皮革废水生物处理过程中细菌多样性及生物强化脱氮研究

吕 金，张 丹

（1.青岛市生态环境局西海岸新区分局，山东 青岛 266555；2.辽宁省铁岭市生态环境局开原市分局，辽宁 铁岭 112300）

随着经济发展以及技术升级，我国的皮革生产已经进入到了全新的发展时期，这一生产过程中废水的大量排放给生态环境造成了严重的影响，严重影响人类的正常生活[1]。污水生物处理技术是利用生物的特性和代谢作用吸收和降解污水中的污染物。污水处理技术在处理皮革废水中有广泛的应用，通过研究生物脱氮的污水生物处理技术，建立皮革废水处理良好的细菌群落结构、多样性以及功能性和代谢性的环境，具有处理成本低、废水利用率高的优点。本文对皮革废水生物处理中的细菌多样性以及生物强化脱氮进行研究，评估废水生物处理技术在废水实际处理中的实际应用效能，给出改善和推广的建议，助力皮革工业的可持续发展，及皮革生产产业向清洁生产环节转型。

1 皮革废水生物处理过程中细菌的多样性

皮革废水的本质是含脂废水，生物废水处理技术的应用环境为污水的pH值介于6.28～7.73，保证多数微生物可以维持正常的生长以及代谢活动，A/O技术可以将废水中的有机污染物去除，同时达成去除氨氮的目的[2]，好氧池和终沉池去除氨氮，去除率可以达成89.78%和90.91%，通过COD的操作以及处理能够将大部分的氨氮进行去除，达到国家一级排放的标准。

使用PCR产物的DGGE图谱进行皮革废水中生物菌群分析，细菌群落具有多样性，细菌的结构变化也较大。DGGE凝胶中一共切下33个不同的条带，不同的样品条带中存在细微的不同，污水处理中环境变化也影响细菌的菌群结构[3]。

结合DGGE图谱分析废水中细菌基因序列，皮革废水中基因序列分别是变形菌门、厚壁菌门、拟杆菌门、绿菌菌门，其中变形菌门为废水多样性菌群中的优势菌群，废水中的细菌多样性得到验证。除了优势菌群，皮革废水中还能够检验到后壁菌门、绿弯菌门、绿菌门、硝化螺旋菌门和酸杆菌门的细菌群落，因为其他菌落的丰富度较低，样品分析中利用PCR扩增偏好性以及基因组提取的方式验证细菌的基因信息，以此来跟踪微生物的细菌群落结构变化，最终利用DGGE图谱的方式将皮革废水的细菌群落丰富度用丰富度图的方式呈现出来，如图1。

图1 基于DGGE图谱的细菌群落丰富度

不同处理阶段水质以及细菌菌群的变化也是多种多样的。缺氧阶段是污染物去除最为关键的阶段，此阶段COD的去除效率能达到72.61%，到了好氧阶段，氨氮的去除效率为整个污水处理阶段最高的。处理后污水的排放可以达到国家一级排放标准，对于皮革废水的处理以及后续的排放比较有利，皮革废水经过处理后达到国家标准对于周边的生态环境保护以及绿色生态的建设有积极的作用，通过对皮革废水的生物细菌构成的情况进行分析，了解细菌的丰富度，针对性地进行废水处理，出台相应的皮革废水处理方式[4]。

细菌群落一直处于结构多样性的阶段，其中变形菌门一直活跃在污水处理的各个阶段，基于样品的活跃性将细菌群落的处理过程分为预处理阶段、缺氧处理阶段以及好氧处理阶段。

2 皮革废水生物处理过程中细菌多样性及生物强化脱氮研究

生物脱氮是污水处理中最为重要的环节，在这一环节利用异养硝化-好氧反硝化的处理技术，将硝化与反硝化作用凝结在一起，脱氮的效率最高，这一反应中硝酸盐和亚硝酸盐的积累较少，反硝化过程中产生的碱度能够弥补硝化过程中消耗的碱度，为脱氮技术的运用奠定了基础。

