考察雙氧水協(xié)同生化法對(duì)實(shí)際印染廢水處理效果

　　紡織印染行業(yè)是重要的民生產(chǎn)業(yè)，但同時(shí)又是典型的重污染行業(yè)，其主要污染物為印染廢水，其中包含大量難降解的有機(jī)物、染料、助劑、表面活性劑、堿、有機(jī)鹵化物(AOX)等，可生化性差，并且近年來隨著紡織印染行業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新，新型合成染料和助劑被大量應(yīng)用，從而使得印染廢水水質(zhì)更加復(fù)雜，處理難度也進(jìn)一步加大,傳統(tǒng)單一的生化法很難適應(yīng)當(dāng)前需要。物化法可以快速高效降解多種生化法難以降解的污染物，但其相對(duì)高昂的處理成本降低了其單獨(dú)應(yīng)用的可行性，而將物化法與生化法進(jìn)行恰當(dāng)?shù)墓に嚱M合是目前印染廢水處理技術(shù)研究和應(yīng)用的熱點(diǎn)之一。

　　雙氧水是一種常用的高級(jí)氧化劑，一般情況下對(duì)微生物活性有破壞作用，通常是將其與鐵鹽等催化劑組合，作為單獨(dú)的物化處理單元，被廣泛應(yīng)用于包括芬頓、光助芬頓、電芬頓以及UV/H2O2等工藝在內(nèi)的高級(jí)氧化法處理印染廢水的研究中，均取得了良好的效果。

　　本實(shí)驗(yàn)采用了不同于以往的嘗試，研究雙氧水協(xié)同生化法的工藝對(duì)印染廢水的處理效果，前期工作已證明在嚴(yán)格控制雙氧水投加濃度和投加速度等參數(shù)的條件下，該工藝可以有效強(qiáng)化模擬印染廢水中主要污染物(COD，氨氮，色度)的處理效果，且從微觀層面研究了協(xié)同體系的微生物群落結(jié)構(gòu)特征。微生物是生化反應(yīng)的主體，其中的優(yōu)勢(shì)菌群在生化系統(tǒng)運(yùn)行的不同階段均起到重要的作用，因此對(duì)生化系統(tǒng)中微生物菌群特征的評(píng)估也顯得尤為必要。此前研究表明，微生物菌群結(jié)構(gòu)和多樣性取決于生化處理系統(tǒng)中多種因素的驅(qū)動(dòng)作用，相應(yīng)地，微生物群落結(jié)構(gòu)和多樣性的變化也會(huì)影響生化反應(yīng)器的性能，但目前針對(duì)物化法和生化法組合工藝的研究中，深入分析物化藥劑的投加對(duì)于微生物菌群結(jié)構(gòu)直接影響的報(bào)道還較少。

　　本實(shí)驗(yàn)在前期工作的基礎(chǔ)上，考察雙氧水協(xié)同生化法對(duì)實(shí)際印染廢水的處理效果，并比較了雙氧水協(xié)同生化處理體系與完全生化處理體系的微生物菌群結(jié)構(gòu)差異，以期為雙氧水協(xié)同生化法的實(shí)際應(yīng)用提供參考。

　　1 材料與方法

　　1.1 實(shí)驗(yàn)廢水水質(zhì)及接種污泥

　　本實(shí)驗(yàn)前期污泥培養(yǎng)及馴化所用的廢水有2種，培養(yǎng)初期先采用模擬印染廢水，之后再逐步替換成實(shí)際廢水。其中模擬廢水主要成分為聚乙烯醇、葡萄糖、淀粉、碳酸銨、磷酸二氫鉀、染料活性黑5，主要水質(zhì)參數(shù)為：COD 800 mg·L−1,氨氮10 mg·L−1, 色度約400 倍，pH 8.5。

