高鹽肝素鈉生產(chǎn)廢水的厭氧生物處理

劉 鋒，張雪智，邱信欣，馮 震，葛丹丹

（1. 蘇州科技大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215009；2. 城市生活污水資源化利用技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，江蘇 蘇州 215009）

作為天然的抗凝血藥，肝素鈉的臨床價(jià)值極高［1］。肝素鈉生產(chǎn)原料為豬或牛的腸粘膜，且生產(chǎn)肝素鈉的鹽析等工序中大量使用氯化鈉，因此肝素鈉生產(chǎn)廢水與一般的高鹽廢水不同，不僅含有高濃度的鹽分，還含有大量的有機(jī)污染物和高含量的-N［2-3］，粗蛋白占8%～10%（w），ρ（Cl-）約為900～40000 mg/L，COD約為600～20000 mg/L［4］。該廢水常規(guī)生化處理效果較差，處理難度較大［5］。除水質(zhì)復(fù)雜外，廢水伴有十分濃烈的惡臭氣味，若不經(jīng)處理直排入河勢(shì)必會(huì)對(duì)周邊環(huán)境造成十分惡劣的影響［6］。

目前對(duì)于高鹽廢水的處理主要有電化學(xué)［7-8］、焚燒［9-10］、膜分離［11］、生物處理［12］以及物化處理［13］等方法。生物處理具有適用性廣、運(yùn)行成本低、無(wú)二次污染等特點(diǎn)，是處理高鹽有機(jī)廢水的主要方式［14-15］，其中耐鹽/嗜鹽微生物的馴化培養(yǎng)是影響處理效果的關(guān)鍵［16］。厭氧生物處理由于剩余污泥產(chǎn)量少、轉(zhuǎn)化效率高、抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)，也被用于高鹽廢水的處理［17］。而物化法能有效去除高鹽廢水中的不溶性有機(jī)物［18］，因此通常作為生物處理的預(yù)處理工藝，提高廢水可生化性。

本研究以蘇州某肝素鈉生產(chǎn)廠的生產(chǎn)廢水為研究對(duì)象，采用混凝沉淀—UASB厭氧—MBR好氧—后混凝組合工藝，考察肝素鈉生產(chǎn)廢水的處理效果以及耐高鹽微生物的馴化效果，分析馴化前后微生物群落的變化，確定最佳工藝條件，為實(shí)際應(yīng)用提供一定的理論基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)用廢水和接種污泥

實(shí)驗(yàn)用廢水為取自蘇州某肝素鈉生產(chǎn)廠的生產(chǎn)廢水。肝素鈉的生產(chǎn)工藝主要是酶解法，廢水分別來(lái)自于洗腸和酶解工序，主要含有氯化物、蛋白質(zhì)、酸、堿、酒精等物質(zhì)，COD、ρ、TN、電導(dǎo)率均很高且不穩(wěn)定。原水水質(zhì)見(jiàn)表1。

表1 肝素鈉生產(chǎn)廢水的水質(zhì)

本實(shí)驗(yàn)所接種污泥為浙江安吉某豆制品加工廠污水處理站厭氧池中的厭氧顆粒污泥，呈球形或橢球形，有固定的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，粒徑為1～3 mm，污泥濃度約為10 g/L，接種量為0.5 L/L，未接種特定的耐鹽菌種。

1.2 厭氧生物處理實(shí)驗(yàn)裝置

厭氧生物處理實(shí)驗(yàn)裝置主要由進(jìn)水泵、UASB厭氧反應(yīng)器、恒溫水浴箱、水封瓶等組成。厭氧反應(yīng)器材質(zhì)為有機(jī)玻璃，反應(yīng)區(qū)直徑90 mm，高1100 mm，有效容積為7 L。反應(yīng)器運(yùn)行方式為上流式，通過(guò)進(jìn)水泵由反應(yīng)器下部進(jìn)水，反應(yīng)器頂部設(shè)有三相分離器進(jìn)行泥水分離，外部環(huán)繞著水循環(huán)保溫層，通過(guò)連接恒溫水浴箱進(jìn)行溫度控制。厭氧生物處理實(shí)驗(yàn)裝置示意見(jiàn)圖1。

圖1 厭氧生物處理實(shí)驗(yàn)裝置示意

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 混凝預(yù)處理

取1 L廢水，用濃度為0.1 mol/L的NaOH溶液調(diào)節(jié)至不同pH，加入不同量的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的聚合氯化鋁（PAC）溶液，攪拌后再加入24 mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%的聚丙烯酰胺（PAM）溶液，攪拌后靜置，取上清液測(cè)定COD，研究pH和PAC投加量對(duì)廢水COD去除效果的影響。

