好氧时间与缺氧时间变化对O/A-SBR处理海水养殖废水性能影响❋

李志伟， 代明月， 高孟春， 王　哲， 王　森， 王子超， 常庆波

(1.中国海洋大学海洋环境与生态教育部重点实验室， 山东 青岛 266100； 2.中国海洋大学环境科学与工程学院， 山东 青岛 266100)

好氧时间与缺氧时间变化对O/A-SBR处理海水养殖废水性能影响❋

李志伟1,2， 代明月2， 高孟春1❋❋， 王哲1， 王森2， 王子超2， 常庆波2

(1.中国海洋大学海洋环境与生态教育部重点实验室， 山东 青岛 266100； 2.中国海洋大学环境科学与工程学院， 山东 青岛 266100)

摘要：考察了好氧时间与缺氧时间的变化对好氧/缺氧-序批式反应器(O/A-SBR)处理海水养殖废水性能的影响。结果表明，好氧时间/缺氧时间变化对COD去除效果影响不大，但对O/A-SBR的脱氮性能有着明显的影响。当好氧时间/缺氧时间从2h/8h逐渐地变为0.5h/9.5h时，污泥比好氧速率(SOUR)从36.49mg O2/(g MLSS·h)逐渐降低到31.93mg O2/(g MLSS·h)，溶解氧的高低直接地影响着活性污泥SOUR的大小。活性污泥的比氨氧化速率(SAOR)和比硝酸盐氧化速率(SNOR)在好氧时间长的情况下相对较高，但好氧条件却抑制了活性污泥的反硝化速率(SNRR)。好氧时间与缺氧时间变化使O/A-SBR中微生物群落结构发生变化，一些微生物不能够适应环境变化的微生物可能减弱或被淘汰。

关键词：海水养殖废水； SBR； 比好氧速率； 比氨氧化速率； 比硝酸盐氧化速率； 微生物群落

引用格式：李志伟， 代明月， 高孟春,等. 好氧时间与缺氧时间变化对O/A-SBR处理海水养殖废水性能影响[J]. 中国海洋大学学报(自然科学版)， 2016， 46(5): 104-110.

LI Zhi-Wei, DAI Ming-Yue, GAO Meng-Chun, et al. Effect of the variation of aerobic time and anoxic time on the performance of O/A-SBR treating mariculture wastewater[J]. Periodical of Ocean University of China, 2016, 46(5): 104-110.

随着全球人口的持续增长和海产品市场需求的不断扩大，海水养殖业得到了快速发展[1]。在海水养殖体系中投加的饵料只有约20%被养殖生物吸收，其余的则以残余饵料和排泄物的形式进入水体。如果不对海水养殖废水加以处理直接排海，其所含的剩余饵料、溶解性有机物、氮等将加剧养殖区及邻近海域富营养化程度，可能引发有害赤潮等海洋生态环境问题。中国是海水养殖产业大国，但养殖模式主要采用粗放性经营型和资源依赖型两种方式，养殖过程中过度地投放饵料，海水养殖废水的任意排放对中国近海海域的生态环境已经造成了严重影响。

本文以好氧/缺氧序批式反应器(O/A-SBR)作为研究对象，研究了O/A-SBR对COD去除效果和脱氮性能的影响，评价了其对污泥的比好氧速率(SOUR)、比氨氧化速率(SAOR)、亚硝酸盐氧化速率(SNOR)和硝酸盐还原速率(SNNR)的影响，并采用PCR-DGGE技术分析了其对O/A-SBR中微生物群落结构的影响。

1试验装置与分析方法

1.1 试验装置

图1为O/A-SBR工艺流程图。

图1　O/A-SBR工艺流程图

O/A-SBR是由有机玻璃柱制成，内径14cm，有效高度50cm，有效容积7.7L，出水口距底部15cm，容积交换率为50%。进水通过蠕动泵由反应器上部进水；排水由电磁阀控制，采用重力排水；电磁式空气压缩机由反应器底部通过砂芯曝气头曝气，维持溶解氧在2mg/L以上；采用磁力搅拌器搅拌，使活性污泥在缺氧情况下处于悬浮状态。进水、曝气、搅拌、沉淀和排水通过时间继电器和电磁阀实现自动控制，具体运行参数如下：进水0.25h，好氧7h，缺氧3h，沉淀1.5h，排水0.25h，每个周期12h，1d运行2个周期。在缺氧阶段SBR中DO>2mg/L，好氧阶段DO<0.5mg/L。O/A-SBR的运行条件及运行时间如表1所示。