　　所用的實(shí)際印染廢水取自廣州市某針織印染企業(yè)調(diào)節(jié)池。該廢水成分復(fù)雜，其中含有多種纖維雜質(zhì)、堿、染料及助劑等，綜合水質(zhì)如下：COD 400~700 mg·L−1,氨氮 5~20 mg·L−1,色度 300 倍左右，pH 8.0~9.0，水溫約45 °C，本實(shí)驗(yàn)進(jìn)水前先冷卻至常溫。

　　所用雙氧水為市售質(zhì)量濃度為30%的雙氧水溶液，使用前先稀釋至合適濃度。本實(shí)驗(yàn)室中投加的雙氧水濃度參考前期研究工作確定為3 mL·L−1。

　　接種污泥取自廣州市某市政廢水處理廠二沉池剩余污泥，先靜置2 h濃縮，取下層濃縮污泥空曝3 d，消耗掉污泥中殘余有機(jī)物，之后將污泥濃度調(diào)節(jié)至約10 000 mg·L−1，備用。

　　1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

　　本研究在2套結(jié)構(gòu)相同的裝置(分別命名為2#系統(tǒng)和3#系統(tǒng))中對(duì)照完成，單套系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。主體包括蓄水槽、水解酸化反應(yīng)器(A段)、接觸氧化反應(yīng)器(O段)、曝氣系統(tǒng)、進(jìn)出水蠕動(dòng)泵。其中2個(gè)圓柱形反應(yīng)器為有機(jī)玻璃材質(zhì)，內(nèi)徑均為10 cm，高度380 cm,有效容積為3 L，外層包裹2.5 cm厚水浴保溫層，每個(gè)反應(yīng)器中均懸掛相同數(shù)量的組合填料作為污泥載體。

　　圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

　　1.3 實(shí)驗(yàn)方法與流程

　　1.3.1 污泥培養(yǎng)與馴化步驟

　　1)制備4 串相同的組合填料，分別固定在2#系統(tǒng)的水解酸化反應(yīng)器(2-A體系)，2#系統(tǒng)的接觸氧化反應(yīng)器(2-O體系)以及3#系統(tǒng)的水解酸化反應(yīng)器(3-A體系)和3#系統(tǒng)的接觸氧化反應(yīng)器(3-O體系)中，然后將1.1中準(zhǔn)備好的濃縮污泥攪拌均勻，依次倒入4個(gè)反應(yīng)器中，每個(gè)反應(yīng)器內(nèi)初始污泥量均為3 L。

　　2)同步啟動(dòng)2#系統(tǒng)和3#系統(tǒng)，連續(xù)進(jìn)入模擬印染廢水，每個(gè)反應(yīng)器的停留時(shí)間均設(shè)定為12 h，體系溫度均控制在30 °C，處理量均為6 L·d−1，2-O和3-O體系的DO均控制在5.5~6.0 mg·L−1之間。經(jīng)為期4個(gè)月運(yùn)行后，2套系統(tǒng)出水都達(dá)到基本穩(wěn)定的狀態(tài)。

　　3)保證進(jìn)水流量不變，采用階梯式增加實(shí)際廢水體積并減少模擬廢水體積的方式，在3個(gè)月內(nèi)將2套系統(tǒng)的進(jìn)水由100%模擬廢水逐步調(diào)整為100%實(shí)際廢水，中間調(diào)整期具體水質(zhì)比例變化如下：10%實(shí)際廢水與90%模擬廢水混合→30%實(shí)際廢水與70%模擬廢水混合→50%實(shí)際廢水與50%模擬廢水混合→80%實(shí)際廢水與20%實(shí)際廢水混合。每種水質(zhì)條件運(yùn)行時(shí)間為15 d左右，以上所有調(diào)整在2套系統(tǒng)中始終保持同步進(jìn)行。

