强化处理阿特拉津废水运行性能[J]. 环境科学,2016, 37(8): 3101-3107.
LIU Chun, YU Chang-fu, ZHANG Jing, CHEN Xiao-xuan, ZHANG Lei, YANG Jing-liang . Operation Performance of a Bioaugmented Membrane-aerated Biofilm Reactor Treating Atrazine Wastewater[J]. Environmental Science,2016, 37(8): 3101-3107.
膜曝气-生物膜反应器生物强化处理阿特拉津废水运行性能
刘春 , 于长富 , 张静 , 陈晓轩 , 张磊 , 杨景亮     
河北科技大学环境科学与工程学院, 河北省污染防治生物技术实验室, 石家庄 050018
收稿日期: 2016-01-13; 修订日期: 2016-03-09
基金项目: 河北省自然科学基金项目（E2015208140）
通讯联系人, 刘春(1976~), 男, 博士, 教授, 主要研究方向为废水生物处理技术, E-mail:liuchun@hebust.edu.cn
摘要: 在疏水SPG（shirasu porous glass）膜表面形成基因工程菌生物膜，构建SPG膜曝气-生物膜反应器（MABR）生物强化处理阿特拉津废水，考察MABR反应器稳定运行过程中污染物去除性能及其影响因素.结果表明，增大SPG膜孔径和曝气压力，能够提高曝气供氧能力，改善COD和阿特拉津生物强化去除效能. 1.5μm疏水SPG膜在70 kPa曝气压力下的最大供氧能力约为22.4 g·（m2·d）-1.曝气压力为70 kPa、水力停留时间（HRT）为1.5 h时，1.5μm膜MABR反应器COD平均去除率为80.1%，平均去除负荷为1.86 kg·（m3·d）-1；阿特拉津平均去除率为62.5%，平均去除负荷为0.18 kg·（m3·d）-1.进一步缩短HRT、增加进水负荷后，MABR反应器DO浓度显著下降，COD和阿特拉津去除效率大幅降低. DO浓度对阿特拉津去除的影响更为显著.随着MABR反应器的稳定运行，SPG膜表面单一基因工程菌生物膜逐渐演化为复杂微生物群落，但基因工程菌可以较好地存在于生物膜内，从而保持阿特拉津生物强化去除能力.
关键词: 基因工程菌      膜曝气-生物膜反应器(MABR)      疏水SPG膜      生物强化      阿特拉津     
Operation Performance of a Bioaugmented Membrane-aerated Biofilm Reactor Treating Atrazine Wastewater
LIU Chun , YU Chang-fu , ZHANG Jing , CHEN Xiao-xuan , ZHANG Lei , YANG Jing-liang     
Pollution Prevention Biotechnology Laboratory of Hebei Province, School of Environmental Science and Engineering, Hebei University of Science and Technology, Shijiazhuang 050018, China
Abstract: A hydrophobic SPG (shirasu porous glass) membrane-aerated biofilm reactor (MABR) with genetically engineered microorganism (GEM) biofilm formed on the SPG membrane surface was applied to treat atrazine wastewater. The contaminant removal performance and its influencing factors were investigated during the stable operation of this MABR. The results indicated that the oxygen supply capacity could be increased in the SPG membrane aeration when the membrane pore size and the aeration pressure increased, which could improve the performance of COD and atrazine removals. The maximum oxygen supply capacity of hydrophobic SPG membrane with pore size of 1.5μm was estimated to be about 22.4 g·(m2·d)-1 at aeration pressure of 70 kPa. When aeration pressure was 70 kPa and hydraulic retention time (HRT) was 1.5 h, the average COD removal efficiency was 80.1% and the average organic loading rate removed was 1.86 kg·(m3·d)-1in the MABR with 1.5μm hydrophobic SPG membrane. Under the same operating conditions, the average atrazine removal efficiency was 62.5% and the average atrazine loading rate removed was 0.18 kg·(m3·d)-1. The COD and atrazine removal efficiencies decreased significantly at further shortened HRT and increased influent organic loading rate. DO concentration showed more significant influence on atrazine removal. The simplex genetically engineered microorganism biofilm turned into complex microbial community gradually during MABR operation, but the GEM cells could still reside in the biofilm well. Therefore, the efficient atrazine removal by GEM bioaugmentation could be maintained.
Key words: genetically engineered microorganism      membrane-aerated biofilm reactor      hydrophobic SPG membrane      bioaugmentation      atrazine     

