高含鹽廢水的種類很多, 石油、頁巖氣開采, 電鍍、制藥、印染、發(fā)酵工業(yè)、海產(chǎn)品加工廢水等都含有較高濃度的無機鹽組分如Cl-等.生物處理方法是目前廣泛采用的高鹽廢水處理方法, 雖然高含鹽廢水中較高的鹽度會影響生物處理的效果, 但若采用其他的方法, 如膜分離等技術(shù)則成本較高, 所以生物處理仍是首選的處理方法.鹽度影響生物處理效果的主要原因在于：在生物處理方法中, 主要是利用活性污泥或生物膜、顆粒污泥中微生物的新陳代謝來吸附降解廢水中的污染物, 而高鹽度會引起高滲透壓, 使微生物細(xì)胞脫水, 同時也會抑制微生物降解有機物的反應(yīng)效率, 從而影響生物處理方法的效果.因此, 在處理高含鹽廢水時應(yīng)當(dāng)選擇能夠耐受高鹽度影響的生物反應(yīng)器.
迄今為止, 已進行過鹽度影響實驗研究的生物反應(yīng)器有膜生物反應(yīng)器、移動床生物膜反應(yīng)器、升流式厭氧污泥床(up-flow anaerobic sludge blanket, UASB)反應(yīng)器、上流式厭氧生物濾池反應(yīng)器、EGSB反應(yīng)器等, 由于顆粒污泥在鹽度負(fù)荷沖擊下能夠體現(xiàn)出更高的適應(yīng)能力, UASB等能夠培養(yǎng)出厭氧顆粒污泥的生物反應(yīng)器得以在處理高含鹽廢水時有更多的應(yīng)用研究, 但同時從反應(yīng)器處理效果和微生物角度分析研究較少. EGSB是在UASB基礎(chǔ)上發(fā)展起來的第三代厭氧反應(yīng)器, 與UASB相比有更好的運行效果.本次研究利用模擬的高鹽度廢水, 從鹽度影響下EGSB反應(yīng)器的運行效果和厭氧顆粒污泥兩個方面進行分析比較, 并對厭氧顆粒污泥做高通量測序, 以期為EGSB反應(yīng)器應(yīng)用于高含鹽工業(yè)廢水的實際處理提供參考的實驗數(shù)據(jù).
1 材料與方法1.1 實驗裝置
實驗用EGSB反應(yīng)器由圓筒形有機玻璃制成, 總高1.4 m, 內(nèi)徑0.12 m, 總?cè)莘e為15.52 L, 有效容積為15.18 L.回流口在距反應(yīng)器底部1.19 m的位置, 三相分離器圓環(huán)擋板距離頂部0.16 m, 三相分離集氣罩呈圓錐形, 底部直徑0.1 m, 頂部直徑0.03 m, 高0.08 m, 排氣通道高0.07 m, 集氣罩、排氣通道和EGSB反應(yīng)器上蓋密閉.投加顆粒污泥于反應(yīng)器中, 進水和回流分別通過蠕動泵從反應(yīng)器底部進入.顆粒污泥、沼氣、廢水三相在反應(yīng)器中混合, 隨著水流上升至三相分離器, 沼氣進入集氣罩, 而大部分廢水通過集氣罩與擋板間的縫隙進入出水區(qū), 顆粒污泥由于重力作用, 在遇到擋板和集氣罩壁后, 下降至污泥層, 因此能很好地實現(xiàn)氣、液、固的三相分離.
1.2 實驗用水
人工配置的模擬高鹽廢水用于本次實驗, 通過進水中逐漸增加的鹽度對EGSB反應(yīng)器進行馴化.人工配水主要由葡萄糖、NH4Cl、KH2PO4、NaHCO3、NaCl和營養(yǎng)液配制而成, 葡萄糖、NH4Cl、KH2PO4分別作為人工配水中微生物生長代謝所必須的C、N、P源, 三者的投加量比例為C:N:P=250:5:1, 后期調(diào)整為125:5:1.采用NaCl提供人工配水中的鹽度, 對微生物進行鹽度馴化, 其投加量逐漸由0增加到7500 mg ·L-1.營養(yǎng)液中包含微生物生長所需要的微量元素, 其組成成分詳見表 1.
表 1 營養(yǎng)與組成成分
1.3 分析項目及方法
COD采用快速測定法, 測定儀器為5B-3(C)型COD快速測定儀(中國連華科技); 濕式氣體流量計用于計量沼氣產(chǎn)量; 顆粒污泥粒徑分布用濕式篩分法測定; 顆粒污泥沉降速度采用重量沉降法.
