好氧顆粒污泥處理汽車涂裝廢水及微生物評估

宋 穎，周安瀾，楊丹丹，徐敏峰

(安徽建筑大學(xué) 環(huán)境與能源工程學(xué)院，安徽 合肥 230022)

在汽車生產(chǎn)過程中，涂裝單元是為了讓車輛具有優(yōu)良的耐腐蝕性及美觀效果，但汽車涂裝也是產(chǎn)生污染物的主要單元。汽車涂裝過程不同，產(chǎn)生廢水的種類不同，主要來自脫脂、表調(diào)、磷化、鈍化等過程[1, 2]。汽車涂裝廢水受排放周期、生產(chǎn)和清洗工藝、所用化學(xué)品種類等諸多因素的影響，其濃度變化很大。這些廢水的特點(diǎn)是：含有高濃度的有機(jī)物、重金屬、懸浮物，生物降解性指數(shù)低，對環(huán)境危害極大[3]。其中苯酚是主要污染物、致癌、超過2 mg/L對魚類有毒，濃度在10 mg/L-100 mg/L會導(dǎo)致水生生物的在96 h內(nèi)死亡[4]，因此，它的去除具有重大意義。根據(jù)我國污水排放標(biāo)準(zhǔn)(GB8978-1996)，涂裝廢水需要采用經(jīng)濟(jì)可行、有效的處理方法，使其達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)后再排放[5]。

好氧顆粒污泥外觀近球形、結(jié)構(gòu)致密、密度大、沉降速度快[6]，可以在反應(yīng)器內(nèi)保留豐富的生物量。此外，顆粒的大小與結(jié)構(gòu)為內(nèi)層細(xì)胞提供了擴(kuò)散屏障，因此，好氧顆粒污泥反應(yīng)器能夠承受高濃度的有毒物質(zhì)和應(yīng)力負(fù)荷[7]。大量研究表明，好氧微生物具有降解苯酚的能力[8]。

實(shí)驗中，使用汽車涂裝廢水和合成廢水在SBR中馴化好氧顆粒污泥[9]，研究其對涂裝廢水以及其中苯酚的降解能力。再使用Illumina Miseq進(jìn)行的高通量測序，分階段觀察污泥中微生物群落的豐富度和多樣性。

1 材料和方法

1.1 接種顆粒污泥及廢水

將接種的污泥在SBR中通過人工合成的廢水培養(yǎng)，制成好氧顆粒污泥。該污泥取自合肥某汽車制造廠生物曝氣池，混合液懸浮固體(MLSS)的質(zhì)量濃度約為5.5 g/L，污泥體積指數(shù)(SVI)的值為40 mL/g。人工合成的廢水由蔗糖和醋酸鈉等比例混合提供碳源，NH4Cl提供氮源，Na2HPO4提供磷源，Na2CO3調(diào)節(jié)溶液pH，還包括CaCl2·2H2O、MgSO4·7H2O、EDTA等組成的1 mL微量溶液。合成廢水中COD、TN、TP的濃度分別為850 mg/L、38 mg/L和12 mg/L。制成的污泥粒徑約為1.2 mm-1.5 mm，結(jié)構(gòu)致密，表面光滑。

本研究所使用的汽車涂料廢水是從某汽車制造廠中獲得，該廢水中COD、TN、TP的濃度分別為800±200 mg/L、30±10 mg/L和15±10 mg/L。SBR反應(yīng)器的工藝流程如圖1所示。

①流量計②氣泵③蠕動泵④微孔曝氣頭⑤電磁閥⑥電控系統(tǒng)圖1 SBR反應(yīng)器的工藝流程

1.2 實(shí)驗裝置和操作條件

SBR反應(yīng)器中好氧部分的容積為3 L，交換率為50%，每天運(yùn)轉(zhuǎn)6個周期，每個周期運(yùn)行4 h，每個周期設(shè)置為投料4 min，曝氣231 min，沉淀3 min，排水2 min。該系統(tǒng)由電控系統(tǒng)(PLC)控制。在實(shí)驗過程中，在實(shí)驗過程中，使用合成廢水和實(shí)際汽車涂裝廢水的混合進(jìn)水方式，其比例變化如表1所示。

表1 不同階段進(jìn)水組分配比

1.3 分析方法

1.3.1 常規(guī)分析

參照《水和廢水監(jiān)測分析方法》，對MLSS、COD、TN、TP和SVI等參數(shù)進(jìn)行測定[10]，通過電子掃描顯微鏡觀測顆粒污泥表征[11]，苯酚濃度通過氣質(zhì)聯(lián)用儀測定[12]。

