皮革廢水生物處理過程中細菌多樣性及生物強化脫氮研究

呂 金，張 丹

（1.青島市生態(tài)環(huán)境局西海岸新區(qū)分局，山東 青島 266555；2.遼寧省鐵嶺市生態(tài)環(huán)境局開原市分局，遼寧 鐵嶺 112300）

隨著經(jīng)濟發(fā)展以及技術(shù)升級，我國的皮革生產(chǎn)已經(jīng)進入到了全新的發(fā)展時期，這一生產(chǎn)過程中廢水的大量排放給生態(tài)環(huán)境造成了嚴重的影響，嚴重影響人類的正常生活[1]。污水生物處理技術(shù)是利用生物的特性和代謝作用吸收和降解污水中的污染物。污水處理技術(shù)在處理皮革廢水中有廣泛的應(yīng)用，通過研究生物脫氮的污水生物處理技術(shù)，建立皮革廢水處理良好的細菌群落結(jié)構(gòu)、多樣性以及功能性和代謝性的環(huán)境，具有處理成本低、廢水利用率高的優(yōu)點。本文對皮革廢水生物處理中的細菌多樣性以及生物強化脫氮進行研究，評估廢水生物處理技術(shù)在廢水實際處理中的實際應(yīng)用效能，給出改善和推廣的建議，助力皮革工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，及皮革生產(chǎn)產(chǎn)業(yè)向清潔生產(chǎn)環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)型。

1 皮革廢水生物處理過程中細菌的多樣性

皮革廢水的本質(zhì)是含脂廢水，生物廢水處理技術(shù)的應(yīng)用環(huán)境為污水的pH值介于6.28～7.73，保證多數(shù)微生物可以維持正常的生長以及代謝活動，A/O技術(shù)可以將廢水中的有機污染物去除，同時達成去除氨氮的目的[2]，好氧池和終沉池去除氨氮，去除率可以達成89.78%和90.91%，通過COD的操作以及處理能夠?qū)⒋蟛糠值陌钡M行去除，達到國家一級排放的標準。

使用PCR產(chǎn)物的DGGE圖譜進行皮革廢水中生物菌群分析，細菌群落具有多樣性，細菌的結(jié)構(gòu)變化也較大。DGGE凝膠中一共切下33個不同的條帶，不同的樣品條帶中存在細微的不同，污水處理中環(huán)境變化也影響細菌的菌群結(jié)構(gòu)[3]。

結(jié)合DGGE圖譜分析廢水中細菌基因序列，皮革廢水中基因序列分別是變形菌門、厚壁菌門、擬桿菌門、綠菌菌門，其中變形菌門為廢水多樣性菌群中的優(yōu)勢菌群，廢水中的細菌多樣性得到驗證。除了優(yōu)勢菌群，皮革廢水中還能夠檢驗到后壁菌門、綠彎菌門、綠菌門、硝化螺旋菌門和酸桿菌門的細菌群落，因為其他菌落的豐富度較低，樣品分析中利用PCR擴增偏好性以及基因組提取的方式驗證細菌的基因信息，以此來跟蹤微生物的細菌群落結(jié)構(gòu)變化，最終利用DGGE圖譜的方式將皮革廢水的細菌群落豐富度用豐富度圖的方式呈現(xiàn)出來，如圖1。

圖1 基于DGGE圖譜的細菌群落豐富度

不同處理階段水質(zhì)以及細菌菌群的變化也是多種多樣的。缺氧階段是污染物去除最為關(guān)鍵的階段，此階段COD的去除效率能達到72.61%，到了好氧階段，氨氮的去除效率為整個污水處理階段最高的。處理后污水的排放可以達到國家一級排放標準，對于皮革廢水的處理以及后續(xù)的排放比較有利，皮革廢水經(jīng)過處理后達到國家標準對于周邊的生態(tài)環(huán)境保護以及綠色生態(tài)的建設(shè)有積極的作用，通過對皮革廢水的生物細菌構(gòu)成的情況進行分析，了解細菌的豐富度，針對性地進行廢水處理，出臺相應(yīng)的皮革廢水處理方式[4]。

細菌群落一直處于結(jié)構(gòu)多樣性的階段，其中變形菌門一直活躍在污水處理的各個階段，基于樣品的活躍性將細菌群落的處理過程分為預(yù)處理階段、缺氧處理階段以及好氧處理階段。

2 皮革廢水生物處理過程中細菌多樣性及生物強化脫氮研究

生物脫氮是污水處理中最為重要的環(huán)節(jié)，在這一環(huán)節(jié)利用異養(yǎng)硝化-好氧反硝化的處理技術(shù)，將硝化與反硝化作用凝結(jié)在一起，脫氮的效率最高，這一反應(yīng)中硝酸鹽和亞硝酸鹽的積累較少，反硝化過程中產(chǎn)生的堿度能夠彌補硝化過程中消耗的堿度，為脫氮技術(shù)的運用奠定了基礎(chǔ)。