　　以上步驟僅為污泥培養(yǎng)與馴化環(huán)節(jié)，水質(zhì)數(shù)據(jù)不作為本實(shí)驗(yàn)分析內(nèi)容。

　　1.3.2 雙氧水協(xié)同生化處理實(shí)際印染廢水的實(shí)驗(yàn)研究

　　階段Ⅰ(第1~50天)：將2套系統(tǒng)進(jìn)水調(diào)整為100%實(shí)際印染廢水后，為穩(wěn)定進(jìn)水條件，第11 天開始用濃硫酸將2套系統(tǒng)進(jìn)水pH均調(diào)節(jié)至6.0~6.5之間，運(yùn)行50 d之后2套系統(tǒng)出水水質(zhì)基本穩(wěn)定。

　　階段Ⅱ(第51~84天)：從第51天開始進(jìn)行雙氧水協(xié)同生化處理實(shí)際印染廢水的實(shí)驗(yàn)。為更直觀地比較雙氧水協(xié)同的效果，將2#系統(tǒng)定為空白對(duì)照組(即不加雙氧水，維持階段Ⅰ的各項(xiàng)運(yùn)行條件不變)，僅向3-A體系定時(shí)定量投加雙氧水。

　　本實(shí)驗(yàn)中的雙氧水投加量和投加頻率確定如下：濃度為3 mL·L−1的雙氧水溶液100.0 mL，投加速度為1.67 mL·min−1，投加頻率1 次·d−1。投加過程中連續(xù)監(jiān)測(cè)3-A 的溶解氧(DO)濃度，另外每天取樣檢測(cè)2套系統(tǒng)各工藝段進(jìn)出水水質(zhì)[14]。

　　以上運(yùn)行過程中2套系統(tǒng)的進(jìn)水水質(zhì)均完全相同。

　　1.4 取樣及分析方法

　　每天取2套系統(tǒng)中各體系的進(jìn)出水分析(因2套系統(tǒng)進(jìn)水水質(zhì)完全相同，所以進(jìn)水只取一個(gè)樣品)，具體水質(zhì)指標(biāo)和分析方法如表1所示。

　　表1 水質(zhì)指標(biāo)及分析方法

　　1.5 基于 Illumina平臺(tái)的16S rDNA 宏基因組測(cè)序

　　階段Ⅱ運(yùn)行的過程中(第70天)，在體系2-A、2-O、3-A、3-O內(nèi)填料上各取1個(gè)污泥樣品，經(jīng)濃縮和前處理后，采用16S rDNA高通量測(cè)序法[14]，分析各污泥樣品中微生物菌群的種類分布情況。

　　2 結(jié)果與討論

　　2.1 反應(yīng)體系pH變化情況分析

　　pH是廢水生化處理的重要工藝參數(shù)，常規(guī)水解酸化工藝適合的pH范圍較寬，一般在6.5~7.5之間[19]。而對(duì)于印染廢水生化處理體系，當(dāng)pH高于微生物等電點(diǎn)時(shí)，堿性染料會(huì)對(duì)微生物的活性造成較強(qiáng)抑制[20]。綜合考慮以上影響，并且為了穩(wěn)定進(jìn)水水質(zhì)，本實(shí)驗(yàn)經(jīng)過探索實(shí)驗(yàn)后，從第11天開始將進(jìn)水pH調(diào)節(jié)為6.0~6.5之間，各體系運(yùn)行過程中進(jìn)出水pH變化如圖2所示，在階段Ⅰ和階段Ⅱ運(yùn)行期間，2-A體系和3-A體系出水pH均分布在7.5~8.6之間，體系內(nèi)部呈中性偏弱堿性環(huán)境，2-O和3-O體系出水相比水解酸化體系均略有升高，為7.6~8.7之間。

