兩級(jí)A/O工藝處理焦化廢水有機(jī)污染物轉(zhuǎn)化特征及細(xì)菌群落響應(yīng)

鄒曉爽，李 江,2*，李彥澄,2，王 斌，易倩文，張?jiān)茲篮?/p>

1. 貴州大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，喀斯特地質(zhì)資源與環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴州 貴陽(yáng) 5500252. 貴州喀斯特環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)教育部野外科學(xué)觀測(cè)研究站，貴州 貴陽(yáng) 5500253. 貴州大學(xué)土木工程學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550025

隨著工業(yè)的快速發(fā)展，鋼鐵行業(yè)對(duì)焦炭的需求不斷增加[1]，焦炭生產(chǎn)伴隨著大量焦化廢水的產(chǎn)生. 焦化廢水中含有含氮化合物、多環(huán)芳烴、酚類(lèi)等有機(jī)污染物，具有毒性、致癌性和難降解性等特征[2]. 焦化廢水若沒(méi)有得到妥善的處理，會(huì)對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重污染.因此，選擇合適的焦化廢水治理技術(shù)對(duì)于滿(mǎn)足嚴(yán)格的回用要求和排放標(biāo)準(zhǔn)至關(guān)重要.

焦化廢水的處理主要包括3個(gè)階段，即預(yù)處理、生化處理和深度處理，廢水中有機(jī)污染物主要在生化段去除. 由于焦化廢水具有難降解性和高有機(jī)負(fù)荷，在不提高廢水的生物降解性和降低有機(jī)負(fù)荷的情況下，使用序批式活性污泥法(sequencing batch reatcor activated sludge process, SBR)和厭氧/好氧(anaerobic/oxic, A/O)工藝等傳統(tǒng)的生物處理方法，不能使焦化廢水得到有效的處理[3-4]. 目前，厭氧/好氧/水解/好 氧(anaerobic/oxic/hydrolysis/oxic, A/O/H/O)[5]、厭氧/缺氧/好氧(anaerobic/anoxic/oxic, A/A/O)[6]和厭氧/好氧/好氧(anaerobic/oxic/oxic, A/O/O)[7]等工藝可以提高焦化廢水的處理效率. 其中，A/O/O工藝能夠?qū)够瘡U水中酚類(lèi)污染物進(jìn)行有效降解，出水酚類(lèi)污染物濃度僅為0.045 mg/L[7]. 兩級(jí)缺氧/好氧(anoxic/oxic,A/O)工藝由于硝化和反硝化程度高，被廣泛用于畜禽廢水、光電廢水和垃圾滲濾液的處理[8-10]，在處理焦化廢水的應(yīng)用報(bào)道較少. 最近的一項(xiàng)研究[11]證實(shí)，兩級(jí)A/O工藝可對(duì)焦化廢水進(jìn)行高效處理，和COD去除率分別達(dá)93.6%、96.07%，但該研究主要關(guān)注的是兩級(jí)A/O工藝的性能，尚未對(duì)處理過(guò)程中有機(jī)物污染物的變化特征進(jìn)行深入研究. 已有研究[12]證實(shí)，微生物群落是決定焦化廢水處理廠(chǎng)運(yùn)行效率的關(guān)鍵因素. 在處理焦化廢水過(guò)程中，Proteobacteria、Bacteroidetes、Chloroflexi占主導(dǎo)地位，而這些微生物在有機(jī)物降解中發(fā)揮了重要作用. 此外，高通量測(cè)序技術(shù)近年來(lái)在微生物種群分析研究中得到了廣泛的應(yīng)用. 采用高通量測(cè)序技術(shù)能夠從一定程度上探究系統(tǒng)中微生物群落結(jié)構(gòu)和功能，從而進(jìn)一步揭示污染物去除與微生物之間的關(guān)系.

該研究采用傅里葉變換紅外光譜和三維熒光光譜，分析兩級(jí)A/O工藝處理焦化廢水有機(jī)污染物的官能團(tuán)和DOM的變化特征，考察焦化污泥EPS在處理過(guò)程中的響應(yīng)；同時(shí)，采用高通量測(cè)序技術(shù)，分析細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)和多樣性，并利用PICRUSt 2軟件對(duì)微生物的代謝功能進(jìn)行了預(yù)測(cè)，以期為處理焦化廢水中的有機(jī)污染物提供理論基礎(chǔ).

