腈綸,又稱(chēng)聚丙烯腈纖維,是一種重要的石油化工產(chǎn)品,由于具有耐光、抗菌、保暖性好等優(yōu)點(diǎn),廣泛應用于服裝加工、 裝飾品生產(chǎn)和新材料的制備等領(lǐng)域[1].目前,國內腈綸廠(chǎng)多采用以丙烯腈原料的干法或濕法工藝生產(chǎn)腈綸產(chǎn)品,其廢水主要為腈綸聚合廢水和丙烯腈廢水.其中,腈綸聚合廢水污染物濃度高、 水質(zhì)成分復雜,并且含有大量的無(wú)機鹽、 難降解有機物和高分子聚合物,處理難度大[2].相比而言,丙烯腈廢水污染負荷較低,廢水可生物降解性較好.國內腈綸廠(chǎng)多采用將兩種廢水混合后再進(jìn)行A/O生化處理的方法,但由于廢水中難生物降解有機物較多,導致工藝處理出水COD和NH+4-N濃度遠超出國家規定的排放標準[3,4].
目前,對腈綸廢水的研究主要集中在強化預處理和深度處理等方面[5,6,7].研究表明,采用高級氧化技術(shù)對腈綸聚合廢水進(jìn)行分質(zhì)強化預處理可以獲得較好的處理效果[8,9],以Fenton氧化預處理干法腈綸聚合廢水為例,處理后廢水COD可由1200 mg ·L-1降至600 mg ·L-1左右,污染負荷和生物毒性大幅降低,廢水可生化性明顯提高[10].物化預處理雖然可以改善廢水的水質(zhì)和可生物降解性,但處理后的出水仍需進(jìn)一步的生化處理,以實(shí)現廢水的達標排放或回用.此外,腈綸廢水中高濃度有機氮和氨氮的去除也需要由生化處理過(guò)程來(lái)完成,這就要求生化處理工藝必須具有較高的脫氮效能.序批式膜生物反應器(sequencing batch membrane bioreactor,SBMBR)是序批式生物反應器與膜分離技術(shù)的有機結合[11],不但具有傳統SBR工藝簡(jiǎn)單、 運行維護方便、 抗沖擊負荷能力強等優(yōu)點(diǎn),而且膜的高效截留作用使反應器維持較高的污泥濃度,能有效提高氮、 磷和有機物的去除效果,具有良好的出水水質(zhì)[12,13,14,15].
本研究以Fenton氧化預處理后的腈綸聚合廢水和丙烯腈廢水為研究對象,考察了SBMBR對廢水的處理效能,優(yōu)化了工藝運行條件,并采用PCR-DGGE及克隆技術(shù)分析了不同運行階段反應器內微生物群落結構的動(dòng)態(tài)變化,確定了反應器運行過(guò)程中的主導微生物,以期為進(jìn)一步提高腈綸廢水的生化處理效能提供理論參考依據. 1 材料與方法 1.1 試驗用水
試驗所用的腈綸聚合廢水和丙烯腈廢水取自東北某石化廠(chǎng),首先將聚合廢水采用Fenton氧化預處理[10],處理后廢水平均COD由1091 mg ·L-1降至560 mg ·L-1,BOD5/COD由0.32升高至0.69,然后將預處理后的聚合廢水按1 ∶1的比例與丙烯腈廢水混合,混合后廢水COD為450~600 mg ·L-1,HN+4-N為50~80 mg ·L-1,TN為140~200 mg ·L-1, pH值6.5~8.0.模擬丙烯腈廢水采用葡萄糖、 硫酸銨等配制,同時(shí)加入適量的微量元素液,其COD為340~470 mg ·L-1,HN+4-N為30~60 mg ·L-1.
1.2 試驗裝置與運行條件
SBMBR反應器有效容積為30 L,內置3片聚偏氟乙烯平板膜元件(SINAP-10-PVDF),單片有效膜面積為0.1 m2,膜孔徑0.1 μm.反應器采用周期運行的方式,通過(guò)間歇曝氣實(shí)現缺氧/好氧的交替運行,曝氣量為600 L ·h-1.反應器在進(jìn)入缺氧階段后的前5 min內完成進(jìn)水,在好氧階段的最后60 min時(shí)采用間歇式抽吸出水(抽10 min/停2 min)的方式排水,每個(gè)周期出水5.0 L,體積交換比為1 ∶6. SBMBR的運行采用可編程邏輯控制器(programmable logic controller,PLC)自動(dòng)控制系統來(lái)實(shí)現,反應器內溫度控制在30℃±1℃.接種污泥取自北京某污水處理廠(chǎng)二沉池回流污泥,初始活性污泥濃度約為3000 mg ·L-1.試驗裝置如圖 1所示.