膜曝气-生物膜反应器(membrane-aerated biofilm reactor，MABR)是膜技术和生物膜反应器相结合的一种新型污水处理工艺[1~3].该工艺采用的曝气膜一般为微孔疏水有机膜或致密硅橡胶膜，在保持气体分压低于泡点的情况下，空气或纯氧可以以极小的气泡或无泡的形式进入水体中，从而可以获得极高的氧利用率[4~8].膜组件不仅可以起到曝气作用，同时也可以成为微生物生长附着的载体[9].氧气从膜腔内通过膜孔进入液相，被附着在膜外壁的生物膜利用，同时液相中的污染物质以相反的方向向生物膜内传递，从而起到异向传质的效果，有助于微生物对水体中的污染物进行降解，达到净化水质的作用[10~12].

基因工程菌生物强化处理是提高难降解污染物生物去除效率的重要手段[13].基因工程菌生物强化不仅可以高效地去除目标污染物，提高系统的抗冲击负荷能力，而且还能够增强微生物群落结构和功能的稳定性[14, 15].运行SPG膜曝气-基因工程菌生物膜反应器有助于生物膜的迅速形成，提高生物强化的处理效果和生物群落的稳定性[16].

阿特拉津是世界上使用最广泛的一种除草剂，由于使用量大、残留期长，在田间施用后会随着地表径流、沉降等多种途径进入地表水和地下水，从而造成水体污染[17].阿特拉津生产废水的不当排放，也会对人类和生态系统产生严重的危害[18].由于阿特拉津的难生物降解性，传统的处理方法对阿特拉津的去除效果较差，采用基因工程菌生物强化处理阿特拉津可以达到稳定高效的处理效果[19, 20].

本研究采用疏水SPG膜曝气，并在SPG膜表面形成基因工程菌生物膜，运行基因工程菌生物强化的MABR反应器处理阿特拉津废水.考察稳定运行过程中，生物强化MABR反应器对阿特拉津的生物去除效果和影响因素，以期为难降解废水生物强化处理提供技术支持.

1 材料与方法 1.1 菌株

本研究使用的基因工程菌受体细胞为E. coli DH5α，质粒载体为pUC18，携带阿特拉津脱氯水解酶基因(atzA)、绿色荧光蛋白基因(gfp)及氨苄青霉素抗性基因[21].

1.2 菌悬液的制备

挑单菌落于LB培养基中(含60μg·mL-1氨苄青霉素)，在37℃，120~140 r·min-1振荡培养过夜，离心，磷酸缓冲液(pH 7.0)洗涤，收获细胞，制成菌悬液备用，菌悬液细胞密度(以干重计)约为0.27 mg·mL-1.

1.3 实验装置

SPG膜曝气MABR反应器实验装置如图 1所示. SPG膜为管式疏水膜，管径为1 cm，膜管长为50 cm，膜孔径分别为1.5μm和0.8μm，膜面积为1.57×10-2 m2.在SPG膜外侧形成基因工程菌生物膜，置于不锈钢柱形反应器中，反应器有效容积为0.12 L.采用蠕动泵向MABR反应器内连续进水，通过调节进水流量控制水力停留时间(HRT).具有一定压力的空气(低于泡点压力)从SPG膜内侧进行无泡曝气.膜外侧形成生物膜后，1.5μm膜泡点压力约为75 kPa，0.8μm膜泡点压力约为130 kPa.

图 1 SPG膜曝气生物强化MABR反应器 Fig. 1 Schematic diagram of bioaugmented MABR reactor using SPG membrane for aeration

1.4 MABR反应器运行

挂膜：以SPG膜为过滤介质，采用循环水真空泵抽滤的方法(抽滤压力>90 kPa)对2 L菌悬液进行过滤，使基因工程菌细胞被截留在SPG膜外侧，形成一层致密均匀的基因工程菌生物膜.

运行：挂膜完成后，在不同条件下连续运行MABR反应器处理阿特拉津废水，进水为人工配水[22]，进水COD浓度约为80~160 mg·L-1，进水中阿特拉津浓度为16~22 mg·L-1.测定MABR反应器连续运行中，进出水溶解氧(DO)浓度、污染物(COD、氨氮和阿特拉津)浓度随时间的变化，并在此过程中观察基因工程菌生物膜的变化.实验温度为室温(18~25℃).