1 材料與方法

1.1 樣品采集

選取貴州某焦化廠(chǎng)的焦化廢水為研究對(duì)象，廢水處理工藝為“調(diào)節(jié)池+兩級(jí)A/O+混凝沉淀+芬頓氧化+電磁強(qiáng)氧化”，處理規(guī)模為60 m3/h，出水達(dá)到《煉焦化學(xué)工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 16171—2012)后，用于循環(huán)冷卻補(bǔ)充水與生產(chǎn)工藝用水，污泥脫水后外送進(jìn)行處置. 在焦化廢水處理站共采集了7個(gè)水樣和4個(gè)污泥樣，具體采樣點(diǎn)如圖1所示. 每個(gè)采樣點(diǎn)總共采集5 L水樣于預(yù)先洗凈的采樣瓶中，低溫避光保存，并盡快運(yùn)回試驗(yàn)室，保存在4 ℃的冰箱內(nèi). 單獨(dú)采集兩級(jí)A/O工藝中污泥，回到試驗(yàn)室置于—80 ℃超低溫冰箱保存，用于16S rRNA擴(kuò)增測(cè)序分析.

圖1 兩級(jí)A/O工藝流程示意Fig.1 Two-stage A/O process flow diagram

1.2 樣品測(cè)試與分析

1.2.1 污染指標(biāo)的分析

pH采用HACH便攜式多參數(shù)數(shù)字化分析儀測(cè)定；COD濃度采用HACH-COD快速消解分析法[13]測(cè)定；和濃度采用紫外分光光度法(GB 7493—1987和HJ/T 346—2007)測(cè)定；濃度采用納氏試劑分光光度法(HJ 535—2009)測(cè)定；TOC濃度采用燃燒氧化-非分散紅外吸收法中的NPOC(不可吹掃有機(jī)碳)法(HJ 501—2009)測(cè)定；SCN—濃度采用異煙酸-吡唑啉酮分光光度法(GB/T 13897—1992)測(cè)定；BaP濃度采用液液萃取-高效液相色譜法(HJ 478—2009)測(cè)定；苯酚濃度采用液液萃取-氣相色譜法(HJ 676—2013)測(cè)定；揮發(fā)酚濃度采用4-氨基安替比林分光光度法(HJ 503—2009)測(cè)定.

1.2.2 傅里葉變換紅外光譜分析

取10 mL水樣置于離心管中，用真空冷凍干燥機(jī)(FD-1A-50，上海)冷凍干燥成粉末狀. 取m樣品:m溴化鉀(光譜純)=1:100，置于瑪瑙研缽中充分研磨(d＜2 μm)并混合均勻，使用壓片機(jī)進(jìn)行制片，使用紅外光譜儀(Nicolet 6700，Thermo Fisher Scientific，美國(guó))對(duì)薄片在400～4000 cm—1內(nèi)進(jìn)行32次掃描.

1.2.3 三維熒光光譜分析

將水樣用超純水稀釋10倍后使用0.22 μm針孔濾膜進(jìn)行過(guò)濾，采用熒光分光光度計(jì)(F-7000，Hitachi，日本)進(jìn)行三維熒光光譜分析，激發(fā)光源為150 W氙燈，λEx=250～500 nm，λEm=200～400 nm，掃描速率為2400 nm/min，λEx采樣間隔為10 nm，λEm采樣間隔為5.0 nm. 測(cè)定結(jié)果扣除超純水空白以去除一級(jí)和二級(jí)瑞利散射影響. 根據(jù)特定λEx和λEm，將光譜劃分為5個(gè)區(qū)域，各區(qū)域位置及其所代表的熒光物質(zhì)區(qū)分方法參考文獻(xiàn)[14].

1.2.4 污泥中EPS的提取

EPS的提取采用改良型熱提取法[15]. 取20 mL污泥樣品，離心10 min(4 ℃, 10000 r/min)，棄去上清液，加入同上清液等量的Ringer溶液，重復(fù)操作1次. 用1 mol/L NaOH調(diào)節(jié)溶液pH為11，80 ℃加熱30 min，離心15 min(4 ℃, 10000 r/min)，上清液用0.22 μm微孔濾膜過(guò)濾，濾液用于EPS濃度測(cè)定. 該研究中EPS總量是指PN(蛋白質(zhì))與PS(多糖)含量之和，單位為mg/L. PN含量采用Lowry法測(cè)定，且以牛血清蛋白作為標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)；PS含量采用苯酚-硫酸法測(cè)定，且以葡萄糖作為標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì).

