紡織印染廢水一直以排放量大、水質(zhì)復(fù)雜、色度高、處理難度大等特點(diǎn)而成為廢水治理工藝研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。目前印染廢水的處理方法通常是生物法和物化法結(jié)合，單獨(dú)使用任何傳統(tǒng)處理方法都不能有效地去除紡織廢水中存在的各種污染物。好氧顆粒污泥是一種微生物自凝聚形成的特殊生物膜，由外向內(nèi)延伸依次聚集生長好氧、兼性厭氧、厭氧微生物，特殊的層狀分布能使好氧顆粒污泥在一個(gè)生物池中同時(shí)對廢水中各類特征污染物進(jìn)行去除，生物量高，剩余污泥量少，且對有毒有害物質(zhì)和高負(fù)荷廢水的沖擊耐受力強(qiáng)。因此，好氧顆粒污泥技術(shù)是一種潛在的高效廢水生物處理技術(shù)。由于好氧顆粒污泥技術(shù)應(yīng)用于印染廢水處理方面的研究較少，因此筆者在單獨(dú)的好氧條件下，采用低高徑比(3.9)的SBR反應(yīng)器，接種剩余污泥，在有機(jī)負(fù)荷(OLR)為3kg/(m3d)的模擬印染廢水中馴化好氧顆粒污泥，通過測定COD、氨氮(NH4+-N)、總磷(TP)、色度及顆粒特性等指標(biāo)，評估好氧顆粒污泥對印染廢水的處理效能，同時(shí)對系統(tǒng)中不同時(shí)期的微生物菌群結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，探究生物轉(zhuǎn)化機(jī)理，通過試驗(yàn)進(jìn)一步論證好氧顆粒污泥技術(shù)應(yīng)用到印染廢水處理中的可行性。
一、材料與方法
1.1 實(shí)驗(yàn)裝置
試驗(yàn)反應(yīng)器采用SBR的運(yùn)行方式，主體由圓柱形有機(jī)玻璃制成，內(nèi)徑100mm，有效高度為390mm，總有效容積為3.0L，排水率為50%，即每周期進(jìn)水1.5L。每天3個(gè)運(yùn)行周期，每周期8h，HRT為16h，水力負(fù)荷為0.57m3/(m2·d)。其中進(jìn)水5min，曝氣450min，沉淀時(shí)間8min，排水2min，靜置時(shí)間15min。進(jìn)水泵為蠕動(dòng)泵(BT100-2J)，轉(zhuǎn)速為93.5r/min，曝氣采用鼓風(fēng)曝氣，曝氣量為60L/h，由氣體流量計(jì)控制，有1#、2#、3#共3個(gè)排水口，出水按照順序依次排出，反應(yīng)溫度為室溫。試驗(yàn)裝置采用PLC自動(dòng)控制。
1.2 接種污泥
實(shí)驗(yàn)接種污泥取自廣州市某污水處理廠二沉池的普通活性污泥。接種前去除污泥表面雜質(zhì)，將污泥靜置倒掉上清液后，剩下的濃縮污泥悶曝48h，消耗污泥中的有機(jī)物，接種污泥的MLSS為8973mg/L，SVI為83%，取1.5L接種污泥倒入SBR反應(yīng)器中，加入模擬廢水至3L，反應(yīng)器中的MLSS為4487mg/L。
1.3 模擬廢水組分
實(shí)驗(yàn)用水采用人工配水(各成分單位以mg/L計(jì))，以乙酸鈉和葡萄糖作為碳源，氯化銨作為氮源，磷酸二氫鉀為磷源，根據(jù)COD：N：P=100：5：1進(jìn)行配比。進(jìn)水基質(zhì)分為兩個(gè)階段，第一階段(第1天要第23天)，以葡萄糖為單一碳源，葡萄糖2000，第二階段(第24天要實(shí)驗(yàn)結(jié)束)，以乙酸鈉和葡萄糖作為碳源，其中乙酸鈉1280，葡萄糖1000。其他成分都相同，包括NH4Cl382，K2HPO448，MgSO4-7H2O120，CaCl-2H2O160，F(xiàn)eSO4-7H2O80，NaHCO3400，活性黑KN-B染料20。每升水中加入0.8mL的微量元素溶液，微量元素成分為院ZnSO4-7H2O120，CuSO4-5H2O30，KI180，MnCl2-4H2O120，CoCl2-6H2O150，H3BO4150。進(jìn)水COD1704~2310mg/L、NH4+-N85.2~114.8mg/L、TP12.94~16.3mg/L、pH7.0~7.5。
1.4 分析項(xiàng)目與檢測方法
實(shí)驗(yàn)中水質(zhì)測定均采用國家標(biāo)準(zhǔn)方法，其中NH4+-N測定采用水楊酸試劑法，COD測定采用重鉻酸鉀法，TP用哈希分光光度法，pH采用便攜式pH計(jì)(PJBJ-260，上海雷磁公司)測定，污泥微觀結(jié)構(gòu)采用掃描電子顯微鏡觀測(S-3000N，Hitachi公司)。
