钨冶炼废水MBR耐盐驯化过程微生物特性及HRT效能影响

2022-02-01戚小忠钟辉袁野陈明钟常明

当代化工研究 2022年24期

＊戚小忠钟辉袁野陈明,3 钟常明,3*

（1.赣州市崇义生态环境局江西 341300 2.江西理工大学资源与环境工程学院江西 341000 3.江西省矿冶环境污染控制重点实验室江西 341000）

盐度冲击对微生物造成影响是限制此类废水采用传统生物法处理的难点[1,2]。然而，膜生物反应器（MBR）具有污泥浓度高、污泥停留时间长等特点，可有效降低盐度对微生物的影响，并具有占地面积小，处理效果强等优势。因此，MBR系统可通过耐盐驯化使微生物成为优势菌种，提高反应器运行效果，是一种处理高盐废水的有效方法[3,4]。

论文采用梯度驯化方式，研究3%～5%盐度钨冶炼废水MBR工艺反应器内微生物特性及HRT效能影响。

1.实验材料与方法

(1)实验用水

本实验废水取自赣州市某钨冶炼厂生产废水调节池，废水水质特点为无机盐浓度较高，C/N低，pH值呈中性。本实验研究3%～5%盐度废水，故根据实时测得盐度进行稀释或者添加氯化钠进行调整实验用水盐度，稀释试验用水时，添加适量葡萄糖和氯化钠控制COD和氨氮浓度恒定，具体水质指标如表1所示。

表1 钨冶炼生产废水水质情况

(2)试验装置

本实验使用5mm有机玻璃板（PMMA）自制一体式MBR反应器，反应器规格为200mm×100mm×260mm，有效容积为4L，实验装置如图1所示。

图1 实验装置示意图

试验用膜为天津膜天膜科技股份有限公司生产的PVDF中空纤维膜制作而成，具有0.6mm的内径和1.0mm的外径，设计膜通量15～25L/d，有效截留面积0.023m2。

(3)实验药剂

实验过程中所用主要试剂1,10-邻菲罗啉、4-氨基苯磺酰胺、氨基磺酸等均为分析纯，实验分析用水采用实验室自制去离子水。

(4)分析项目与检测方法

COD：高锰酸钾法；DO：溶解氧仪法；MLVSS/MLSS/SVI：重量分析法；NH4+-N、NO2--N、NO3--N：分光光度法；pH：pH测定仪；微生物多样性分析：Illumina测序平台。

(5)实验方法

①污泥接种。污泥活化培养期每天更换一次3%盐度的钨冶炼废水，DO为2.0～3.0mg/L之间，pH为7.3～7.8之间，每天固定时间测定进水和出水COD、NH4+-N浓度。连续培养10天后，污泥变成黄褐色絮体，沉降效果良好，污泥浓度在7000mg/L左右，COD去除率在94%左右，NH4+-N去除率在85%左右。

②耐盐驯化。采用0.5%作为一个梯度盐度逐步驯化，构建高盐度的微生物处理系统，每个盐度梯度驯化14d，直至MBR反应器在5%盐度下连续运行至污染物去除率保持稳定，即认为污泥耐盐驯化完成。

③菌群特性分析。取自驯化期间的第14d、第28d、第42d、第56d和第70d的污泥样本进行16S rRNA，分别对应3.0%、3.5%、4.0%、4.5%和5%的盐度，编号为R3、R3.5、R4、R4.5和R5，分析其群落在不同盐度下的构成。

2.结果与讨论

(1)门水平微生物丰度

不同盐度污泥驯化期间在门水平上微生物相对丰度分析如图2所示。在门水平上，系统内主要由Proteobacteria、Deinococcus-Thermus、Bacteroidetes和Firmicutes构成，其中Proteobacteria是所有驯化阶段的优势菌种，相对丰度平均为83.9%。从3%到4%盐度，Proteobacteria丰度从87.55%上升至91.94%后逐渐下降，在5.0%盐度时降至66.61%，Proteobacteria具有降解有机物与生物脱氮作用。另外Deinococcus-Thermus在驯化过程中丰度逐渐升高，从0.48%上升至24.41%，此类微生物可以在极端环境下生长[5]，温度（30～40℃）较高时生长良好，5.0%盐度下Deinococcus-Thermus丰度出现上升。Bacteroidetes在3.0%、4.0%和5.0%盐度时丰度分别为5.93%、1.35%和4.68%，呈现先降低、后升高趋势，表明其在驯化过程中逐渐适应盐度对其造成的不利影响。