1.2.5 高通量測(cè)序

使用引物338F(ACTCCTACGGGAGGCAGCAG)和 806R ( G G A C T A C H V G G G T W T C T C A T A T ) 對(duì)16S rRNA基因V3～V5區(qū)間擴(kuò)增. PCR試驗(yàn)使用TransGen AP221-02：TransStartFastpfu DNA聚合酶.20 μL的PCR擴(kuò)增體系包括：5×FastPfu Buffer (4 μL)，2.5 mmol/L dNTPs (2 μL)，5 mmol/L正 向 引 物(0.8 μL)和5 μmol/L反向引物(0.8 μL)，F(xiàn)astPfu聚 合酶(0.4 μL)，BSA (0.2 μL)，模 板DNA (10 ng)，補(bǔ) 充ddH2O至20 μL. PCR擴(kuò)增儀使用ABIGeneAmp(9700型，美國(guó))，擴(kuò)增程序：95 ℃預(yù)變性3 min；變性溫度95 ℃維持30 s，退火溫度55 ℃維持30 s，延伸溫度72 ℃維持45 s，循環(huán)27次；72 ℃延伸10 min.擴(kuò)增后，通過(guò)2%瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè)PCR產(chǎn)物，并加載3 μL用于檢測(cè). 使用 NEXTFLEX? Rapid DNA-Seq Kit進(jìn)行建庫(kù)，利用Illumina公司的Miseq PE300平臺(tái)進(jìn)行測(cè)序. 測(cè)序原始數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于NCBI數(shù)據(jù)庫(kù)(BioProject number:PRJNA758633)中.

1.3 數(shù)據(jù)處理和分析

使用Excle 2016和Matlab軟件對(duì)常規(guī)污染物試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，采用Origin 2018和Adobe Photoshop CC 2018軟件進(jìn)行作圖. 使用FastQC(version 0.20.0)軟件對(duì)微生物原始測(cè)序序列進(jìn)行質(zhì)控，使用FLASH(version 1.2.7)軟件進(jìn)行拼接，過(guò)濾reads尾部質(zhì)量值在20以下的堿基. 使用UPARSE軟件(version 7.1)，根據(jù)97%的相似度對(duì)序列進(jìn)行OTU聚類(lèi)并剔除嵌合體，利用RDP classifier對(duì)每條序列進(jìn)行物種分類(lèi)注釋?zhuān)葘?duì)SiIva 16S rRNA數(shù)據(jù)庫(kù)(version 138)，設(shè)置比對(duì)閾值為70%. 基于tax_summary_a文件夾中的數(shù)據(jù)表，利用R語(yǔ)言工具對(duì)細(xì)菌群落組成分析進(jìn)行作圖，結(jié)合Pearson相關(guān)性系數(shù)評(píng)價(jià)細(xì)菌群落與環(huán)境因子之間的關(guān)系，針對(duì)16S擴(kuò)增子測(cè)序結(jié)果使用PICRUSt 2進(jìn)行功能預(yù)測(cè).

2 結(jié)果與討論

2.1 兩級(jí)A/O工藝對(duì)污染物的去除情況

兩級(jí)A/O工藝各階段水質(zhì)指標(biāo)如表1所示. 焦化廢水pH在7～9之間，經(jīng)兩級(jí)A/O工藝處理后，出水COD濃度為216.00 mg/L，NH4+-N濃度為2.63 mg/L，TP濃度為0.28 mg/L，去除率分別為93.95%、97.22%和93.75%. 其中，二級(jí)A/O段對(duì)NH4+-N濃度的去除貢獻(xiàn)最大，調(diào)節(jié)池和二級(jí)A對(duì)TP和COD濃度的去除效果均較好. 苯酚、揮發(fā)酚、SCN-和BaP濃度的整體去除率分別為99.96%、99.96%、97.97%和97.76%.在二級(jí)A出水中苯酚和揮發(fā)酚濃度相對(duì)于進(jìn)水濃度有所增加，可能是因?yàn)楸椒?、揮發(fā)酚與其他酚類(lèi)物質(zhì)(萘酚、甲基酚等)在復(fù)雜污染物的背景下發(fā)生共軛效應(yīng)或誘導(dǎo)效應(yīng)，從而引起了它們之間的相互轉(zhuǎn)換[16].由于在生化階段出水中，COD、TN指標(biāo)均未滿(mǎn)足《煉焦化學(xué)工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 16171—2012)，需經(jīng)后續(xù)深度處理去除后滿(mǎn)足排放標(biāo)準(zhǔn)值，所以該研究未對(duì)污染物的去除進(jìn)行深入分析.