1.5 基于Illumina平臺的16SrDNA宏基因組測序
1.5.1 污泥微生物選取與制備
分別選取系統(tǒng)中好氧顆粒污泥部分解體期(第115天)和顆粒修復(fù)后期(第128天以后)的污泥進(jìn)行研究，污泥樣品的制備方法為院兩個(gè)樣品均選自系統(tǒng)中的混合污泥，在3000r/min條件下離心3min，去除上清液，取濃縮污泥50mL，備用。
1.5.2 高通量測序方法
將采集的微生物樣品，送至檢測機(jī)構(gòu)(廣州銳博生物科技有限公司)進(jìn)行16SrDNA宏基因組測序。
二、結(jié)果和討論
2.1 好氧顆粒污泥顆粒化
本實(shí)驗(yàn)在模擬廢水中共運(yùn)行144d，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程分為第玉階段馴化期(第1天要第48天)，第域階段穩(wěn)定期(第49天要第113天)，第芋階段解體期(第114天要第125天)與第郁階段修復(fù)期(第126天要第144天)4個(gè)階段。圖1是用數(shù)碼相機(jī)拍攝的顆粒污泥不同時(shí)期的形態(tài)特征。
在馴化期的第1天要第23天，采用葡萄糖為單一碳源，系統(tǒng)中有大量的絲狀菌繁殖，并且產(chǎn)生部分大而疏松的顆粒污泥，但該污泥結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，在高剪切力作用下被破碎成絮狀，而后絲狀菌以顆粒碎片方式黏附形成沉降性差的菌膠團(tuán)。此時(shí)，系統(tǒng)排泥量大，導(dǎo)致污泥濃度下降，為保證系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定，將部分排出的污泥進(jìn)行回流。第24天要實(shí)驗(yàn)結(jié)束，進(jìn)水基質(zhì)改為混合碳源，據(jù)J.H.Tay等研究，由葡萄糖培養(yǎng)的顆粒污泥以絲狀菌為主，由乙酸鈉培養(yǎng)的顆粒污泥以桿菌為主。為使顆粒污泥變得密實(shí)，第24天要實(shí)驗(yàn)結(jié)束采用乙酸鈉和葡萄糖聯(lián)合培養(yǎng)，引起體系中的絲狀菌減少，顆粒污泥逐漸變得密實(shí)。從第49天開始，系統(tǒng)中開始出現(xiàn)黑色、粒徑2~5mm的規(guī)則密實(shí)顆粒，水質(zhì)處理效果穩(wěn)定，即認(rèn)為好氧顆粒污泥進(jìn)入穩(wěn)定培養(yǎng)期。經(jīng)穩(wěn)定運(yùn)行113d后，部分顆粒有解體現(xiàn)象，通過逐步排出解體污泥，微生物又以破碎顆粒為核心聚集生成新顆粒(第郁階段修復(fù)期)，表明好氧顆粒污泥有自修復(fù)潛力。
2.2 好氧顆粒污泥的微觀結(jié)構(gòu)
還對好氧顆粒污泥的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了觀察?？梢钥吹?，穩(wěn)定期的顆粒污泥輪廓清晰，結(jié)構(gòu)完整但較為疏松，另外顆粒污泥表面空隙較大，有機(jī)物和染料可通過這些孔洞進(jìn)入AGS內(nèi)部，通過孔隙進(jìn)行物質(zhì)交換，從而維持好氧顆粒污泥的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。同時(shí)在高倍的掃描電鏡下，觀察到微生物的聚集狀態(tài)，主要以桿菌為主，絲狀菌纏繞在顆粒中構(gòu)成骨架。實(shí)驗(yàn)證明，用乙酸鈉和葡萄糖聯(lián)合培養(yǎng)的好氧顆粒污泥，避免了絲狀菌的大量繁殖，從而使顆粒結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定。
2.3 印染廢水中水質(zhì)處理效果
印染廢水中水質(zhì)運(yùn)行情況如圖2所示，整個(gè)過程分為4個(gè)階段。