厭氧顆粒污泥高通量測序：按照OMEGA公司的E. Z. N. ATM Mag-Bind Soil DNA Kit試劑盒說明書中的步驟提取厭氧顆粒污泥微生物中的DNA, 用瓊脂糖凝膠檢測DNA完整性.細(xì)菌PCR擴增采用引物為341F:CCCTACACGACGCTCTTCCGATCTG(barcode)CCTACGGGNGGCWGCAG, 805R:GACTG GAGTTCCTTGGCACCCGAGAATTCCAGACTACHVG GGTATCTAATCC.古菌引用槽式PCR擴增有三輪, 第一輪使用引物為340F：CCCTAYGGGGY GCASCAG, 1000R：GGCCATGCACYWCYTCTC, 第二輪引物為349F：CCCTACACGACGCTCTTCCGATCTN(barcode) GYGCASCA G KCGMGAAW, 806R：GAC TGGAGTTCCTTGGCACCCGAGAATTCCAGGACTACV SGGGTATCTAAT, 第三輪擴增, 引入Illumina橋式PCR兼容引物. PCR結(jié)束后, 將PCR產(chǎn)物進行瓊脂糖電泳檢測, DNA純化回收, 利用Qubit2.0 DNA檢測試劑盒對回收的DNA精確定量, 以方便按照1 :1的等量混合后測序.委托生工生物工程(上海)股份有限公司進行Illumina MiSeq高通量測序, 測序數(shù)據(jù)通過質(zhì)量控制預(yù)處理, 去除嵌合體及靶區(qū)域外序列后, 在OTU聚類結(jié)果的基礎(chǔ)上進行RDP分析.預(yù)處理采用的軟件為Prinseq(版本0.20.4) 與FLASH(版本1.2.3), 去除嵌合體及靶區(qū)域外序列采用的軟件為Mothur(版本1.30.1), 分類采用的軟件為RDP classifier.
1.4 實驗方法
實驗通過調(diào)整EGSB反應(yīng)器進水中Cl-的濃度來增加反應(yīng)器鹽度負(fù)荷, 在0鹽度下連續(xù)啟動反應(yīng)器后分4個階段逐步提高進水中Cl-的濃度, 各階段進水中Cl-濃度依次為2000、3500、5000和7500 mg ·L-1.在每個階段測定反應(yīng)器的進出水COD值、容積產(chǎn)氣率、厭氧顆粒污泥的粒徑分布和沉降速度.對Cl-濃度為0和5000 mg ·L-1兩個階段的厭氧顆粒污泥進行高通量測序和宏基因組分析.
接種的厭氧顆粒污泥來自于某飲料生產(chǎn)企業(yè)的污水處理站UASB反應(yīng)器中形成的顆粒污泥, 接種顆粒污泥體積占EGSB反應(yīng)器總?cè)莘e的50%.反應(yīng)器水力停留時間(hydraulic retention time, HRT)為24 h, 回流比R為6 :1, 反應(yīng)器溫度使用電阻絲溫控器控制在(35±2)℃, 進水pH值維持在6.8~7.2, 進水COD濃度維持在3267mg ·L-1, COD容積負(fù)荷為3.267kg ·(m3 ·d)-1.
2 結(jié)果與討論2.1 鹽度對COD降解的影響
EGSB反應(yīng)器在控制進水COD濃度、進水COD容積負(fù)荷、pH等因素基本不變的運行條件下受不同鹽度(以Cl-濃度計)影響, COD降解效率的變化情況如圖 1所示.
