好氧顆粒污泥對(duì)活性黑5染料的降解

陳 希,胡 彬,曹 旭,宮延哲,張媛媛,王 瀚

(西安工程大學(xué) 城市規(guī)劃與市政工程學(xué)院,西安 710048)

0 引 言

隨著紡織印染行業(yè)的高速發(fā)展和人們對(duì)紡織品需求的不斷增加,大量染料隨廢水進(jìn)入水體。根據(jù)國(guó)際顏色索引,全球約有8 000種染料用于紡織品的生產(chǎn)[1]。目前,人造染料大多為芳烴類化合物,其中偶氮染料是應(yīng)用最多的一種。由于偶氮染料及其分解產(chǎn)物芳胺等具有致癌、致畸和致突變的作用,對(duì)水生生態(tài)環(huán)境威脅較大[2]。因此,現(xiàn)階段亟需開發(fā)一種經(jīng)濟(jì)有效、環(huán)境友好的工藝解決偶氮染料的降解問題。

相比化學(xué)法[3],生物法工藝簡(jiǎn)單、成本低廉、清潔無污染,廣泛應(yīng)用于染料廢水的處理[4]。林旭萌等在研究脫氮技術(shù)進(jìn)展時(shí)表明生物脫氮是印染廢水主流的脫氮工藝[5]。采用厭氧-好氧聯(lián)合工藝處理染料廢水,在減少曝氣降低能耗的同時(shí),可充分利用微生物的各種生化反應(yīng)實(shí)現(xiàn)染料的礦化脫毒[6]。但傳統(tǒng)厭氧-好氧聯(lián)合工藝相對(duì)復(fù)雜,處理過程耗時(shí)較長(zhǎng),微生物適應(yīng)性差、抗負(fù)荷能力較弱[7]。

好氧顆粒污泥是近年來出現(xiàn)的一種較有前景的污水生物處理技術(shù),污泥結(jié)構(gòu)密實(shí)、沉降性能良好、生物多樣性高和污泥齡較長(zhǎng)[8]。SADRI等采用單一好氧環(huán)境培養(yǎng)好氧顆粒污泥處理酸性紅18,當(dāng)初始染料質(zhì)量濃度小于50 mg·L-1時(shí)降解效果良好[9]。但單一好氧環(huán)境培養(yǎng)的好氧顆粒污泥沒有充分利用微生物的厭氧代謝活性,因此在好氧顆粒污泥培養(yǎng)環(huán)境中引入?yún)捬醐h(huán)境,進(jìn)一步提升單一好氧工藝對(duì)染料廢水的降解潛力。

厭氧/好氧交替環(huán)境廣泛應(yīng)用于強(qiáng)化生物除磷系統(tǒng),強(qiáng)化生物除磷系統(tǒng)富集具有碳源儲(chǔ)存功能的菌群,形成的好氧顆粒污泥不但穩(wěn)定性更強(qiáng),同時(shí)又可強(qiáng)化有機(jī)物的厭氧代謝[10-11]。但厭氧/好氧交替環(huán)境的好氧顆粒污泥技術(shù)在染料廢水處理中的研究較少。因此,本文通過在厭氧/好氧交替環(huán)境下培養(yǎng)好氧顆粒污泥處理模擬染料廢水,分析染料在SBR系統(tǒng)中的去除效果和降解機(jī)理。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 材料與儀器

1.1.1 材料

無水乙酸鈉(天津市天力化學(xué)試劑有限公司,分析純);氯化銨(天津市天力化學(xué)試劑有限公司,分析純);磷酸二氫鉀(天津市天力化學(xué)試劑有限公司,分析純);磷酸氫二鉀(天津市天力化學(xué)試劑有限公司,分析純);氯化鈣(天津市天力化學(xué)試劑有限公司,分析純);碳酸氫鈉(天津市天力化學(xué)試劑有限公司,分析純);硫酸鎂(天津市天力化學(xué)試劑有限公司,分析純);硫酸亞鐵(天津市天力化學(xué)試劑有限公司,分析純);碘化鉀(天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司,分析純);硼酸(天津市凱通化學(xué)試劑有限公司,分析純);氯化鈷(天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司,分析純);硫酸銅(天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司,分析純);硫酸鋅(天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司,分析純);氯化錳(國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司,分析純);二水鉬酸鈉(天津市致遠(yuǎn)化學(xué)實(shí)際有限公司,分析純)。