圖 1 試驗裝置示意
反應器采用逐漸增加實(shí)際廢水比例的方式運行,根據運行條件和進(jìn)水水質(zhì)的不同,整個(gè)運行期可以分為9個(gè)階段,各階段污泥樣品分別標記為S1~S9.反應器的運行條件見(jiàn)表 1.
表 1 SBMBR不同階段的運行條件
1.3 分析方法
1.3.1 生化指標
COD、 NH+4-N、 NO-3-N、 TN均采用標準方法測定[16]; pH值采用pH計(OHAUS Starter 3C,美國奧豪斯)測定. 1.3.2 PCR-DGGE
采用離心式DNA快速提取試劑盒(Qiagen，美國)提取細菌的總DNA,采用細菌通用引物8F-GC、 518R對總細菌16S rDNA進(jìn)行PCR擴增.PCR反應采用50.0 μL的反應體系,其組分包括：5.0 μL的10×PCR buffer,4.0 μL的dNTP Mixture(各2.5 mmol ·L-1),1.0 μL的引物338F(20.0 μmol ·L-1),1.0 μL的引物534R(20.0 μmol ·L-1),0.25 μL的TaKaRa rTaq(5 U ·μL-1),以及2.5 ng的DNA模板.PCR反應條件如下：94℃預變性10.0 min,94℃變性1.0 min,55℃退火1.0 min,72℃延伸1.5 min(每個(gè)循環(huán)溫度降低0.1℃),共循環(huán)30次,最后在72℃條件下延伸10.0 min. DGGE在D-code系統(Bio-Rad，美國)上進(jìn)行,聚丙烯酰胺凝膠濃度為8.0%,變性劑濃度梯度范圍為30.0%~60.0%,電泳電壓為150 V,溫度為60℃,在1×TAE緩沖溶液中電泳420 min,然后采用硝酸銀進(jìn)行染色,利用凝膠成像系統(Bio-Rad，Gel-Doc XR,美國)進(jìn)行觀(guān)察、 拍照. 1.3.3 克隆測序
選擇DGGE膠板上含有目的DNA的條帶,用滅菌后的手術(shù)刀切下并迅速轉移至離心管中,用滅菌后的刀片將膠塊壓碎,加入30.0 μL ddH2O在4℃條件下溶解24 h,在5000 r ·min-1轉速下離心5.0 min,取5.0 μL上清液為模板,采用總細菌引物8F-GC和518R進(jìn)行PCR擴增.擴增產(chǎn)物采用1.5%瓊脂糖凝膠進(jìn)行電泳,檢測回收產(chǎn)物,用QIAquick PCR純化試劑盒對擴增產(chǎn)物進(jìn)行純化,并送至北京寶杰羅生物工程公司進(jìn)行16S rDNA片段序列測定. 1.3.4 DGGE圖譜統計分析
采用Shannon-wiener多樣性指數H′表征微生物種群多樣性,其計算公式如下[17]：
式中,Pi=ni/N; ni為第i個(gè)條帶的強度; N為所有條帶強度總和. 2 結果與討論 2.1 膜生物反應器處理效果 2.1.1 連續運行效果
SBMBR不同運行階段對COD、 NH+4-N和TN的去除效果見(jiàn)表 2.在反應器的啟動(dòng)階段(Ⅰ、 Ⅱ、 Ⅲ和 Ⅳ),隨著(zhù)聚合廢水比例(10%、 20%、 40%和50%)的逐漸增加,COD平均去除率由第I階段的95.5%降低到第Ⅳ階段的87.2%,NH+4-N和TN的平均去除率由第Ⅰ階段的95.9%、 72.7%分別降至48.8%、 60.0%.NH+4-N出水平均濃度由0.8 mg ·L-1升至17.5 mg ·L-1,這主要是由于廢水中的堿度不足,導致硝化反應產(chǎn)生大量的酸,SBMBR反應器內混合液pH值降至6.0以下,使得硝化細菌的活性受到抑制,導致出水NH+4-N濃度升高[18,19].在第Ⅴ和Ⅵ階段,SBMBR進(jìn)水仍采用1 ∶1的聚合廢水和模擬丙烯腈廢水,并向進(jìn)水中投加0.5 g ·L-1的碳酸氫鈉以增加廢水的堿度.由表 2可以看出,在第Ⅵ階段,進(jìn)水NH+4-N的濃度升至65.3 mg ·L-1,但出水NH+4-N濃度卻降至0.9 mg ·L-1左右,NH+4-N平均去除率迅速升高至98.6%,此時(shí)COD的去除率仍然保持在86.0%左右.這說(shuō)明在SBMBR處理腈綸廢水的過(guò)程中,堿度是限制NH+4-N硝化的最主要的影響因素之一. 