陽(yáng)極位置對(duì)新型ABR-BEF系統(tǒng)處理性能及微生物群落的影響

宿程遠(yuǎn),鄧秋金,盧宇翔,覃容華,阮子欣,韋敬威,鄭成志

陽(yáng)極位置對(duì)新型ABR-BEF系統(tǒng)處理性能及微生物群落的影響

宿程遠(yuǎn)1*,鄧秋金1,盧宇翔1,覃容華1,阮子欣1,韋敬威1,鄭成志2

(1.廣西師范大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院,珍稀瀕危動(dòng)植物生態(tài)與環(huán)境保護(hù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣西 桂林 541004；2.廣東粵港供水有限公司,廣東 深圳 518021)

研究了陽(yáng)極所處位置對(duì)新型厭氧折流板-生物電Fenton(ABR-BEF)系統(tǒng)處理中藥廢水效能與產(chǎn)電能力的影響,并對(duì)各格室污泥的疏松胞外聚合物(LB-EPS)及緊密胞外聚合物(TB-EPS)組分情況進(jìn)行了分析,繼而通過(guò)高通量測(cè)序技術(shù)對(duì)系統(tǒng)中微生物群落演替進(jìn)行了探討.結(jié)果表明,當(dāng)將陽(yáng)極電極位置由系統(tǒng)的第4格室調(diào)整到第3、第2格室后,由于陽(yáng)極與陰極距離的增大,COD平均去除率由原來(lái)的90%分別下降到70%和65%;輸出電壓由149.8mV降至95.3mV、50.0mV左右,同時(shí)最大功率密度由76.78mW/m3減少到55.57mW/m3和52.87mW/m3;但陰極室對(duì)鄰苯二酚的降解率仍保持在95%左右.改變陽(yáng)極位置后LB-EPS、TB-EPS中蛋白質(zhì)含量均下降,TB-EPS尤為明顯;而對(duì)于多糖而言,陽(yáng)極在第3號(hào)格室時(shí),各組分多糖含量最高.陽(yáng)極位置由第4格室改為第2格室后,第1到第4格室甲烷絲狀菌屬()所占比例分別增大到71.09%、72.47%、58.03%和76.79%;在總細(xì)菌綱水平上產(chǎn)電菌所屬的d變形菌綱(Deltaproteobacteria)在第1到第4格室中分別減少了2.54%、6.06%、4.40%和4.87%,陽(yáng)極與陰極距離的增大使得產(chǎn)電菌數(shù)量減少,這成為該系統(tǒng)產(chǎn)電能力下降的重要原因.

ABR-BEF；陽(yáng)極位置；產(chǎn)電性能；微生物群落；胞外聚合物

廢水處理過(guò)程中厭氧生物處理技術(shù)具有能耗低、污泥產(chǎn)量少、抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)、可產(chǎn)生能源等優(yōu)點(diǎn),具有良好的環(huán)境與社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益[1-2].但當(dāng)廢水中含有難生物降解的高分子污染物或有毒物質(zhì)時(shí),由于此類物質(zhì)的存在會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)甲烷菌的活性受到抑制,若此類廢水直接進(jìn)入?yún)捬醴磻?yīng)器,往往使得厭氧反應(yīng)器的處理效率降低,甚至造成厭氧反應(yīng)器運(yùn)行失敗,因此,需對(duì)這部分難生物降解或有毒廢水進(jìn)行物化預(yù)處理,而后再進(jìn)行生物處理.Fenton技術(shù)作為典型的高級(jí)氧化處理方法,具有高效、反應(yīng)條件溫和、設(shè)備簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn),對(duì)于去除水中難生物降解污染物具有良好的效果.但單一Fenton技術(shù)處理成本較高,更限制其應(yīng)用的是需新建Fenton預(yù)處理單元,這無(wú)疑會(huì)增加占地與基建投資. Feng等研究發(fā)現(xiàn),微生物燃料電池(MFC)的陰極(鐵碳電極)可生成Fenton體系所需的H2O2,從而構(gòu)成自我維持、無(wú)需外源電力的生物電Fenton系統(tǒng)(Bio- electro-Fenton),具有不需要持續(xù)投加H2O2與鐵鹽的優(yōu)點(diǎn),在去除污染物的同時(shí)可產(chǎn)生電能,因此新型生物電Fenton技術(shù)成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)[3-4].當(dāng)前國(guó)內(nèi)外研究表明,生物電Fenton在難降解有機(jī)物的可持續(xù)降解方面具有巨大潛力,曾亞瓊等利用生物電Fenton系統(tǒng)去除水體中痕量有機(jī)微污染物雌激素,結(jié)果發(fā)現(xiàn)該體系對(duì)雌二醇的最佳去除率達(dá)到90%,化學(xué)氧化是該體系去除雌二醇的主要途徑[5-6].