1.5 生物膜微生物相的观察

在反应器运行过程中，从SPG膜表面刮取基因工程菌生物膜样品，进行观察.采用荧光显微镜(Leica DM4000，德国)观察生物膜上基因工程菌的绿色荧光效应.采用荧光原位杂交(FISH)技术检测生物膜样品中atzA基因的分布情况[23]，所用atzA基因特异性探针序列为：5′ACG GGC GTC AAT TCT ATG AC，5′荧光物质为HEX，杂交后采用荧光显微镜进行观察[24].通过扫描电镜观察生物膜细胞形态的变化.

1.6 污染物的检测方法

阿特拉津的检测：含有阿特拉津的水样用0.22μm的滤膜过滤后，采用HP1050型HPLC进行检测，色谱柱为Hypersil C18反相柱，检测器为紫外检测器，检测条件为：流动相配比为甲醇:水=70 :30，检测波长为223 nm.

COD、氨氮浓度测定采用国标法，DO浓度采用溶解氧仪(WTW cellOx 325，德国)测定.

1.7 统计分析

本研究使用SPSS statistics 19软件进行相关性分析，考察不同变量之间的相关关系. R值表示变量间的相关关系程度和方向. R=-1表明变量之间完全负相关，R=1表明变量之间完全正相关，而R=0表明没有相关关系. P值表示相关性系数检验的统计量显著性概率，当P < 0.05时，表明相关性显著，P < 0.01时，表明相关性非常显著; 当P > 0.05时，表明无显著相关关系.

2 结果与讨论 2.1 SPG膜孔径对MABR反应器运行性能的影响

在初始挂膜生物量为35 g·m-2、HRT为3 h的条件下，比较SPG膜孔径分别为1.5μm和0.8μm时，MABR反应器生物强化处理阿特拉津废水的运行性能. MABR反应器进出水DO浓度变化如图 2所示.可以看到，运行过程中1.5μm膜和0.8μm膜的MABR反应器进水DO浓度较低，平均DO浓度分别为0.29 mg·L-1和0.23 mg·L-1. MABR反应器运行初期(0~15 d)，曝气气压为30 kPa，此时1.5μm膜和0.8μm膜的MABR反应器出水平均DO浓度分别为1.81 mg·L-1和1.54 mg·L-1.运行15 d之后，将曝气气压提高至70 kPa，1.5μm膜MABR反应器出水DO浓度明显提高，16~45 d出水平均DO浓度达到3.16 mg·L-1; 0.8μm膜MABR反应器出水DO浓度也有所提高，16~45 d出水平均DO浓度达到1.87 mg·L-1.

图 2 不同孔径SPG膜曝气MABR反应器中进出水DO浓度变化 Fig. 2 DO concentration in influent and effluent of MABR reactor with different SPG membrane pore size

MABR反应器COD去除率变化如图 3所示，可以看到，MABR反应器运行初期(0~15 d)，1.5μm膜和0.8μm膜的MABR反应器COD平均去除率分别为59.0%和55.8%，出水平均COD浓度分别为47.02 mg·L-1和48.05 mg·L-1，平均COD去除负荷分别为0.55 kg·(m3·d)-1和0.44 kg·(m3·d)-1.提高曝气压力后，16~45 d运行过程中，1.5μm膜和0.8μm膜的MABR反应器COD平均去除率分别为81.1%和67.5%，出水平均COD浓度分别为19.19 mg·L-1和34.50 mg·L-1，平均COD去除负荷分别为0.64 kg·(m3·d)-1和0.60 kg·(m3·d)-1.进水DO浓度一定时，出水DO浓度取决于SPG膜曝气供氧能力和COD去除负荷. 1.5μm膜MABR反应器出水DO浓度和COD去除负荷均高于0.8μm膜MABR反应器，表明1.5μm SPG膜供氧能力明显高于0.8μm SPG膜.提高曝气压力后，MABR反应器出水DO浓度和COD去除负荷均有所提高，表明SPG膜供氧能力增加.可见，MABR反应器的供氧能力受到SPG膜孔径和曝气压力的影响，且是影响COD去除性能的重要因素，增大SPG膜孔径和提高曝气压力能够提高供氧能力，从而改善COD去除性能.