從第89 d開(kāi)始,SBMBR進(jìn)水完全采用實(shí)際廢水,聚合廢水與丙烯腈廢水的比例為1 ∶1.在第Ⅶ階段,反應器進(jìn)出水COD平均濃度分別為450.3 mg ·L-1和129.2 mg ·L-1,COD平均去除率由86.3%降至71.1%,但NH+4-N去除率仍保持在97.5%以上.這說(shuō)明在丙烯腈廢水中存在部分難生物降解有機物,導致出水COD略有升高,但SBMBR仍然保持較高的NH+4-N去除效率.根據周期試驗的優(yōu)化結果,從第99d開(kāi)始,調整每個(gè)運行周期內厭氧好氧的時(shí)間為90 min和150 min.在第Ⅷ階段,出水COD和NH+4-N的平均濃度分別為117.3 mg ·L-1和1.7 mg ·L-1,平均去除率分別為71.7%和98.0%,但TN的平均去除率僅為47.4%,這主要是由于進(jìn)水C/N比過(guò)低、 微生物缺乏足夠的碳源導致的.在第Ⅸ階段,往進(jìn)水中投加葡萄糖增加碳源,進(jìn)水COD濃度增加至598.2 mg ·L-1,而出水COD濃度則降至105.1 mg ·L-1,NH+4-N濃度則降至1.0 mg ·L-1以下,COD、 NH+4-N和TN的平均去除率分別為82.5%、 98.7%和74.6%,出水指標可以達到國家一級排放標準.
表 2 SBMBR在不同運行階段的主要參數
同傳統的活性污泥處理工藝相比,SBMBR系統對廢水COD的去除率更高,這主要歸于以下兩個(gè)原因：一方面,長(cháng)期的厭氧/好氧交替環(huán)境馴化出適應腈綸廢水特性的微生物種群,這些微生物能夠有效利用廢水中的有機污染物[20]; 另一方面,SBMBR系統膜分離及膜表面的泥餅有很強的過(guò)濾分離能力,能有效濾除廢水中懸浮物、 大分子有機物和微生物體[21,22],保證了SBMBR系統優(yōu)良且穩定的出水水質(zhì).此外,反應器運行期間平板式膜組件表現出較強的抗污染能力,在膜通量為16.7 L ·(m2 ·h)-1,MLSS在6000~6500 mg ·L-1之間,曝氣量為10.0 L ·min-1的運行條件下,前60 d跨膜壓差(transmembrane pressure,TMP)基本上保持在7.5 kPa左右,此后開(kāi)始逐漸升高,第87 d的時(shí)候TMP達到27.0 kPa,超過(guò)了25.0 kPa的清洗臨界值,取出膜組件采用物理清洗后TMP恢復至8.0 kPa左右,在之后運行的40 d時(shí)間里,TMP沒(méi)有出現明顯的升高. 2.1.2 周期試驗
序批式生物反應器通過(guò)間歇曝氣的方式在反應器運行中實(shí)現缺氧/好氧的交替循環(huán),最終通過(guò)硝化/反硝化過(guò)程實(shí)現有機物和氮的去除,因此,合理的運行周期不僅可以提高生化系統的處理效果,還能降低能耗和運行成本[23].在反應器運行的Ⅰ到Ⅶ階段,SBMBR的周期運行方式為60 min缺氧/300 min好氧,該條件下單個(gè)運行周期內COD、 NH+4-N、 NO-3-N的變化如圖 2(a)所示,可以看出,COD的降解和NO-3-N的去除主要發(fā)生的缺氧攪拌期(0~60 min),這是因為在缺氧條件下,異養型的反硝化細菌以廢水中有機物為營(yíng)養物質(zhì),通過(guò)反硝化過(guò)程實(shí)現N的去除[24].此外,在缺氧攪拌過(guò)程中,系統中NH+4-N的濃度逐漸升高,這主要是廢水中有機氮在微生物作用下向NH+4-N轉化導致的.在好氧階段(60~360 min),經(jīng)過(guò)約90 min的曝氣,NH+4-N濃度迅速降低至1.0 mg ·L-1左右,NO-3-N的濃度逐漸升高并在在曝氣210 min左右時(shí)基本達到最大并穩定.為了提高反應系統對污染物的降解能力,減少過(guò)度曝氣帶來(lái)的能耗損失,從第99 d開(kāi)始,調整SBMBR的運行周期為90 min缺氧/150 min好氧,由圖 2(b)可以看出,在該運行條件下,COD和NH+4-N都能夠在最經(jīng)濟的條件下得到有效的去除,出水可以穩定達標排放.