基于此,本課題組將厭氧處理與生物電Fenton技術(shù)進(jìn)行了結(jié)合,開(kāi)發(fā)了新型厭氧折流板-生物電Fenton反應(yīng)器(ABR-BEF),旨在發(fā)揮生物電Fenton對(duì)難生物降解及有毒物質(zhì)高效去除的優(yōu)勢(shì),為厭氧反應(yīng)器的良好運(yùn)行提供保障;同時(shí)廢水中的污染物通過(guò)厭氧分解生成簡(jiǎn)單化合物,以保證生物電Fenton體系電能的輸出.以往對(duì)生物電Fenton技術(shù)的研究主要集中在電極的選擇上,而當(dāng)生物電Fenton陽(yáng)極所處位置發(fā)生改變時(shí),其底物類型會(huì)發(fā)生變化,這將直接影響到產(chǎn)電效能以及電子的轉(zhuǎn)移,并進(jìn)一步影響到污染物的降解與系統(tǒng)中的微生物群落,而電極上微生物群落的鑒定可為深入了解微生物對(duì)反應(yīng)器穩(wěn)定性增強(qiáng)的協(xié)同作用和交互作用提供科學(xué)的借鑒[7].中藥廢水中不僅含有木質(zhì)素、生物堿、鞣質(zhì)、蒽醌等天然有機(jī)物,同時(shí)含有難降解的多環(huán)芳烴類等物質(zhì),使得該類廢水具有生物毒性強(qiáng)、有機(jī)物濃度高等特點(diǎn)[8].因此本文以中藥廢水為研究對(duì)象,通過(guò)改變陽(yáng)極所處位置,研究了ABR-BEF反應(yīng)器對(duì)污染物的去除能力與產(chǎn)電性能,并分析了反應(yīng)器中污泥胞外聚合物(EPS)的組分以及微生物群落的變化情況,從而為該新型反應(yīng)器的設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供科學(xué)依據(jù).

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置與實(shí)驗(yàn)過(guò)程

如圖1所示, ABR-BEF反應(yīng)器材質(zhì)為有機(jī)玻璃,長(zhǎng)為42cm、寬為5cm、高為15cm,有效容積約為2.5L,主體結(jié)構(gòu)包括四個(gè)格室,最后的小格室設(shè)為生物電Fenton的陰極室,兩部分用法蘭相接并以一質(zhì)子交換膜(PEM,Nafion117)隔開(kāi).起初4號(hào)格室作為生物電Fenton的陽(yáng)極室;陽(yáng)極材料采用是纖維碳刷(CTN310,東麗),由碳絲和鈦絲組成;使用親水性碳布(W0S1002,125mm×60mm)通過(guò)改性負(fù)載鐵作為陰極的基材[8],而后卷成直徑為40mm,高為60mm柱狀作陰電極;陰陽(yáng)兩電極選用鈦絲(1mm)相連并接電阻箱(ZX21,上海東茂),正常運(yùn)行電阻箱調(diào)至1000Ω.電壓采用數(shù)據(jù)采集卡(PISO-813U,泓格)連接電腦進(jìn)行采集,每1min記錄一次.陰極室使用空氣泵(ACO001,日生)進(jìn)行曝氣,氣體流量通過(guò)閥門調(diào)節(jié),溶解氧控制在2~4mg/L.

圖1 裝置示意

中藥廢水取自桂林某制藥廠,其COD濃度為1900~2900mg/L,氨氮濃度為70~140mg/L,懸浮物含量為150~220mg/L,通過(guò)蠕動(dòng)泵(BT100-2J,蘭格)將廢水輸送進(jìn)反應(yīng)器中;由于中藥廢水中多含有酚類物質(zhì),為了考察該反應(yīng)器對(duì)酚類物質(zhì)的去除性能,將人工配制的含有150mg/L的鄰苯二酚廢水泵入陰極室,12h后將陰極室廢水通過(guò)小型蠕動(dòng)泵(KCP-C,卡默爾)回流至第1格室.整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程共分3個(gè)周期,即陽(yáng)極室依次從4號(hào)格室換到3號(hào)格室,最后調(diào)整到2號(hào)格室,每2個(gè)星期為一個(gè)周期.

1.2 分析方法

COD的測(cè)定采用快速消解法;鄰苯二酚濃度采用紫外分光光度法測(cè)定,測(cè)定波長(zhǎng)為276nm[9].

輸出電壓數(shù)據(jù)自動(dòng)記錄生成TXT文件保存于電腦中,用Origin軟件對(duì)其進(jìn)行處理;通過(guò)調(diào)節(jié)電阻箱改變外電阻(50Ω~5kΩ)獲得功率密度與電流密度,從而繪制功率密度曲線與極化曲線[10].

