好氧時間與缺氧時間變化對O/A-SBR處理海水養(yǎng)殖廢水性能影響?

李志偉， 代明月， 高孟春， 王　哲， 王　森， 王子超， 常慶波

(1.中國海洋大學(xué)海洋環(huán)境與生態(tài)教育部重點(diǎn)實驗室， 山東 青島 266100； 2.中國海洋大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院， 山東 青島 266100)

好氧時間與缺氧時間變化對O/A-SBR處理海水養(yǎng)殖廢水性能影響?

李志偉1,2， 代明月2， 高孟春1??， 王哲1， 王森2， 王子超2， 常慶波2

(1.中國海洋大學(xué)海洋環(huán)境與生態(tài)教育部重點(diǎn)實驗室， 山東 青島 266100； 2.中國海洋大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院， 山東 青島 266100)

摘要：考察了好氧時間與缺氧時間的變化對好氧/缺氧-序批式反應(yīng)器(O/A-SBR)處理海水養(yǎng)殖廢水性能的影響。結(jié)果表明，好氧時間/缺氧時間變化對COD去除效果影響不大，但對O/A-SBR的脫氮性能有著明顯的影響。當(dāng)好氧時間/缺氧時間從2h/8h逐漸地變?yōu)?.5h/9.5h時，污泥比好氧速率(SOUR)從36.49mg O2/(g MLSS·h)逐漸降低到31.93mg O2/(g MLSS·h)，溶解氧的高低直接地影響著活性污泥SOUR的大小?；钚晕勰嗟谋劝毖趸俾?SAOR)和比硝酸鹽氧化速率(SNOR)在好氧時間長的情況下相對較高，但好氧條件卻抑制了活性污泥的反硝化速率(SNRR)。好氧時間與缺氧時間變化使O/A-SBR中微生物群落結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，一些微生物不能夠適應(yīng)環(huán)境變化的微生物可能減弱或被淘汰。

關(guān)鍵詞：海水養(yǎng)殖廢水； SBR； 比好氧速率； 比氨氧化速率； 比硝酸鹽氧化速率； 微生物群落

引用格式：李志偉， 代明月， 高孟春,等. 好氧時間與缺氧時間變化對O/A-SBR處理海水養(yǎng)殖廢水性能影響[J]. 中國海洋大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)， 2016， 46(5): 104-110.

LI Zhi-Wei, DAI Ming-Yue, GAO Meng-Chun, et al. Effect of the variation of aerobic time and anoxic time on the performance of O/A-SBR treating mariculture wastewater[J]. Periodical of Ocean University of China, 2016, 46(5): 104-110.

隨著全球人口的持續(xù)增長和海產(chǎn)品市場需求的不斷擴(kuò)大，海水養(yǎng)殖業(yè)得到了快速發(fā)展[1]。在海水養(yǎng)殖體系中投加的餌料只有約20%被養(yǎng)殖生物吸收，其余的則以殘余餌料和排泄物的形式進(jìn)入水體。如果不對海水養(yǎng)殖廢水加以處理直接排海，其所含的剩余餌料、溶解性有機(jī)物、氮等將加劇養(yǎng)殖區(qū)及鄰近海域富營養(yǎng)化程度，可能引發(fā)有害赤潮等海洋生態(tài)環(huán)境問題。中國是海水養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)大國，但養(yǎng)殖模式主要采用粗放性經(jīng)營型和資源依賴型兩種方式，養(yǎng)殖過程中過度地投放餌料，海水養(yǎng)殖廢水的任意排放對中國近海海域的生態(tài)環(huán)境已經(jīng)造成了嚴(yán)重影響。

本文以好氧/缺氧序批式反應(yīng)器(O/A-SBR)作為研究對象，研究了O/A-SBR對COD去除效果和脫氮性能的影響，評價了其對污泥的比好氧速率(SOUR)、比氨氧化速率(SAOR)、亞硝酸鹽氧化速率(SNOR)和硝酸鹽還原速率(SNNR)的影響，并采用PCR-DGGE技術(shù)分析了其對O/A-SBR中微生物群落結(jié)構(gòu)的影響。