由圖2可看出，第玉階段水質(zhì)波動(dòng)較大。污泥處于接種初期，微生物量較高，對COD的去除效果明顯，第18天時(shí)，由于絲狀顆粒增大后破碎，導(dǎo)致系統(tǒng)出水SS增高，COD去除率下降，系統(tǒng)中NH4+-N的去除能力有限，在第1天要第18天，由于自養(yǎng)菌與異養(yǎng)菌存在基質(zhì)競爭關(guān)系，異養(yǎng)菌在基質(zhì)充足的條件下占據(jù)優(yōu)勢，自養(yǎng)菌對氨氮的降解逐漸減小，NH4+-N的去除率逐漸下降，出水中TP質(zhì)量濃度由3.548mg/L逐漸下降到0.541mg/L，馴化期的顆粒結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，因此印染廢水中色度的去除波動(dòng)較大。第42天要第44天時(shí)，系統(tǒng)中pH升高到8.74，且有許多小泡沫浮在表面，導(dǎo)致出水COD由170.67mg/L上升到621.5mg/L，可能由于曝氣過大破壞了系統(tǒng)中CO2-CO32-緩沖平衡體系，CO2逸出使得pH升高，對COD的降解造成沖擊，而對NH4+-N和TP的影響較小。
第域階段好氧顆粒污泥形態(tài)結(jié)構(gòu)完整，水質(zhì)處理效果比較穩(wěn)定。顆粒表面聚集生長好氧微生物，顆粒內(nèi)部的缺氧/厭氧環(huán)境為脫氮除磷提供有利條件，COD的平均去除率為92.53%，NH4+-N的平均去除率達(dá)到56.65%，TP的最高去除率達(dá)到98.62%，平均去除率為95.12%，色度最大的去除率達(dá)到82.92%，平均去除率為69.03%。本研究中COD的去除率高于R.D.G.Franca等的研究結(jié)果，該研究在6h的厭氧-好氧循環(huán)下，COD的去除率為80%~90%，且證明了染料的存在及其潛在的有毒的中間產(chǎn)物，不會對碳底物的攝取產(chǎn)生負(fù)面影響。M.Sarvajith等也得出類似的結(jié)論，好氧顆粒污泥上的生物過程(C，N和P的去除)不受偶氮染料負(fù)荷的影響。好氧顆粒污泥存在好氧、缺氧、厭氧區(qū)，可以在一個(gè)系統(tǒng)中對印染廢水進(jìn)行有效降解。本試驗(yàn)中反應(yīng)器的曝氣系統(tǒng)屬于上向流，顆粒在反應(yīng)器底部會逐漸沉積，形成局部厭氧區(qū)使污泥老化，在第75天要第80天這段時(shí)間，通過排出反應(yīng)器底部沉積污泥，系統(tǒng)中微生物量減少，COD、NH4+-N和TP的去除受到一定的影響，其中TP的去除率波動(dòng)最大，最低為82.26%，可能由于排出的污泥中帶走部分聚磷菌，使出水TP的濃度變高，去除率下降。
第芋階段，由于顆粒粒徑增大，顆粒內(nèi)部會由于傳質(zhì)受阻產(chǎn)生一個(gè)厭氧的核心，從而導(dǎo)致顆粒污泥解體。從整體運(yùn)行趨勢上看，解體期系統(tǒng)對COD和NH4+-N的降解影響較小，出水COD維持在106.33~212.67mg/L，出水中NH4+-N從40mg/L升高到46.25mg/L，而在好氧的反應(yīng)系統(tǒng)中，顆粒內(nèi)部的厭氧環(huán)境被破壞，TP和染料的色度脫除情況明顯受到?jīng)_擊，TP去除率從97.08%下降到90.73%，色度的去除率由82.92%降為60.80%。
第Ⅳ階段，微生物以解體污泥為支架，重新聚合生成了新顆粒。系統(tǒng)對COD、NH4+-N、TP、色度的平均去除率分別為院92.59%、61.58%、96.77%、74.49%。這一結(jié)果體現(xiàn)好氧顆粒污泥法對染料廢水穩(wěn)定去除的技術(shù)優(yōu)勢。
2.4 微生物菌群的宏基因組16SrDNA測序分析
2.4.1 微生物Alpha多樣性分析
Alpha多樣性是用于分析樣品內(nèi)的微生物群落多樣性。Alpha多樣性有多種衡量指標(biāo)，如Chao1、Shannon、Simpson等，這些指數(shù)數(shù)值越大，表明物種豐度越大。通常用稀釋曲線來評價(jià)測序量是否足以覆蓋所有類群，并間接反映樣品中物種的豐富程度。當(dāng)曲線趨于平緩或者達(dá)到平臺期時(shí)則認(rèn)為測序深度已基本覆蓋樣品中的所有物種。
本研究選取2個(gè)污泥樣品，分別為系統(tǒng)運(yùn)行第115天(1號)和第128天(2號)的污泥，代表著解體期與顆粒修復(fù)期。微生物Alpha多樣性相關(guān)的各項(xiàng)指標(biāo)如表1所示。
結(jié)果顯示本研究中樣品曲線基本趨于平緩，測序結(jié)果占整個(gè)基因組的99%，樣品覆蓋度高，證明樣品測序量基本能夠反映出樣品的物種豐度。樣品2即修復(fù)期顆粒的各項(xiàng)指數(shù)都低于解體期的樣品1，說明好氧顆粒污泥經(jīng)解體修復(fù)后，物種的多樣性減少。