每個(gè)運(yùn)行階段的末期對(duì)各格室的污泥取樣,進(jìn)行EPS組分的分析,污泥中EPS的提取參照文獻(xiàn)[11-14],其多糖和蛋白質(zhì)組分含量測(cè)定分別采用蒽酮比色法和考馬斯亮藍(lán)比色法[11-14],每個(gè)樣品測(cè)定3次取平均值.

利用高通量技術(shù)分析ABR-BEF系統(tǒng)內(nèi)的微生物群落變化情況,利用試劑盒(OMEGA,E.Z.N.ATMMag-Bind Soil DNA Kit)對(duì)DNA進(jìn)行提取,利用Qubit2.0DNA檢測(cè)試劑盒對(duì)DNA進(jìn)行精確定量;古菌PCR擴(kuò)增分為三輪,細(xì)菌PCR擴(kuò)增分為兩輪;擴(kuò)增結(jié)束后,利用MiSeq Illumina測(cè)序平臺(tái)上進(jìn)行高通量測(cè)序;利用RDP(核糖體數(shù)據(jù)庫(kù)項(xiàng)目)分類器對(duì)OTUs(運(yùn)算分類單位)(以97%的序列相似閾值處理)進(jìn)行分類分析,得到各分類學(xué)水平下物種的組成及相對(duì)豐度[15-17].

2 結(jié)果與討論

2.1 陽(yáng)極位置改變對(duì)污染物去除的影響

由圖2可知,陽(yáng)極室在4號(hào)格室與陰極室相鄰時(shí),COD去除率在90%左右,說(shuō)明微生物對(duì)污染物具有更好的吸附利用能力,并能較好地去除中藥廢水中的有機(jī)污染物.陽(yáng)極位置換至3號(hào)格室時(shí),COD的初始去除率僅為54.92%,原因是系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定不久,反應(yīng)器內(nèi)微生物對(duì)運(yùn)行因子變化的反應(yīng)較為敏感,而后升至70%左右.在第34d陽(yáng)極位置換至2號(hào)格室時(shí),COD去除率并未出現(xiàn)急劇下降,可能的原因是此時(shí)系統(tǒng)運(yùn)行更為穩(wěn)定,短期的環(huán)境變化未對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生明顯影響,但在第35d至44d時(shí),COD去除率由85.45%持續(xù)下降至 47.52%,而后緩慢上升至65%左右.這表明改變陽(yáng)極室位置會(huì)降低反應(yīng)器對(duì)COD的去除效率,原因是改變陽(yáng)極位置會(huì)使反應(yīng)器中微生物燃料電池組分提前接觸中藥廢水,此時(shí)中藥廢水中有機(jī)負(fù)荷較大,毒性較強(qiáng),微生物燃料電池的陽(yáng)極可能對(duì)有機(jī)負(fù)荷的改變較為敏感,進(jìn)而影響整個(gè)反應(yīng)器對(duì)COD的去除效率;特別是當(dāng)陽(yáng)極位置換至2號(hào)格室時(shí),COD去除率不僅出現(xiàn)較大波動(dòng),且明顯降低.

陽(yáng)極位置改變后,陰極室對(duì)鄰苯二酚的去除情況如圖2所示.陽(yáng)極在4號(hào)格室時(shí),12h后鄰苯二酚去除率達(dá)到99.85%;陽(yáng)極在3號(hào)和2號(hào)格室,鄰苯二酚最終去除率在96.86%和97.07%;Gogoi等[9]以Fe3O4-CeO2為催化劑,探討了多相類Fenton對(duì)鄰苯二酚的去除效率,在最佳運(yùn)行條件下,鄰苯二酚的去除率為83.8%~89.2%,通過(guò)對(duì)比可知本ABR-BEF系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)鄰苯二酚的有效去除.具體表現(xiàn)為:陽(yáng)極位置在4號(hào)格室時(shí),處理30min后,鄰苯二酚去除率僅為20.32%,而陽(yáng)極在3號(hào)格室為33.81%,陽(yáng)極在2號(hào)格室為22.76%;到420min時(shí),陽(yáng)極在4號(hào)格室去除率為93.16%,陽(yáng)極在3、2號(hào)格室去除率分別為96.04%、95.54%.陽(yáng)極在3、2號(hào)格室時(shí),陰極室對(duì)鄰苯二酚降解在330min時(shí)基本穩(wěn)定.這說(shuō)明改變陽(yáng)極位置對(duì)鄰苯二酚的去除影響不明顯,可能的原因在于鄰苯二酚的降解是靠陰極室中生成的H2O2與附著在陰極上的鐵作用所產(chǎn)生的羥基自由基(·OH),而H2O2的生成跟陽(yáng)極室傳導(dǎo)過(guò)來(lái)的H+與陰極室中O2有關(guān),雖然陽(yáng)極與陰極距離的增大影響了H+的傳導(dǎo),但O2對(duì)H2O2的產(chǎn)生發(fā)揮著更為重要的作用.

