好氧颗粒污泥处理汽车涂装废水及微生物评估

宋 颖，周安澜，杨丹丹，徐敏峰

(安徽建筑大学 环境与能源工程学院，安徽 合肥 230022)

在汽车生产过程中，涂装单元是为了让车辆具有优良的耐腐蚀性及美观效果，但汽车涂装也是产生污染物的主要单元。汽车涂装过程不同，产生废水的种类不同，主要来自脱脂、表调、磷化、钝化等过程[1, 2]。汽车涂装废水受排放周期、生产和清洗工艺、所用化学品种类等诸多因素的影响，其浓度变化很大。这些废水的特点是：含有高浓度的有机物、重金属、悬浮物，生物降解性指数低，对环境危害极大[3]。其中苯酚是主要污染物、致癌、超过2 mg/L对鱼类有毒，浓度在10 mg/L-100 mg/L会导致水生生物的在96 h内死亡[4]，因此，它的去除具有重大意义。根据我国污水排放标准(GB8978-1996)，涂装废水需要采用经济可行、有效的处理方法，使其达到标准后再排放[5]。

好氧颗粒污泥外观近球形、结构致密、密度大、沉降速度快[6]，可以在反应器内保留丰富的生物量。此外，颗粒的大小与结构为内层细胞提供了扩散屏障，因此，好氧颗粒污泥反应器能够承受高浓度的有毒物质和应力负荷[7]。大量研究表明，好氧微生物具有降解苯酚的能力[8]。

实验中，使用汽车涂装废水和合成废水在SBR中驯化好氧颗粒污泥[9]，研究其对涂装废水以及其中苯酚的降解能力。再使用Illumina Miseq进行的高通量测序，分阶段观察污泥中微生物群落的丰富度和多样性。

1 材料和方法

1.1 接种颗粒污泥及废水

将接种的污泥在SBR中通过人工合成的废水培养，制成好氧颗粒污泥。该污泥取自合肥某汽车制造厂生物曝气池，混合液悬浮固体(MLSS)的质量浓度约为5.5 g/L，污泥体积指数(SVI)的值为40 mL/g。人工合成的废水由蔗糖和醋酸钠等比例混合提供碳源，NH4Cl提供氮源，Na2HPO4提供磷源，Na2CO3调节溶液pH，还包括CaCl2·2H2O、MgSO4·7H2O、EDTA等组成的1 mL微量溶液。合成废水中COD、TN、TP的浓度分别为850 mg/L、38 mg/L和12 mg/L。制成的污泥粒径约为1.2 mm-1.5 mm，结构致密，表面光滑。

本研究所使用的汽车涂料废水是从某汽车制造厂中获得，该废水中COD、TN、TP的浓度分别为800±200 mg/L、30±10 mg/L和15±10 mg/L。SBR反应器的工艺流程如图1所示。

①流量计②气泵③蠕动泵④微孔曝气头⑤电磁阀⑥电控系统图1 SBR反应器的工艺流程

1.2 实验装置和操作条件

SBR反应器中好氧部分的容积为3 L，交换率为50%，每天运转6个周期，每个周期运行4 h，每个周期设置为投料4 min，曝气231 min，沉淀3 min，排水2 min。该系统由电控系统(PLC)控制。在实验过程中，在实验过程中，使用合成废水和实际汽车涂装废水的混合进水方式，其比例变化如表1所示。

表1 不同阶段进水组分配比

1.3 分析方法

1.3.1 常规分析

参照《水和废水监测分析方法》，对MLSS、COD、TN、TP和SVI等参数进行测定[10]，通过电子扫描显微镜观测颗粒污泥表征[11]，苯酚浓度通过气质联用仪测定[12]。

1.3.2 DNA提取和PCR技术

从样本中取出0.3 g污泥至离心管，使用E.Z.N.A土壤DNA试剂盒提取DNA，并用0.8%琼脂糖凝胶电泳和紫外分光光度法进行检测和定量，完成后在-20 ℃下保存。