圖中a、b、c、d、e這5個部分的進水Cl-濃度依次為0、2000、3500、5000、7500 mg ·L-1, 在反應(yīng)器啟動后的114 d Cl-濃度曾調(diào)整為10000 mg ·L-1, 隨即停止進水, 3 d后又恢復(fù)到7500 mg ·L-1(圖中以虛線標(biāo)示), 下同
圖 1 COD降解效率的變化
Cl-濃度低于7500 mg ·L-1時EGSB反應(yīng)器的COD降解效率受到的影響不大, 適當(dāng)?shù)靥岣啕}度更能促進COD的降解, 這一點與劉峰等[11]的上流式厭氧生物濾池實驗結(jié)果相似.反應(yīng)器完成啟動后, COD平均去除率為76.2%, 出水的COD平均濃度為699.2 mg ·L-1.當(dāng)進水的Cl-濃度為2000 mg ·L-1, COD去除率略有降低, 但與前一階段相比仍有升高, 且仍然呈增長趨勢, 平均去除率為79.2%, 出水的COD平均濃度為678.25mg ·L-1.當(dāng)進水的Cl-濃度提升到3500 mg ·L-1, 反應(yīng)器的COD去除率未受到顯著影響, 持續(xù)升高, 平均去除率達到87.7%, 出水的COD平均濃度為401.9mg ·L-1.反應(yīng)器在2500 mg ·L-1和3000 mg ·L-1的Cl-濃度下COD去除率都能保持較快的增長速率, 并且在3500 mg ·L-1的Cl-濃度下去除率增長比前一階段更快.反應(yīng)器運行的第51 d開始, 進水的Cl-濃度增加到5000 mg ·L-1, 反應(yīng)器COD去除率有所降低, 但仍然能維持在80%以上, 整個階段中COD去除率在波動中逐漸上升, COD平均去除率為90.5%, 出水COD平均濃度為307.1mg ·L-1; 考慮到出水COD濃度波動較大, COD去除率應(yīng)有進一步提高的空間, 在反應(yīng)器運行第91 d對進水條件做出調(diào)整, 將進水中N、P濃度增加一倍，為反應(yīng)器中微生物增加氮源磷源的供應(yīng).當(dāng)進水的Cl-濃度進一步調(diào)整到7500 mg ·L-1, 反應(yīng)器的COD平均去除率為98.1%, 沒有明顯波動, 出水的COD平均值為61.08mg ·L-1; 因為COD去除率在7500 mg ·L-1的進水Cl-濃度下沒有受到影響, 在反應(yīng)器啟動的第114 d曾一度將進水Cl-濃度提升到10000 mg ·L-1, 但在調(diào)整次日EGSB反應(yīng)器中的厭氧顆粒污泥即出現(xiàn)了嚴(yán)重的上浮流失現(xiàn)象, 隨即停止進水, 2 d后將進水Cl-濃度恢復(fù)為7500 mg ·L-1.由于調(diào)整及時, 在此期間的COD降解并未受到很大影響, 反應(yīng)器也很快恢復(fù)如前.在5000 mg ·L-1的Cl-濃度下, EGSB反應(yīng)器經(jīng)過接近2個月的馴化后COD的降解能力還能進一步提高, Cl-濃度達到7500 mg ·L-1時, 反應(yīng)器的COD去除率能夠不受影響穩(wěn)定維持在最高水平.
2.2 鹽度對容積產(chǎn)氣率的影響
容積產(chǎn)氣率主要反映了厭氧反應(yīng)器的產(chǎn)沼氣情況, 其在很大程度上反映了厭氧反應(yīng)器的有機物降解情況.
當(dāng)進水Cl-濃度在7500 mg ·L-1以下時, 反應(yīng)器的容積產(chǎn)氣率隨鹽度的提升會在出現(xiàn)一定的波動后逐漸提升, 最終穩(wěn)定維持在一個較高水平.從圖 2可以看出, 在a、b段, 反應(yīng)器的容積產(chǎn)氣率都比較穩(wěn)定, 沒有太大變化, 平均為0.91 m3 ·(m3 ·d)-1. 42 d后, 隨著Cl-濃度增大到3500 mg ·L-1, 容積產(chǎn)氣率波動很大, 但整個階段的平均值比前一階段有增長, 為1.19 m3 ·(m3 ·d)-1; 結(jié)合同階段COD去除率的變化可見, 與整體的厭氧消化過程相比, 產(chǎn)甲烷過程對鹽度的變化更敏感.當(dāng)Cl-濃度為5000 mg ·L-1, 反應(yīng)器的容積產(chǎn)氣率在初期有下降趨勢, 在延長馴化時間并調(diào)整進水N、P濃度后, 容積產(chǎn)氣率又逐漸上升, 整個階段的平均值為1.39 m3 ·(m3 ·d)-1; 這個階段的變化趨勢與COD去除率的變化相近.在圖中e段, 反應(yīng)器的容積產(chǎn)氣率在7500 mg ·L-1的Cl-濃度下略有下降, 經(jīng)過一段時間馴化后, 反應(yīng)器的容積產(chǎn)氣率又逐漸回復(fù)到原來的水平, 維持在1.63 m3 ·(m3 ·d)-1左右.
