紫外線照射對(duì)高原污水處理的影響

尤俊豪 郭明哲 宗永臣 王 俊 傅椿惠 李遠(yuǎn)威

(西藏農(nóng)牧學(xué)院水利土木工程學(xué)院，西藏 林芝 860000)

西藏作為高海拔地區(qū)，具有強(qiáng)紫外線、低溫、低溶解氧的特殊地理環(huán)境，嚴(yán)重影響高原污水處理[1-2]。已有研究表明紫外線照射對(duì)有機(jī)污染物、細(xì)菌、病毒等有不同的影響,紫外線照射會(huì)對(duì)微生物的核蛋白與DNA產(chǎn)生破壞作用[3-5]。在查閱文獻(xiàn)后，發(fā)現(xiàn)多數(shù)紫外線照射試驗(yàn)是從紫外線消毒的角度來(lái)研究，例如厲智成等[6]研究紫外線對(duì)再生水的消毒作用，劉超等[7]研究紫外線對(duì)城鎮(zhèn)污水處理廠的消毒效果。但很少?gòu)母咴貐^(qū)特殊的自然環(huán)境角度研究紫外線照射對(duì)污水處理效果的影響，特別以西藏為代表的高原地區(qū)關(guān)于紫外線照射對(duì)污水處理影響的研究又較少。

因此本次試驗(yàn)以紫外線照射時(shí)間長(zhǎng)短為變量條件，利用16srRNA基因序列測(cè)序、原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope，AFM)來(lái)研究紫外線照射對(duì)污水處理中污染物去除、微生物群落結(jié)構(gòu)、活性污泥內(nèi)部結(jié)構(gòu)的影響，旨在揭示紫外線照射對(duì)污水處理由宏觀到微觀的響應(yīng)機(jī)制，為提高高原污水處理效果提供理論參考。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)裝置

如圖1所示利用傳統(tǒng)A2/O工藝城市污水處理模擬裝置[8]，在厭氧池與缺氧池中都設(shè)有攪拌裝置，設(shè)定攪拌速度為110 rpm/min，在好氧池底部設(shè)有膜片式微孔曝氣頭為其供氧。用好氧池進(jìn)行35天的污泥培養(yǎng)，當(dāng)測(cè)得SV30(污泥沉降比)為28%和MLSS(活性污泥濃度)為3 716 mg/L時(shí)，開(kāi)展試驗(yàn)。試驗(yàn)運(yùn)行參數(shù)控制為厭氧池：缺氧池：好氧池的水力停留時(shí)間是1:1:2，總水力停留時(shí)間是21h，設(shè)計(jì)進(jìn)水溫度為20℃，好氧池溶解氧控制為2.0 mg/L，硝化液回流比和污泥回流比分別控制為200%、100%。紫外線照射采用兩盞40W紫外線燈實(shí)現(xiàn)，照射位置距離好氧池水面20 cm，照射時(shí)間分別為0(對(duì)照組)、5、30、180 min，照射間隔時(shí)間和水質(zhì)取樣時(shí)間為24h后，活性污泥樣品待每個(gè)工況結(jié)束后取樣送檢，紫外線照射時(shí)間控制為由短到長(zhǎng)。本試驗(yàn)直接采用西藏農(nóng)牧學(xué)院辦公樓區(qū)生活污水為試驗(yàn)用水，主要進(jìn)水水質(zhì)指標(biāo)如表1所示。

表1 進(jìn)水水質(zhì)指標(biāo) 單位：mg/L

1.2 水質(zhì)指標(biāo)測(cè)定

采用連續(xù)性進(jìn)水模式，每個(gè)工況持續(xù)9天。所有水樣經(jīng)靜置沉淀后取上清液，進(jìn)行COD、NH3-N、TN、TP等污染物指標(biāo)檢測(cè)，檢測(cè)方法參照水和廢水檢測(cè)分析方法[9]進(jìn)行。