扩增16S rRNA基因中高度可变的V4-V5区，PCR引物分别为520F：5′-barcode+GCACCTAAYTGGGYDTAAAGNG-3′和802R：5′-TACNVGGGTATCTAATCC-3′。Barcode为加入的特异性序列。PCR反应体系包括0.25 μL Q5®高保真DNA聚合酶、5 μL 5X ReactionBuffer、5 μL Q5®高GC增强剂、0.5 μL dNTPs(10 mmol·L-1)、1 μL模板DNA、1 μL正向引物(10 mmol·L-1)、1 μL反向引物(10 mmol·L-1)和11.25 μL水。

1.3.3 高通量测序技术

使用2%琼脂糖凝胶对扩增的PCR产物电泳，用Axygen的回收试剂盒回收目标片段。将Quant-iT PicoGreen dsDNA检测试剂盒作为荧光试剂，并使用酶标仪(FLx800，BioTek)作为定量仪器进行荧光定量。使用Illumina公司的Tru Seq Nano DNA LT Library Prep Kit构建测序文库。应用Illumina MiSeq平台进行高通量测序，分析样本中微生物的多样性[13]。

2 结果与讨论

2.1 颗粒污泥特性

SBR共运行55 d，污泥的粒径约为1.2 mm-1.5 mm，表面光滑致密。不同时期的污泥形态图像如图2所示。前期由于水质变化较大，一些颗粒被分解成絮状物，结构松散，呈淡黄色。大约10 d后，颗粒污泥逐渐形成，颜色变为黄褐色。从第31 d起，SBR中的进水全部为汽车涂装废水，富含大量营养物质，增加可扩散的有机物，促进了颗粒污泥中深层微生物的生长，此时平均粒径为1.5 mm。随着运行时间的增加，污泥逐渐适应环境，在SBR中可以保持良好的形态。此时粒径约为1.8mm-2 mm，表面光滑平整致密。在运行的45 d，污泥颜色已经变为棕色。在运行第45 d，SBR反应器中颗粒污泥的SEM图像，可以看出颗粒污泥表面主要是杆菌[14]，球菌数量较少。

图2 不同时期的污泥形态图像

SBR中的MLSS及SVI如图3所示，接种污泥的MLSS浓度为5.5 g/L；运行初期，SBR中大部分生物量被冲走，在运行的第6 d，MLSS降至4.9 g/L；随着反应时间的增加，MLSS值逐渐增大，这可能是因为好氧颗粒污泥逐渐适应涂装废水的加入；在运行的30 d-35 d内，进水已经全部为汽车涂装废水，所以该阶段MLSS值波动较大；后期稳定运行后，MLSS浓度达到7.0 g/L。

接种的污泥SVI为35 mL/g，SVI随运行时间的增加而降低，反应器稳定运行后，SVI降至28 mL/g。经过汽车涂装废水驯化后，较高的MLSS值和较低的SVI值表明，好氧颗粒污泥能够在SBR内保持较高的生物量浓度，使得颗粒更加致密，沉降性能更好，并且增大了容积负荷，减小了反应器的体积。有利于有机物的快速降解[15]。

图3 SBR中的MLSS及SVI

2.2 常规污染物的去除

本实验研究了好氧颗粒污泥SBR法在对COD、TN、TP的处理效果，结果如图4-图6所示。在平均进水COD、TN和TP浓度分别为795 mg/L、33 mg/L和14 mg/L时，平均去除率分别可达到87%、73%和62%。在运行的前30 d，SBR中COD浓度波动较大，运行到后期，波动较小，去除率呈稳定趋势，基本维持在86%。