圖 2 容積產(chǎn)氣率的變化
反應(yīng)器的容積產(chǎn)氣率受到鹽度影響的變化情況與COD降解的變化情況比較相似, 在鹽度提升時會受一定影響, 而持續(xù)馴化一段時間后又逐漸恢復(fù)并能在原有水平上進一步提高; 不同的是鹽度變化對產(chǎn)氣的影響更大, 在圖 2中容積產(chǎn)氣率的數(shù)據(jù)波動很大, 不如COD降解率的變化平穩(wěn).
2.3 鹽度對厭氧顆粒污泥的影響
在反應(yīng)器運行的不同階段分別取樣測定了反應(yīng)器中厭氧顆粒污泥的粒徑分布與沉降速度參數(shù), 粒徑分布與沉降速度能夠體現(xiàn)顆粒污泥整體狀態(tài)與降解性能, 作為反應(yīng)器內(nèi)厭氧污泥的主體, EGSB反應(yīng)器中顆粒污泥的狀態(tài)是反應(yīng)器運行效果的關(guān)鍵, 顆粒污泥的狀態(tài)與特性影響著厭氧反應(yīng)器的處理效率、體系活性及系統(tǒng)穩(wěn)定性等.
從圖 3及表 2可以看出, 在鹽度沖擊下, 大顆粒污泥受到影響解體為小顆粒污泥, 使小顆粒污泥所占的比重上升.當(dāng)Cl-濃度增加到7500 mg ·L-1且短暫調(diào)至10000 mg ·L-1后, 粒徑在0.9~0.6 mm的顆粒污泥大量解體成為粒徑小于0.6 mm的微小顆粒污泥, 與前面的幾個運行階段相比變化較大.在徐英博等的實驗中, 顆粒污泥的粒徑分布在高負(fù)荷下也表現(xiàn)出相同的變化, 分析其原因為大顆粒污泥中微生物較為豐富, 結(jié)構(gòu)復(fù)雜, 生長優(yōu)勢明顯, 而0.9~0.6 mm顆粒污泥較易受影響出現(xiàn)解體, 粒徑減小.在其他較低鹽度下, 顆粒污泥粒徑分布變化可以保持在一個較小范圍內(nèi). Cl-濃度在0~7500 mg ·L-1變化時, 粒徑大于2 mm的大顆粒污泥所占的質(zhì)量分?jǐn)?shù)始終在50%以上, 并且在Cl-濃度調(diào)整到3500 mg ·L-1后, 粒徑大于2 mm的大顆粒污泥所占的質(zhì)量分?jǐn)?shù)還有較低增幅, 可見顆粒污泥在這個等級的鹽度負(fù)荷下適應(yīng)良好.
圖 3 厭氧顆粒污泥照片
表 2 厭氧顆粒污泥粒徑分布(質(zhì)量分?jǐn)?shù))/%
如圖 4所示, 同等粒徑范圍內(nèi)厭氧顆粒污泥的沉降速度受鹽度影響不大, 粒徑大于0.9 mm的顆粒污泥的沉降速度始終在60 m ·h-1以上, 除粒徑大于2 mm的顆粒污泥外的其他粒徑較小的顆粒污泥的沉降速度都有一定的提升.研究表明, 廢水浮力隨鹽度增加而提升, 導(dǎo)致高含鹽量的體系可以在系統(tǒng)中保留更為密實的顆粒污泥, 而大顆粒污泥內(nèi)部容易營養(yǎng)不足引起細(xì)胞自溶形成空腔, 從而密度下降, 影響沉降速度.
圖 4 顆粒污泥沉降速度的變化
2.4 鹽度對微生物群落多樣性的影響
為進一步分析鹽度對厭氧顆粒污泥體系中微生物群落多樣性的影響, 分別對Cl-濃度為0和5000 mg ·L-1兩個反應(yīng)器運行階段的厭氧顆粒污泥進行高通量測序和宏基因組分析, 表 3、4及圖 5、6分別展示了2個階段中古菌和細(xì)菌在門水平和屬水平分類層面上的類群分布情況.