1.1.2 儀器

UV-1800PC型紫外-可見分光光度計(jì)(上海美譜達(dá)儀器有限公司);ESJ120-4型電子天平(沈陽龍騰電子有限公司);TM0617型馬弗爐(天津盈安美誠(chéng)科學(xué)儀器有限公司);BT300-2J型蠕動(dòng)泵(保定蘭格恒流泵有限公司);YHX-030型恒溫水浴循環(huán)系統(tǒng)(西安東瑞科教儀器有限公司);ACO-318型電磁空壓機(jī)(廣東海利集團(tuán)有限公司);LZB-3WB型玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)(常州雙環(huán)熱工儀表有限公司);DF-101S型磁力攪拌器(鄭州市中原科技玻璃儀器廠)。

自制SBR示意圖如圖1所示。

圖1 自制SBR示意圖

圖1中,反應(yīng)器材質(zhì)為亞克力,內(nèi)徑100 mm,有效高度900 mm,高徑比9,有效容積7.2 L。采用BT300-2J型蠕動(dòng)泵從反應(yīng)器底部通過推流方式同步進(jìn)出水。曝氣設(shè)備采用ACO-318型電磁空壓機(jī),由LZB-3WB型玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)控制氣量為2.0 L/min,采用恒溫水浴循環(huán)系統(tǒng)保持反應(yīng)器在(21±1)℃運(yùn)行。

1.2 進(jìn)水水質(zhì)

實(shí)驗(yàn)采用模擬廢水,按照碳源質(zhì)量濃度∶氮源質(zhì)量濃度∶磷源質(zhì)量濃度=100∶5∶1配制。碳源以化學(xué)需氧量(chemical oxygen demand,COD)計(jì),以NaAc為碳源[12],質(zhì)量濃度為800 mg·L-1,NH4Cl為氮源,N質(zhì)量濃度為40 mg·L-1,K2HPO4與KH2PO4為磷源,P質(zhì)量濃度為8 mg·L-1。系統(tǒng)運(yùn)行90 d,待好氧顆粒污泥成熟后分2個(gè)質(zhì)量濃度梯度在上述模擬廢水中投加活性黑5染料,分別于第91 d和第108 d投加25 mg·L-1和50 mg·L-1。不同運(yùn)行階段反應(yīng)器進(jìn)水水質(zhì)見表1。

表1 不同運(yùn)行階段反應(yīng)器的進(jìn)水水質(zhì)

表1中每升模擬污水分別加入礦物質(zhì)和微量元素濃縮液10 mL·L-1、1 mL·L-1,礦物質(zhì)和微量元素濃縮液組分及其質(zhì)量濃度見表2[13]。

表2 微量元素和礦物質(zhì)濃縮液組分及其質(zhì)量濃度

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 SBR系統(tǒng)運(yùn)行方法

反應(yīng)器整個(gè)運(yùn)行過程由時(shí)控開關(guān)自動(dòng)控制。每天6個(gè)周期,每周期4 h,包括60 min同步進(jìn)出水,30 min厭氧靜置,120～145 min好氧曝氣和30～5 min沉淀(沉淀時(shí)間從剛接種時(shí)的30 min經(jīng)過76 d緩慢降低至5 min,曝氣時(shí)間相應(yīng)延長(zhǎng))。此過程的60 min同步進(jìn)出水與30 min厭氧靜置共同提供90 min的厭氧階段,其中,30 min厭氧靜置由于無進(jìn)水過程的擾動(dòng),提供了更低的氧化還原電位,促進(jìn)了染料的厭氧降解;同時(shí)厭氧靜置延長(zhǎng)了SBR系統(tǒng)的厭氧時(shí)間,促進(jìn)碳源的胞內(nèi)儲(chǔ)存。系統(tǒng)的容積交換率為25%,對(duì)應(yīng)水力停留16 h。