2.4.2 微生物群落結(jié)構(gòu)特征
對宏基因組16SrDNA序列在微生物門分類層面上的比對分析，發(fā)現(xiàn)在模擬印染廢水培養(yǎng)的好氧顆粒污泥系統(tǒng)中，微生物菌群結(jié)構(gòu)比較單一，但各物種的豐度較高，富集的優(yōu)勢菌群對系統(tǒng)運(yùn)行起到了重要的作用。在兩個(gè)污泥樣品中，除2.5%的未識別菌種外，微生物共檢測出19種菌門，解體期時(shí)物種豐度大于1%的菌門有7種，包括變形菌門Proteobacteria(81.19%)、擬桿菌門Bacteroidetes(9.63%)、厚壁菌門Firmicutes(2.08%)、疣微菌門Verrucomicrobia(1.98%)、TM7(1.31%)、放線菌門Actinobacteria(1.18%)、綠彎菌門Chloroflexi(1%)。其中變形桿菌Proteobacteria、擬桿菌Bacteroidetes和厚壁菌門Firmicutes，是偶氮染料中常見的微生物。變形桿菌門Proteobacteria為系統(tǒng)中的絕對優(yōu)勢菌門，Y.M.Kolekar等研究顯示α-，β-和γ-proteobacterial菌群參與偶氮染料脫色。顆粒污泥修復(fù)后，微生物菌群發(fā)生較大的變化，物種豐度大于1%的菌門有2種，變形桿菌Proteo-bacteria(90.83%)豐度比解體時(shí)期提高了9.64%，而擬桿菌Bacteroidetes(5.99%)相對解體期下降了3.64%，表明變形菌門Proteobacteria對顆粒穩(wěn)定性有重要意義。其次，TM7在污泥解體時(shí)豐度為1.31%，而在顆粒修復(fù)后這個(gè)菌門消失，P.Hugenholtz等研究發(fā)現(xiàn)，TM7會引起污泥膨脹，因此本研究中顆粒污泥解體可能與TM7菌門有關(guān)。
從微生物的屬分類水平進(jìn)行分析，結(jié)果如表2所示。在屬分類水平上解體期污泥與顆粒修復(fù)后期的污泥存在顯著差異，變形菌門Proteobacteria的琢proteobacteria綱下屬紅螺菌科Rhodospirillaceae的Magnetospirillum菌屬為系統(tǒng)的絕對優(yōu)勢菌屬。BinHou等研究顯示，紅螺菌科Rhodospirillaceae參與偶氮染料的脫色與生物轉(zhuǎn)化，在本研究中，紅螺菌科的相對豐度遠(yuǎn)高于研究中的數(shù)量，相對豐度從46.36%提升到72.92%，說明解體顆粒修復(fù)后，對印染廢水中有機(jī)物和色度的去除有良好的效果，COD和色度的平均去除率分別為92.59%和74.49%。在解體期系統(tǒng)中的脫氮除磷功能主要由Dechloromonas和Acinetobacter完成，這兩種菌的相對豐度分別為9.59%和2.37%，王啟鑌等研究表明，在較高的有機(jī)負(fù)荷[>0.91kg/(m3?d)]條件下有利于絲狀細(xì)菌Acinetobacter的生長。隨著顆粒逐漸修復(fù)，Dechloromonas和Acinetobacter菌群減少，而β-proteobacteria綱中的紅環(huán)菌科Rhodocyclaceae的KD1-23型菌屬在顆粒修復(fù)后相對豐度從0.06%提升到2.69%，菌群結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化。
三、結(jié)論
(1)好氧顆粒污泥于第49天在模擬印染廢水中馴化成功，3kg/(m3?d)條件下培養(yǎng)的顆粒污泥粒徑較大(2~5mm)，長時(shí)間運(yùn)行會使顆粒發(fā)生解體，但好氧顆粒污泥表現(xiàn)出自修復(fù)潛力。
(2)該體系的COD、氨氮、總磷、色度的平均去除率分別為92.53%、56.65%、95.12%、69.03%，好氧顆粒污泥能在一個(gè)污泥系統(tǒng)中，對印染廢水進(jìn)行有效降解。
(3)本研究中的微生物優(yōu)勢菌門是變形菌門Proteobacteria，其中α-Proteobacteria綱中的磁螺菌屬M(fèi)agnetospirillum對染料降解和COD去除起到了重要的作用。( >
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