1試驗裝置與分析方法

1.1 試驗裝置

圖1為O/A-SBR工藝流程圖。

圖1　O/A-SBR工藝流程圖

O/A-SBR是由有機(jī)玻璃柱制成，內(nèi)徑14cm，有效高度50cm，有效容積7.7L，出水口距底部15cm，容積交換率為50%。進(jìn)水通過蠕動泵由反應(yīng)器上部進(jìn)水；排水由電磁閥控制，采用重力排水；電磁式空氣壓縮機(jī)由反應(yīng)器底部通過砂芯曝氣頭曝氣，維持溶解氧在2mg/L以上；采用磁力攪拌器攪拌，使活性污泥在缺氧情況下處于懸浮狀態(tài)。進(jìn)水、曝氣、攪拌、沉淀和排水通過時間繼電器和電磁閥實現(xiàn)自動控制，具體運(yùn)行參數(shù)如下：進(jìn)水0.25h，好氧7h，缺氧3h，沉淀1.5h，排水0.25h，每個周期12h，1d運(yùn)行2個周期。在缺氧階段SBR中DO>2mg/L，好氧階段DO<0.5mg/L。O/A-SBR的運(yùn)行條件及運(yùn)行時間如表1所示。

1.2 接種污泥和進(jìn)水水質(zhì)

表1　O/A-SBR反應(yīng)器運(yùn)行條件及運(yùn)行時間

1.3 分析方法

2結(jié)果與討論

2.1 好氧時間/缺氧時間變化對COD去除效果的影響

圖2表示好氧時間/缺氧時間變化對O/A-SBR去除COD的影響。在好氧時間和缺氧時間之和為10h情況下，缺氧時間從7h逐漸地增加到9.5h對COD去除效果沒有明顯影響。然而，在好氧時間/缺氧時間依次變?yōu)?h/8h和1h/7h時，O/A-SBR對COD的去除效率逐漸降低。研究結(jié)果表明，O/A-SBR中好氧微生物、兼性微生物和厭氧微生物都能夠有效地去除海水養(yǎng)殖廢水中有機(jī)物，但好氧時間和缺氧時間之和(即水力停留時間)的大小可以影響其對COD的去除效率。

圖2　好氧時間與缺氧時間對O/A-SBR去除COD的影響

2.2 好氧與缺氧時間變化對脫氮性能的影響

圖3　好氧時間與缺氧時間對O/A-SBR脫氮性能的影響

2.3 好氧與缺氧時間變化對SOUR的影響

SOUR是指單位質(zhì)量的活性污泥在單位時間內(nèi)所利用氧的量，是評價污泥微生物代謝活性的一個重要指標(biāo)。根據(jù)同一系統(tǒng)中不同時期污泥比耗氧速率的變化可以判斷污泥性質(zhì)的變化。圖4表示好氧時間與缺氧時間變化對O/A-SBR反應(yīng)器中活性污泥SOUR的影響。在好氧時間和缺氧時間之和為10h的情況下，當(dāng)好氧時間/缺氧時間從3h/7h變?yōu)?h/8h時，SOUR未發(fā)現(xiàn)明顯的變化。但是，當(dāng)好氧時間從2h逐漸降低到0.5h時，在運(yùn)行穩(wěn)定階段SOUR從36.49 mg O2/(g MLSS·h)逐漸降低31.93mg O2/(g MLSS·h),這主要由于隨著缺氧時間的增長，反應(yīng)器中微生物適應(yīng)了較長時間的缺氧環(huán)境，反應(yīng)器中厭氧微生物數(shù)量增加，從而導(dǎo)致了SOUR的降低。當(dāng)好氧時間/缺氧時間變?yōu)?h/8h變?yōu)?h/7h時，在一個運(yùn)行周期內(nèi)好氧時間所占比例逐漸增加而導(dǎo)致SOUR逐漸增加。研究結(jié)果表明，SBR中溶解氧的高低直接地影響著活性污泥SOUR的大小。