圖 2 COD、NH4+-N和NO3--N濃度在周期試驗中的變化
2.2 微生物群落結構分析
2.2.1 總細菌的DGGE圖譜
反應器運行各階段污泥樣品總細菌的DGGE指紋圖譜見(jiàn)圖 3.從中可以看出,在反應器連續運行的9個(gè)階段,各階段污泥樣品的電泳條帶數目、 條帶強度和條帶遷移速率均存在一定的差異,SBMBR系統中微生物種群呈現出較為明顯的演替變化.在反應器運行的初始階段(Ⅰ和Ⅱ),污泥的培養馴化還未完成,污泥樣品的條帶數目較少,說(shuō)明微生物種群結構較為簡(jiǎn)單.隨著(zhù)實(shí)際廢水比例的不斷增加和污泥的馴化,污泥樣品的條帶數目開(kāi)始逐漸增多,條帶分布也較為均勻,說(shuō)明微生物種群組成開(kāi)始變得更加豐富,反應器的穩定性也在不斷增強.從S7開(kāi)始,由于采用了實(shí)際丙烯腈廢水代替之前的模擬廢水,進(jìn)水水質(zhì)發(fā)生了明顯的變化,微生物種群結構也發(fā)生了較為明顯的變化,部分菌種(如18和20)的條帶強度略有降低,并產(chǎn)生了一些新的條帶(如7、 14和19),說(shuō)明不適應進(jìn)水水質(zhì)的微生物群落優(yōu)勢度降低,降解實(shí)際廢水中污染物的新菌群逐步建立并形成為優(yōu)勢菌種.S9樣品泳道中條帶較為豐富、 均勻度較好,說(shuō)明反應器經(jīng)過(guò)一個(gè)階段的運行后,微生物群落逐漸豐富并達到一個(gè)穩定的狀態(tài).
圖 3 SBMBR污泥總細菌的DGGE指紋圖譜
采用非加權配對算術(shù)平均法(UPGMA)對微生物群落結構相似性作聚類(lèi)分析,結果如圖 4所示.從中可以看出,9個(gè)樣品的微生物群落可以分成3大族群,樣品1、 2為一個(gè)族群,樣品3、 4、 5為一個(gè)族群,樣品6、 7、 8、 9為一個(gè)較大的族群,這說(shuō)明隨著(zhù)反應器運行條件的不同和進(jìn)水水質(zhì)的變化,污泥微生物群落結構發(fā)生了一定程度的變化.在完全采用實(shí)際廢水處理后,污泥樣品的群落結構與之前采用部分模擬廢水時(shí)的群落結構存在較為明顯的變化.
圖 4 SBMBR中細菌群落結構的聚類(lèi)分析
2.2.2 總細菌多樣性指數
采用Shannon-wiener多樣性指數表征總細菌群落結構多樣性,結果見(jiàn)圖 5.在S1~S4,隨著(zhù)聚合廢水比例的逐漸增加,在廢水特征污染物的選擇作用下,一些不適應聚合廢水的微生物生長(cháng)處于劣勢,微生物種群數量減少,生物多樣性指數略有下降,而隨著(zhù)新的微生物種群結構的建立和微生物對水質(zhì)和外部環(huán)境的逐漸適應,細菌種類(lèi)和數量又開(kāi)始增加,生物多樣性指數上升,在S4時(shí)達到了一個(gè)較高的水平.從S5開(kāi)始,由于調整了進(jìn)水堿度和pH,微生物群落結構受到外部環(huán)境變化影響,微生物多樣性指數出現小幅降低,而在之后的一段時(shí)間內(S5~S9),反應器pH值始終維持在7.5~8.5之間,進(jìn)水的水質(zhì)也基本趨于穩定,微生物的生長(cháng)條件比較適宜,新的微生物種群結構逐漸建立,S9的微生物的多樣性指數達到了最大.