2.2 陽(yáng)極位置改變對(duì)產(chǎn)電性能的影響

輸出電壓是MFC反應(yīng)器運(yùn)行過(guò)程中一個(gè)重要的產(chǎn)電性能評(píng)價(jià)指標(biāo),因此本文對(duì)不同陽(yáng)極位置時(shí)系統(tǒng)的電壓輸出情況進(jìn)行了分析,陽(yáng)極在4號(hào)格室時(shí),輸出電壓由118.8mV緩慢上升到149.8mV,而后持續(xù)穩(wěn)定產(chǎn)電;當(dāng)陽(yáng)極換至3號(hào)格室,電壓下降至44.6mV,之后緩慢增加至120.3mV,能較穩(wěn)定保持在95.3mV~125.0mV;當(dāng)把陽(yáng)極改變到2號(hào)格室時(shí),電壓從82.4mV升至94.7mV,之后保持小幅度波動(dòng)并持續(xù)產(chǎn)電至第10h,最高產(chǎn)電到達(dá)107.2mV,短暫的增大之后開(kāi)始回落,最后降到40mV.不同陽(yáng)極位置所產(chǎn)生的電壓有明顯變化,其中陽(yáng)極在4號(hào)格室時(shí)產(chǎn)生電壓最高,也最為穩(wěn)定,其次為3號(hào)格室,最后為2號(hào)格室.原因在于,改變陽(yáng)極位置使得陰極與陽(yáng)極距離增大,增加了反應(yīng)器內(nèi)阻,所要克服的阻力變大,進(jìn)而產(chǎn)電量降低且出現(xiàn)不穩(wěn)定的波動(dòng).

依次把外電阻由低到高(50Ω~5KΩ)的次序接到電路并運(yùn)行一定時(shí)間,記錄電壓取平均值,繪出各運(yùn)行條件下系統(tǒng)的功率密度曲線如圖3所示.由圖3可知,陽(yáng)極位置在4號(hào)格室最大功率密度最大,在電流密度為311.36mA/m3時(shí)達(dá)到76.78mW/m3;其次是在3號(hào)格室,在183.51mA/m3時(shí)最大功率密度為55.57mW/m3;最后為在2號(hào)格室,在141.51mA/m3僅最大功率密度52.87mW/m3,由此可以看出,當(dāng)改變陽(yáng)極位置,最大輸出功率明顯下降,說(shuō)明調(diào)整陽(yáng)極位置,增大兩電極之間距離會(huì)使電池功率下降.

同時(shí)由圖3可知,在開(kāi)路狀態(tài)下,陽(yáng)極在4、3、2號(hào)格室的平衡電壓分別為424.9,439.6和429.6mV;由于電路處于開(kāi)路狀態(tài)而不存在電流,因此損失的電壓與電子轉(zhuǎn)移和電流無(wú)關(guān),而跟陽(yáng)極中微生物分解污染物的過(guò)程有關(guān).一旦接通外電路,電路中即存在有電流,微生物燃料電池即開(kāi)始對(duì)外做功,隨著電流密度的增大,跟電流密度相關(guān)的極化開(kāi)始出現(xiàn).陽(yáng)極在4號(hào)格室時(shí),當(dāng)電流密度由0增大到258.99mA/m3,電壓從424.9mV迅速降低到256.4mV,在電流密度比較低的時(shí)候,ABR-BEF的極化主要表現(xiàn)在陽(yáng)極室中微生物的代謝和電子的轉(zhuǎn)移以及陰極氧氣還原所需要克服反應(yīng)壁壘,也就是活化極化.隨著電流密度的增大,電壓下降趨勢(shì)變緩,此時(shí)活化極化開(kāi)始被歐姆極化取代.對(duì)比陽(yáng)極在3、2號(hào)格室,電壓隨電流密度的變大呈現(xiàn)出良好的線性關(guān)系,整個(gè)過(guò)程未發(fā)現(xiàn)活化極化,均為歐姆極化主導(dǎo),但電流密度與功率密度明顯低于陽(yáng)極在4號(hào)格室時(shí);且陽(yáng)極在2號(hào)的比在3號(hào)格室的要低,兩電極間距越大,ABR-BEF內(nèi)阻變大,因此造成電壓、功率密度和電流密度的下降.