图 3 不同孔径SPG膜曝气MABR反应器COD去除率 Fig. 3 COD removal efficiency of MABR reactor with different SPG membrane pore size

MABR反应器阿特拉津去除率变化如图 4所示，可以看到，MABR反应器运行初期(0~15 d)，1.5μm膜和0.8μm膜的MABR反应器阿特拉津平均去除率分别为42.49%和33.55%，出水平均阿特拉津浓度分别为10.10 mg·L-1和11.61 mg·L-1，阿特拉津平均去除负荷分别为0.059 kg·(m3·d)-1和0.044kg·(m3·d)-1.提高曝气压力后，16~45 d运行过程中，1.5μm膜和0.8μm膜的MABR反应器阿特拉津平均去除率分别为78.7%和41.5%，出水平均阿特拉津浓度分别为3.36 mg·L-1和10.95 mg·L-1，阿特拉津平均去除负荷分别为0.10 kg·(m3·d)-1和0.066 kg·(m3·d)-1.可见，SPG膜曝气供氧能力对阿特拉津去除性能的影响更为显著，1.5μm膜的MABR反应器在70 kPa曝气压力下的阿特拉津去除负荷比30 kPa曝气压力下高69.5%，比相同条件下0.8μm膜的MABR反应器高51.5%.

图 4 不同孔径SPG膜曝气MABR反应器阿特拉津去除率 Fig. 4 Atrazine removal efficiency of MABR reactor with different SPG membrane pore size

2.2 HRT对MABR反应器运行性能的影响

在初始挂膜生物量为35 g·m-2、曝气压力为70 kPa的条件下，连续运行1.5μm SPG膜曝气MABR反应器，并逐渐缩短HRT，考察反应器生物强化处理阿特拉津废水的运行性能.

随着HRT缩短，MABR反应器进出水COD浓度和COD去除率变化如图 5所示.可以看到，HRT分别为3、1.5和0.75 h时，MABR反应器COD平均去除率分别为80.8%、80.1%和55.8%，出水平均COD浓度分别为19.58、24.41和65.08 mg·L-1，COD平均去除负荷分别为0.63、1.86和2.93 kg·(m3·d)-1.可见，HRT从3 h缩短至1.5 h时，MABR反应器COD去除效率基本保持不变，COD去除负荷大幅提高; HRT从1.5 h缩短至0.75 h时，MABR反应器COD去除负荷持续提高，但去除效率明显降低，表明此时COD进水负荷已经超出MABR反应器的处理能力.

图 5 不同HRT下1.5μm SPG膜曝气MABR反应器中COD进出水浓度和COD去除率 Fig. 5 COD concentration in influent and effluent and COD removal efficiency of MABR reactor aerated by 1.5μm SPG membrane at different HRT

随着HRT缩短，MABR反应器进出水DO浓度变化如图 6所示.可以看到，HRT分别为3、1.5和0.75 h时，MABR反应器进水平均DO浓度分别为0.28、0.24和0.18 mg·L-1，出水平均DO浓度分别为3.14、1.49和0.59 mg·L-1.可见，随着HRT缩短，COD去除负荷大幅提高，DO消耗量随之增加，因此出水DO浓度随着HRT缩短大幅下降. HRT为0.75 h时出水平均DO浓度降至0.59 mg·L-1，接近进水平均DO浓度，表明此时SPG膜曝气供氧量基本完全消耗，供氧能力成为COD去除的限制因素，使得COD去除效率降低; 按照此时COD去除负荷估算，1.5μm疏水SPG膜曝气在70 kPa曝气压力下的极限供氧能力约为22.4 g·(m2·d)-1.

图 6 不同HRT下1.5μm SPG膜曝气MABR反应器进出水DO浓度变化 Fig. 6 DO concentration in influent and effluent of MABR reactor aerated by 1.5μm SPG membrane at different HRT

随着HRT缩短，MABR反应器进出水阿特拉津浓度和阿特拉津去除率变化如图 7所示.可以看到，HRT分别为3、1.5和0.75 h时，MABR反应器阿特拉津平均去除率分别为78.7%、62.5%和18.5%，出水平均阿特拉津浓度分别为3.44、6.77和16.52 mg·L-1，阿特拉津平均去除负荷分别为0.10、0.18和0.12 kg·(m3·d)-1.可见，HRT从3 h缩短至1.5 h时，MABR反应器阿特拉津去除效率有所降低，但阿特拉津去除负荷显著提高; HRT从1.5 h缩短至0.75 h时，MABR反应器阿特拉津去除效率大幅降低，阿特拉津去除负荷也明显降低.