表1 兩級(jí)A/O工藝處理焦化廢水的水質(zhì)特征Table 1 Water quality characteristics of coking wastewater treated by two-stage A/O process

2.2 焦化廢水中分子結(jié)構(gòu)信息

傅里葉變換紅外光譜可反映分子結(jié)構(gòu)信息[17].3300～3650 cm—1之間寬波段的產(chǎn)生是由于—OH或—NH2的伸縮振動(dòng)[18]，說(shuō)明廢水中存在醇類(lèi)、酚類(lèi)或有機(jī)酸類(lèi)物質(zhì)[19]. 與其他工段廢水不同，原水和調(diào)節(jié)池出水中存在由硫氰化物中C≡N和C—N的伸縮振動(dòng)引起的強(qiáng)吸收峰，波數(shù)分別為2069和2071 cm—1(見(jiàn)圖2)，經(jīng)生化處理后，該特征峰消失，表明部分硫氰化物得到去除[20]. 一級(jí)A的進(jìn)水中檢測(cè)到由—NH2平面彎曲振動(dòng)(波數(shù)為1604 cm—1)引起的較強(qiáng)吸收峰[21]. 經(jīng)一級(jí)A處理后，該峰消失，但在1623～1625 cm—1處存在變化吸收峰，推測(cè)發(fā)生了苯環(huán)的取代反應(yīng)[18,22]，引起了芳香C=C的伸縮振動(dòng)和C=O的共軛變化[18,23]. 1200～1300 cm—1處的吸收峰與—CO—的伸縮振動(dòng)、C—O—C的不對(duì)稱(chēng)伸縮振動(dòng)有關(guān)[24]. 1141～1147cm—1區(qū)域出現(xiàn)的吸收峰多與醇類(lèi)、脂類(lèi)、醚類(lèi)、多糖類(lèi)及羧酸類(lèi)有機(jī)物結(jié)構(gòu)中C—C、C—O—C、C—N等伸縮振動(dòng)有關(guān)[19,25]. 620～624 cm—1處的吸收峰來(lái)自樣本中苯環(huán)的C—N、N—H的面外彎曲運(yùn)動(dòng)(見(jiàn)表2).

圖2 焦化廢水在各處理工段的傅里葉紅外光譜Fig.2 Fourier infrared spectra of coking wastewater in various phases

表2 焦化廢水的傅里葉紅外光譜分析Table 2 Fourier infrared spectra analysis of coking wastewater

2.3 焦化廢水中DOM的特征分析

三維熒光光譜可反映DOM的類(lèi)別和性質(zhì)來(lái)源等信息[14]. 由圖3可見(jiàn)，原水中溶解性微生物代謝產(chǎn)物(區(qū)域Ⅳ)是主要的DOM，占比為54%. 經(jīng)兩級(jí)A/O工藝處理后，溶解性微生物代謝產(chǎn)物逐漸減少，富里酸類(lèi)物質(zhì)(區(qū)域Ⅲ)成為二沉池出水中的DOM主要成分. 此外，區(qū)域Ⅰ(芳香蛋白類(lèi)Ⅰ)、區(qū)域Ⅱ(芳香蛋白類(lèi)Ⅱ)和Ⅴ(腐殖酸物質(zhì))在處理過(guò)程中都有不同程度的變化.

圖3 焦化廢水在各處理工段中DOM熒光組分的相對(duì)含量Fig.3 Relative content of DOM fluorescent components in coking wastewater in various phases

由圖4可見(jiàn)，原水主要含有2類(lèi)熒光峰，分別是溶解性微生物有機(jī)物峰T1(λEx/λEm=270 nm/300 nm)和腐殖酸類(lèi)峰T2(λEx/λEm=250 nm/415 nm)，總熒光強(qiáng)度為1402.11 a.u.，說(shuō)明原水中存在大量高環(huán)化合物、酚類(lèi)物質(zhì)、蛋白質(zhì)類(lèi)物質(zhì)、碳水化合物[18,25]. 與原水相比，調(diào)節(jié)池峰T1與峰T2的熒光強(qiáng)度減弱，是因?yàn)榻够瘡U水的高有機(jī)污染負(fù)荷得到緩解.

