SBR工藝處理大蒜廢水及污泥菌群結(jié)構(gòu)研究

李 微，曾 飛，由 昆，傅金祥

(沈陽(yáng)建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110168)

大蒜易發(fā)霉變質(zhì)難以長(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)存，為了改變這些缺點(diǎn)需要將大蒜進(jìn)行深加工，近年來(lái)我國(guó)大蒜加工廠逐漸增多，隨著大蒜產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，大蒜廢水問(wèn)題隨之而來(lái)，有關(guān)大蒜廢水從2008年到2018年期間一直處于研究階段[1]，還沒(méi)有較為理想的處理工藝，大蒜廢水含有高質(zhì)量濃度的有機(jī)污染物、氮和磷等，因其含有具有殺菌作用的大蒜素使其更加難處理[2]，現(xiàn)有的處理方法包括物理方法，微電解的方法，活性污泥方法等[3-6]都有著一定的不足，活性污泥法一直是廢水處理研究的熱點(diǎn)，且該方法具有造價(jià)低，節(jié)省空間，耐沖擊負(fù)荷高等特點(diǎn)，目前，活性污泥法處理高質(zhì)量濃度大蒜加工廢水的研究尚未處于初級(jí)研究階段。傅源等[7]研究了活性污泥法處理1 000 mg/L COD質(zhì)量濃度的大蒜廢水，確定了活性污泥法處理大蒜廢水的最佳工藝參數(shù)和影響因素，給出了處理大蒜廢水時(shí)活性污泥法自然培菌和接種培菌的方案選擇，實(shí)現(xiàn)達(dá)標(biāo)排放。馮露[5]確定了活性污泥法的最佳運(yùn)行溫度，進(jìn)水質(zhì)量濃度及污泥形態(tài)等的變化，提出了合理可行的預(yù)處理方案，主要的預(yù)處理方法是以加熱為主。在活性污泥的基礎(chǔ)上，鄭慶柱等[8]采用CABR+SBR的聯(lián)合工藝，縮短了啟動(dòng)時(shí)間并且研究了該組合工藝對(duì)大蒜廢水各指標(biāo)的去除效果。針對(duì)大蒜廢水的研究普遍有機(jī)負(fù)荷低，預(yù)處理費(fèi)用高等問(wèn)題，筆者研究了活性污泥法處理大蒜廢水的可行性，對(duì)比研究了自然培菌和接種培菌兩種培養(yǎng)方式對(duì)大蒜廢水的處理效果，結(jié)合高通量技術(shù)分析兩種不同馴化方式下污泥的菌群結(jié)構(gòu)，旨在為處理高質(zhì)量濃度大蒜加工廢水快速馴化方法，實(shí)現(xiàn)反應(yīng)器的快速啟動(dòng)，推動(dòng)處理高質(zhì)量濃度大蒜加工廢水技術(shù)實(shí)際應(yīng)用提供支持。

1 試 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)水質(zhì)

模擬廢水主要是通過(guò)模擬實(shí)際生產(chǎn)加工中切片清洗和離心分離產(chǎn)生的高質(zhì)量濃度大蒜加工廢水，將市場(chǎng)購(gòu)來(lái)大蒜用榨汁機(jī)榨汁備用，配置模擬廢水水質(zhì)如表1所示。

表1 模擬大蒜加工廢水水質(zhì)Table 1 Simulated wastewater quality in garlic processing

1.2 分析項(xiàng)目與檢測(cè)方法

試驗(yàn)檢測(cè)項(xiàng)目及其檢測(cè)方法如表2所示。

表2 主要分析項(xiàng)目及檢測(cè)方法Table 2 Main analytical items and methods of determination