2.3 陽(yáng)極位置改變對(duì)污泥EPS組成的影響

EPS是由微生物在一定的環(huán)境條件下所分泌的高分子聚合物,主要成分是一些大分子物質(zhì),如蛋白質(zhì)、多糖及核酸,類似于微生物的細(xì)胞內(nèi)成分;較厚的EPS層可起到預(yù)防與保護(hù)作用,從而減少有害物質(zhì)侵蝕微生物[18];同時(shí)污泥的絮凝性、沉降性能以及在反應(yīng)器中的高度持留也與EPS的組分結(jié)構(gòu)有較大關(guān)系[19-20].在EPS中,蛋白質(zhì)與多糖占據(jù)75%-90%,蛋白質(zhì)影響絮凝體的疏水性,而多糖是親水性聚合物,可逆性地吸收和散發(fā)水或生物液體[21],本文分析了不同陽(yáng)極位置情況下,ABR-BEF反應(yīng)器中各個(gè)格室污泥EPS的蛋白和多糖組分,其比率結(jié)果如圖4所示.

由圖4可知,陽(yáng)極在4號(hào)格室時(shí),LB-EPS和TB-EPS的蛋白質(zhì)與多糖比率最高,分別達(dá)到了29.20~38.65和10.40~12.84;而陽(yáng)極在3號(hào)格室分別僅為0.87~10.62和0.30~0.98,在2號(hào)格室為8.35~11.67和1.01~1.41.TB-EPS的蛋白質(zhì)和多糖比相較LB-EPS有所下降但趨于平穩(wěn),在同一條件下各個(gè)格室的比率相差不大,這是因?yàn)門B-EPS處于EPS的核心區(qū)域,受外界干擾較少.陽(yáng)極從4號(hào)格室改變到3號(hào)和2號(hào)格室,蛋白質(zhì)與多糖比值下降明顯,造成其比值下降可能是因?yàn)楦鼡Q電極位置后,該反應(yīng)器穩(wěn)定性下降,微生物活性遭受影響從而未能最大程度利用中藥廢水中污染物質(zhì),因此分泌出來(lái)的EPS中含有較多的多糖聚合物,從而保護(hù)微生物不受侵害;過(guò)多的多糖會(huì)使污泥絮凝沉降效果變差[22-25],使反應(yīng)器處理效率下降,污泥的絮凝性和穩(wěn)定性在陽(yáng)極位置處于4號(hào)格室時(shí)最優(yōu),這與COD去除效率下降的結(jié)果相一致,在2號(hào)格室次之,3號(hào)格室最差.同時(shí)隨著廢水由第1格室依次流到第4格室,廢水中有機(jī)污染物減少,因此后面格室EPS中的蛋白質(zhì)與多糖比值出現(xiàn)上升的趨勢(shì),這在陽(yáng)極位于第3號(hào)和2號(hào)格室時(shí)尤為明顯.

2.4 陽(yáng)極位置改變對(duì)古菌群落的影響

鑒于陽(yáng)極位置第4號(hào)格室與第2號(hào)格室時(shí), ABR-BEF系統(tǒng)對(duì)中藥廢水處理效能變化較為明顯,因此采用高通量測(cè)序技術(shù)分析了陽(yáng)極在第4格室與第2格室時(shí),系統(tǒng)中各個(gè)格室古菌群落結(jié)構(gòu)與分布情況,結(jié)果如圖5與圖6所示.

陽(yáng)極在第4格室時(shí),第1到第4格室所得測(cè)序序列數(shù)分別為70468、74326、74989、64417,Chao1指數(shù)分別為45267、35984、39869、43883,Shannon指數(shù)分別為3.37、2.83、3.40、3.14;而陽(yáng)極調(diào)整到第2格室時(shí),第1到第4格室的測(cè)序序列數(shù)分別為51582、66234、61839、65108,Chao1指數(shù)分別為11929、20320、23800、32322,Shannon指數(shù)分別為2.24、2.64、2.23、1.94,可見(jiàn)陽(yáng)極調(diào)整到第2格室后,微生物群落的豐富度與多樣性均出現(xiàn)了減少.由圖5可知,在綱水平下,陽(yáng)極在4號(hào)格室時(shí),在第1格室中,甲烷微菌綱(Methanomicrobia)豐度比例為47.47%,甲烷桿菌綱(Methanobacteria)豐度比例為49.13%;第2格室中,甲烷微菌綱(Methanomicrobia)豐度比例為56.65%,甲烷桿菌綱(Methanobacteria)豐度比41.12%;第3格室中,甲烷微菌綱(Methanomicrobia)所占的豐度比為79.30%,熱變形菌綱(Thermoprotei)所占的豐度比為11.36%;第4格室中,甲烷微菌綱(Methanomicrobia)豐度比例為53.89%,熱變形菌綱(Thermoprotei)豐度比例為28.32%,甲烷桿菌綱(Methanobacteria)豐度比例14.37%.具有產(chǎn)電能力的產(chǎn)電微生物所在的鹽桿菌綱(Halobacteria)在4號(hào)格室中的相對(duì)豐度為1.30%.改變陽(yáng)極位置后(由第4格室改變到第2格室),在古菌綱水平上主要有甲烷微菌綱(Methanomicrobia)、甲烷桿菌綱(Methanobacteria)、熱變形菌綱(Thermoprotei)及熱原體綱(Thermoplasmata),其中甲烷微菌綱(Methanomicrobia)為優(yōu)勢(shì)菌,在各格室的相對(duì)豐度分別為78.22%、81.33%、66.72%和79.7%,其次為甲烷桿菌綱(Methanobacteria)對(duì)應(yīng)相對(duì)豐度為13.53%、15.73%、12.03%和9.86%;而熱變形菌綱(Thermoprotei)在3,4號(hào)格室占17.43%和8.55%,可知, 在陽(yáng)極位置由4號(hào)格室更改至2號(hào)格室后,反應(yīng)器中甲烷微菌綱(Methanomicrobia)增多而甲烷桿菌綱(Methanobacteria)減少,產(chǎn)電菌所屬的鹽桿菌綱(Halobacteria)減少到檢測(cè)限值以下,產(chǎn)電微生物減少是產(chǎn)電效率降低的重要原因.