图2 门水平微生物群落相对丰度分布情况

(2)属水平微生物丰度

在属水平上微生物相对丰度图如图3所示。丰度前十菌种主要由Devosia、Luteimonas、Truepera、Azoarcus和unclassified_Rhodobacteraceae等构成。Devosia属于根瘤菌目，包含多种产生EPS的细菌[5]，能适应高盐环境，逐渐在反应器内富集。在4.0%盐度时，好氧菌Devosia达到最大丰度20.34%，在5.0%盐度时丰度降至12.30%，能起到降解有机物的作用。Luteimonas丰度由3.10%提升至8.21%，文献[6]表明，该属可将硝酸盐还原为亚硝酸盐，这可能是反应器内亚硝酸盐累积的原因之一。Truepera是一种高温反硝化菌[7]，在驯化初始阶段其丰度为0.48%，驯化至5.0%盐度时丰度提升至24.40%，有研究[8]Truepera在夏季会大量富集，和本实验结果相似。Azoarcus在耐盐驯化期间丰度持续由1.04%上升至7.94%，是反硝化脱硫菌[9]，主要利用硝酸盐为电子受体，各种硫化物为电子供体的自养型反硝化细菌。Simplicispira丰度由13.83%降至0.43%，说明盐度对其影响很大，无法适应高盐环境。在驯化期间Unclassified_Rhodobacteraceae丰度最高，研究表明Rhodobacteraceae是反硝化功能性菌[5,8]，随着盐度提升其丰度由52.49%降至28.07%，但仍是反应器内优势菌种。

图3 属水平微生物群落相对丰度分布情况

(3)HRT对MBR系统效能的影响

HRT对MBR反应器去除COD的影响如图4所示。

由图4可以看出，随着HRT增加，MBR反应器对COD去除效率逐渐上升。在HRT为8h时，COD平均去除率为83.98%，微生物受到盐度的抑制，其脱氢酶活性会出现不同程度的降低，同时污泥解体导致微生物流失，但是MBR反应器的高效截留特性使得微生物得以保留，反应器可在高浓度污泥条件下运行，因此在较短HRT的条件下也呈现可观的COD去除效果。当HRT提升至12h时，反应器对COD的平均去除率上升至87.06%，相较于HRT为8h时，去除效率提高了3.08%。HRT提高至18h时，反应器对COD平均去除率上升了2.84%，达到89.90%，当HRT进一步提高至24h时，COD平均去除率为92.41%，此时平均出水浓度为15.98mg/L。结果表明，随着HRT提高，污染物与反应器内微生物接触时间延长，可有效提高COD去除效果，进一步提高HRT可继续增强COD去除效果，但是时间过长会导致成本增加，因此，在保证可以达到出水标准的情况下，可选择合适的HRT以控制成本与能耗。

图4 不同水力停留时间条件下系统对COD去除效果

HRT对MBR反应器脱氮效果的影响如图5所示。

图5 不同水力停留时间条件下系统脱氮效果

从图5可以看出MBR反应器对NH4+-N和TN的去除效果都随着HRT的增大而升高。当HRT为8h时，反应器平均出水NH4+-N为31.62mg/L，平均去除率仅为38.99%，分析认为，硝化菌在高盐条件下，其生物活性相较于无盐条件会严重下降，短时间内无法将NH4+-N转化为硝酸盐类物质，导致出水NH4+-N去除效果较差。当HRT提高至12h时，NH4+-N去除效果明显上升，平均去除率提高至54.32%，说明延长水力停留时间，增加污染物与微生物接触时间，可有效提高反应器去除去染污能力。随着HRT进一步提高至18h时，反应器对NH4+-N去除效率提高了14.21%，较长反应时间可使得NH4+-N被氧化的更加彻底。当HRT为24h时，NH4+-N去除效率达到了82.47%，此时NH4+-N平均出水浓度为8.95mg/L。HRT对TN的影响与NH4+-N相似，从图中可以看出，MBR反应器对TN的去除效果也是随着HRT的增加而升高的。其中NO3-在试验期间都处于很低的浓度，而NO2-随着HRT的升高呈现先升高后降低的趋势，这是由于在高盐环境下将NO2-转化为NO3-的硝化细菌受到严重的抑制，而将NH4+-N转化为NO2-的亚硝化细菌受盐度抑制较弱导致的。因此通过MBR反应器处理高盐废水在反应器内形成了短程同步硝化反硝化反应，当HRT小于18h时，反应器内亚硝化反应速率大于反硝化速率，导致亚硝酸盐的积累，当HRT达到24h时，NH4+-N浓度降低使得亚硝酸盐浓度达到峰值，此时延长HRT使得反硝化反应时间增加，亚硝酸盐浓度降低。