圖4 焦化廢水在各處理工段的三維熒光光譜Fig.4 Three-dimensional fluorescence spectra of coking wastewater in various phases

經(jīng)一級(jí)A處理后，峰T1與峰T2的熒光強(qiáng)度大幅減弱，表明溶解性微生物有機(jī)物和腐殖酸類(lèi)物質(zhì)結(jié)構(gòu)中含有酚羥基、羰基等基團(tuán)，其與金屬離子或其他有機(jī)物發(fā)生反應(yīng)[29-30]. 與一級(jí)A相比，一級(jí)O總熒光強(qiáng)度下降了33.81%. 二級(jí)A中峰T2的消失與紅外光譜中2071 cm—1的峰消失且出現(xiàn)在1270 cm—1的峰有關(guān)，表明硫氰化物或含腈化合物中C=N開(kāi)裂轉(zhuǎn)化為低分子量的有機(jī)胺或酰胺[18]. 二級(jí)O中峰T1的熒光強(qiáng)度減弱，是由于難降解的雜環(huán)有機(jī)物中共軛雙鍵進(jìn)一步分解為酮類(lèi)、醌類(lèi)和酰胺類(lèi)等，但仍有少量的芳香族中間體未被分解. 區(qū)域Ⅰ(芳香蛋白類(lèi)Ⅰ)和區(qū)域Ⅱ(芳香蛋白類(lèi)Ⅱ)在兩級(jí)A/O工藝處理過(guò)程中熒光強(qiáng)度降低，主要與紅外光譜中600～1800 cm—1區(qū)域出現(xiàn)的特征峰有關(guān)，說(shuō)明廢水中的蛋白質(zhì)、多糖、芳香族化合物等大分子化合物變成小分子化合物[31]. 相比于原水，二沉池的熒光強(qiáng)度減少了1129.789 a.u.，總熒光強(qiáng)度降低了80.58%，證明了兩級(jí)A/O工藝可去除大部分難降解污染物

2.4 焦化污泥中EPS含量分析

污泥EPS的分泌可為有機(jī)物吸附提供作用位點(diǎn)[32]，兩級(jí)A/O工藝各工段污泥的EPS含量如圖5所示. PN含量變化不大，PS在工藝污泥中含量表現(xiàn)為二級(jí)O＞一級(jí)O＞二級(jí)A＞一級(jí)A. 一級(jí)A中的低EPS含量有利于污泥絮凝狀態(tài)的形成[33]，說(shuō)明焦化污泥中不可生物降解物質(zhì)含量相對(duì)較高[34]. 二級(jí)O中污泥PS含量最高，達(dá)到111.08 mg/g. 缺氧池中污泥EPS含量低于好氧池，是由于PS的分泌改善了污泥的抗負(fù)荷和抗毒性[35]，利于污泥吸附廢水中的游離絮凝物，而絮凝物在低氧狀態(tài)下易于分解，抑制了EPS的水解[36]. PS含量總體增加了97.14 mg/g，PS的多碳交聯(lián)結(jié)構(gòu)可增加污泥中的結(jié)合位點(diǎn)和功能性基因[37-38]. 污泥PN/PS(含量比，下同)對(duì)污泥的表面電荷性質(zhì)、相對(duì)疏水性及微生物活性有直接影響，反應(yīng)結(jié)束時(shí)PN/PS下降，導(dǎo)致污泥表面Gibbs能上升，細(xì)胞親水性提高，不利于污泥形成緊密穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，其環(huán)境的改變導(dǎo)致微生物發(fā)生應(yīng)激反應(yīng)，造成豐度或結(jié)構(gòu)的變化，且功能微生物之間會(huì)通過(guò)加強(qiáng)信號(hào)交流來(lái)強(qiáng)化污泥的新陳代謝活動(dòng)[39-41].