(a)陽(yáng)極位置在第4格室

(b)改變陽(yáng)極位置后

圖5 陽(yáng)極位置改變前后古菌綱水平circos圖

Fig.5 Circos of archaea at the class level with changing the position of anode

繼而分析了陽(yáng)極位置改變前后該反應(yīng)器各格室中古菌屬水平上豐度的變化情況(1~4表示陽(yáng)極位置在第4格室,1￠~4￠表示陽(yáng)極位置在第2格室),由圖6可知,陽(yáng)極在4號(hào)格室時(shí),各格室的甲烷絲狀菌屬(Methanothrix)豐度比例分別為36.31%,50.31%, 64.88%,39.4%,甲烷絲狀菌屬(Methanothrix)是3格室中優(yōu)勢(shì)菌群;甲烷桿菌屬(Methanobacterium)豐度比例分別為40.93%,40.94%,5.06%,13.99%;在各個(gè)格室中甲烷繩菌屬(Methanolinea)豐度比少于10%,甲烷絲狀菌屬(Methanothrix)和甲烷桿菌屬(Methanobacterium)占的比例相對(duì)較多.改變陽(yáng)極位置后(即陽(yáng)極位于第2格室),反應(yīng)器中各格室古菌屬水平上微生物群落結(jié)構(gòu)大體一致,優(yōu)勢(shì)菌群仍為甲烷絲狀菌屬(Methanothrix),相對(duì)豐度分別為71.09%、72.47%、58.03%和76.79%,除3號(hào)格室有所下降外,其他3個(gè)格室的甲烷絲狀菌屬(Methanothrix)均有所增加;其次為甲烷桿菌屬(Methanobacterium),在各個(gè)格室的相對(duì)豐度為12.69%、15.53%、11.94%和9.75%,較陽(yáng)極在4號(hào)格室時(shí)均有所降低,因此在改變陽(yáng)極位置后,反應(yīng)器的厭氧主導(dǎo)位置更強(qiáng)烈,而產(chǎn)電菌屬衰減,這與前面的產(chǎn)電效率下降結(jié)果是一致的.同時(shí)甲烷桿菌屬(Methanobacterium)所占比例減少,可能該菌屬能利于的基質(zhì)種類更為豐富,其數(shù)量的減少影響了COD的去除效果.

他跪伏著，聽(tīng)到天葬師的喉嚨里發(fā)出了一連串怪異的咒語(yǔ)，繁瑣而冗長(zhǎng)。咒語(yǔ)結(jié)束后，周圍陷入了長(zhǎng)時(shí)間的沉默，除了桑煙經(jīng)過(guò)骷髏頭的嗚咽聲，再無(wú)其他聲響。在這種單調(diào)的聲音中，青辰覺(jué)得自己陷入了一種昏昏欲睡的狀態(tài)，這種狀態(tài)，令他在事后一度覺(jué)得非常困惑。按理說(shuō)，那時(shí)的他在滿懷期望地等待著神明的到來(lái)，怎么會(huì)睡呢？后來(lái)，他從其他人的口中了解到，那一刻，不只自己，每一個(gè)人都有過(guò)那種昏昏欲睡的狀態(tài)。他推測(cè)，是有什么東西在那段時(shí)間降臨了，它的到來(lái)，讓人們的精神高度恐懼，為了防止精神崩潰，大腦及時(shí)開(kāi)啟了自我防御機(jī)能，選擇性地屏蔽了它，讓人們以昏睡般的麻木狀態(tài)來(lái)度過(guò)那段時(shí)光。

圖6 陽(yáng)極位置改變前后古菌屬水平上豐度分布 Fig.6 Abundance of archaea at the genus level with changing the position of anode

2.5 陽(yáng)極位置改變對(duì)總細(xì)菌群落的影響

考察了ABR-BEF系統(tǒng)內(nèi)總細(xì)菌群落的演替情況,繪制了陽(yáng)極在反應(yīng)器不同位置時(shí),各格室總細(xì)菌群落分布的Heatmap圖,如圖7所示.