　　圖2 各反應(yīng)體系pH變化

　　2.2 反應(yīng)體系中COD去除情況對(duì)比分析

　　如圖3(a)所示，階段Ⅰ內(nèi)2套系統(tǒng)出水的COD變化趨勢(shì)基本相同，當(dāng)階段Ⅱ開始(第51天)向3-A體系定時(shí)投加雙氧水后， 3-A體系出水COD從階段Ⅰ期間略低于2-A體系的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楦哂诤笳撸�且高出幅度�?0~40 mg·L−1之間，而3-O體系出水COD和2-O體系出水COD仍然基本相同;與之對(duì)應(yīng)的圖3(b)中，階段Ⅱ開始后3-A體系的COD去除率從階段Ⅰ期間略高于2-A體系的趨勢(shì)轉(zhuǎn)變?yōu)榈陀诤笳�，�?-O體系COD去除率則>2-O體系COD去除率。以上變化是由于3-A體系pH呈弱堿性，而雙氧水在堿性環(huán)境中不太穩(wěn)定[10,21]，會(huì)發(fā)生分解反應(yīng)，分解產(chǎn)物包括羥基自由基、過氧羥基自由基(HO2·)、氧氣和水[22] 。其中羥基自由基可以非選擇性地與廢水中的大多數(shù)有機(jī)化合物通過氫鍵取代和碳碳單鍵的加成迅速發(fā)生反應(yīng)[23]，破壞其分子結(jié)構(gòu)，而產(chǎn)生的微量氧氣則有助于水解酸化體系中兼性菌的繁殖和代謝，促進(jìn)水解過程[24-25]，進(jìn)一步提高廢水的可生化性，從而有利于后續(xù)好氧生化處理，所以階段Ⅱ內(nèi)3-O體系的COD去除率>2-O體系的COD去除率;另外上述水解作用主要體現(xiàn)在促進(jìn)污染物的形態(tài)轉(zhuǎn)化，而不是完全去除，這可能是階段Ⅱ投加雙氧水后3-A體系的COD去除率低于2-A體系的COD去除率的原因。此外，對(duì)比階段Ⅱ2套系統(tǒng)的最終COD總體去除率基本持平，均在60%~70%之間波動(dòng)，因此，后續(xù)還需要對(duì)體系pH及雙氧水投加量等工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)一步強(qiáng)化雙氧水協(xié)同生化處理系統(tǒng)整體對(duì)COD的去除效果。

　　圖3 各反應(yīng)體系中COD去除情況對(duì)比

　　2.3 反應(yīng)體系中氨氮去除情況對(duì)比分析

　　從圖4(a)可以看出，在整個(gè)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行過程中，實(shí)際印染廢水進(jìn)水氨氮濃度波動(dòng)較大，范圍在3.7~18.6 mg·L−1之間，圖4(b)中2套系統(tǒng)的水解酸化(A)體系出水氨氮濃度和去除率也一直隨進(jìn)水波動(dòng)，并且2-A體系與3-A體系氨氮去除率大部分情況下為負(fù)值。其中階段Ⅰ內(nèi)，2-A體系出水氨氮去除率在−60%~+36%之間，平均為−11.3%，3-A體系氨氮去除率在−35%~+38%之間，平均為−5.8%;主要是因?yàn)楸緦?shí)驗(yàn)所用的實(shí)際印染進(jìn)水中含有大量有機(jī)氮(比如偶氮染料，含氮有機(jī)助劑尿素等)，這些有機(jī)氮需要先通過氨化作用轉(zhuǎn)化為自養(yǎng)微生物可以利用的氨氮[26]，從而使得水解酸化段出水中氨氮濃度升高，去除率為負(fù)值，良好的氨化反應(yīng)是后續(xù)脫氮過程的前提和保證[27];階段Ⅱ向3-A體系投加雙氧水后，其氨氮去除率高于對(duì)照組2-A體系，其中前者在-93%~+8.5%之間，平均為−18.4%，后者在−103%~+9.2%之間，平均為−34%，減輕了后續(xù)接觸氧化段的氨氮處理壓力，這也印證了此前研究人員[28]關(guān)于適量的雙氧水可以增加污水中含氧量，從而提高氨氮去除效果的研究結(jié)論。另外2套系統(tǒng)的2-O和3-O體系在2個(gè)階段內(nèi)去除效果均較為穩(wěn)定，且去除率都接近100%，說明本實(shí)驗(yàn)組合工藝具有良好的抗氨氮沖擊能力。