圖5 兩級(jí)A/O工藝主要處理工段的污泥EPS含量Fig.5 The EPS content of sludge in the main treatment units of the two-stage A/O process

2.5 細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)特征

2.5.1 細(xì)菌群落組成

微生物樣品共注釋了23個(gè)門(mén)，220個(gè)屬，將門(mén)水平豐度小于0.01%的細(xì)菌合并為其他(others). 各優(yōu)勢(shì)門(mén)在兩級(jí)A/O工藝中的相對(duì)豐度存在差異. 由圖6可見(jiàn)，系統(tǒng)中優(yōu)勢(shì)菌門(mén)為Proteobacteria(75.61%～87.93%)， Bacteroidetes(2.65%～8.86%)、 Chloroflexi(1.26%～3.74%). Proteobacteria在二級(jí)A中相對(duì)豐度高達(dá)87.93%，說(shuō)明Proteobacteria對(duì)焦化廢水有很好的適應(yīng)和降解能力. 研究[12]表明，Proteobacteria主要負(fù)責(zé)有機(jī)物與營(yíng)養(yǎng)物的去除，是迄今為止處理含酚廢水中豐度最大的門(mén). Bacteroidetes是石油、制藥和焦化污水處理中的優(yōu)勢(shì)門(mén)，可以降解蛋白質(zhì)、多糖等大分子物質(zhì)[33]. Chloroflexi在生物脫氮過(guò)程中大量存在[41]，該門(mén)水平分類(lèi)下的絲狀細(xì)菌占了很大比例，可提供穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，作為微生物聚集的載體[42]. Actinobacteria、Nitrospirae、Acidobacteria、Planctomycetes在生物脫氮處理中也均有報(bào)道[43]，其中Actinobacteria和Acidobacteria可作為橋梁來(lái)維持絮凝體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性[44].

圖6 門(mén)水平上不同處理工段細(xì)菌群落的結(jié)構(gòu)組成Fig.6 Structural composition of bacterial communities in different treatment sections at the phylum level

為進(jìn)一步探究活性污泥在高污染脅迫條件下的群落演替特征，在屬水平上相對(duì)豐度前15名的細(xì)菌組成如圖7所示.Thiobacillus是兩級(jí)A/O工藝中的優(yōu)勢(shì)菌屬(相對(duì)豐度為18.85%～31.06%). 研究[43]表明，Thiobacillus在含硫氰酸酯的廢水處理系統(tǒng)中普遍存在，參與酚類(lèi)與多環(huán)芳烴共基質(zhì)反應(yīng). 系統(tǒng)中參與反硝化作用的共有34種菌屬[2,9,12,33]，其中Thiobacillus相對(duì)豐度最大，為33.96%，其作為一種反硝化硫桿菌，可以通過(guò)有氧呼吸或反硝化途徑氧化無(wú)機(jī)硫化合物[34].Aeromonas屬于兼性需氧微生物，是一級(jí)A、一級(jí)O中獨(dú)有的菌屬，相對(duì)豐度分別為26.41%和26.98%，對(duì)碳水化合物有發(fā)酵作用，可以產(chǎn)酸和產(chǎn)氣[45].Thauera是一種異養(yǎng)菌，可利用有機(jī)碳源作為生長(zhǎng)基質(zhì)，可促進(jìn)苯酚、芳烴類(lèi)物質(zhì)去除[46].Thauera也是二級(jí)A中主要的反硝化屬，有利于硝酸鹽還原過(guò)程中亞硝酸鹽的積累[12].Arenimonas為烷烴降解菌，大多在鹽堿地土壤、沉積物、活性污泥中被分離出來(lái)[47]，該菌與EPS的產(chǎn)生有關(guān)[48].Diaphorobacter對(duì)芳香族化合物具有降解能力，且有一定的絮凝作用[49].

圖7 屬水平上不同處理工段細(xì)菌群落的結(jié)構(gòu)組成Fig.7 Structural composition of bacterial communities in different treatment sections at the genus level

一些低相對(duì)豐度的屬在焦化廢水處理過(guò)程中也發(fā)揮著重要作用.Ottowia曾被報(bào)道為脫氮微生物，對(duì)氨氮的濃度極為敏感[50].Nitrospira是污水系統(tǒng)中常見(jiàn)的硝化細(xì)菌，參與脫氮和碳的消耗過(guò)程，對(duì)有毒化合物具有較高的抗性[50]. 由于高濃度氨氮對(duì)硝化菌屬會(huì)產(chǎn)生抑制作用[51]，因此在兩級(jí)A/O工藝中一直保持低相對(duì)豐度水平. 另外，EPS中非活性有機(jī)物的合成需要消耗基質(zhì)，故EPS與Nitrospira的生長(zhǎng)形成了競(jìng)爭(zhēng)[52].Nocardioides是處理焦化廢水中的優(yōu)勢(shì)氨氧化菌(AOB)，共鑒定出OTU31、OTU158和OTU2953類(lèi)，其中OTU31在AOB中占比將近98.10%，在脫氮過(guò)程中發(fā)揮了重要作用. 亞硝酸鹽氧化菌(NOB)，即OTU3，其相對(duì)豐度比AOB高出三倍左右，成為優(yōu)勢(shì)菌群，說(shuō)明將硝化過(guò)程控制在氧化為階段，導(dǎo)致是系統(tǒng)最后出水的主要成分.