1.3.2 指標(biāo)測(cè)定

SBR污泥性能指標(biāo),即混合液懸浮固體(mix liquid suspended solid,MLSS)、混合液揮發(fā)性懸浮固體(mixed liquid volatile suspended solids,MLVSS)、污泥容積指數(shù)(sludge volume index,SVI)測(cè)定參照文獻(xiàn)[13-14]。為分析活性黑5的降解過程,取原水(活性黑50 mg·L-1)及進(jìn)水初始時(shí)刻、厭氧末期和周期末期的水樣采用UV-1800PC型紫外-可見分光光度計(jì)進(jìn)行光譜掃描。

1.3.3 污染物降解

在第119 d分析好氧顆粒污泥對(duì)污染物的降解過程。由于推流式反應(yīng)器在厭氧階段取樣較為困難,故采用實(shí)驗(yàn)?zāi)M反應(yīng)器對(duì)污染物的降解過程。首先在好氧末期取1 000 mL泥水混合液至1 L燒杯中,靜置5 min后棄去250 mL上清液。然后加入250 mL含50 mg·L-1活性黑5的模擬染料廢水,用保鮮膜密封杯口。采用DF-101S磁力攪拌器厭氧攪拌90 min后,用ACO-318型電磁空壓機(jī)通過微孔曝氣頭曝氣145 min,最后沉淀5 min。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中,分別在0、30、60、90、120、150、180、210、240 min取樣測(cè)定水中污染物的質(zhì)量濃度。

1.3.4 16S rRNA基因高通量測(cè)序

為研究微生物種群結(jié)構(gòu)變化,對(duì)反應(yīng)器投加染料前后顆粒污泥進(jìn)行16S rRNA基因高通量測(cè)序。聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)擴(kuò)增子文庫使用Illumina MiSeq PE300平臺(tái)構(gòu)建,引物338F(5’-ACTCCTACGGGAGGCAGCAG-3’)和806R(5’-GGACTACHVGGGTWTCTAAT-3’)。采用UPARSE軟件,根據(jù)97%的相似度對(duì)序列進(jìn)行OTU聚類,并在聚類的過程中去除單序列和嵌合體。利用RDP classifier對(duì)每條序列進(jìn)行物種分類注釋,比對(duì)Silva數(shù)據(jù)庫,最后對(duì)所得到的細(xì)菌分類信息進(jìn)行多樣性和組成群落分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 污泥沉降性能

反應(yīng)器污泥質(zhì)量濃度歷時(shí)變化如圖2(a)所示。從圖2(a)可以看出,污泥接種后初始MLSS為13 648 mg·L-1。培養(yǎng)至70 d時(shí),為加速污泥的顆粒化,將沉淀時(shí)間由10 min降至5 min,聚集性和沉降性較差的污泥被排出系統(tǒng),MLSS不斷降低。82 d時(shí)MLSS趨于穩(wěn)定,持續(xù)穩(wěn)定至91 d時(shí)開始投加25 mg·L-1活性黑5染料。此后MLSS逐漸升高,并在7 882 mg·L-1處上下波動(dòng),隨著時(shí)間的延續(xù),MLSS的波動(dòng)逐漸減小。在第108 d將染料質(zhì)量濃度進(jìn)一步提高至50 mg·L-1后,MLSS緩慢下降,直至120 d時(shí)MLSS穩(wěn)定在6 300 mg·L-1左右,此過程伴隨著顆粒污泥粒徑的不斷增大,MLVSS與MLSS的變化規(guī)律基本一致。初次投加活性黑5后,MLVSS/MLSS由83.9%上升至86.9%;當(dāng)染料的投加質(zhì)量濃度進(jìn)一步增加至50 mg·L-1時(shí),該比值再次升高至87.4%后略微降低,說明活性黑5對(duì)污泥的毒害作用較小,刺激了微生物的生長(zhǎng)。