在對皮革廢水進行脫氮處理時將高通量的測序數(shù)據(jù)作為參考的依據(jù)，對異養(yǎng)硝化和好氧反硝化的細菌群進行富集篩選，采用腹肌培養(yǎng)基的方式對活性污泥中的異養(yǎng)硝化-好氧反硝化細菌進行富集處理，通過梯度稀釋和稀釋涂布分離的方式對皮革廢水中的細菌群進行處理，從得出的檢驗結(jié)果可以看出皮革廢水中含有的變形菌門多是假單胞菌屬，氮氧化效率為70%，硝態(tài)氮去除效率達到了85%[5]。

分析皮革廢水處理環(huán)境對于異養(yǎng)硝化-好氧反硝化特性的影響，最佳的處理環(huán)境為pH=7，溫度為30℃，C/N為10，轉(zhuǎn)數(shù)為160 rpm，最適合的碳源為丁二酸鈉。在這一生物處理的環(huán)境下能夠?qū)ζじ飶U水中氨氮和硝態(tài)氮達到最佳的去除效率，同時基于這一生物處理環(huán)境的構(gòu)建，異養(yǎng)硝化過程中亞硝酸鹽的累積基本沒有，特殊情況下也僅僅會有小部分的硝酸鹽產(chǎn)生，硝態(tài)氮講解過程中很少能夠檢測到亞硝酸鹽的累積。

傳統(tǒng)的生物脫氮技術(shù)工序復(fù)雜，執(zhí)行成本較高，使其在實際廢水處理中運用非常少。為了強化生物脫氮技術(shù)的實用效率，在使用的過程中會在外源添加具有脫氮特性的微生物，使得污水處理中系統(tǒng)脫氮的能力大大提高，提升整個廢水處理中的系統(tǒng)脫單效率，節(jié)約廢水處理成本。

未避免A2菌體的流失，使用海藻酸鈉固定前，加入陽離子型聚丙烯酰胺增加菌體之間的絮凝程度。因為細菌菌體表面都帶有負電荷，陽離子型聚丙烯酰胺的加入可以增進菌體之間的絮凝程度，快速形成污泥顆粒，增加假單細胞菌A2在生物處理反應(yīng)系統(tǒng)中的停留時間以及作用時間[6]。

通過上述脫氮操作以及處理，檢測處理后的廢水COD和氨氮的去除效率也能夠保持在90%以上，減少異養(yǎng)型微生物間的營養(yǎng)競爭關(guān)系，影響假單細胞脫氮效率。為了提升脫氮的效率，可以在廢水中添加消化細菌富集物，提升一倍左右的氨氮去除效率。

為了更準確地探究活性污泥中微生物群落的豐富度、多樣性以及動態(tài)變化，可以結(jié)合三代測序技術(shù)在日后的處理技術(shù)改良中對廢水中細菌群及陰虛率進行高通量的測量，結(jié)合宏轉(zhuǎn)錄組技術(shù)研究細菌群落之間的互相作用，以此能夠更準確地處理污水系統(tǒng)中的微生物代謝活性，增強對于皮革廢水的處理效果。

為了更好地進行脫氮處理，在進行皮革廢水脫氮處理時，可以對廢水中含氮元素進行同位素標記，深入進行脫氮研究，結(jié)合異養(yǎng)硝化的過程對亞硝態(tài)氮和氣態(tài)終產(chǎn)物進行定性與定量的研究分析，并利用氨氮加氧酶、酒亞硝酸鹽還原酶以及硝酸鹽還原酶進行活性測定，基于活性的測定情況進一步優(yōu)化假單胞菌A2的脫氮途徑分析。為了能夠顯著提升假單胞菌A2的脫氮效率，可以提升SBR系統(tǒng)的穩(wěn)定性。從DNA和RNA的基因測序情況進行廢水中細菌群落的細微差異對比，基于優(yōu)勢群眾的判定以及處理來強化廢水中脫氮機制的運用，以此來保障皮革廢水最佳的生物處理效果。

3 結(jié)論

皮革加工是以動物皮毛為原材料，經(jīng)過脫毛、鞣制等物理和化學加工之后完成的工藝[7]。在皮革生產(chǎn)以及加工的過程中，化學品和動物原有的物料溶于水溶液中會產(chǎn)生大量的有機廢物，形成皮革廢水，會帶來嚴重的環(huán)境污染問題，影響了整個皮革生產(chǎn)加工的過程。不經(jīng)處理就直接排放的皮革廢水對于生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生的危害是極大的。利用生物處理技術(shù)對廢水中的細菌多樣性進行分析，針對性地采用脫單技術(shù)強化對皮革廢水的處理效率，提高廢水資源的有效率利用，減少對環(huán)境的破壞，助力和諧社會的建成及推廣，實現(xiàn)人與自然的和諧共處。