2.5.2 環(huán)境因子相關(guān)性分析

廢水中污染物去除所引起的環(huán)境變化可直接影響細(xì)菌間的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系[53]. 由圖8可見(jiàn)，兩級(jí)A/O工藝中細(xì)菌與濃度、濃度、濃度、COD濃度、SCN—濃度、BaP濃度、揮發(fā)酚濃度、PS含量均存在顯著性相關(guān)，與苯酚濃度、PN含量均無(wú)顯著性相關(guān).Fluviicola、norank_f_JG30-KF-CM45、Alicycliphilus、Luteococcus、Limnobacter、Truepera和Nitrosomonsa均與脫氮過(guò)程有關(guān)，它們能夠適應(yīng)高濃度氮污染物的沖擊，維持系統(tǒng)正常運(yùn)行.Fluviicola和norank_f_JG30-KF-CM45的相對(duì)豐度與BaP濃度均呈顯著負(fù)相關(guān).Arenimonas的相對(duì)豐度與酚類(lèi)物質(zhì)的去除率呈顯著正相關(guān)，Bradyrhizobium、Nakamurella、Nitrospira、norank_f_NS9_marine_group、unclassified_f_Rhizobiaceae的相對(duì)豐度與酚類(lèi)物質(zhì)的去除率均呈顯 著 負(fù) 相 關(guān).Nitrosomonas、norank_f_norank_o_SBR1031的相對(duì)豐度與PS的濃度均呈顯著負(fù)相關(guān).研究[54]表明，在污泥顆?；倪^(guò)程中，Nitrosomonas的相對(duì)豐度會(huì)減少.norank_f_norank_o_SBR1031屬于Chloroflexi菌門(mén)，參與糖代謝中最主要的階段，即糖原或葡萄糖分子分解至丙酮酸的階段，故其相對(duì)豐度與PS含量呈顯著負(fù)相關(guān)[55].

圖8 各環(huán)境因子相關(guān)性的Heatmap圖Fig.8 Heatmap of the correlation of various environmental factors

2.5.3 功能預(yù)測(cè)

PICRUSt2功能預(yù)測(cè)兩級(jí)A/O工藝中主要微生物功能的發(fā)生，結(jié)果如圖9所示. 由圖9可見(jiàn)，共注釋到6種KEGG一級(jí)功能通路，分別為新陳代謝(占比為74.27%)、細(xì)胞過(guò)程(占比為5.79%)、遺傳信息處理(占比為6.24%)、人類(lèi)疾病(占比為4.96%)、環(huán)境信息處理(占比為6.67%)、有機(jī)系統(tǒng)(占比為2.07%).由此可見(jiàn)，微生物在兩級(jí)A/O工藝中主要行使代謝各種物質(zhì)的功能. 對(duì)新陳代謝功能推斷的基因進(jìn)行KEGG level 2的類(lèi)群注釋?zhuān)ㄍ庠瓷锝到馀c代謝、全局和概覽通路、核苷酸代謝、萜類(lèi)和聚酮類(lèi)代謝、其他氨基酸代謝等.