表 3 古菌門水平類群分布
表 4 細(xì)菌門水平類群分布
圖 5 古菌屬水平類群分布
圖 6 細(xì)菌屬水平類群分布
在鹽度的影響下, 微生物群落的優(yōu)勢菌群變化很大. Cl-濃度為0時, 古菌中的優(yōu)勢菌屬是Methanoregula與Methanothrix, 分別占總數(shù)的50.01%與32.59%, 而當(dāng)Cl-濃度達到5000 mg ·L-1, 占據(jù)優(yōu)勢的菌屬則是Methanobacterium(57.5%), Methanospirillum(21.9%)和Methanothrix(13.91%). Methanoregula屬于廣古菌門(β-Euryarchaeota)甲烷微菌目(β-Methanomicrobiales), 主要代謝底物是H2、CO2. Methanothrix之前曾用名是Methanosaeta, 屬于專性乙酸營養(yǎng)型產(chǎn)甲烷古菌, 有研究顯示Methanosaeta適于在高負(fù)荷下生長. Methanobacterium屬于廣古菌門甲烷桿菌目(β-Methanobacteriales), 可以利用H2、甲酸鹽、甲醇等底物生產(chǎn)甲烷, Methanospirillum屬于廣古菌門甲烷微菌目, 其主要代謝底物為甲酸. Methanoregula, Methanothrix, Methanobacterium, Methanospirillum等都是厭氧消化器中常見的產(chǎn)甲烷菌屬.
在細(xì)菌群中, Cl-濃度為0時的門水平上的主要菌群是β-Chloroflexi(23.86%), β-Proteobacteria(18.99%), β-Bacteroidetes(11.27%), 當(dāng)Cl-濃度達到5000 mg ·L-1, 占據(jù)主體的菌群則變?yōu)棣?Bacteroidetes(29%), β-Proteobacteria(23.17%)和β-Firmicutes(18.06%).在屬水平上沒有特別優(yōu)勢的菌屬, 在兩個不同階段優(yōu)勢最大的細(xì)菌分別是Longilinea(7.49%)與Paludibacter(7.69%). Longilinea屬于綠彎菌門(β-Chloroflexi)的厭氧繩菌目(β-Anaerolineales), 可代謝多種碳水化合物. Paludibacter屬于擬桿菌門(β-Bacteroidetes)的紫單胞菌科(β-Porphyromonadaceae), 能發(fā)酵多種單糖和二糖產(chǎn)丙酸、乙酸和少量丁酸.當(dāng)Cl-濃度為0時, 在細(xì)菌的測序分析中發(fā)現(xiàn)了古菌的β-Euryarchaeota, 因為細(xì)菌與古菌的16S rDNA基因序列有較高的同源性, 在對細(xì)菌測序分析時也有可能發(fā)現(xiàn)古菌, β-Euryarchaeota在Cl-濃度達到5000 mg ·L-1時在細(xì)菌的測序中不再占據(jù)優(yōu)勢, 表明鹽度的增高影響了古菌的生長.具體參見污水寶商城資料或http://www.yiban123.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。
3 結(jié)論
(1) 在COD容積負(fù)荷為3.267kg ·(m3 ·d)-1的運行條件下, EGSB反應(yīng)器在Cl-濃度小于7500 mg ·L-1時運行效果較好, 隨著Cl-濃度的提高, 反應(yīng)器運行效果基本表現(xiàn)出波動后提升的變化.最終Cl-濃度在7500 mg ·L-1時, 反應(yīng)器的COD平均去除率在98.1%, 容積產(chǎn)氣率能夠基本穩(wěn)定在1.3 m3 ·(m3 ·d)-1以上.在鹽度馴化后, 適當(dāng)提高鹽度能夠提高反應(yīng)器的運行效果.
(2) 保持反應(yīng)器COD容積負(fù)荷為3.267kg ·(m3 ·d)-1, 反應(yīng)器中的厭氧顆粒污泥對于0~7500 mg ·L-1范圍內(nèi)的Cl-濃度體現(xiàn)出良好的適應(yīng)性, 大顆粒污泥在鹽度提升的影響下仍然占據(jù)反應(yīng)器顆粒污泥的主體, 而在Cl-濃度短暫提升到10000 mg ·L-1的沖擊下, 粒徑較小的顆粒污泥容易受到影響, 出現(xiàn)解體現(xiàn)象.同等粒徑范圍內(nèi)厭氧顆粒污泥的沉降性能在高鹽廢水的影響下有小幅度的提升, 并且大顆粒污泥的沉降速度保持在60 m ·h-1以上.
(3) 鹽度影響了厭氧顆粒污泥中微生物的類群分布, 群落中優(yōu)勢菌群的變化很大.當(dāng)Cl-濃度由0增加到5000 mg ·L-1, 古菌群中的優(yōu)勢菌群由Methanoregula(50.01%)和Methanothrix(32.59%)變?yōu)镸ethanobacterium(57.5%), Methanospirillum(21.9%)和Methanothrix(13.91%); 細(xì)菌群中, 原本數(shù)量較多的Longilinea(7.49%)受鹽度影響豐度降低, Paludibacter(7.69%)成為占據(jù)優(yōu)勢的菌群.