圖7 改變陽(yáng)極位置總細(xì)菌門水平物種豐度熱圖 Fig.7 Heatmap of bacteria at the phylum level with changing the position of anode

陽(yáng)極在第4格室時(shí),第1到第4格室的測(cè)序序列數(shù)分別為68168、71684、42097、66317,Chao1指數(shù)分別為32573、112329、66961、107138,Shannon指數(shù)分別為5.56、5.96、6.25、6.12;而陽(yáng)極調(diào)整到第2格室時(shí),第1到第4格室的測(cè)序序列數(shù)分別為59609、68352、52443、82641,Chao1指數(shù)分別為19554、28715、22524、23060,Shannon指數(shù)分別為5.50、5.24、5.35、5.16.由圖7可知,改變陽(yáng)極位置后,反應(yīng)器中總細(xì)菌在門水平上群落結(jié)構(gòu)未發(fā)生明顯變化,其中綠彎菌門(Chloroflexi)、厚壁菌門(Firmicutes)、變形菌門(Proteobacteria)、擬桿菌門(Bacteroidetes)在陽(yáng)極位置改變后相對(duì)豐度熱度仍保持一致,且在各個(gè)格室中的熱度值變化不大,說(shuō)明改變陽(yáng)極位置對(duì)這四個(gè)門類的總菌種影響不大;陽(yáng)極在4號(hào)格室時(shí),綠彎菌門(Chloroflexi)在1號(hào)格室中的熱度值較低,在后三個(gè)格室均有較高的熱度值.改變陽(yáng)極位置后,變形菌門(Proteobacteria)的豐度出現(xiàn)了下降,而許多產(chǎn)電菌屬于變形菌門,因此使得系統(tǒng)的產(chǎn)電性能出現(xiàn)了下降.根據(jù)熱圖的樣本聚類,陽(yáng)極位置在4號(hào)格室時(shí),4號(hào)格室與2號(hào)格室菌群更接近,差別最大為1號(hào)格室;在陽(yáng)極位置改變到2號(hào)格室后,2號(hào)格室變成與3號(hào)格室菌群更為接近.

(3) 動(dòng)物園的安全警示是否充足。根據(jù)城市動(dòng)物園管理規(guī)定第三章第二十一條：動(dòng)物園管理機(jī)構(gòu)應(yīng)當(dāng)完善各項(xiàng)安全設(shè)施，加強(qiáng)安全管理，確保游人、管理人員和動(dòng)物的安全。動(dòng)物園方應(yīng)該設(shè)置足夠多且位于醒目位置的警示牌、在危險(xiǎn)區(qū)域安排足夠多的巡邏車、安裝數(shù)量充足的監(jiān)控?cái)z像頭保證二十四小時(shí)的不停歇監(jiān)控, 在發(fā)現(xiàn)游客有危險(xiǎn)舉動(dòng)時(shí)應(yīng)立即上前勸阻與阻攔。

繼而從綱水平對(duì)總細(xì)菌群落的變化情況進(jìn)行了分析,由圖8可知,陽(yáng)極位置改變前后ABR-BEF系統(tǒng)內(nèi)總細(xì)菌綱水平上結(jié)構(gòu)大致以厭氧繩菌綱(Anaerolineae)(13.83%~41.72%)、梭菌綱(Clostridia) (13.17%~21.36%)、δ變形菌綱(Deltaproteobacteria) (4.82%~12.78%)和浮霉菌門(Planctomycetia) (0.57%~22.98%)為主.改變陽(yáng)極位置后,反應(yīng)器各格室中的厭氧繩菌綱(Anaerolineae)(在產(chǎn)甲烷生物系統(tǒng)中具有降解碳水化合物和其他細(xì)胞材料的重要作用)的相對(duì)豐度均有不同幅度增加,分別增加了4.34%、10.59%、10.19%和17.03%,說(shuō)明在改變陽(yáng)極位置后,使整個(gè)反應(yīng)器中厭氧產(chǎn)甲烷能力增強(qiáng),其中4號(hào)格室增幅最大.具有產(chǎn)電能力的梭菌綱(Clostridia)、d變形菌綱(Deltaproteobacteria)在4號(hào)格室的相對(duì)豐度減少,分別減少了4.30%和2.54%;梭菌綱(Clostridia)在前3個(gè)格室的相對(duì)豐度分別增加了6.56%、8.41%和4.36%,但d變形菌綱(Deltaproteobacteria)卻下降了6.06%、4.40%和4.87%,而此時(shí)反應(yīng)器的產(chǎn)電效能較陽(yáng)極位置在4號(hào)格室時(shí)降低,表明d變形菌綱(Deltaproteobacteria)具有更高效的產(chǎn)電能力,因此在改變陽(yáng)極位置后,反應(yīng)器產(chǎn)電效率下降[6,26-27].混合產(chǎn)電菌的協(xié)同作用能增強(qiáng)該反應(yīng)器運(yùn)行的穩(wěn)定性并提高系統(tǒng)的產(chǎn)電效能[28].