1.3 活性污泥微生物測(cè)序與鏡檢

活性污泥樣品送至上海美吉生物醫(yī)藥科技有限公司檢測(cè)，進(jìn)行16SrRNA基因序列測(cè)序。16SrRNA是原核生物的核糖體中30S亞基的組成部分，長(zhǎng)度約為1542 nt，具有高度的保守性和特異性。16SrRNA基因測(cè)序一般是利用MiSeq對(duì)16SrRNA基因的V3-V4可變區(qū)進(jìn)行測(cè)序，以此來(lái)研究微生物群落結(jié)構(gòu)[10]。

原子力顯微鏡(AFM)是一種可用來(lái)研究包括絕緣體在內(nèi)的固體材料表面結(jié)構(gòu)的分析儀器。近年來(lái)，AFM在分子生物學(xué)、材料科學(xué)、電化學(xué)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[11]。使用AFM檢測(cè)可獲得活性污泥內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的變化，并利用軟件Gwyddion 對(duì)AFM圖像進(jìn)行處理。同時(shí)獲取代表樣品表面粗糙度的均方根粗糙度(Rq)、粗糙度(Ra)。

2 結(jié)果與討論

2.1 紫外線照射對(duì)COD、NH3-N、TN、TP的去除效果影響

如圖2所示，COD有較高的去除率，整體去除率在80%～90%，這與甄卓文等[12]使用紫外線消毒處理醫(yī)院污水的研究結(jié)果相似。照射5 min與30 min的去除率波動(dòng)幅度較大，而0 min與180 min的波動(dòng)幅度小且去除率大致相似，其原因可能因?yàn)閺?fù)合菌一開(kāi)始對(duì)紫外線的照射有強(qiáng)烈的反應(yīng)，但隨著照射時(shí)間的增加，反應(yīng)強(qiáng)度逐漸趨于穩(wěn)定。四組COD的平均去除率分別為86.01%、82.78%、82.21%、85.66%，隨照射時(shí)間增加去除率呈先減后增趨勢(shì)，平均增減的幅度小，0 min的去除率最高。表明復(fù)合菌對(duì)紫外線的照射有較強(qiáng)的抗性，同時(shí)也說(shuō)明紫外線照射時(shí)間對(duì)COD的整體去除率影響不大，但短時(shí)間的照射會(huì)造成一定的波動(dòng)。

圖2 不同紫外線照射時(shí)間下COD、NH3-N、TN、TP的去除效果

同樣，NH3-N的去除率幾乎都在80%以上，照射30 min的平均去除率最高，在照射180 min的后三天去除率下降幅度較大，但逐漸有所回升。

相對(duì)NH3-N的去除率趨勢(shì)，TN的去除率趨勢(shì)明顯的起伏幅度較大，且去除率整體低于NH3-N。從圖中可看出，5 min照射時(shí)段的TN去除率最低，平均去除率只有56.31%；30 min的平均去除率最高，平均去除率隨照射時(shí)間增加呈先減后增再減趨勢(shì)，與NH3-N的一樣。這說(shuō)明反硝化菌和硝化菌對(duì)紫外線的照射都有反應(yīng)，且對(duì)照射時(shí)間長(zhǎng)短的反應(yīng)趨勢(shì)一樣，但反硝化菌比硝化菌對(duì)紫外線輻射的敏感性更強(qiáng)。對(duì)于TN的去除率低的另一個(gè)原因可能是進(jìn)水COD/TN過(guò)低，缺少碳源，影響反硝化反應(yīng)。

對(duì)于TP的去除率可從圖中看出，照射5 min的最高，其次是180 min、0 min、30 min，隨照射時(shí)間增加，平均去除率呈先增后減再增趨勢(shì)。分析原因可能是聚磷菌在照射30 min時(shí)，活性被短暫抑制，但之后逐漸恢復(fù)。表明水體通過(guò)紫外線反應(yīng)器一段時(shí)間后，會(huì)出現(xiàn)水中微生物含量回升現(xiàn)象[13]。從整體看出，紫外線的照射對(duì)TP的去除有一定的提升，這與安正陽(yáng)等[14]研究結(jié)果一致。同時(shí)還發(fā)現(xiàn)TN的平均去除率趨勢(shì)與TP的平均去除率相反，分析原因可能是反硝化菌和聚磷菌存在對(duì)同一底物的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系即碳源所導(dǎo)致[15-16]。

