好氧颗粒污泥处理印染废水的效能及其微生物特征

2020-03-24李黔花李志华于广平王慧娟

工业水处理 2020年3期

李黔花，李志华，岳秀，于广平，王慧娟

（1.西安建筑科技大学环境与市政工程学院，西北水资源与环境生态教育部重点实验室，陕西西安710055；2.广州中国科学院沈阳自动化研究所分所，广东广州511458；3.广东轻工职业技术学院生态环境技术学院，广东广州510300；4.新疆大学建筑工程学院，新疆乌鲁木齐830047）

纺织印染废水一直以排放量大、水质复杂、色度高、处理难度大等特点而成为废水治理工艺研究的重点和难点〔1-3〕。目前印染废水的处理方法通常是生物法和物化法结合，单独使用任何传统处理方法都不能有效地去除纺织废水中存在的各种污染物。好氧颗粒污泥是一种微生物自凝聚形成的特殊生物膜〔4〕，由外向内延伸依次聚集生长好氧、兼性厌氧、厌氧微生物，特殊的层状分布能使好氧颗粒污泥在一个生物池中同时对废水中各类特征污染物进行去除，生物量高，剩余污泥量少，且对有毒有害物质和高负荷废水的冲击耐受力强〔5-6〕。因此，好氧颗粒污泥技术是一种潜在的高效废水生物处理技术。由于好氧颗粒污泥技术应用于印染废水处理方面的研究较少，因此笔者在单独的好氧条件下，采用低高径比（3.9）的SBR反应器，接种剩余污泥，在有机负荷（OLR）为3 kg/（m3·d）的模拟印染废水中驯化好氧颗粒污泥，通过测定 COD、氨氮（N）、总磷（TP）、色度及颗粒特性等指标，评估好氧颗粒污泥对印染废水的处理效能，同时对系统中不同时期的微生物菌群结构进行分析，探究生物转化机理，通过试验进一步论证好氧颗粒污泥技术应用到印染废水处理中的可行性。

1 材料与方法

1.1 实验装置

试验反应器采用SBR的运行方式，主体由圆柱形有机玻璃制成，内径100 mm，有效高度为390 mm，总有效容积为3.0 L，排水率为50%，即每周期进水1.5 L。每天3个运行周期，每周期8 h，HRT为16 h，水力负荷为 0.57 m3/（m2·d）。其中进水 5 min，曝气450 min，沉淀时间 8 min，排水 2 min，静置时间15 min。进水泵为蠕动泵（BT100-2J），转速为93.5 r/min；曝气采用鼓风曝气，曝气量为60 L/h，由气体流量计控制；有1#、2#、3#共3个排水口，出水按照顺序依次排出，反应温度为室温。试验装置采用PLC自动控制。

1.2 接种污泥

实验接种污泥取自广州市某污水处理厂二沉池的普通活性污泥。接种前去除污泥表面杂质，将污泥静置倒掉上清液后，剩下的浓缩污泥闷曝48 h，消耗污泥中的有机物，接种污泥的MLSS为8 973 mg/L，SVI为83%，取1.5L接种污泥倒入SBR反应器中，加入模拟废水至3L，反应器中的MLSS为4 487mg/L。

1.3 模拟废水组分

实验用水采用人工配水（各成分单位以mg/L计），以乙酸钠和葡萄糖作为碳源，氯化铵作为氮源，磷酸二氢钾为磷源，根据 COD∶N∶P=100∶5∶1 进行配比。进水基质分为两个阶段，第一阶段（第1天—第23天），以葡萄糖为单一碳源，葡萄糖2 000；第二阶段（第24天—实验结束），以乙酸钠和葡萄糖作为碳源，其中乙酸钠1 280，葡萄糖1 000。其他成分都相同，包括 NH4Cl 382，K2HPO448，MgSO4·7H2O 120，CaCl2·H2O 160，FeSO4·7H2O 80，NaHCO3400，活性黑KN-B染料20。每升水中加入0.8 mL的微量元素溶液，微量元素成分为：ZnSO4·7H2O 120，CuSO4·5H2O 30，KI 180，MnCl2·4H2O 120，CoCl2·6H2O 150，H3BO4150。进水 COD 1 704～2 310 mg/L、-N 85.2～114.8 mg/L、TP 12.94～16.3 mg/L、pH 7.0～7.5。

1.4 分析项目与检测方法

实验中水质测定均采用国家标准方法〔7〕，其中-N测定采用水杨酸试剂法，COD测定采用重铬酸钾法，TP用哈希分光光度法；pH采用便携式pH计（PJBJ-260，上海雷磁公司）测定，污泥微观结构采用扫描电子显微镜观测（S-3000N，Hitachi公司）。

1.5 基于Illumina平台的16S rDNA宏基因组测序

1.5.1 污泥微生物选取与制备

分别选取系统中好氧颗粒污泥部分解体期（第115天）和颗粒修复后期（第128天以后）的污泥进行研究，污泥样品的制备方法为：两个样品均选自系统中的混合污泥，在3 000 r/min条件下离心3 min，去除上清液，取浓缩污泥50 mL，备用。