1.2 接种污泥和进水水质

表1　O/A-SBR反应器运行条件及运行时间

1.3 分析方法

2结果与讨论

2.1 好氧时间/缺氧时间变化对COD去除效果的影响

图2表示好氧时间/缺氧时间变化对O/A-SBR去除COD的影响。在好氧时间和缺氧时间之和为10h情况下，缺氧时间从7h逐渐地增加到9.5h对COD去除效果没有明显影响。然而，在好氧时间/缺氧时间依次变为1h/8h和1h/7h时，O/A-SBR对COD的去除效率逐渐降低。研究结果表明，O/A-SBR中好氧微生物、兼性微生物和厌氧微生物都能够有效地去除海水养殖废水中有机物，但好氧时间和缺氧时间之和(即水力停留时间)的大小可以影响其对COD的去除效率。

图2　好氧时间与缺氧时间对O/A-SBR去除COD的影响

2.2 好氧与缺氧时间变化对脱氮性能的影响

图3　好氧时间与缺氧时间对O/A-SBR脱氮性能的影响

2.3 好氧与缺氧时间变化对SOUR的影响

SOUR是指单位质量的活性污泥在单位时间内所利用氧的量，是评价污泥微生物代谢活性的一个重要指标。根据同一系统中不同时期污泥比耗氧速率的变化可以判断污泥性质的变化。图4表示好氧时间与缺氧时间变化对O/A-SBR反应器中活性污泥SOUR的影响。在好氧时间和缺氧时间之和为10h的情况下，当好氧时间/缺氧时间从3h/7h变为2h/8h时，SOUR未发现明显的变化。但是，当好氧时间从2h逐渐降低到0.5h时，在运行稳定阶段SOUR从36.49 mg O2/(g MLSS·h)逐渐降低31.93mg O2/(g MLSS·h),这主要由于随着缺氧时间的增长，反应器中微生物适应了较长时间的缺氧环境，反应器中厌氧微生物数量增加，从而导致了SOUR的降低。当好氧时间/缺氧时间变为1h/8h变为1h/7h时，在一个运行周期内好氧时间所占比例逐渐增加而导致SOUR逐渐增加。研究结果表明，SBR中溶解氧的高低直接地影响着活性污泥SOUR的大小。

图4　好氧时间与缺氧时间对SOUR的影响

2.4 好氧与缺氧时间变化对SAOR、SNOR和SNRR的影响

图5　好氧时间与缺氧时间变化对

2.5 好氧与缺氧时间变化对微生物群落结构的影响

图6为好氧时间与缺氧时间变化对活性污泥DGGE谱图的影响。在运行过程中好氧时间与缺氧时间的变化使DGGE谱图中条带数和条带强度有明显的变化。条带8、9、10和32在整个运行过程中占优势，这些条带所代表的微生物可能主要是兼性微生物，能够在好氧条件或缺氧条件下生长、发育和繁殖。条带4、17和23随着好氧时间/缺氧时间从3h/7h依次变为2h/8h、1h/9h、0.5h/9.5h、1h/8h和1h/7h的过程中强度逐渐降低或者消失。一些条带(如条带21、18和18)的强度随着好氧时间与好氧阶段时间变化或增强或减弱，可能是好氧微生物受到厌氧条件(或厌氧微生物受到好氧条件)的抑制作用造成的。条带16的强度随着缺氧时间的增加而逐渐增强，这说明条带16所代表的菌种能适应低溶解氧环境。总体上来说，好氧时间与缺氧时间变化可以使SBR中微生物群落结构发生演替变化，能够适应环境的微生物得到生存和发展，不能够适应环境变化的微生物可能减弱或被淘汰。

图6　在不同好氧时间与缺氧时间下PCR-DGGE谱图

应用Quantity One软件对DGGE图谱进行分析，采用Shannon-Weaver多样性指数(SDI)分析活性污泥中微生物多样性特征，SDI值越大，微生物多样性越高。在最初好氧时间/缺氧时间为3h/7h时微生物多样性指数为3.16。当好氧时间/缺氧时间依次变为2h/8h、1h/9h、0.5h/9.5h、1h/8h和1h/7h时，其相应的微生物多样性指数依次为3.21、3.12、3.12、3.20和3.17，表明好氧时间/缺氧时间变化使SBR中微生物的多样性发生了变化。其中，微生物多样性最大值出现在好氧时间/缺氧时间为2h/8h。研究结果表明，当SBR中缺氧时间较长时，微生物多样性逐渐降低，可能好氧微生物已经无法适应长期缺氧的环境，厌氧菌和兼性菌开始逐渐占据优势地位，而当缺氧时间逐渐减少后微生物多样性又逐渐增加。图7为采用非加权配对算术平均法对不同条件下DGGE谱图进行聚类分析。6个污泥样品分为两大族群，两个族群之间的相似性为75%。好氧时间/缺氧时间为3h/7h的污泥样品为一个族群。另一族群包括好氧时间/缺氧时间为2h/8h、1h/9h、0.5h/9.5h、1h/8h和1h/7h的污泥样品，它们之间相继形成了不同的亚族群，不同的亚族群之间最大的相似性为86%。