2.2 紫外線照射對(duì)微生物群落的影響

2.2.1 門(mén)群落結(jié)構(gòu)

不同紫外線照射時(shí)間下，門(mén)水平下的微生物群落結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3。

由圖3可知，主要優(yōu)勢(shì)菌為Proteobacteria、Bacteroidetes、Actinobacteria、Firmicutes、Chloroflexi、Chlamydiae,這與污水處理中常見(jiàn)優(yōu)勢(shì)菌門(mén)一致[17-18]，表明紫外線的照射并未改變主要優(yōu)勢(shì)菌門(mén)的組成。Proteobacteria與Actinobacteria在0 min的占比均高于其他三組，Proteobacteria和Actinobacteria是屬于反硝化菌[19-20]。Bacteroidetes屬于硝化菌[21]，在照射5 min、30 min、180 min中的占比均高于0 min,在30 min中占比最高，這對(duì)應(yīng)了NH3-N在30 min去除率最高。以上表明紫外線照射對(duì)反硝化菌有抑制作用，對(duì)硝化菌有促進(jìn)作用。Firmicutes、Chloroflexi、Chlamydiae是各種污水降解中普遍的菌門(mén)，在有機(jī)物降解和污染物去除中發(fā)揮重要作用，已有研究表明Firmicutes、Chloroflexi參與將磷酸鹽還原為磷化氫，而且Firmicutes能產(chǎn)生孢子從而在極端條件中生存[22-23]。三者均在5 min的占比最高，隨照射時(shí)間的增加，也均呈先增后減再增趨勢(shì)，這與TP的平均去除率趨勢(shì)一致，且三者在30 min、180 min的占比均小于0 min。說(shuō)明適當(dāng)?shù)淖贤饩€照射有利于促進(jìn)聚磷菌生長(zhǎng)。

圖3 不同照射時(shí)間下門(mén)水平微生物群落結(jié)構(gòu)

2.2.2 屬群落結(jié)構(gòu)

在屬水平下，前三的優(yōu)勢(shì)菌屬是norank_f__AKYH767、norank_f__Saprospiraceae、Acinetobacter。norank_f__AKYH767在照射30 min的占比最高，最低是0 min。在查閱文獻(xiàn)后，并未發(fā)現(xiàn)關(guān)于norank_f__AKYH767的相關(guān)記載,但此菌屬的占比最高，表明在脫氮除磷中有重要的作用，具體功能有待研究，也反映出紫外線的照射對(duì)它有促進(jìn)作用。norank_f__Saprospiraceae屬于嚴(yán)格好氧型細(xì)菌，具有能夠?qū)?fù)雜有機(jī)物(聚合物、蛋白等)降解為小分子碳源的能力[19，24]。norank_f__Saprospiraceae在照射30 min的占比最高，最低是0 min。Acinetobacter屬于典型的反硝化菌[25]，由圖4中看出，占比明顯降低，在照射30 min、180 min的樣本中幾乎沒(méi)有，最高是在照射0 min的樣本中。因此可得出紫外線照射對(duì)norank_f__Saprospiraceae有促進(jìn)作用，對(duì)Acinetobacter有抑制作用。

圖4 不同照射時(shí)間下屬水平微生物群落結(jié)構(gòu)

