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外源渗透保护剂对活性污泥耐盐能力的影响 陈立伟蔡天明 南京农业大学资源与环境科学学院， 南京 210095 摘要 高盐分是导致很多工业废水生物处理效率下降的主要因素之一。探讨在生物处理系统中添加渗透保护剂提高 活性污泥耐盐能力的可行性。结果表明 添加海藻糖、 谷氨酸、 甜菜碱和钾离子能提供有效的渗透保护作用， 减轻盐分 对污泥降解活性的抑制， 其中以甜菜碱的渗透保护效果最好。对于未经盐分驯化的非耐盐污泥， 当 NaCl 质量分数为 3 时， 添加20 mg/L的甜菜碱可使其耗氧速率从9. 5 mg/h提高到29. 5 mg/h; 对于经过盐分驯化的耐盐污泥， 当 NaCl 质量分数为 6 时， 添加50 mg/L的甜菜碱可使其耗氧速率从10. 5 mg/h提高到24. 9 mg/h。当生物处理系统受到瞬时 盐分冲击时， 活性污泥中的微生物细胞可以快速吸收添加的甜菜碱而平衡外界渗透压， 从而缩短活性污泥对高盐环境 的适应期， 减轻盐分对活性污泥的毒害。 关键词 高盐废水; 活性污泥; 渗透保护剂; 耐盐能力 EFFECT OF EXOGENOUS OSMPROTECTANTS ON THE SALINITY TOLERANCE OF ACTIVATED SLUDGE Chen LiweiCai Tianming College of Resources and Environmental Sciences，Nanjing Agricultural University，Nanjing 210095，China AbstractHypersaline wastewater，generated by many industrial activities，is difficult to treat through conventional biological processes due to high salinity. In this article，the feasibility of enhancement of exogenously supplied betaine on the salinity tolerance of the activated sludge was studied. The results indicated that many osmprotectants，such as trehalose，glutamate， betaine and potassium ion，could provide osmprotection for the activated sludge under high salinity. And betaine was the optimum osmprotectant. Adding 20 mg/L betaine was sufficient to confer good osmprotection to salt-sensitive sludge under 3 sodium chloride，the oxygen uptake rate was raised from 9. 5 mg/h to 29. 5 mg/h. And 50 mg/L betaine was sufficient to confer good osmprotection to salt-tolerant sludge under 6sodium chloride，the oxygen uptake rate was raised from 10. 5 mg/h to 24. 9 mg/h. Under salt stress，betaine could be absorbed into the microbial cells to balance the extracellular osmolality and thus alleviated the repression of high salinity to the activity of the activated sludge. Keywordshyper saline wastewater;activated sludge;osmprotectant;salinity tolerance 0引言 工业生产中很多环节会产生大量的高盐废水， 如 印染、 造纸、 化工、 农药、 采油、 海产品加工以及海水利 用等， 而且这些废水中除含有高浓度盐分外， 通常还 会含有高浓度有机污染物， 直接排放会对环境造成严 重污染 ［ 1- 3］。