高通量測(cè)序分析方法:使用Qubit 3.0 DNA檢測(cè)試劑盒精確定量基因組DNA，以確定PCR反應(yīng)應(yīng)加入的DNA量，采用引物對(duì)341F(CCTACGGGNGGCWGCAG)與805R(GACTACHVGGGTATCTAATCC)對(duì)16SrDNA基于V3-V4區(qū)序列進(jìn)行擴(kuò)增，第一輪擴(kuò)增PCR體系為30 μL，包括2×Taqmaster Mix 15 μL,前后引物各1.0 μL，細(xì)菌組的DNA10-20 ng，最后以H2O補(bǔ)足至30 μL,配置好的PCR體系按照擴(kuò)增條件為：94 ℃首次變性3 min，94 ℃、30 s，45 ℃、20 s,65 ℃、30 s進(jìn)行5個(gè)循環(huán)；94 ℃、20 s，55 ℃、20 s，72 ℃、30 s進(jìn)行20個(gè)循環(huán)；在72 ℃下延伸5 min直到10 ℃,隨后以Illumina橋式PCR作為引物，開(kāi)始第二輪擴(kuò)增，PCR體系和第一輪擴(kuò)增相同為30 μL，同時(shí)也包括2×Taqmaster Mix 15 μL,前后引物各1.0 μL，第一次擴(kuò)增得到產(chǎn)物20ng，最后以H2O補(bǔ)足至30 μL,配置好的PCR體系按照擴(kuò)增條件為：95 ℃首次變性3 min，94 ℃、20 s，55 ℃、20 s,72 ℃、30 s進(jìn)行5個(gè)循環(huán)；在72 ℃下延伸5 min至10 ℃后，將擴(kuò)增的樣品進(jìn)行瓊脂糖凝膠電泳，純化擴(kuò)增產(chǎn)物，然后定量混合，最終的上機(jī)測(cè)得值為20 pmol，最后樣品通過(guò)Miseq測(cè)序技術(shù)進(jìn)行高通量測(cè)序。

1.3 試驗(yàn)裝置

缺氧/好氧SBR反應(yīng)器如圖1所示。

1.電動(dòng)攪拌機(jī)；2.攪拌槳；3.微孔曝氣盤(pán)；4.氣體流量計(jì)；5.空氣泵；6.時(shí)控開(kāi)關(guān)；7.排水接樣口；8.排泥口；9.pH在線監(jiān)測(cè)儀；10.DO在線監(jiān)測(cè)儀；11.進(jìn)水箱；12.電磁閥；13.水泵；14.進(jìn)水口。

圖1 缺氧/好氧SBR反應(yīng)器
Fig.1 Anoxic/aerobic SBR reactor

試驗(yàn)采用兩個(gè)有效容積分別為15 L的有機(jī)玻璃柱來(lái)模擬缺氧/好氧交替運(yùn)行的SBR反應(yīng)器A和B。由于兩個(gè)反應(yīng)器在運(yùn)行方式和外部結(jié)構(gòu)上完全相同，故取其中一個(gè)做以說(shuō)明。反應(yīng)器頂部裝有時(shí)控開(kāi)關(guān)和電動(dòng)攪拌器,在反應(yīng)器外側(cè)每隔10 cm設(shè)有一個(gè)接樣口，底部設(shè)有連接空氣泵和時(shí)控開(kāi)關(guān)的橡膠曝氣盤(pán)，同時(shí)還外接了氣體流量計(jì)用以控制水中溶解氧含量，在最底端設(shè)有兩個(gè)排泥口，同時(shí)還設(shè)有溶解氧在線監(jiān)測(cè)儀和pH在線監(jiān)測(cè)儀。

1.4 試驗(yàn)運(yùn)行方式

接種培菌方式主要是將取自城市污水處理廠的污泥去培養(yǎng)和馴化出最適合處理大蒜廢水的微生物以及菌群類型[6]，將質(zhì)量濃度為4 000 mg/L左右的種泥接種在A號(hào)SBR反應(yīng)器中，調(diào)節(jié)進(jìn)水大蒜廢水pH在7.0左右，以瞬時(shí)進(jìn)水10 min、厭氧3 h、好氧7 h、沉淀45 min、排水5 min的運(yùn)行模式每天運(yùn)行兩個(gè)個(gè)周期，連續(xù)培養(yǎng)了60 d。