1.5.2 高通量测序方法

将采集的微生物样品，送至检测机构（广州锐博生物科技有限公司）进行16S rDNA宏基因组测序。

2 结果和讨论

2.1 好氧颗粒污泥颗粒化

本实验在模拟废水中共运行144 d，整个实验过程分为第Ⅰ阶段驯化期（第1天—第48天），第Ⅱ阶段稳定期（第49天—第113天），第Ⅲ阶段解体期（第114天—第125天）与第Ⅳ阶段修复期（第126天—第144天）4个阶段。图1是用数码相机拍摄的颗粒污泥不同时期的形态特征。

图1 不同阶段的颗粒污泥形态

在驯化期的第1天—第23天，采用葡萄糖为单一碳源，系统中有大量的丝状菌繁殖，并且产生部分大而疏松的颗粒污泥，但该污泥结构不稳定，在高剪切力作用下被破碎成絮状，而后丝状菌以颗粒碎片方式黏附形成沉降性差的菌胶团。此时，系统排泥量大，导致污泥浓度下降，为保证系统的运行稳定，将部分排出的污泥进行回流。第24天—实验结束，进水基质改为混合碳源，据J.H.Tay等〔8〕研究，由葡萄糖培养的颗粒污泥以丝状菌为主，由乙酸钠培养的颗粒污泥以杆菌为主。为使颗粒污泥变得密实，第24天—实验结束采用乙酸钠和葡萄糖联合培养，引起体系中的丝状菌减少，颗粒污泥逐渐变得密实。从第49天开始，系统中开始出现黑色、粒径2～5 mm的规则密实颗粒，水质处理效果稳定，即认为好氧颗粒污泥进入稳定培养期。经稳定运行113 d后，部分颗粒有解体现象，通过逐步排出解体污泥，微生物又以破碎颗粒为核心聚集生成新颗粒（第Ⅳ阶段修复期），表明好氧颗粒污泥有自修复潜力。

2.2 好氧颗粒污泥的微观结构

还对好氧颗粒污泥的微观结构进行了观察。可以看到，稳定期的颗粒污泥轮廓清晰，结构完整但较为疏松，另外颗粒污泥表面空隙较大，有机物和染料可通过这些孔洞进入AGS内部〔9〕，通过孔隙进行物质交换，从而维持好氧颗粒污泥的稳定结构。同时在高倍的扫描电镜下，观察到微生物的聚集状态，主要以杆菌为主，丝状菌缠绕在颗粒中构成骨架〔10〕。实验证明，用乙酸钠和葡萄糖联合培养的好氧颗粒污泥，避免了丝状菌的大量繁殖，从而使颗粒结构更稳定。

2.3 印染废水中水质处理效果

印染废水中水质运行情况如图2所示，整个过程分为4个阶段。

图2 反应体系中水质运行情况

由图2可看出，第Ⅰ阶段水质波动较大。污泥处于接种初期，微生物量较高，对COD的去除效果明显，第18天时，由于丝状颗粒增大后破碎，导致系统出水SS增高，COD去除率下降；系统中的去除能力有限，在第1天—第18天，由于自养菌与异养菌存在基质竞争关系，异养菌在基质充足的条件下占据优势，自养菌对氨氮的降解逐渐减小，的去除率逐渐下降；出水中TP质量浓度由3.548 mg/L逐渐下降到0.541 mg/L；驯化期的颗粒结构不稳定，因此印染废水中色度的去除波动较大。第42天—第44天时，系统中pH升高到8.74，且有许多小泡沫浮在表面，导致出水COD由170.67 mg/L上升到621.5 mg/L，可能由于曝气过大破坏了系统中CO2-缓冲平衡体系，CO2逸出使得pH升高，对COD的降解造成冲击，而对和TP的影响较小。

第Ⅱ阶段好氧颗粒污泥形态结构完整，水质处理效果比较稳定。颗粒表面聚集生长好氧微生物，颗粒内部的缺氧/厌氧环境为脱氮除磷提供有利条件，COD的平均去除率为92.53%，的平均去除率达到56.65%，TP的最高去除率达到98.62%，平均去除率为95.12%，色度最大的去除率达到82.92%，平均去除率为69.03%。本研究中COD的去除率高于 R.D.G.Franca等〔11〕的研究结果，该研究在 6 h 的厌氧-好氧循环下，COD的去除率为80%～90%，且证明了染料的存在及其潜在的有毒的中间产物，不会对碳底物的摄取产生负面影响。M.Sarvajith等〔12〕也得出类似的结论，好氧颗粒污泥上的生物过程（C，N和P的去除）不受偶氮染料负荷的影响。好氧颗粒污泥存在好氧、缺氧、厌氧区，可以在一个系统中对印染废水进行有效降解。本试验中反应器的曝气系统属于上向流，颗粒在反应器底部会逐渐沉积，形成局部厌氧区使污泥老化，在第75天—第80天这段时间，通过排出反应器底部沉积污泥，系统中微生物量减少，COD、和TP的去除受到一定的影响，其中TP的去除率波动最大，最低为82.26%，可能由于排出的污泥中带走部分聚磷菌，使出水TP的浓度变高，去除率下降。