用一般的物理化学方法如絮凝、 沉淀、 吸 附、 吹脱、 萃取、 氧化等工艺均不能很有效地处理， 且 处理成本高， 会带来二次污染， 因此生物处理仍是首 选的此类废水处理技术 ［ 1- 3］。但盐浓度过高， 会对生 物处理系统中微生物的生长和降解活性产生抑制。 目前减轻高浓度盐分对生物处理系统的抑制， 提高高 盐条件下生物处理效率的方法主要有两种思路 一是 改进生物处理工艺， 如有研究表明 采用接触氧化法、 SBR 工艺或采用组合 工艺能处理盐含量为 3 ～ 3. 5 的工业废水 ［ 4- 7］; 二是以盐分作为选择压力对活 性污泥进行适当的驯化， 可以改变活性污泥中的微生 物种群结构， 使耐盐微生物成为优势菌群， 或直接在 生物处理系统中接种耐盐微生物， 从而较大程度地提 高其耐盐能力和降解效率 ［ 8- 11］。但是， 在如何改善生 物处理系统中微生物的生理状态从而提高其对高盐 环境的耐受性及对盐浓度瞬时变化所带来的冲击的 适应性方面的研究还未见报道。 611 环境工程 2011 年 2 月第 29 卷第 1 期 根据对盐分的耐受性， 细菌可以分为非耐盐菌 0 ～ 3. 0 NaCl 中生长最好 、 中度嗜盐菌 3. 0 ～ 15 NaCl 中生长最好 和极端嗜盐菌 15 ～ 31 NaCl 中生长最好 。不同的细菌均能够耐受一定范 围的盐浓度， 适应高盐或高渗环境很重要的机制之一 就是在细胞内积累 合成或从外界吸收 小分子物质 来抗衡外界高渗环境。这些小分子物质的特点是高 度水溶性、 不带静电荷， 在细胞内高浓度积累不会影 响生物大分子如蛋白质和核酸的正常生理功能， 但可 以平衡细胞外的渗透压 ［ 12- 13］， 所以称为渗透保护剂 osmprotectant ，又 称 相 容 性 物 质compatible solutes 。现已发现的相容性溶质种类主要有海藻 糖、 氨基酸 谷氨酸和脯氨酸 、 氨基酸衍生物 甜菜 碱、 四氢嘧啶 和钾离子等。大量研究表明， 培养基 中添加微量的渗透保护剂即能显著提高非耐盐细菌 和中度嗜盐菌的耐盐抗旱能力 ［ 3- 5， 8， 14- 15］。其中甜菜 碱是最有效的一种渗透保护剂， 培养基中纳摩尔浓度 的甜菜碱就具有显著的渗透保护效果。 本研究外源添加各种渗透保护剂对非耐盐活性 污泥及经过盐分驯化的活性污泥的渗透保护作用。 1材料与方法 1. 1材料 试验废水为模拟废水， 以葡萄糖、 氯化铵、 磷酸二 氢钾 均为分析纯 提供碳源、 氮源和磷源。其中非 含盐 废 水 水 质 ρ COD为 300 mg/L， ρ NH 4 为 10 mg/L， ρ PO3 － 4 为4 mg/L， 以适量的碳酸钠和碳酸 氢钠调节原水的 pH; 高含盐废水为在非含盐废水水 质基础上添加适量的工业氯化钠提供高盐环境。 接种污泥为扬子石化公司污水生化好氧处理系 统脱水后的剩余污泥， 含水量质量分数约为 86. 6 。 污泥在生物处理反应器中曝气约 1 周， 待污泥复苏， 降解活性恢复后作为非耐盐活性污泥待用。一般非 含盐废水生物处理反应器运行条件为 废水的总水力 停留时间5. 5 h， 反应池 pH 在 7. 5 左右， ρ VSS 控制 在2 g/L左右。 耐盐活性污泥的驯化方法见参考文献 ［ 16］， 驯化 好后作为耐盐活性污泥待用。稳定运行时进水盐质 量浓度为40 g/L NaCl 质量分数 4 ， 废水的水力停 留时间8. 5 h， 反应池 pH 在 7. 5 左右， ρ VSS 控制在 3. 5 g/L左右。 1. 2研究方法 1. 2. 1添加渗透保护剂对活性污泥耐盐性的影响 将非耐盐污泥加入到氯化钠质量分数分别为 0、 0. 5 、 1. 0 、 1. 5 、 2. 0 、 2. 5 、 3. 0 、 3. 5 、 4. 0 和 4. 5 的反应器中， 曝气6 h待反应器稳定运 行后分别加入渗透保护剂海藻糖、 谷氨酸、 甜菜碱 均为分析纯 和钾离子， 使反应器中渗透保护剂质 量浓度为100 mg/L。测定活性污泥的耗氧速率， 耗氧 速率越高则污泥的有机污染物降解活性越强。 同样， 将耐盐污泥加入到氯化钠质量分数分别为 0、 1. 0 、 2. 0 、 3. 0 、 4. 0 、 5. 0 、 6. 0 、 7. 0 、 8. 0 和 9. 0 的反应器中， 曝气8 h待反应器稳定运 行后分别加入渗透保护剂海藻糖、 谷氨酸、 甜菜碱和 钾离 子，使 反 应 器 中 渗 透 保 护 剂 质 量 浓 度 为 100 mg/L。