圖4　好氧時間與缺氧時間對SOUR的影響

2.4 好氧與缺氧時間變化對SAOR、SNOR和SNRR的影響

圖5　好氧時間與缺氧時間變化對

2.5 好氧與缺氧時間變化對微生物群落結(jié)構(gòu)的影響

圖6為好氧時間與缺氧時間變化對活性污泥DGGE譜圖的影響。在運(yùn)行過程中好氧時間與缺氧時間的變化使DGGE譜圖中條帶數(shù)和條帶強(qiáng)度有明顯的變化。條帶8、9、10和32在整個運(yùn)行過程中占優(yōu)勢，這些條帶所代表的微生物可能主要是兼性微生物，能夠在好氧條件或缺氧條件下生長、發(fā)育和繁殖。條帶4、17和23隨著好氧時間/缺氧時間從3h/7h依次變?yōu)?h/8h、1h/9h、0.5h/9.5h、1h/8h和1h/7h的過程中強(qiáng)度逐漸降低或者消失。一些條帶(如條帶21、18和18)的強(qiáng)度隨著好氧時間與好氧階段時間變化或增強(qiáng)或減弱，可能是好氧微生物受到厭氧條件(或厭氧微生物受到好氧條件)的抑制作用造成的。條帶16的強(qiáng)度隨著缺氧時間的增加而逐漸增強(qiáng)，這說明條帶16所代表的菌種能適應(yīng)低溶解氧環(huán)境?？傮w上來說，好氧時間與缺氧時間變化可以使SBR中微生物群落結(jié)構(gòu)發(fā)生演替變化，能夠適應(yīng)環(huán)境的微生物得到生存和發(fā)展，不能夠適應(yīng)環(huán)境變化的微生物可能減弱或被淘汰。

圖6　在不同好氧時間與缺氧時間下PCR-DGGE譜圖

應(yīng)用Quantity One軟件對DGGE圖譜進(jìn)行分析，采用Shannon-Weaver多樣性指數(shù)(SDI)分析活性污泥中微生物多樣性特征，SDI值越大，微生物多樣性越高。在最初好氧時間/缺氧時間為3h/7h時微生物多樣性指數(shù)為3.16。當(dāng)好氧時間/缺氧時間依次變?yōu)?h/8h、1h/9h、0.5h/9.5h、1h/8h和1h/7h時，其相應(yīng)的微生物多樣性指數(shù)依次為3.21、3.12、3.12、3.20和3.17，表明好氧時間/缺氧時間變化使SBR中微生物的多樣性發(fā)生了變化。其中，微生物多樣性最大值出現(xiàn)在好氧時間/缺氧時間為2h/8h。研究結(jié)果表明，當(dāng)SBR中缺氧時間較長時，微生物多樣性逐漸降低，可能好氧微生物已經(jīng)無法適應(yīng)長期缺氧的環(huán)境，厭氧菌和兼性菌開始逐漸占據(jù)優(yōu)勢地位，而當(dāng)缺氧時間逐漸減少后微生物多樣性又逐漸增加。圖7為采用非加權(quán)配對算術(shù)平均法對不同條件下DGGE譜圖進(jìn)行聚類分析。6個污泥樣品分為兩大族群，兩個族群之間的相似性為75%。好氧時間/缺氧時間為3h/7h的污泥樣品為一個族群。另一族群包括好氧時間/缺氧時間為2h/8h、1h/9h、0.5h/9.5h、1h/8h和1h/7h的污泥樣品，它們之間相繼形成了不同的亞族群，不同的亞族群之間最大的相似性為86%。