圖8 陽(yáng)極位置改變前后反應(yīng)器各格室總細(xì)菌綱水平上豐度分布 Fig.8 Abundance of bacteria at the class level with changing the position of anode

3 結(jié)論

3.1 隨著陽(yáng)極室的前提,陽(yáng)極與陰極間距增大使得ABR-BEF系統(tǒng)對(duì)COD去除率由90%降低至65%,最大功率密度由76.78mW/m3降至52.87mW/m3,但對(duì)鄰苯二酚的去除率均保持在95%以上,該反應(yīng)器為含有毒工業(yè)廢水的有效處理提供了新思路.

3.2 改變陽(yáng)極位置后污泥EPS的多糖和蛋白質(zhì)組分發(fā)生明顯變化,陽(yáng)極位置在4號(hào)格室時(shí)各格室的LB-EPS和TB-EPS中的蛋白質(zhì)含量最高,從而有利于厭氧污泥保持良好的絮凝性能;陽(yáng)極位置在3號(hào)格室時(shí),LB-EPS與TB-EPS中的多糖含量最高.

3.3 陽(yáng)極位置由第4格室改變到第2格室后,具有產(chǎn)電能力的Clostridia、Deltaproteobacteria在第4格室的相對(duì)豐度減少,Halobacteria減少到檢測(cè)限值以下,從而造成ABR-BEF系統(tǒng)產(chǎn)電能力的下降.

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Effects of anode position on the performance and microbial community of the novel ABR-BEF system.

SU Cheng-yuan1*, DENG Qiu-jin1, LU Yu-xiang1, QIN Rong-hua1, RUAN Zi-xin1, WEI Jing-wei1, ZHENG Cheng-zhi2

(1.Key Laboratory of Ecology of Rare and Endangered Species and Environmental Protection, School of Environment and Resources, Guangxi Normal University, Guilin 541004, China；2.Guangdong Yuegang Water Supply Co., Ltd., Shenzhen 518021, China). China Environment Science, 2019,39(9)：3770~3779

Abstract：In this study, the effect of the position of anode on the efficiency and electricity generation of the novel anaerobic baffle reactor-bioelectricity Fenton (ABR-BEF) system were investigated for treatment traditional Chinese medicine (TCM) wastewater. The components of loosely-bound extracellular polymeric substances (LB-EPS) and tightly-bound extracellular polymeric substances (TB-EPS) in the sludge were also measured. Finally, the high-throughput sequencing technology was used to analyze the variation of microbial community in the system at different anode positions. The results showed that when the position of anode electrode was changed from the 4th compartment to the 3rd and 2nd compartment, the COD removal rate was reduced from 90% to 70% and 65%, respectively, due to the distance between anode and cathode gradually increasing. Meanwhile, the voltage output was declined from 149.8mV to 95.3mV and 50.0mV, and the maximum power density was decreased to 76.78mW/m3 to 55.57mW/m3 and 52.87mW/m3, respectively. However, the removal rate of catechol in the cathode chamber was remained around 95%. After changing the position of anode, the protein content in the LB-EPS and TB-EPS was decreased, especially TB-EPS. In addition, the polysaccharides content of LB-EPS and TB-EPS was the highest when the position of anode was changed into the 3rd compartment. When the position of anode was changed from the 4th compartment to the 3rd and 2nd compartment, the abundance of Methanothrix was increased to 71.09%, 72.47%, 58.03% and 76.79% in each compartment at the genus level of archaea. While the abundance of Deltaproteobacteria, which was a class contained electrogenic bacteria, was reduced to 2.54%, 6.06%, 4.40% and 4.87%, respectively. The increasing of the distance between anode and cathode was leaded to reduce the abundance of electrogenic bacteria, which was an important reason for the decrease of the electricity generation capacity of the ABR-BEF system.

Key words：ABR-BEF；position of anode；electricity generation；microbial community；extracellular polymeric substances

中圖分類號(hào)：X703

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1000-6923(2019)09-3770-10

作者簡(jiǎn)介：宿程遠(yuǎn)(1981-),男,河北晉州人,教授,博士,主要從事水及廢水處理理論與技術(shù)研究.發(fā)表論文60余篇.

收稿日期：2019-03-06

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51641803);廣西自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2017GXNSFAA198277);深圳市科技計(jì)劃(KJYY20170413170501147)

* 責(zé)任作者, 教授, suchengyuan2008@126.com