第Ⅲ阶段，由于颗粒粒径增大，颗粒内部会由于传质受阻产生一个厌氧的核心，从而导致颗粒污泥解体〔13〕。从整体运行趋势上看，解体期系统对COD和的降解影响较小，出水COD维持在106.33～212.67 mg/L；出水中从 40 mg/L升高到46.25 mg/L；而在好氧的反应系统中，颗粒内部的厌氧环境被破坏，TP和染料的色度脱除情况明显受到冲击，TP去除率从97.08%下降到90.73%；色度的去除率由82.92%降为60.80%。

第Ⅳ阶段，微生物以解体污泥为支架，重新聚合生成了新颗粒。系统对COD、、TP、色度的平均去除率分别为：92.59%、61.58%、96.77%、74.49%。这一结果体现好氧颗粒污泥法对染料废水稳定去除的技术优势。

2.4 微生物菌群的宏基因组16S rDNA测序分析2.4.1 微生物Alpha多样性分析

Alpha多样性是用于分析样品内的微生物群落多样性。Alpha多样性有多种衡量指标，如Chao1、Shannon、Simpson等，这些指数数值越大，表明物种丰度越大〔14〕。通常用稀释曲线来评价测序量是否足以覆盖所有类群，并间接反映样品中物种的丰富程度。当曲线趋于平缓或者达到平台期时则认为测序深度已基本覆盖样品中的所有物种。

本研究选取2个污泥样品，分别为系统运行第115天（1号）和第128天（2号）的污泥，代表着解体期与颗粒修复期。微生物Alpha多样性相关的各项指标如表1所示。

表1 微生物样品的Alpha多样性

结果显示本研究中样品曲线基本趋于平缓，测序结果占整个基因组的99%，样品覆盖度高，证明样品测序量基本能够反映出样品的物种丰度。样品2即修复期颗粒的各项指数都低于解体期的样品1，说明好氧颗粒污泥经解体修复后，物种的多样性减少。

2.4.2 微生物群落结构特征

对宏基因组16S rDNA序列在微生物门分类层面上的比对分析，发现在模拟印染废水培养的好氧颗粒污泥系统中，微生物菌群结构比较单一，但各物种的丰度较高，富集的优势菌群对系统运行起到了重要的作用。在两个污泥样品中，除2.5%的未识别菌种外，微生物共检测出19种菌门，解体期时物种丰度大于1%的菌门有7种，包括变形菌门Proteobacteria（81.19%）、拟杆菌门 Bacteroidetes（9.63%）、厚壁菌门Firmicutes（2.08%）、疣微菌门 Verrucomicrobia（1.98%）、TM7（1.31%）、放线菌门Actinobacteria（1.18%）、绿弯菌门Chloroflexi（1%）。其中变形杆菌Proteobacteria、拟杆菌Bacteroidetes和厚壁菌门Firmicutes，是偶氮染料中常见的微生物〔15〕。变形杆菌门Proteobacteria为系统中的绝对优势菌门，Y.M.Kolekar等〔16〕研究显示 α-，β-和 γ-proteobacterial菌群参与偶氮染料脱色。颗粒污泥修复后，微生物菌群发生较大的变化，物种丰度大于1%的菌门有2种，变形杆菌Proteobacteria（90.83%）丰度比解体时期提高了 9.64%，而拟杆菌Bacteroidetes（5.99%）相对解体期下降了3.64%，表明变形菌门Proteobacteria对颗粒稳定性有重要意义。其次，TM7在污泥解体时丰度为1.31%，而在颗粒修复后这个菌门消失，P.Hugenholtz等〔17〕研究发现，TM7会引起污泥膨胀，因此本研究中颗粒污泥解体可能与TM7菌门有关。

从微生物的属分类水平进行分析，结果如表2所示。在属分类水平上解体期污泥与颗粒修复后期的污泥存在显著差异，变形菌门Proteobacteria的αproteobacteria纲下属红螺菌科Rhodospirillaceae的Magnetospirillum菌属为系统的绝对优势菌属。Bin Hou 等〔18〕研究显示，红螺菌科 Rhodospirillaceae参与偶氮染料的脱色与生物转化，在本研究中，红螺菌科的相对丰度远高于研究中的数量，相对丰度从46.36%提升到72.92%，说明解体颗粒修复后，对印染废水中有机物和色度的去除有良好的效果，COD和色度的平均去除率分别为92.59%和74.49%。在解体期系统中的脱氮除磷功能主要由Dechloromonas和Acinetobacter〔19-20〕完成，这两种菌的相对丰度分别为9.59%和2.37%，王启镔等〔21〕研究表明，在较高的有机负荷〔＞0.91 kg/（m3·d）〕条件下有利于丝状细菌Acinetobacter的生长。随着颗粒逐渐修复，Dechloromonas和Acinetobacter菌群减少，而β-proteobacteria纲中的红环菌科Rhodocyclaceae的KD1-23型菌属在颗粒修复后相对丰度从0.06%提升到2.69%，菌群结构发生了变化。