圖9 KEGG代謝功能圖Fig.9 KEGG metabolic function diagram

將外源生物降解與代謝(xenobiotics biodegradation and metabolism)功能譜與KEGG Pathway數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行比對(duì)，用功能類(lèi)群的豐度分布與樣本間相似程度加以聚類(lèi)繪制熱圖. 由圖10可見(jiàn)，氨基苯甲酸酯降解(ko00627)、萘降解(ko00626)、己內(nèi)酰胺降解(ko00930)、氯烷烴和氯烯降解(ko00625)、苯乙烯降解(ko00643)、糠醛降解(ko00365)、硝基甲苯降解(ko00633)、細(xì)胞色素P450代謝外生物(ko00980)、藥物代謝-細(xì)胞色素P450(ko009821)、雙酚降解(ko00363)和乙苯降解(ko00642)是一級(jí)A/O中主要的功能，概括為在酶的催化作用下，污染物進(jìn)行氧化、還原、水解和羥基化等反應(yīng)，在結(jié)構(gòu)中引入或暴露出極性基團(tuán)(—OH、—COOH、—SH和—NH2等). 將產(chǎn)生的極性基團(tuán)與內(nèi)源性成分經(jīng)共價(jià)鍵結(jié)合，生成極性大、易溶于水和易排出的結(jié)合物. 二級(jí)A/O工藝主要包括氟苯甲酸酯降解(ko00364)、甾體降解(ko00984)、多環(huán)芳烴降解(ko00624)、阿特拉津降解(ko00791)、氯環(huán)己烷和氯苯降解(ko00361)、苯甲酸酯降解(ko00362)、甲苯降解(ko00623)、二英降解(ko00621)和二甲苯降解(ko00622). 其中，多環(huán)芳烴降解(ko00624)涉及鄰苯二甲酸鹽降解成原兒茶酸和對(duì)苯二甲酸酯降解成3，4-二羥基苯甲酸酯的途徑. 苯甲酸酯降解(ko00362)涉及環(huán)己烷羧酸降解成苯甲?；⒈浇到獬蓛翰璺踊蜞彵蕉姿崃呀鉃?-氧代己二酸酯等7種代謝途徑.

圖10 結(jié)合聚類(lèi)分析的KEGG直系同源基因簇(KO)豐度熱圖Fig.10 Heatmap of abundance of KEGG orthologous gene cluster(KO) combined with cluster analysis

3 結(jié)論

a) 焦化廢水經(jīng)過(guò)兩級(jí)A/O工藝處理后，COD、NH4

+-N、SCN—、BaP、苯酚、揮發(fā)酚的去除率分別為93.95%、97.22%、97.98%、97.76%、99.97%、99.97%，但二沉池出水中仍存在少量的有機(jī)污染物.

b) 傅里葉變換紅外光譜分析結(jié)果顯示，醇類(lèi)、脂類(lèi)、醚類(lèi)、多糖類(lèi)及羧酸類(lèi)等物質(zhì)的C≡N、C—N、C=C、—CO—伸縮振動(dòng)，—NH2、C—N和N—H彎曲振動(dòng)是兩級(jí)A/O工藝處理焦化廢水中有機(jī)污染物官能團(tuán)的響應(yīng)信號(hào)；三維熒光光譜表明，溶解性微生物代謝產(chǎn)物是焦化廢水中最主要的熒光組分，經(jīng)兩級(jí)A/O工藝處理后，焦化廢水中DOM被大量去除，二沉池出水中主要以富里酸類(lèi)物質(zhì)為主.

c) 污泥EPS中PN含量變化不大，PS含量總體增加了97.14 mg/g，缺氧池的EPS低于好氧池的EPS，PS的分泌與微生物中的Nitrosomonas、norank_f_norank_o_SBR1031相關(guān).

d) 微生物分析表明，Proteobacteria在焦化廢水處理中占主導(dǎo)地位，Thiobacillus為主要優(yōu)勢(shì)菌屬.Fluviicola、norank_f_JG30-KF-CM45、Alicycliphilus、Luteococcus、Limnobacter、Truepera和Nitrosomonsa參與了系統(tǒng)的脫氮過(guò)程，F(xiàn)luviicola和norank_f_JG30-KF-CM45與BaP濃度均呈負(fù)相關(guān)，它們分別屬于Bacteroidetes和Chloroflexi菌門(mén).Arenimonas的相對(duì)豐度與酚類(lèi)物質(zhì)的去除率呈正相關(guān)，Bradyrhizobium、Nakamurella、Nitrospira、norank_f_NS9_marine_group、unclassified_f_Rhizobiaceae的相對(duì)豐度與酚類(lèi)物質(zhì)的去除率均呈負(fù)相關(guān). PICRUSt2功能預(yù)測(cè)分析表明，在一級(jí)A/O階段，有機(jī)污染物在酶的輔助下，進(jìn)行氧化還原反應(yīng)，生成易去除的小分子物質(zhì). 在二級(jí)A/O階段，有機(jī)污染物與氟苯甲酸酯降解、多環(huán)芳烴降解、苯甲酸酯降解等多種代謝途徑相關(guān).