测定活性污泥的耗氧速率。 1. 2. 2甜菜碱浓度对活性污泥在高盐条件下的渗透 保护效果 将非耐盐污泥加入到氯化钠质量分数分别为 0、 2. 0 、 3. 0 和 4. 0 的反应器中， 加入不同质量浓 度的甜菜碱 0， 1， 5， 10， 20， 50 和100 mg/L ， 测定活 性污泥的耗氧速率。 同样， 将耐盐污泥加入到氯化钠质量分数分别为 3. 0 、 4. 0 、 5. 0 和 6. 0 的反应器中， 加入不同 质量浓度的甜菜碱 0， 5， 10， 20， 50 和100 mg/L ， 测 定活性污泥的耗氧速率。 1. 2. 3甜菜碱浓度对活性污泥瞬时渗透冲击时的渗 透保护效果 将非耐盐活性污泥在不含氯化钠的反应器中运 行， 加入20 mg/L的甜菜碱， 待稳定运行后， 反应器中 瞬时加入质量分数为 3 的氯化钠; 耐盐活性污泥在 氯化 钠 质 量 分 数 为 2 的 反 应 器 中 运 行，加 入 50 mg/L的甜菜碱， 待稳定运行后， 反应器中瞬时加入 质量分数为 3 的氯化钠使盐分终质量分数为 5 ， 每隔30 min测定活性污泥的耗氧速率。 1. 3分析方法 DO 采用 JPB － 607 型溶解氧自动测定仪 上海 安亭仪器厂 测定。污泥 SVI 和 VSS 使用国标方 法 ［ 17］进行测定。 2结果 2. 1不同渗透保护剂对活性污泥在高盐条件下的渗 透保护效果 在微生物细胞中常见的渗透保护剂有海藻糖、 谷 氨酸、 甜菜碱和钾离子， 研究这 4 种渗透保护剂对未 经盐分驯化的活性污泥 非耐盐污泥 及经过盐分驯 711 环境工程 2011 年 2 月第 29 卷第 1 期 化的活性污泥 耐盐污泥 在含盐条件下运行时的渗 透保护效果， 结果分别见图 1a 非耐盐污泥 和图 1b 耐盐污泥 。结果表明 非耐盐污泥最适盐质量分 数约为 1 NaCl， 高于 1 的 NaCl 将对其降解活性 a非耐盐活性污泥;b耐盐活性污泥 图 1不同外源渗透保护剂对非耐盐活性污泥 和耐盐活性污泥耗氧速率的影响 产生抑制; 耐盐污泥经过盐分的驯化， 较非耐盐污泥 的耐盐能力要强， 其最适盐质量分数约为 2 ～ 3 ， 但高于此盐含量其活性也会受到抑制。反应器中添 加100 mg/L的这 4 种渗透保护剂对不同盐浓度条件 下运行的非耐盐污泥和耐盐污泥均具有渗透保护效 果， 其渗透保护效果由弱到强依次为海藻糖 谷氨酸 钾离子 甜菜碱， 其中海藻糖仅有很微弱的渗透保 护效果， 而甜菜碱的渗透保护效果最佳， 特别是在反 应器中高盐浓度时; 如非耐盐污泥在盐质量分数为 3. 5 时， 其 耗 氧 速 率 仅 有 5. 3 mg/ L h ， 而 加 入 100 mg/L 的 甜 菜 碱 后， 耗 氧 速 率 达 到 25. 9 mg/ L h ， 降解活性提高了 3. 9 倍; 耐盐污泥 在盐质量分数为 7 时， 活性受到严重抑制， 耗氧速 率仅有6. 1 mg/ L h ， 而加入100 mg/L的甜菜碱后， 耗氧速率达到21. 1 mg/ L h ， 降解活性提高了 2. 5 倍。这些结果表明 外源添加甜菜碱能大幅度减轻盐 分对活性污泥的抑制作用。 2. 2甜菜碱浓度对活性污泥在高盐条件下的渗透保 护效果 研究了不同浓度的外源甜菜碱对不同盐浓度条 件下运行的非耐盐活性污泥及耐盐活性污泥的渗透 保护作用。结果见图 2a 非耐盐活性污泥 和图 2b 耐盐活性污泥 。结果表明 对于在 0 ～ 4 盐质量 分数条件下运行的非耐盐污泥， 甜菜碱浓度越高其渗 透保护效果越好。添加1 mg/L的甜菜碱渗透保护效 果不明显， 添加 5 ～ 10 mg/L的甜菜碱有一定的渗透 保护效果， 而添加20 mg/L的甜菜碱具有良好的渗透 保护效果， 较大程度上解除盐分对活性污泥的抑制作 用， 如在 NaCl 质量分数为 3 时， 添加20 mg/L的甜 菜 碱 可 使 其 耗 氧 率 从 9. 5 mg/ L h提 高 到 29. 5 mg/ L h 。 a非耐盐活性污染;b耐盐活性污染 图 2外源甜菜碱浓度对非耐盐和 耐盐活性污泥耗氧速率的影响 图 2b 为不同浓度甜菜碱对盐质量分数在3 ～ 6 条件下运行的耐盐污泥的渗透保护效果。结果表 明 因耐盐污泥运行在更高的盐浓度范围， 需要更高 浓度的甜菜碱才能产生明显的渗透保护效果， 当盐质 量分数为 4 ～ 5 时， 添加20 mg/L的甜菜碱具有良 好的渗透保护效果; 而当盐质量分数升高到 6 时则 需要添加50 mg/L的甜菜碱才能产生明显的渗透保护 811 环境工程 2011 年 2 月第 29 卷第 1 期 效 果， 可 使 其 耗 氧 速 率 从 10. 