　　圖4 各反應(yīng)體系氨氮去除情況

　　2.4 反應(yīng)體系中色度去除情況對(duì)比分析

　　從階段Ⅰ第11天開始，用稀釋倍數(shù)法定期測(cè)定(平均間隔2 d測(cè)定1次)各體系進(jìn)出水色度，結(jié)果如圖5所示。階段Ⅱ向3-A投加雙氧水之后，3-A體系出水色度相比2-A體系波動(dòng)較大，基本在125~150 倍之間，既有高出2-A色度的情況，也有低于2-A色度的情形，但3-O和2-O體系出水色度仍然保持基本相同，在100~125 倍之間。

　　圖5 各反應(yīng)體系色度去除情況對(duì)比

　　本實(shí)驗(yàn)中實(shí)際印染廢水的色度由多種染料混合產(chǎn)生，且染料種類隨生產(chǎn)工藝不同隨時(shí)變化，主要為偶氮類染料，均屬于芳香族化合物。在生化處理體系中，芳香族化合物在厭氧和有氧的條件下都可以被生物降解脫色，其中偶氮染料的生物脫色主要在厭氧條件下進(jìn)行，其分解需要2步[29]：第1步是在厭氧條件下發(fā)色基團(tuán)偶氮鍵獲得電子，被裂解成無色的中間代謝產(chǎn)物(如苯胺等)，第2步是在有氧條件下中間代謝產(chǎn)物被進(jìn)一步降解;因此，當(dāng)進(jìn)水中偶氮染料占比較大時(shí)，將雙氧水加入水解酸化體系后，其分解產(chǎn)物之一——羥基自由基的強(qiáng)氧化作用可以促進(jìn)偶氮染料的化學(xué)降解，但另一產(chǎn)物——氧氣也可能會(huì)和發(fā)色基團(tuán)爭(zhēng)奪電子，從而阻礙微生物對(duì)偶氮鍵的裂解過程[29-30]。所以后續(xù)還需要對(duì)體系的pH以及雙氧水的投加量等參數(shù)進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化，以期將雙氧水分解的各種產(chǎn)物控制在合適的范圍，進(jìn)一步提高協(xié)同體系對(duì)色度的去除效果。

　　2.5 反應(yīng)體系內(nèi)微生物菌群的宏基因組16S rDNA 測(cè)序?qū)Ρ确治?/P>

　　為了更深入地分析雙氧水投加對(duì)完全生化處理系統(tǒng)的影響，本實(shí)驗(yàn)在階段Ⅱ運(yùn)行期間(第70天)，分別取雙氧水協(xié)同生化體系(3-A，3-O)以及完全生化處理對(duì)照體系(2-A，2-O)的污泥樣品，采用宏基因組16S rDNA測(cè)序法, 對(duì)這些樣品進(jìn)行微生物聚類與多樣性分析，并對(duì)各樣品中的微生物具體種類進(jìn)行了鑒定和解析。

　　2.5.1 各體系內(nèi)微生物聚類與Alpha多樣性對(duì)比分析

　　稀釋曲線通常與覆蓋度指數(shù)結(jié)合使用來評(píng)價(jià)測(cè)序量是否足以覆蓋所有類群，其中稀釋曲線還可以間接反映樣品中物種的豐富程度，當(dāng)曲線趨于平緩或者達(dá)到平臺(tái)期時(shí)就可以認(rèn)為測(cè)序深度已經(jīng)基本覆蓋到樣品中所有的物種。而覆蓋度指數(shù)的數(shù)值越大，則表明樣本中序列沒有被測(cè)出的概率越低，本次測(cè)序代表樣本真實(shí)性的程度越高。結(jié)合圖6中的稀釋曲線和表2中的各樣品覆蓋度指數(shù)可知，本次測(cè)序?qū)Ρ緦?shí)驗(yàn)各污泥樣品中微生物種類的覆蓋度均較高，可以反映各樣品中物種分布的真實(shí)情況。具體聯(lián)系污水寶或參見http://www.yiban123.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