1.3.2 DNA提取和PCR技術(shù)

從樣本中取出0.3 g污泥至離心管，使用E.Z.N.A土壤DNA試劑盒提取DNA，并用0.8%瓊脂糖凝膠電泳和紫外分光光度法進(jìn)行檢測和定量，完成后在-20 ℃下保存。

擴(kuò)增16S rRNA基因中高度可變的V4-V5區(qū)，PCR引物分別為520F：5′-barcode+GCACCTAAYTGGGYDTAAAGNG-3′和802R：5′-TACNVGGGTATCTAATCC-3′。Barcode為加入的特異性序列。PCR反應(yīng)體系包括0.25 μL Q5?高保真DNA聚合酶、5 μL 5X ReactionBuffer、5 μL Q5?高GC增強(qiáng)劑、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 高通量測序技術(shù)

使用2%瓊脂糖凝膠對擴(kuò)增的PCR產(chǎn)物電泳，用Axygen的回收試劑盒回收目標(biāo)片段。將Quant-iT PicoGreen dsDNA檢測試劑盒作為熒光試劑，并使用酶標(biāo)儀(FLx800，BioTek)作為定量儀器進(jìn)行熒光定量。使用Illumina公司的Tru Seq Nano DNA LT Library Prep Kit構(gòu)建測序文庫。應(yīng)用Illumina MiSeq平臺進(jìn)行高通量測序，分析樣本中微生物的多樣性[13]。

2 結(jié)果與討論

2.1 顆粒污泥特性

SBR共運(yùn)行55 d，污泥的粒徑約為1.2 mm-1.5 mm，表面光滑致密。不同時期的污泥形態(tài)圖像如圖2所示。前期由于水質(zhì)變化較大，一些顆粒被分解成絮狀物，結(jié)構(gòu)松散，呈淡黃色。大約10 d后，顆粒污泥逐漸形成，顏色變?yōu)辄S褐色。從第31 d起，SBR中的進(jìn)水全部為汽車涂裝廢水，富含大量營養(yǎng)物質(zhì)，增加可擴(kuò)散的有機(jī)物，促進(jìn)了顆粒污泥中深層微生物的生長，此時平均粒徑為1.5 mm。隨著運(yùn)行時間的增加，污泥逐漸適應(yīng)環(huán)境，在SBR中可以保持良好的形態(tài)。此時粒徑約為1.8mm-2 mm，表面光滑平整致密。在運(yùn)行的45 d，污泥顏色已經(jīng)變?yōu)樽厣Ｔ谶\(yùn)行第45 d，SBR反應(yīng)器中顆粒污泥的SEM圖像，可以看出顆粒污泥表面主要是桿菌[14]，球菌數(shù)量較少。

圖2 不同時期的污泥形態(tài)圖像

SBR中的MLSS及SVI如圖3所示，接種污泥的MLSS濃度為5.5 g/L；運(yùn)行初期，SBR中大部分生物量被沖走，在運(yùn)行的第6 d，MLSS降至4.9 g/L；隨著反應(yīng)時間的增加，MLSS值逐漸增大，這可能是因為好氧顆粒污泥逐漸適應(yīng)涂裝廢水的加入；在運(yùn)行的30 d-35 d內(nèi)，進(jìn)水已經(jīng)全部為汽車涂裝廢水，所以該階段MLSS值波動較大；后期穩(wěn)定運(yùn)行后，MLSS濃度達(dá)到7.0 g/L。

接種的污泥SVI為35 mL/g，SVI隨運(yùn)行時間的增加而降低，反應(yīng)器穩(wěn)定運(yùn)行后，SVI降至28 mL/g。經(jīng)過汽車涂裝廢水馴化后，較高的MLSS值和較低的SVI值表明，好氧顆粒污泥能夠在SBR內(nèi)保持較高的生物量濃度，使得顆粒更加致密，沉降性能更好，并且增大了容積負(fù)荷，減小了反應(yīng)器的體積。有利于有機(jī)物的快速降解[15]。

圖3 SBR中的MLSS及SVI

2.2 常規(guī)污染物的去除

本實(shí)驗研究了好氧顆粒污泥SBR法在對COD、TN、TP的處理效果，結(jié)果如圖4-圖6所示。在平均進(jìn)水COD、TN和TP濃度分別為795 mg/L、33 mg/L和14 mg/L時，平均去除率分別可達(dá)到87%、73%和62%。在運(yùn)行的前30 d，SBR中COD濃度波動較大，運(yùn)行到后期，波動較小，去除率呈穩(wěn)定趨勢，基本維持在86%。