图4 COD去除情况

图5 TN去除情况

从图5可以看出，初期TN的浓度波动较大，随着运行时间的增加，第31 d的TN去除率由初始的79%降至61%，出现这种情况是因为此时进水全部是汽车涂装废水，与其本身特性有关。随着运行时间的增长，第41 d的TN去除率从61%提高到80%。最终去除率在80%以上，表明SBR运行达到稳定状态，已具有良好的TN去除性能。从图6可以看出，驯化过程中TP去除的情况，虽然进水浓度波动较大，但在整个运行过程中，TP去除率始终保持在60%左右。

图6 TP的去除情况

2.3 苯酚的去除

苯酚浓度通过气质联用仪测定，通过标准曲线法进行定量测定。得到苯酚浓度的回归公式:

y=2.875 91×105x-5.638 45×105(R2=0.999 1)。

(1)

苯酚的去除情况如图7所示，在接种的第1 d，对苯酚的去除率约为85%。除了在接种的前5 d去除率存在较小波动外，前20 d总体来看仍维持在较高位置。随着进水中涂装废水的百分比和苯酚浓度的增加，去除率在第21 d-31 d内持续下降；直至在第31 d，进水全部为汽车涂装废水，苯酚的去除率达到最低点63%。在运行的第36 d上升到73%，但在第41 d时下降至70%。出现这种情况可能是因为苯酚的进水浓度波动较大。从汽车厂获得的汽车涂装废水中的苯酚浓度也一直在变化，但通常在25 mg/L-50 mg/L的范围内。结果表明，苯酚的去除率稳定在88%左右，排放浓度约为3.5 mg/L。。

图7 苯酚的去除情况

2.4 污泥中微生物群落的丰富度和多样性

分别从第1 d(S1)、第11 d(S2)、第21 d(S3)、第31 d(S4)、第41 d(S5)、第51 d(S6)运行的反应器中收集污泥样本。

利用Illumina高通量测序法，对6个样品进行原始读数。在使在使用QIIME标准管道过滤低质序列，从六个样本中总共获得255 436个有效读取，每个样本的读取数从36 910到45 764。进一步去除了测序读数中的嵌合体。总共获得了这些样品的185 808个高质量序列读数。

基于OTUs、Chao1、Ace、Shannon(香农-威纳指数)和Simpson(辛普森多样性指数)的分析[16]，以3%的截止水平调查了6个污泥样本的生物多样性。污泥中微生物群落的丰富度和多样性如表2所示。结果表明，根据有效序列，这些样品的OTU值在4910～9962之间，其中S5的多样性最丰富(9962 OTU)，S1的丰富度最低(4910 OTU)。Chao1和ACE的模式与OTUs的估计一致，S1的群落丰富度较低，S5的群落丰富度较高。根据两种多样性指数(Shannon和Simpson)，样本S1的群落多样性较低(分别为6.06和0.907 5)，而其他样本的群落多样性指数分别为7.19-8.97和0.923 5-0.992 1，这是因为这阶段污泥是由合成废水培养，未加入汽车涂装废水。其中样品S5的微生物丰富度和多样性远高于其他样品，说明在驯化过程中，该阶段微生物的生长丰富，多样性较高。

表2 污泥中微生物群落的丰富度和多样性

3 结 语

本文介绍了一种在SBR中使用好氧颗粒污泥处理汽车涂装废水的技术。研究了其对废水中苯酚、COD、TN和TP等污染物的去除性能，结果显示好氧颗粒污泥对苯酚能起到很好的降解作用，达到90%；同时对COD、TN、TP去除效果较好，分别达到90%、85%、82%和62%。并且应用Illumina MiSeq平台进行高通量测序，评估反应器不同阶段的微生物多样性和丰度，结果表明，在运行稳定后，群落的丰度和多样性均高，S5(第41 d)的多样性和丰度远远高于其他阶段，并且在该阶段苯酚、COD、TN和TP等污染物的去除率较高，说明在降解过程中，污泥中微生物起着重要的作用，生物量越多，多样性越高，对有机污染的去除效果也越好。