　　圖6 各污泥樣本測(cè)序稀釋曲線

　　表2 各反應(yīng)體系中微生物種群多樣性指數(shù)

　　而表2中的可操作分類單元數(shù)目(OTU )為微生物聚類分析指標(biāo)，每一個(gè)OTU通常被視為一個(gè)微生物物種，體系中OTU 數(shù)值越大，表明微生物物種越豐富;而Chao1指數(shù)、Shannon指數(shù)和Simpson指數(shù)均為微生物α多樣性的常用度量指標(biāo)，Chao1值越大，代表樣品中物種總數(shù)越多;Shannon值和Simpson值越大，表明樣品的物種多樣性越高。比較本實(shí)驗(yàn)中各樣品的OTU數(shù)目及α多樣性指數(shù)，可以看出投加雙氧水的3-A體系和未投加雙氧水的2-A體系中微生物的物種總數(shù)基本相同，但后續(xù)2套接觸氧化體系中微生物種類多樣性差異顯著，其中3-O體系物種多樣性遠(yuǎn)小于2-O體系，說明3-O體系內(nèi)的微生物種類趨于集中。

　　2.5.2 反應(yīng)體系內(nèi)微生物菌群結(jié)構(gòu)對(duì)比分析

　　本實(shí)驗(yàn)中所有污泥樣品的微生物在門水平(豐度>1%)的種類分布情況如圖7所示。對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，雙氧水的投加對(duì)于生化處理體系的微生物種群類型和豐度都有顯著影響。其中投加雙氧水的3-A體系污泥樣品共檢出46個(gè)菌門，其中的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)菌門為Proteobacteria(變形菌)和Bacteroidetes(擬桿菌)，這也與LI等 [31]之前對(duì)印染廢水處理體系中微生物優(yōu)勢(shì)菌群的分析結(jié)果類似。并且3-A體系中2個(gè)優(yōu)勢(shì)菌門的豐度分別為36%和18.6%，均高于對(duì)照組未投加雙氧水的2-A體系中相同優(yōu)勢(shì)菌門的豐度值。而3-O體系污泥樣品則共檢出33個(gè)菌門，相比3-A體系菌群類別大幅減少，其中豐度大于1%的菌門所占總比例高達(dá)94.8%。從具體種類來看，數(shù)量最多的依然是Proteobacteria(變形菌)，但其豐度相比對(duì)照組2-O體系中Proteobacteria的豐度低近10%;此外3-O體系中位居第2的則是比例高達(dá)15%的Nitrospirae(硝化螺旋菌)，其相對(duì)豐度是對(duì)照組2-O體系中Nitrospirae豐度的3倍。

　　圖7 反應(yīng)體系內(nèi)微生物菌群組成對(duì)比(門水平)

　　以上結(jié)果表明，雙氧水的投加可以直接影響水解酸化體系中微生物的菌群數(shù)量，洗脫部分厭氧菌，促進(jìn)優(yōu)勢(shì)菌門Proteobacteria(變形菌)和Bacteroidetes(擬桿菌)的富集，有研究[32]報(bào)道擬桿菌和厚壁菌廣泛存在于染料廢水的處理體系中，對(duì)于染料脫色有一定強(qiáng)化作用。此外雙氧水加入對(duì)后續(xù)的接觸氧化體系中微生物菌群種類和數(shù)量均有影響，不僅有助于洗脫接觸氧化體系中的部分非優(yōu)勢(shì)菌，且可以刺激Nitrospirae(硝化螺旋菌)的生長(zhǎng)，Nitrospirae是一類革蘭氏陰性細(xì)菌，為重要的亞硝酸鹽氧化菌，其中的 Nitrospira(硝化螺旋菌屬) 為硝化細(xì)菌，可將亞硝酸鹽氧化成硝酸鹽，從而促進(jìn)脫氮。(來源：環(huán)境工程學(xué)報(bào) 作者：唐嘉麗)