图 7 不同HRT下1.5μm SPG膜曝气MABR反应器进出水阿特拉津浓度和阿特拉津去除率 Fig. 7 Atrazine concentration in influent and effluent and atrazine removal efficiency of MABR reactor aerated by 1.5μm SPG membrane at different HRT

对MABR反应器运行过程中不同变量之间的相关性进行进一步分析.结果表明，MABR反应器COD进水负荷和去除负荷存在显著正相关关系(R=0.930，P < 0.01)，表明随着HRT缩短和COD进水负荷的提高，COD去除负荷提高; COD及阿特拉津去除负荷和出水DO浓度存在显著负相关关系(R=-0.610，P < 0.01; R=-0.835，P < 0.01)，表明随着COD和阿特拉津去除负荷提高，DO消耗随之增加，出水DO浓度降低; COD及阿特拉津出水浓度和出水DO浓度存在显著负相关关系(R=-0.666，P < 0.01; R=-0.785，P < 0.01)，表明随着出水DO浓度降低，COD和阿特拉津出水浓度提高，去除效率降低; COD出水浓度和阿特拉津出水浓度存在显著正相关关系(R=0.846，P < 0.01)，表明出水中残留阿特拉津是出水COD浓度的重要来源.需要指出的是，阿特拉津去除指标与出水DO浓度的相关性明显高于COD去除指标，进一步证实DO浓度对阿特拉津去除的影响更为显著.

值得注意的是，MABR反应器生物强化处理阿特拉津废水运行过程中，对废水中氨氮没有去除作用.运行过程中进出水氨氮浓度如图 8所示，进水氨氮平均浓度为13.6 mg·L-1，出水氨氮平均浓度为15.4 mg·L-1，出水氨氮浓度略高于进水氨氮浓度.而基因工程菌生物强化膜生物反应器(MBR)处理阿特拉津废水中，氨氮的去除性能良好，平均氨氮去除率可以达到97%[25].造成这种结果的原因可能是生物强化MABR反应器中生物膜为单一基因工程菌生物膜，尽管运行过程中生物膜中出现其它微生物种群，但并未形成硝化菌群，硝化作用不明显，氨氮仅能作为氮源通过同化作用去除，而阿特拉津降解过程中存在氨氮释放，因此出水氨氮浓度略高于进水浓度.可考虑在生物膜中接种硝化细菌，以改善MABR反应器氨氮去除性能.

图 8 不同HRT下1.5μm SPG膜曝气MABR反应器进出水氨氮浓度变化 Fig. 8 Ammonia concentration in influent and effluent of MABR reactor aerated by 1.5μm SPG membrane at different HRT

2.3 基因工程菌生物膜生物相变化

在MABR反应器运行初期和运行结束后，采用SEM、荧光显微镜和FISH技术对SPG膜表面基因工程菌生物膜进行观察和检测，结果如图 9所示.可以看到，运行初期，生物膜内细胞均为杆状基因工程菌细胞[图 9(A)]，细胞具有明显的绿色荧光效应[图 9(B)]，生物膜内atzA基因丰富且分布均匀[图 9(C)].运行结束时，生物膜内仍然存在大量杆状细胞，同时细胞形态多态化现象明显且存在大量细胞间物质将细胞包裹于其中[图 9(a)]，并观察到轮虫等微型动物出现，表明反应器运行过程中生物膜内其他微生物细胞逐渐繁殖，形成复杂微生物群落; 生物膜的绿色荧光效应减弱[图 9(b)]，其原因可能是基因工程菌细胞被细胞间物质包裹及其他微生物细胞覆盖; 生物膜内atzA基因丰度仍然较高且分布均匀[图 9(c)].可见，MABR反应器长期运行中，基因工程菌能够较好地保持在生物膜内，并有效生物强化去除阿特拉津.

图 9 MABR反应器运行中SPG膜表面基因工程菌生物膜观察 Fig. 9 Observation of genetically engineered microorganism biofilm on the SPG membrane surface during MABR reactor operation

3 结论

(1) 在SPG膜曝气MABR反应器运行中，增大SPG膜孔径和曝气压力，能够提高曝气供氧能力，改善COD和阿特拉津生物强化去除效能. 1.5μm疏水SPG膜在70 kPa曝气压力下的最大供氧能力约为22.4 g·(m2·d)-1.

(2) 曝气气压为70 kPa、HRT为1.5 h时，1.5μm膜MABR反应器COD平均去除率80.1%，平均去除负荷为1.86 kg·(m3·d)-1; 阿特拉津平均去除率为62.5%，平均去除负荷为0.18 kg·(m3·d)-1.进一步缩短HRT、增加进水负荷后，MABR反应器DO浓度显著下降，COD和阿特拉津去除效率大幅降低. DO浓度对阿特拉津去除的影响更为显著.

(3) 在MABR反应器稳定运行中，SPG膜表面单一基因工程菌生物膜逐渐演化为复杂微生物群落，但基因工程菌可以较好地存在于生物膜内，进而保持阿特拉津生物强化去除能力.

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