圖 5 SBMBR微生物多樣性指數
2.2.3 優(yōu)勢菌種的鑒定
對DGGE指紋圖譜的條帶進(jìn)行回收測序分析,將測序結果與NCBI(National Center for Biotechnology Information,USA)數據庫中已知序列進(jìn)行比對,確定各微生物的同源性及種屬,檢測到的微生物及其相關(guān)信息如表 3所示.經(jīng)比對鑒定,在SBMBR的9個(gè)污泥樣品中共檢測到22種微生物,其相似度大多在98%以上,其中屬于變形菌Proteobacterium的微生物有12種,分別屬于α綱(5種)和γ綱(7種),其余10種屬于未分類(lèi)的Bacterium.
在反應器運行不同階段,DGGE指紋圖譜中的條帶強度和優(yōu)勢菌種也在不斷變化,各菌種的功能也不盡相同.Uncultured bacterium clone S2-42(條帶7)和Uncultured bacterium clone AS_bH9(條帶14)主要與氨氮的硝化過(guò)程有關(guān)[25]; Klebsiella pneumoniae strain 27F(條帶8)主要與醇類(lèi)物質(zhì)的降解過(guò)程有關(guān)[26]; Uncultured Hyphomicrobiaceae bacterium(條帶15)檢出于受石油污染的土壤,與甲苯的降解過(guò)程有密切的關(guān)系[27].另外,根據GenBank數據庫描述,Sphingomonas sp. EMBS051(條帶10)發(fā)現于染料廢水的生物降解過(guò)程中,與廢水中大分子芳香族化合物的降解過(guò)程有關(guān); Uncultured bacterium clone PAE-49(條帶18)與氨氮的硝化過(guò)程有關(guān); Uncultured bacterium clone WT14H7(條帶19)和Uncultured bacterium clone WT14H9(條帶20)發(fā)現于吡啶的堆肥降解過(guò)程中,可能與腈綸廢水中某些類(lèi)似含氮雜環(huán)有機物的降解過(guò)程有關(guān).
表 3 SBMBR中優(yōu)勢菌條帶測序結果
在處理實(shí)際腈綸廢水的最后3個(gè)階段,反應器內優(yōu)勢微生物主要有：Uncultured bacterium clone F49 (FJ230895.1)、 Uncultured bacterium clone S2-42 (JF503089.1)、 Sphingomonas sp. EMBS051 (JX233782.1)、 Uncultured bacterium clone AS_bH9 (JQ413643.1)、 Uncultured Hyphomicrobiaceae bacterium (EU266796.1)、 Uncultured bacterium clone PAE-49 (JX875908.1)、 Uncultured bacterium clone WT14H7 (JX283544.1),這7種微生物在降解腈綸廢水污染物的過(guò)程中起著(zhù)重要作用,是保證生化處理單元效果和反應器穩定運行的重要保證.然而,這些微生物多為未培養的微生物,且腈綸廢水的污染物組成十分復雜,要具體了解這些微生物在反應器中的功能,以及它們與特定污染物降解之間的關(guān)系,還需要做更細致、 更深入的研究. 具體參見(jiàn)污水寶商城資料或http://www.sharpedgetext.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。
3 結論
(1)SBMBR處理Fenton預處理后的腈綸聚合廢水和丙烯腈廢水,在廢水比例為1 ∶1、 HRT為24 h、 缺氧90 min/好氧150 min交替運行條件下,出水COD和NH+4-N濃度分別為105 mg ·L-1和0.9 mg ·L-1,出水水質(zhì)可以穩定達到國家污水綜合排放標準(GB 8978-1996)的一級標準.
(2)堿度和碳源不足是限制脫氮效能的主要影響因素,堿度不足影響NH+4-N的硝化反應,碳源不足影響TN的去除效果,增加進(jìn)水碳源可以顯著(zhù)提高TN的去除效率.
(3)PCR-DGGE分析表明,反應器內微生物多樣性與進(jìn)水水質(zhì)和運行條件密切相關(guān),反應器運行期間微生物群落結構呈現出明顯的演替過(guò)程,生化系統完全穩定后,微生物多樣性指數達到最大.
(4)通過(guò)克隆測序，從9個(gè)運行階段的污泥樣品中成功鑒定獲得22種微生物的16S rDNA序列,并篩選出7種降解腈綸廢水的優(yōu)勢微生物,為腈綸廢水生化處理的深入研究提供了分子生物學(xué)基礎資料.(來(lái)源及作者：中國環(huán)境科學(xué)研究院環(huán)境基準與風(fēng)險評估國家重點(diǎn)實(shí)驗室 魏健、宋永會(huì )、趙樂(lè ))