圖7　在不同好氧時間與缺氧時間下DGGE聚類分析

為了進(jìn)一步分析不同好氧與缺氧時間下SBR中微生物的群落結(jié)構(gòu)，本研究取DGGE圖譜中清晰且相對獨(dú)立的24個條帶進(jìn)行切膠回收與克隆測序。在NCBI基因庫中通過BLAST對測序結(jié)果檢索和同源性分析，選取序列最為接近的菌種，結(jié)果如表2所示。從測序結(jié)果來看，一些條帶(如條帶2～4、6～9、16等)為不可培養(yǎng)菌(Uncultured bacterium)，其具體種屬和理化性質(zhì)不能確定。條帶13對應(yīng)的菌株與Halomonastaeanensis具有97%的相似性。Lee等[12]報道了Halomonastaeanensis是一種能夠在1%～25%的鹽度下生存的耐鹽菌，具有將硝酸鹽轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽的能力。條帶14對應(yīng)的菌株與硝酸鹽還原菌Nitratireductorlucknowense有98%的相似性，Manickam等[13]從被農(nóng)藥污染的土壤中提取出此菌，發(fā)現(xiàn)Nitratireductorlucknowense可以對淀粉等有機(jī)物進(jìn)行分解且能夠?qū)ο跛猁}進(jìn)行還原。條帶17與Rhodococcussp菌種具有100%的相似性，本次分離出菌為Rhodococcus屬的Rhodococcussp.IFP2041。文獻(xiàn)報道從土壤中分離出了Rhodococcussp.DN菌[14]，該菌能夠在以硝酸鈉為氮源進(jìn)行好氧反硝化。條帶17在好氧時間/缺氧時間為3h/7h和2h/8h亮度較為明顯，但隨著缺氧段的增加條帶亮度逐漸變暗，可推斷其可能適合在好氧環(huán)境中生存。

表2　DGGE條帶16S rDNA序列在NCBI數(shù)據(jù)庫中的對比結(jié)果

3結(jié)論

(1)在缺氧時間與好氧時間之和一定的情況下，COD去除率隨著缺氧時間/好氧時間變化不會有明顯改變。但是，COD去除率會隨著缺氧時間與好氧時間之和縮短而降低。

(2)在缺氧時間與好氧時間之和一定的情況下，SAOR、SNOR和SOUR隨著好氧時間的增加而增加，但是SNNR受到抑制影響。缺氧時間與好氧時間變化對SAOR、SNOR和SNNR的影響情況與O/A-SBR脫氮性能是一致的。

(3)好氧時間與缺氧時間變化使O/A-SBR中微生物群落結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，能夠適應(yīng)環(huán)境的微生物得到生存和發(fā)展,不能夠適應(yīng)環(huán)境變化的微生物可能減弱或被淘汰。

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責(zé)任編輯龐旻

Effect of the Variation of Aerobic Time and Anoxic Time on the Performance of O/A-SBR Treating Mariculture Wastewater

LI Zhi-Wei1,2, DAI Ming-Yue2, GAO Meng-Chun1, WANG Sen2, WANG Zi-Chao2, CHANG Qing-Bo2

(1.The Key Laboratory of Marine Environmental Science and Ecology, Ministry of Education, Qingdao 266100, China; 2.College of Environmental Science and Engineering, Ocean University of China, Qingdao 266100, China)

Abstract:The effects of aerobic time and anoxic time on the performance of O/A-SBR were investigated in treating mariculture wastewater. The COD efficiency had no obvious effect with the variation of aerobic time and anoxic time, whereas the performance of nitrogen removal was obviously affected by the variation of aerobic time and anoxic time in the O/A-SBR. The sludge specific oxygen uptake rate (SOUR) decreased from 36.49 to 31.93 mg O2/(g MLSS·h) with the variation of aerobic time/anoxic time from 2 h/8 h to 0.5 h/9.5 h, suggesting the dissolved oxygen could affect the SOUR. The specific ammonia oxygen rate (SAOR) and specific nitrite oxygen rate (SNOR) of activated sludge was relatively higher at the longer aerobic time, but the specific nitrate reduction rate was inhibited. The microbial community of activated sludge varied with the variation of aerobic time/anoxic time, and some microorganisms might weaken or deleted in the O/A-SBR.

Key words:mariculture wastewater; SBR; specific oxygen uptake rate; specific ammonia oxygen rate; specific nitrite oxygen rate; microbial community

基金項目：? 國家自然科學(xué)基金項目(51178437)；中國海洋大學(xué)國家大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項目(201310423074)資助

收稿日期：2015-04-29；

修訂日期：2015-05-18

作者簡介：李志偉(1983-)，男，碩士生。E-mail: 1039790846@qq.com ??通訊作者：E-mail： mengchun @ ouc.edu.cn

中圖法分類號：X131.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1672-5174(2016)05-104-07

DOI：10.16441/j.cnki.hdxb.20150151

Supported by Natural Science Foundation of China (51178437); Ocean University of China-Student Research Development Program (201310423074)