1.3.2 厭氧污泥的馴化與厭氧生物處理裝置的運(yùn)行

以進(jìn)水ρ（Cl-）為控制指標(biāo)，對(duì)厭氧污泥進(jìn)行耐高鹽的逐級(jí)馴化。在馴化初期用去離子水稀釋的混凝出水作為厭氧生物處理進(jìn)水，馴化一段時(shí)間后采用前期厭氧生物處理出水與混凝出水混合的方式調(diào)節(jié)ρ（Cl-），按ρ（Cl-）提升梯度將馴化過(guò)程分為4個(gè)階段。

馴化完成后繼續(xù)對(duì)廢水進(jìn)行厭氧生物處理，同時(shí)檢測(cè)COD、ρ、TN、TP等指標(biāo)的去除效果。

1.3.3 厭氧微生物群落結(jié)構(gòu)分析

分別取未馴化的厭氧污泥（記為S0）和馴化后的厭氧污泥（記為S1），采用高通量測(cè)序儀（Miseq型，Illumina公司）進(jìn)行高通量測(cè)序分析。將相似性為97%以上的有效DNA序列數(shù)據(jù)進(jìn)行操作分類單元（OTU）分類，在上海美吉生物醫(yī)藥科技有限公司I-Sanger云平臺(tái)上完成數(shù)據(jù)分析。

1.4 分析方法

pH采用pH計(jì)（WTW 7110型，德國(guó)WTW公司）測(cè)定；COD采用重鉻酸鹽法［19］測(cè)定；ρ采用納氏試劑分光光度法［20］測(cè)定；ρ（Cl-）采用硝酸汞滴定法［21］測(cè)定；TN采用堿性過(guò)硫酸鉀消解紫外分光光度法［22］測(cè)定；TP采用連續(xù)流動(dòng)-鉬酸銨分光光度法［23］測(cè)定。

2 結(jié)果與討論

2.1 混凝預(yù)處理

混凝預(yù)處理的COD去除效果見(jiàn)表2。由表2可見(jiàn)，當(dāng)混凝pH為8.0、PAC投加量為24 mL/L時(shí)，混凝段的廢水COD去除率最高，為52.05%。綜合考慮經(jīng)濟(jì)等因素，選擇8.0為最佳混凝pH、24 ml/L為最佳PAC投加量。混凝段對(duì)廢水Cl-、、TN、TP的去除效果不明顯，需經(jīng)后續(xù)生化段進(jìn)一步去除。

表2 混凝預(yù)處理的COD去除效果

2.2 厭氧污泥馴化

馴化階段COD，ρ，TN，TP的變化分別見(jiàn)圖2～圖5。由圖2可見(jiàn)，第一階段厭氧進(jìn)水的ρ（Cl-）和COD分別低于2000 mg/L和4400 mg/L，出水平均COD為461.14 mg/L，厭氧段的COD平均去除率為87.54%；隨著進(jìn)水ρ（Cl-）的逐漸增大，反應(yīng)器中的鹽分逐漸上升，第二階段厭氧進(jìn)水ρ（Cl-）為2000～6000 mg/L、COD為4080～5792 mg/L，此時(shí)出水COD存在一定波動(dòng)，平均COD為644.8 mg/L，厭氧段COD的平均去除率仍較高，為87.85%；第三階段繼續(xù)增大ρ（Cl-）和COD，進(jìn)水ρ（Cl-）為6000～8000 mg/L、COD為6080～12720mg/L時(shí)，厭氧系統(tǒng)對(duì)COD的去除效果仍然穩(wěn)定且厭氧段平均去除率為88.28%，說(shuō)明厭氧顆粒污泥適應(yīng)性良好；第四階段厭氧進(jìn)水ρ（Cl-）為8000～10000 mg/L、COD為8480～13120 mg/L，出水平均COD為1266.69 mg/L，厭氧段COD平均去除率為86.57%。整個(gè)馴化階段COD去除率均能保持在77%以上。當(dāng)ρ（Cl-）過(guò)高時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)的厭氧微生物會(huì)受到抑制［24］，因此為保證厭氧處理的效果，反應(yīng)器內(nèi)需維持較高的污泥濃度［25］。