自然培菌法與接種培菌法最主要的區(qū)別就是沒(méi)有外來(lái)種泥的介入，利用大蒜廢水中本身具有的少量微生物馴化出能夠適應(yīng)大蒜廢水的微生物和菌群類型[6]，起初將COD質(zhì)量濃度為5 000 mg/L左右的大蒜加工廢水注入B號(hào)SBR反應(yīng)器中，以厭氧3 h、好氧7 h、沉淀45 min的運(yùn)行模式反復(fù)運(yùn)行，經(jīng)過(guò)21 d的往復(fù)培養(yǎng)，在反應(yīng)器底部發(fā)現(xiàn)少量沉積物，然后以瞬時(shí)進(jìn)水10 min、厭氧3 h、好氧7 h、沉淀45 min、排水5 min的運(yùn)行模式每天運(yùn)行兩個(gè)周期，進(jìn)水大蒜廢水COD質(zhì)量濃度范圍控制在5 000～9 000 mg/L,連續(xù)運(yùn)行了40 d。

2 結(jié)果分析

2.1 兩種培菌方式對(duì)大蒜廢水中COD的去除效果

兩種培菌方式對(duì)高質(zhì)量濃度大蒜廢水COD去除效果如圖2所示。從圖2(a)可以看出，接種培菌法初始進(jìn)水COD質(zhì)量濃度為60 mg/L，運(yùn)行前7 d進(jìn)水COD質(zhì)量濃度每次遞增20 mg/L左右，到第7天時(shí)COD質(zhì)量濃度由142.76 mg/L降到了20.21 mg/L，COD去除率為85.84%，COD去除率逐漸提高，同時(shí)污泥由棕黑色逐漸變?yōu)辄S褐色，表明污泥逐漸適應(yīng)了大蒜廢水水質(zhì)，并且其降解能力也逐漸提高，污泥性狀穩(wěn)定且沉降性較好。大蒜加工廢水COD去除率穩(wěn)定在85%以上認(rèn)定接種培菌法污泥馴化成功[ 8]。從第8天起，進(jìn)水COD質(zhì)量濃度每天約增加100 mg/L，反應(yīng)進(jìn)行第48天時(shí)，COD質(zhì)量濃度提高6 129.31 mg/L降到了98.29 mg/L，廢水COD去除率可達(dá)98.40%，進(jìn)水COD廢水去除率不斷提高，最終穩(wěn)定在97%左右。導(dǎo)致COD去除率下降的原因是大蒜素含量隨著蒜汁比例的增加而增加，由于大蒜素的殺菌作用影響了生物活性使得COD去除率有所下降[9]。

從圖2(b)可以看出，SBR啟動(dòng)21 d后，反應(yīng)器底部出現(xiàn)少量沉積物，自然培菌法開(kāi)始進(jìn)水，最初進(jìn)水COD質(zhì)量濃度為5 000 mg/L，試驗(yàn)進(jìn)水COD每天遞增100 mg/L左右，第24天時(shí)廢水COD質(zhì)量濃度由5180.96 mg/L降到672.186 mg/L，COD去除率為87.03%，COD去除率逐漸提高，且沉積物由白色變?yōu)榫G色在變?yōu)辄S褐色且沉降性較好，至此自然馴化培菌方式啟動(dòng)成功。第30天時(shí)廢水COD質(zhì)量濃度由6 096.68 mg/L降到了106.18 mg/L，COD去除率為98.42%，隨著進(jìn)水COD質(zhì)量濃度的不斷提高，COD去除率開(kāi)始下降，并穩(wěn)定在88%左右。下降的原因可能是廢水中大蒜素含量增加導(dǎo)致。

圖2 兩種接種方式對(duì)COD的去除效果Fig.2 Removal effect of COD in the reactors with two vaccination methods

2.2 兩種培菌方法對(duì)廢水中TN的去除效果

圖3 兩種接種方法對(duì)TN的去除效果Fig.3 Removal effect of TN in the reactors with two vaccination methods

2.3 兩種培菌方法對(duì)廢水中TP的去除效果

生物除磷主要是由聚磷菌在厭氧條件自身的ATP水解為H3PO4和能量形成ADP，然后在好氧條件下由于聚磷菌在透膜酶的催化作用下利用厭氧過(guò)程產(chǎn)生能量從外部攝取厭氧過(guò)程產(chǎn)生H3PO4，在這個(gè)過(guò)程中一部分與ADP將結(jié)合形成ATP，另一部分將合成聚磷酸鹽儲(chǔ)存在細(xì)胞內(nèi)，實(shí)現(xiàn)吸磷的作用[12]。為了徹底將磷從系統(tǒng)內(nèi)排除，會(huì)不定期地通過(guò)預(yù)留排泥口將富余的污泥排除，以此達(dá)到除磷的目的。具體TP的處理效果如圖4所示。