圖4 COD去除情況

圖5 TN去除情況

從圖5可以看出，初期TN的濃度波動較大，隨著運(yùn)行時間的增加，第31 d的TN去除率由初始的79%降至61%，出現(xiàn)這種情況是因為此時進(jìn)水全部是汽車涂裝廢水，與其本身特性有關(guān)。隨著運(yùn)行時間的增長，第41 d的TN去除率從61%提高到80%。最終去除率在80%以上，表明SBR運(yùn)行達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，已具有良好的TN去除性能。從圖6可以看出，馴化過程中TP去除的情況，雖然進(jìn)水濃度波動較大，但在整個運(yùn)行過程中，TP去除率始終保持在60%左右。

圖6 TP的去除情況

2.3 苯酚的去除

苯酚濃度通過氣質(zhì)聯(lián)用儀測定，通過標(biāo)準(zhǔn)曲線法進(jìn)行定量測定。得到苯酚濃度的回歸公式:

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

(1)

苯酚的去除情況如圖7所示，在接種的第1 d，對苯酚的去除率約為85%。除了在接種的前5 d去除率存在較小波動外，前20 d總體來看仍維持在較高位置。隨著進(jìn)水中涂裝廢水的百分比和苯酚濃度的增加，去除率在第21 d-31 d內(nèi)持續(xù)下降；直至在第31 d，進(jìn)水全部為汽車涂裝廢水，苯酚的去除率達(dá)到最低點(diǎn)63%。在運(yùn)行的第36 d上升到73%，但在第41 d時下降至70%。出現(xiàn)這種情況可能是因為苯酚的進(jìn)水濃度波動較大。從汽車廠獲得的汽車涂裝廢水中的苯酚濃度也一直在變化，但通常在25 mg/L-50 mg/L的范圍內(nèi)。結(jié)果表明，苯酚的去除率穩(wěn)定在88%左右，排放濃度約為3.5 mg/L。。

圖7 苯酚的去除情況

2.4 污泥中微生物群落的豐富度和多樣性

分別從第1 d(S1)、第11 d(S2)、第21 d(S3)、第31 d(S4)、第41 d(S5)、第51 d(S6)運(yùn)行的反應(yīng)器中收集污泥樣本。

利用Illumina高通量測序法，對6個樣品進(jìn)行原始讀數(shù)。在使在使用QIIME標(biāo)準(zhǔn)管道過濾低質(zhì)序列，從六個樣本中總共獲得255 436個有效讀取，每個樣本的讀取數(shù)從36 910到45 764。進(jìn)一步去除了測序讀數(shù)中的嵌合體?？偣搏@得了這些樣品的185 808個高質(zhì)量序列讀數(shù)。

基于OTUs、Chao1、Ace、Shannon(香農(nóng)-威納指數(shù))和Simpson(辛普森多樣性指數(shù))的分析[16]，以3%的截止水平調(diào)查了6個污泥樣本的生物多樣性。污泥中微生物群落的豐富度和多樣性如表2所示。結(jié)果表明，根據(jù)有效序列，這些樣品的OTU值在4910～9962之間，其中S5的多樣性最豐富(9962 OTU)，S1的豐富度最低(4910 OTU)。Chao1和ACE的模式與OTUs的估計一致，S1的群落豐富度較低，S5的群落豐富度較高。根據(jù)兩種多樣性指數(shù)(Shannon和Simpson)，樣本S1的群落多樣性較低(分別為6.06和0.907 5)，而其他樣本的群落多樣性指數(shù)分別為7.19-8.97和0.923 5-0.992 1，這是因為這階段污泥是由合成廢水培養(yǎng)，未加入汽車涂裝廢水。其中樣品S5的微生物豐富度和多樣性遠(yuǎn)高于其他樣品，說明在馴化過程中，該階段微生物的生長豐富，多樣性較高。

表2 污泥中微生物群落的豐富度和多樣性

3 結(jié) 語

本文介紹了一種在SBR中使用好氧顆粒污泥處理汽車涂裝廢水的技術(shù)。研究了其對廢水中苯酚、COD、TN和TP等污染物的去除性能，結(jié)果顯示好氧顆粒污泥對苯酚能起到很好的降解作用，達(dá)到90%；同時對COD、TN、TP去除效果較好，分別達(dá)到90%、85%、82%和62%。并且應(yīng)用Illumina MiSeq平臺進(jìn)行高通量測序，評估反應(yīng)器不同階段的微生物多樣性和豐度，結(jié)果表明，在運(yùn)行穩(wěn)定后，群落的豐度和多樣性均高，S5(第41 d)的多樣性和豐度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他階段，并且在該階段苯酚、COD、TN和TP等污染物的去除率較高，說明在降解過程中，污泥中微生物起著重要的作用，生物量越多，多樣性越高，對有機(jī)污染的去除效果也越好。