圖2 馴化階段COD的變化

由圖3可見(jiàn)：馴化第一階段厭氧進(jìn)水的ρ（Cl-）較低，ρ也相對(duì)較低，此時(shí)厭氧系統(tǒng)基本不受ρ（Cl-）影響，對(duì)具有一定的去除效果，當(dāng)厭氧進(jìn)水ρ（Cl-）在2000 mg/L以下、ρ低于502 mg/L時(shí)，出水平均ρ為323.46 mg/L，此時(shí)厭氧段的平均去除率為18.86%；第二階段厭氧進(jìn)水ρ（Cl-）為2000～6000 mg/L、ρ升高至502 mg/L以上，系統(tǒng)對(duì)處理效果急劇下降，直至不再產(chǎn)生處理作用，其原因可能是ρ過(guò)高導(dǎo)致厭氧系統(tǒng)產(chǎn)生游離氨，抑制了厭氧微生物的活性。有研究表明，當(dāng)ρ高于400 mg/L時(shí)，會(huì)對(duì)厭氧產(chǎn)甲烷作用產(chǎn)生抑制，且與ρ呈正相關(guān)［26］。第三、四階段厭氧進(jìn)水ρ（Cl-）、ρ持續(xù)升高，而出水ρ始終沒(méi)有降低，這是由于當(dāng)進(jìn)水COD過(guò)高后，厭氧系統(tǒng)內(nèi)的活性污泥優(yōu)先選擇處理廢水中的COD，對(duì)基本沒(méi)有去除。同時(shí)，由于長(zhǎng)期處于高ρ條件下，部分厭氧微生物不適應(yīng)環(huán)境從而水解破裂，產(chǎn)生了，導(dǎo)致出水ρ比進(jìn)水高［27］。

圖3 馴化階段ρ的變化

圖4 馴化階段TN的變化

由圖5可見(jiàn)：厭氧系統(tǒng)在第一階段對(duì)廢水中的TP沒(méi)有去除效果，且出水的TP甚至比進(jìn)水TP還要高出許多，這是由于厭氧過(guò)程為釋磷過(guò)程［28］，接種污泥中原有的磷在厭氧過(guò)程初期被大量釋放，故厭氧出水的TP反而比進(jìn)水的TP還要高出許多；第二、三、四階段，隨著厭氧生物處理過(guò)程的繼續(xù)，無(wú)論厭氧進(jìn)水ρ（Cl-）如何變化，進(jìn)出水TP一直相差不大，基本沒(méi)有去除效果。

圖5 馴化階段TP的變化

2.3 厭氧反應(yīng)器運(yùn)行性能研究

厭氧系統(tǒng)馴化完成后，將厭氧進(jìn)水COD逐步從8000 mg/L提高至14000 mg/L，進(jìn)行穩(wěn)定運(yùn)行。穩(wěn)定運(yùn)行階段的COD變化見(jiàn)圖6。

圖6 厭氧穩(wěn)定運(yùn)行階段的COD變化

由圖6可見(jiàn)：厭氧系統(tǒng)的進(jìn)水COD負(fù)荷最高達(dá)到14.24 kg/（m3·d），厭氧出水進(jìn)水COD保持在2000 mg/L以下，厭氧段COD去除率穩(wěn)定在80%以上，最高可達(dá)85.47%。與此同時(shí)，運(yùn)行數(shù)據(jù)表明，系統(tǒng)對(duì)NH4+-N和TN均無(wú)去除效果。厭氧出水中TP及ρ的變化見(jiàn)圖7。由圖7可見(jiàn)，厭氧反應(yīng)的TP去除率低于10%，但經(jīng)過(guò)厭氧處理后廢水中的P全都被轉(zhuǎn)化為正磷酸鹽形式的無(wú)機(jī)磷［29］，易于采用混凝沉淀的手段進(jìn)行除磷處理。

圖7 厭氧出水中TP及ρ的變化

厭氧處理后的廢水經(jīng)好氧MBR及混凝沉淀繼續(xù)處理，最終出水COD低于150 mg/L，平均ρ為2.51 mg/L，平均TN為17.4 mg/L，平均TP為1.2 mg/L，均可滿足GB 8978－1996《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》［30］的三級(jí)指標(biāo)。

2.4 厭氧系統(tǒng)微生物群落結(jié)構(gòu)分析

在微生物多樣性指數(shù)中，ACE指數(shù)、Chao指數(shù)和Shannon指數(shù)的值越高說(shuō)明微生物多樣性越強(qiáng)，種群豐富度越高；而Simpson指數(shù)的值越低則種群多樣性越高，同時(shí)Simpson指數(shù)的值越高說(shuō)明微生物中優(yōu)勢(shì)菌群在總生物群落中的占比越大［31］。本厭氧系統(tǒng)的微生物多樣性指數(shù)見(jiàn)表3。由表3可見(jiàn)，未經(jīng)馴化的污泥試樣S0的ACE指數(shù)、Chao指數(shù)和Shannon指數(shù)均大于經(jīng)馴化的污泥試樣S1，而Simpson指數(shù)小于S1。這表明經(jīng)過(guò)耐鹽耐氨氮馴化后，厭氧系統(tǒng)中的微生物被不斷選擇培養(yǎng)，微生物多樣性越來(lái)越低，同時(shí)說(shuō)明優(yōu)勢(shì)微生物占總生物量的比重逐漸增大，優(yōu)勢(shì)微生物逐漸顯現(xiàn)。這保證了在高鹽高氨氮條件下肝素鈉生產(chǎn)廢水仍能有較好的處理效果。