图7　在不同好氧时间与缺氧时间下DGGE聚类分析

为了进一步分析不同好氧与缺氧时间下SBR中微生物的群落结构，本研究取DGGE图谱中清晰且相对独立的24个条带进行切胶回收与克隆测序。在NCBI基因库中通过BLAST对测序结果检索和同源性分析，选取序列最为接近的菌种，结果如表2所示。从测序结果来看，一些条带(如条带2～4、6～9、16等)为不可培养菌(Uncultured bacterium)，其具体种属和理化性质不能确定。条带13对应的菌株与Halomonastaeanensis具有97%的相似性。Lee等[12]报道了Halomonastaeanensis是一种能够在1%～25%的盐度下生存的耐盐菌，具有将硝酸盐转化为亚硝酸盐的能力。条带14对应的菌株与硝酸盐还原菌Nitratireductorlucknowense有98%的相似性，Manickam等[13]从被农药污染的土壤中提取出此菌，发现Nitratireductorlucknowense可以对淀粉等有机物进行分解且能够对硝酸盐进行还原。条带17与Rhodococcussp菌种具有100%的相似性，本次分离出菌为Rhodococcus属的Rhodococcussp.IFP2041。文献报道从土壤中分离出了Rhodococcussp.DN菌[14]，该菌能够在以硝酸钠为氮源进行好氧反硝化。条带17在好氧时间/缺氧时间为3h/7h和2h/8h亮度较为明显，但随着缺氧段的增加条带亮度逐渐变暗，可推断其可能适合在好氧环境中生存。

表2　DGGE条带16S rDNA序列在NCBI数据库中的对比结果

3结论

(1)在缺氧时间与好氧时间之和一定的情况下，COD去除率随着缺氧时间/好氧时间变化不会有明显改变。但是，COD去除率会随着缺氧时间与好氧时间之和缩短而降低。

(2)在缺氧时间与好氧时间之和一定的情况下，SAOR、SNOR和SOUR随着好氧时间的增加而增加，但是SNNR受到抑制影响。缺氧时间与好氧时间变化对SAOR、SNOR和SNNR的影响情况与O/A-SBR脱氮性能是一致的。

(3)好氧时间与缺氧时间变化使O/A-SBR中微生物群落结构发生变化，能够适应环境的微生物得到生存和发展,不能够适应环境变化的微生物可能减弱或被淘汰。

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责任编辑庞旻

Effect of the Variation of Aerobic Time and Anoxic Time on the Performance of O/A-SBR Treating Mariculture Wastewater

LI Zhi-Wei1,2, DAI Ming-Yue2, GAO Meng-Chun1, WANG Sen2, WANG Zi-Chao2, CHANG Qing-Bo2

(1.The Key Laboratory of Marine Environmental Science and Ecology, Ministry of Education, Qingdao 266100, China; 2.College of Environmental Science and Engineering, Ocean University of China, Qingdao 266100, China)

Abstract:The effects of aerobic time and anoxic time on the performance of O/A-SBR were investigated in treating mariculture wastewater. The COD efficiency had no obvious effect with the variation of aerobic time and anoxic time, whereas the performance of nitrogen removal was obviously affected by the variation of aerobic time and anoxic time in the O/A-SBR. The sludge specific oxygen uptake rate (SOUR) decreased from 36.49 to 31.93 mg O2/(g MLSS·h) with the variation of aerobic time/anoxic time from 2 h/8 h to 0.5 h/9.5 h, suggesting the dissolved oxygen could affect the SOUR. The specific ammonia oxygen rate (SAOR) and specific nitrite oxygen rate (SNOR) of activated sludge was relatively higher at the longer aerobic time, but the specific nitrate reduction rate was inhibited. The microbial community of activated sludge varied with the variation of aerobic time/anoxic time, and some microorganisms might weaken or deleted in the O/A-SBR.

Key words:mariculture wastewater; SBR; specific oxygen uptake rate; specific ammonia oxygen rate; specific nitrite oxygen rate; microbial community

基金项目：❋ 国家自然科学基金项目(51178437)；中国海洋大学国家大学生创新训练项目(201310423074)资助

收稿日期：2015-04-29；

修订日期：2015-05-18

作者简介：李志伟(1983-)，男，硕士生。E-mail: 1039790846@qq.com ❋❋通讯作者：E-mail： mengchun @ ouc.edu.cn

中图法分类号：X131.2

文献标志码：A

文章编号：1672-5174(2016)05-104-07

DOI：10.16441/j.cnki.hdxb.20150151

Supported by Natural Science Foundation of China (51178437); Ocean University of China-Student Research Development Program (201310423074)