2.3 紫外線照射對(duì)活性污泥的影響

不同照射時(shí)間下的原子力顯微鏡(AFM)3D觀測(cè)圖見(jiàn)圖5,活性污泥顆粒粒徑分布見(jiàn)圖6。

紫外線照射30 min活性污泥顆粒-粒徑擬合見(jiàn)圖7，不同紫外線照射時(shí)間下，活性污泥表面粗糙度分布見(jiàn)表2。

圖7 活性污泥顆粒-粒徑擬合圖

為了解紫外線照射對(duì)活性污泥內(nèi)部結(jié)構(gòu)的影響，利用AFM對(duì)活性污泥的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了觀察與分析。通過(guò)表2看出，隨紫外線照射時(shí)間增加，均方根粗糙度Rq呈增加趨勢(shì)；其他三組的粗糙度Ra也均大于0 min，表明紫外線照射增加了活性污泥表面粗糙度。結(jié)合圖5與圖6看出，紫外線的照射使活性污泥顆粒產(chǎn)生了分化，在30 min的樣本中，活性污泥顆粒的粒數(shù)最多，顆粒粒徑的分布范圍最大；而在180 min的樣本中，活性污泥顆粒粒數(shù)減少，粒徑變小，且出現(xiàn)類(lèi)似水滴狀的污泥顆粒形態(tài)。分析原因可能是長(zhǎng)時(shí)間的紫外線照射使活性污泥體內(nèi)的微生物造成了一定殺滅作用，而活性污泥主要由微生物及其胞外聚合物(EPS)和從廢水中吸附或者絮凝的無(wú)機(jī)顆粒和有機(jī)顆粒等物質(zhì)組成[26-27]，微生物充當(dāng)了組成活性污泥的骨架，當(dāng)微生物數(shù)量減少，活性污泥則會(huì)坍塌形成類(lèi)似水滴狀形態(tài)。在對(duì)比0 min的樣本可看出，經(jīng)過(guò)紫外線照射的活性污泥的顆粒粒徑和粒數(shù)均大于未照射的，特別粒徑在0～0.1 μm的更為明顯。說(shuō)明紫外線照射使活性污泥內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，原有活性污泥顆粒分解為更細(xì)小的顆粒，在經(jīng)過(guò)一段運(yùn)行時(shí)間后，這些細(xì)小的顆粒逐級(jí)碰撞黏附形成粒徑較大的活性污泥顆粒，但超過(guò)一定時(shí)間的照射(大于30 min)會(huì)對(duì)顆粒中的微生物產(chǎn)生抑制，減少細(xì)小顆粒的粒數(shù)和顆粒之間的凝聚，進(jìn)而活性污泥粒徑有所減少。這說(shuō)明了活性污泥在受到紫外線照射后，污泥顆粒會(huì)形成一個(gè)分解與凝聚的過(guò)程，進(jìn)而影響活性污泥的粒徑大小。

圖5 不同照射時(shí)間下的AFM 3D觀測(cè)圖

圖6 不同照射時(shí)間活性污泥顆粒粒徑圖

表2 不同照射時(shí)長(zhǎng)的粗糙度

在統(tǒng)計(jì)活性污泥顆粒粒徑與粒數(shù)受紫外線照射不同時(shí)間時(shí)，發(fā)現(xiàn)粒徑與粒數(shù)存在一定的規(guī)律性。通過(guò)對(duì)四組數(shù)據(jù)的擬合，如圖7所示(為30 min的擬合，由于版面原因就不展示其他三組的擬合效果)，用PsdVoigt2函數(shù)公式擬合，最佳擬合系數(shù)R2為0.9852，其余為0.9599、0.8249、0.8616。表明活性污泥的顆粒數(shù)與粒徑在受紫外線照射后存在一定的規(guī)律性。

3 結(jié)論

紫外線的照射對(duì)COD、NH3-N的去除率影響不大；對(duì)TN的去除率影響大，造成TN去除率波動(dòng)較大；使TP的去除率有一定的提升。紫外線照射對(duì)反硝化菌有抑制作用，如Proteobacteria、ctinobacteria；對(duì)硝化菌Bacteroidetes、聚磷菌Firmicutes、Chloroflexi、Chlamydiae有促進(jìn)作用；對(duì)屬水平下的orank_f__Saprospiraceae有促進(jìn)作用，Acinetobacter有抑制作用。紫外線照射使活性污泥表面粗糙度增加；紫外線照射影響活性污泥顆粒粒徑，使活性污泥存在一個(gè)顆粒分解-凝聚的過(guò)程，污泥粒徑相對(duì)未照射時(shí)有所增大。在紫外線照射后，活性污泥的粒徑與顆粒數(shù)的變化規(guī)律可用PsdVoigt2函數(shù)描述。