5 mg/ L h提 高 到 24. 9 mg/ L h 。 2. 3甜菜碱浓度对活性污泥瞬时渗透冲击时的渗透 保护效果 污泥生物处理系统中经常会出现进水水质不稳 定的状况 包括进水盐浓度突然增加 ， 研究了外源 添加甜菜碱对活性污泥受到盐分瞬时冲击时的渗透 保护效果。试验时设定非耐盐污泥受到瞬时盐质量 分数由 0 突然升高到 3 的冲击， 耐盐污泥受到瞬 时盐浓度由 2 突然升高到 5 的冲击; 测定添加及 不添加甜菜碱条件下反应器活性污泥的耗氧速率， 结 果见图 3。结果表明 无论是非耐盐的活性污泥还是耐 盐的活性污泥， 受到瞬时盐分冲击后其降解活性均大 幅度下降， 并且还观察到污泥出现明显的絮凝体解体、 沉降性能下降和系统出水变混浊的现象; 大约经过 4 ～ 5 h的适应期， 活性污泥降解活性才恢复到稳定运行的 状态。而添加了甜菜碱的生物处理系统中在受到瞬时 盐分冲击时， 降解活性下降的幅度要远小于未添加甜 菜碱的处理， 且在 2 ～ 3 h内活性污泥活性就适应了高 盐环境， 恢复到稳定运行状态; 污泥未出现明显的絮凝 体解体、 沉降性能下降现象， 系统出水较清澈。 当生物处理系统进水盐浓度恢复到原来状态并 稳定运行后， 测定了活性污泥的耗氧速率、 VSS 和 SVI， 结果见表 1。结果表明 受到瞬时盐分冲击并恢 复原状态进水后， 污泥总量、 耗氧速率和沉降性能下 降， 而添加了甜菜碱的处理， 污泥总量、 耗氧速率和沉 降性能下降幅度要较未添加甜菜碱的处理小得多， 如 非耐盐活性污泥对盐进行冲击前后相比， 其耗氧速率 a非耐盐活性污染; b耐盐活性污染 图 3外源甜菜碱对非耐盐和耐盐活性污泥 受到盐分瞬时冲击时耗氧速率的影响 和 VSS 分别下降 38. 5 和 29. 0 ， 而添加了甜菜碱 的处理， 耗氧速率和 VSS 只下降 12. 6 和 12. 1 ; 对 于耐盐污泥， 冲击前后相比， 其耗氧速率和 VSS 分别 下降了 22. 2 和 16. 8 ， 而添加了甜菜碱的处理， 耗 氧速率和 VSS 只下降 29. 0 和 8. 5 。从表 1 数据 可见， 与非耐盐污泥相比， 耐盐污泥经过盐分的驯化， 其抗盐分冲击的能力要强， 表现在盐分冲击恢复后耗 氧速率和 VSS 下降幅度较小。 表 1瞬时盐分冲击对非耐盐和耐盐活性污泥性质的影响 指标 耗氧速率 / mg L － 1h－ 1 挥发性悬浮固体 / g L － 1 平均值增减平均值增减 污泥容积指数 / mL g － 1 非耐盐活性污泥冲击前38. 2 2. 31. 94 0. 1753 冲击后23. 5 1. 8－ 38. 51. 51 0. 17－ 22. 267 添加甜菜碱33. 4 2. 1－ 12. 61. 79 0. 13－ 7. 758 耐盐活性污泥冲击前33. 1 2. 53. 51 0. 2765 冲击后23. 5 1. 3－ 29. 02. 92 0. 21－ 16. 885 添加甜菜碱29. 1 2. 3－ 12. 13. 21 0. 25－ 8. 571 3结论 1 添加海藻糖、 谷氨酸、 甜菜碱和钾离子能提供 有效的渗透保护作用， 减轻盐分对污泥降解活性的抑 制， 其中以甜菜碱的渗透保护效果最好。 2 对于盐质量分数 0 ～ 4 条件下运行的非耐盐 污泥， 添加 10 ～ 20 mg/L的甜菜碱可以提供良好的渗 透保护效果; 对于盐质量分数在 3 ～ 6 条件下运 行的耐盐污泥， 添加50 mg/L的甜菜碱可以提供良好 911 环境工程 2011 年 2 月第 29 卷第 1 期 的渗透保护效果。 3 在生物处理系统受到瞬时盐分冲击时， 活性 污泥中微生物细胞可以快速吸收添加的甜菜碱而平 衡外界渗透压， 从而缩短活性污泥对高盐环境的适应 期， 减轻盐分对活性污泥的毒害。 参考文献 ［1 ］ 农少梅，李捍东，张树增，等. 高盐废水处理技术研究新进展 ［J］ . 江苏环境科技，2008，21 3 72- 76. ［2 ］ 王志霞，王志岩，武周虎. 高盐度废水生物处理现状与前景展 望［J］ . 工业水处理，2002，22 111- 4. ［3 ］ 顾国维. 水污染治理技术研究［M］ . 上海同济大学出版社， 1997 20- 24. ［4 ］ 于德爽，彭永臻， 乔文涛. 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