表3 本厭氧系統(tǒng)的微生物多樣性指數(shù)

本厭氧系統(tǒng)微生物的相對(duì)豐度圖見(jiàn)圖8。由圖8a可以明顯看出：S0中的微生物多樣性更強(qiáng)，種類繁多，且較均衡；S0在門水平下的主要菌群為變形菌門（Proteobacteria）細(xì)菌，相對(duì)豐度為27.44%，次要菌群為螺旋體門（Spirochaetes）細(xì)菌，相對(duì)豐度為14.40%；而S1的變形菌門（Proteobacteria）細(xì)菌在總菌落中的相對(duì)豐度較S0進(jìn)一步擴(kuò)大至89.65%，處于絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。變形菌門中的細(xì)菌均為非嗜鹽菌，但馴化后的微生物中變形菌門仍為優(yōu)勢(shì)菌種，這說(shuō)明非嗜鹽菌在高鹽條件下仍可以保持一定的優(yōu)勢(shì)。之前的研究也證實(shí)，變形菌門細(xì)菌有著許多功能，在水處理領(lǐng)域中始終是最大豐度的細(xì)菌門類，即使在高鹽條件下也有一定的優(yōu)勢(shì)［32］。由圖8a還可見(jiàn)，盡管除變形菌門外的其他細(xì)菌的相對(duì)豐度均下降，但是擬桿菌門（Bacteroidetes）細(xì)菌代替螺旋體門（Spirochaetes）細(xì)菌成為了S1的次要菌群，相對(duì)豐度為3.74%，這表明擬桿菌門細(xì)菌較螺旋體門細(xì)菌有更強(qiáng)的高鹽適應(yīng)性［33］。

由圖8b可見(jiàn)，S1中在綱水平下占比靠前的微生物菌種分屬于γ-變形菌綱（Gammaproteobacteria），占比為81.6%；黃小桿菌綱（Flavobacteriia），占比為6.94%；α-變形菌綱（Sphingobacteriia），占比為3.27%。其中，黃小桿菌綱細(xì)菌的相對(duì)豐度在高鹽馴化后升高較為顯著。有研究表明，黃小桿菌綱細(xì)菌在高鹽條件下的相對(duì)豐度是低鹽條件下的兩倍［34］。

由圖8c可見(jiàn)，S1在屬水平下的細(xì)菌種類較多，主要為硫桿菌（Thiobacillussp.），相對(duì)豐度為39.02%，屬于變形菌門（Proteobacteria）細(xì)菌。在不斷增長(zhǎng)的鹽度負(fù)荷下，硫桿菌中的耐鹽基因的相對(duì)豐度呈上升趨勢(shì)，從而增強(qiáng)了微生物的耐鹽性能，可抵抗外部滲透壓的變化［35-36］。由圖8c還可見(jiàn)，產(chǎn)黃桿菌（Rhodanobactersp.）的相對(duì)豐度為14.04%，根瘤菌（Ciceribactersp.）的相對(duì)豐度為5.69%，叢毛單胞菌（Comamonassp.）的相對(duì)豐度為5.40%。根瘤菌以氨氮、硝酸鹽和多數(shù)氨基酸類作為氮源，耐鹽性能比較好。叢毛單胞菌主要是對(duì)廢水進(jìn)行硝化/反硝化作用，降解廢水中的氨氮。

圖8 本厭氧系統(tǒng)微生物的相對(duì)豐度圖

3 結(jié)論

a） 采用混凝沉淀—UASB厭氧—MBR好氧—后混凝組合工藝處理肝素鈉生產(chǎn)廢水。在混凝pH 8.0、PAC投加量24 ml/L的條件下，混凝段的COD去除率可達(dá)52.05%。

b） 通過(guò)控制厭氧進(jìn)水ρ（Cl-）對(duì)厭氧微生物進(jìn)行耐鹽馴化處理。厭氧系統(tǒng)在馴化階段的COD平均去除率為86.57%，在穩(wěn)定運(yùn)行階段反應(yīng)器承受的COD負(fù)荷最高可達(dá)14.24 kg/（m3·d），并且抗沖擊負(fù)荷能力較強(qiáng)。

c） 經(jīng)過(guò)組合工藝處理后，最終出水COD低于150 mg/L，平均ρ為2.51 mg/L，平均TN為17.4 mg/L，平均TP為1.2 mg/L，均可滿足GB 8978－1996《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》的三級(jí)指標(biāo)。

d） 厭氧污泥經(jīng)過(guò)耐鹽馴化后主要微生物為硫桿菌（Thiobacillussp.）、產(chǎn)黃桿菌（Rhodanobactersp.）和根瘤菌（Ciceribactersp.），相對(duì)豐度分別為39.02%，14.04%，5.69%。