圖4 兩種接種方法對(duì)TP的去除效果Fig.4 Removal effect of TP in the reactors with two vaccination methods

反應(yīng)器A、B均在厭氧好氧條件下交替運(yùn)行，聚磷菌在好氧狀態(tài)下吸磷，停止曝氣后排出上清液，聚磷菌吸收的磷隨剩余污泥排放，又因?yàn)锳、B反應(yīng)器中污泥質(zhì)量濃度較高，聚磷菌吸磷效果明顯，因此A、B反應(yīng)器對(duì)TP 的去除率都較高[13]。由圖4(a)可知，在A、B反應(yīng)器進(jìn)水COD質(zhì)量濃度相同的情況下，進(jìn)水TP的質(zhì)量濃度隨著大蒜汁比例增加而增加，TP的進(jìn)水為8～14 mg/L，反應(yīng)器A在連續(xù)運(yùn)行60 d后出水TP平均質(zhì)量濃度為0.27 mg/L，此時(shí)TP的平均去除率為94.98%。對(duì)比圖4(b)，反應(yīng)器B在連續(xù)運(yùn)行60 d后，出水TP的平均質(zhì)量濃度為0.37 mg/L，TP的平均去除率為94.01%，和反應(yīng)器A的去除效果相近，都可以達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。

2.4 微生物多樣性和群落結(jié)構(gòu)分析

2.4.1 微生物多樣性

試驗(yàn)分別對(duì)污水廠種泥(H1),接種培菌法馴化第60 d的污泥(H2),自然培菌法馴化成熟的污泥(H3)，進(jìn)行了高通量測(cè)序，經(jīng)過(guò)降噪等過(guò)濾后共獲得了195 811條有效序列，其中H1、H2、H3樣品中有效序列分別為105 289、4 529、44 993條，各樣品的微生物多樣性指數(shù)如表3所示。覆蓋率反映測(cè)序結(jié)果是否代表樣本的實(shí)際情況，值越高則樣本中序列未被檢測(cè)到的概率越低[14]，3個(gè)樣品的覆蓋率都大于0.95，這說(shuō)明所有樣品中測(cè)序所得序列能夠覆蓋絕大部分區(qū)域，測(cè)序結(jié)果可以反應(yīng)樣品的真實(shí)情況。在生態(tài)學(xué)中物種通常用ACE(豐度指數(shù))和Chao1(豐富度估計(jì)量)來(lái)反應(yīng)菌群豐度[15]，在相似度為97%的條件下，ACE指數(shù)H1>H3>H2,Chao1指數(shù)H1>H3>H2，實(shí)際獲得OTU(非靶區(qū)域序列數(shù)目)為H1>H2>H3，由于測(cè)序深度的原因，ACE指數(shù)與Chao1指數(shù)與實(shí)際獲得的OTU指數(shù)并不完全一致。由于每一個(gè)OTU通常被視為一個(gè)微生物物種，所以試驗(yàn)以O(shè)TU指數(shù)為參比進(jìn)行分析，從3個(gè)樣品的OTU指數(shù)可以發(fā)現(xiàn)，H3生物豐度最低，H1的OTU指數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于H2的OTU指數(shù)，這是因?yàn)榇笏鈴U水中含有的大蒜素對(duì)細(xì)菌具有滅活和抑制的作用，而H2的OTU指數(shù)要大于H3的OTU指數(shù)，這是因?yàn)閺奈鬯畯S取來(lái)的接種污泥本身含有的細(xì)菌總數(shù)要大于高質(zhì)量濃度大蒜廢水中所含的細(xì)菌總數(shù)。

Shannon(多樣性指數(shù))和Simpson(辛普森多樣性指數(shù))反映樣品微生物多樣性的常用指標(biāo),Shannon值越大，微生物多樣性越高，反之Simpson指數(shù)值越小大，微生物多樣性越低[15],從表3可以看出Shannon指數(shù)H1>H2>H3,而Simpson指數(shù)H1

表3 樣品多樣性指數(shù)表Table 3 Sample diversity index table

2.4.2 微生物群落結(jié)構(gòu)