在对皮革废水进行脱氮处理时将高通量的测序数据作为参考的依据，对异养硝化和好氧反硝化的细菌群进行富集筛选，采用腹肌培养基的方式对活性污泥中的异养硝化-好氧反硝化细菌进行富集处理，通过梯度稀释和稀释涂布分离的方式对皮革废水中的细菌群进行处理，从得出的检验结果可以看出皮革废水中含有的变形菌门多是假单胞菌属，氮氧化效率为70%，硝态氮去除效率达到了85%[5]。

分析皮革废水处理环境对于异养硝化-好氧反硝化特性的影响，最佳的处理环境为pH=7，温度为30℃，C/N为10，转数为160 rpm，最适合的碳源为丁二酸钠。在这一生物处理的环境下能够对皮革废水中氨氮和硝态氮达到最佳的去除效率，同时基于这一生物处理环境的构建，异养硝化过程中亚硝酸盐的累积基本没有，特殊情况下也仅仅会有小部分的硝酸盐产生，硝态氮讲解过程中很少能够检测到亚硝酸盐的累积。

传统的生物脱氮技术工序复杂，执行成本较高，使其在实际废水处理中运用非常少。为了强化生物脱氮技术的实用效率，在使用的过程中会在外源添加具有脱氮特性的微生物，使得污水处理中系统脱氮的能力大大提高，提升整个废水处理中的系统脱单效率，节约废水处理成本。

未避免A2菌体的流失，使用海藻酸钠固定前，加入阳离子型聚丙烯酰胺增加菌体之间的絮凝程度。因为细菌菌体表面都带有负电荷，阳离子型聚丙烯酰胺的加入可以增进菌体之间的絮凝程度，快速形成污泥颗粒，增加假单细胞菌A2在生物处理反应系统中的停留时间以及作用时间[6]。

通过上述脱氮操作以及处理，检测处理后的废水COD和氨氮的去除效率也能够保持在90%以上，减少异养型微生物间的营养竞争关系，影响假单细胞脱氮效率。为了提升脱氮的效率，可以在废水中添加消化细菌富集物，提升一倍左右的氨氮去除效率。

为了更准确地探究活性污泥中微生物群落的丰富度、多样性以及动态变化，可以结合三代测序技术在日后的处理技术改良中对废水中细菌群及阴虚率进行高通量的测量，结合宏转录组技术研究细菌群落之间的互相作用，以此能够更准确地处理污水系统中的微生物代谢活性，增强对于皮革废水的处理效果。

为了更好地进行脱氮处理，在进行皮革废水脱氮处理时，可以对废水中含氮元素进行同位素标记，深入进行脱氮研究，结合异养硝化的过程对亚硝态氮和气态终产物进行定性与定量的研究分析，并利用氨氮加氧酶、酒亚硝酸盐还原酶以及硝酸盐还原酶进行活性测定，基于活性的测定情况进一步优化假单胞菌A2的脱氮途径分析。为了能够显著提升假单胞菌A2的脱氮效率，可以提升SBR系统的稳定性。从DNA和RNA的基因测序情况进行废水中细菌群落的细微差异对比，基于优势群众的判定以及处理来强化废水中脱氮机制的运用，以此来保障皮革废水最佳的生物处理效果。

3 结论

皮革加工是以动物皮毛为原材料，经过脱毛、鞣制等物理和化学加工之后完成的工艺[7]。在皮革生产以及加工的过程中，化学品和动物原有的物料溶于水溶液中会产生大量的有机废物，形成皮革废水，会带来严重的环境污染问题，影响了整个皮革生产加工的过程。不经处理就直接排放的皮革废水对于生态环境产生的危害是极大的。利用生物处理技术对废水中的细菌多样性进行分析，针对性地采用脱单技术强化对皮革废水的处理效率，提高废水资源的有效率利用，减少对环境的破坏，助力和谐社会的建成及推广，实现人与自然的和谐共处。