表4為經(jīng)過(guò)Miseq高通量測(cè)序，經(jīng)過(guò)分析后得到的樣品H1、H2、H3中細(xì)菌門(mén)的分類情況?？梢钥闯?，3個(gè)樣品中的細(xì)菌微生物豐度較大，但主要菌門(mén)有所差異但也比較相似，在H1中，Proteobacteria所占比例最高，達(dá)到了48.53%，其次是Bacteroidetes和Planctomycetes，這3個(gè)菌門(mén)占了總數(shù)的73.15%。而在H2中，Proteobacteria所占比例依然是最高，達(dá)到了45.49%，其次是CandidatusSaccharibacteria和Bacteroidetes這3個(gè)菌門(mén)占了總數(shù)的81.07%。在H3中，Proteobacteria所占比例依然是最高，達(dá)到了52.81%，其次是Bacteroidetes和Actinobacteria，這3個(gè)菌門(mén)占了總數(shù)的91.95%，其中Proteobacteria是活性污泥中比較常見(jiàn)的細(xì)菌[16-17]，金浩等[18]研究了污水處理廠活性污泥的微生物多樣性，結(jié)果表明活性污泥中Proteobacteria菌門(mén)比例為91.9%。由于接種活性污泥是從污水廠取回后閑置了一段時(shí)間，低能供應(yīng)和缺氧/厭氧環(huán)境在一定程度上改變了污泥中微生物群落結(jié)構(gòu)。可以看出試驗(yàn)在反應(yīng)器運(yùn)行過(guò)程中Planctomycetes、CandidatusSaccharibacteria以及Actinobacteria逐漸成為系統(tǒng)內(nèi)的主要菌門(mén)，對(duì)污染物去除發(fā)揮各自的作用。此外，對(duì)比H1與H2，CandidatusSaccharibacteria菌門(mén)所占比列逐漸提高，從0.66%逐漸增長(zhǎng)到24.05%，原有的Proteobacteria，Bacteroidetes和Planctomycetes菌門(mén)比列都有所下降，這說(shuō)明高質(zhì)量濃度大蒜加工廢水有利于CandidatusSaccharibacteria菌門(mén)的生長(zhǎng)，相反對(duì)Proteobacteria，Bacteroidetes和Planctomycetes菌門(mén)的生長(zhǎng)都有一定的影響。從表4可以看出H2和H3活性污泥的微生物群落結(jié)構(gòu)，在H3中Proteobacteria，Bacteroidetes和Actinobacteria菌門(mén)所占數(shù)均大于H2中數(shù)量，其中Actinobacteria菌門(mén)最為顯著，前者為1.72%，后者為18.04%，說(shuō)明自然培養(yǎng)法更有利Actinobacteria菌門(mén)的生長(zhǎng)。而CandidatusSaccharibacteria菌門(mén)在接種污泥系統(tǒng)中比例明顯高于自然培養(yǎng)系統(tǒng)，說(shuō)明自然培菌法所馴化的活性污泥不利于CandidatusSaccharibacteria菌門(mén)的生長(zhǎng)，反映了兩種培菌馴化方式在微生物結(jié)構(gòu)上的差異[19-21]。

表4 門(mén)水平微生物群落結(jié)構(gòu)Table 4 In phylum level microbial community structure

3 結(jié) 論

(1)接種培菌法啟動(dòng)只需7 d，而自然培菌法啟動(dòng)要24 d才能完成。

(2)接種培菌法和自然培菌法處理模擬大蒜廢水對(duì)TN和TP的去除效能相近，對(duì)COD去除效果存在差異，接種培菌法處理模擬大蒜廢水COD最高閾值為6 129.31 mg/L，出水可以達(dá)到國(guó)家二級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)要求，自然培菌水則達(dá)不到要求。

(3)在“門(mén)”和“綱”級(jí)別上接種培菌法的污泥樣品分別以Proteobacteria和CandidatusSaccharibacteria兩個(gè)菌門(mén)和Alphaproteobacteria、unclassifie以及Planctomyceti 3個(gè)菌綱占主導(dǎo)而自然培菌法的污泥樣品分別以Proteobacteria、Bacteroidetes和Actinobacteria3個(gè)菌門(mén)和Alphaproteobacteria、Actinobacteria、Flavobacteriia 3個(gè)菌綱占主導(dǎo)。