污泥的沉降性變化如圖2(b)所示。從圖2(b)可以看出,初次投加活性黑5后,SVI5在47～70 mL·g-1之間波動(dòng),SVI30為42～57 mL·g-1,較為穩(wěn)定。2個(gè)梯度投加染料后,顆粒污泥的SVI均呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢(shì),說明偶氮染料的加入使SBR系統(tǒng)沉降性能略微變差,但在7 d后即可逐漸恢復(fù),50 mg·L-1以內(nèi)的染料對(duì)成熟顆粒污泥沉降性和顆?；绊戄^小。

(a) MLSS、MLVSS歷時(shí)變化

2.2 活性黑5降解

2.2.1 污染物去除

和出水質(zhì)量濃度

分2次增加模擬廢水的進(jìn)水染料質(zhì)量濃度,反應(yīng)器染料去除負(fù)荷的歷時(shí)變化如圖3(b)所示。從圖3(b)可以看出,在91 d首次投加25 mg/L染料后,染料去除負(fù)荷Ⅰ(以MLSS計(jì))不斷下降,經(jīng)過一段時(shí)間的馴化,至106 d時(shí)去除負(fù)荷開始回升,3 d后恢復(fù)至染料投加前水平。此后增加染料質(zhì)量濃度至50 mg/L,染料去除負(fù)荷I進(jìn)一步提高并至111 d后穩(wěn)定在0.005 kg/(kg·d)左右,說明提高活性黑5質(zhì)量濃度能夠提高污泥對(duì)染料的去除負(fù)荷?？紤]污泥中微生物的有效含量時(shí),染料去除負(fù)荷Ⅱ(以MLVSS計(jì))與染料去除負(fù)荷Ⅰ的變化規(guī)律相似。

2.2.2 活性黑5降解過程

典型周期內(nèi)關(guān)鍵時(shí)間節(jié)點(diǎn)水樣的紫外-可見光譜圖如圖4所示。

圖4 活性黑5降解過程的紫外-可見光譜

從圖4可以看出,活性黑5在紫外區(qū)的310 nm處和可見光區(qū)的598 nm處各有一個(gè)特征吸收峰,310 nm處吸收峰對(duì)應(yīng)活性黑5分子中的苯環(huán)和萘環(huán)結(jié)構(gòu),598 nm處吸收峰對(duì)應(yīng)偶氮雙鍵結(jié)構(gòu)[16-18]。厭氧段結(jié)束后(90 min),598 nm處的峰值有明顯的降低,說明染料的偶氮雙鍵在厭氧段斷裂;但此時(shí)310 nm處的吸收峰強(qiáng)度降低并不明顯,說明偶氮雙鍵在裂解的同時(shí)生成了新的中間產(chǎn)物,使反應(yīng)器液相中游離苯環(huán)和萘環(huán)結(jié)構(gòu)的分子多于預(yù)期。馬登月以葡萄糖、可溶性淀粉和乙酸鈉等作為代謝底物[16],利用SBR分析偶氮染料剛果紅降解機(jī)理時(shí)發(fā)現(xiàn)在降解過程中可能有新的中間產(chǎn)物出現(xiàn)。LI等在使用微生物燃料電池和順序陽極-陰極反應(yīng)器耦合系統(tǒng)進(jìn)行偶氮染料降解時(shí)也發(fā)現(xiàn)了有新的中間產(chǎn)物產(chǎn)生[19]。在周期末期(240 min)、310 nm處的吸收峰強(qiáng)度大幅降低,說明在顆粒污泥表面好氧細(xì)菌的作用下,部分苯環(huán)和萘環(huán)開裂后被礦化為二氧化碳和水等小分子有機(jī)物,芳香胺被部分去除。598 nm處峰值也有略微下降,說明好氧階段仍有少量偶氮雙鍵斷裂,其可能發(fā)生在好氧顆粒污泥中心的厭氧區(qū)。

2.3 細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)

選取投加染料前后的好氧顆粒污泥進(jìn)行16S rRNA基因高通量測(cè)序,將樣品分為投加染料前和投加染料后。污泥在門水平的群落組成如圖5(a)所示。從圖5(a)可以看出,在測(cè)序時(shí)選擇相對(duì)豐度大于1%的菌門,不足1%的菌門歸為“其他”。投加活性黑5前樣品檢測(cè)的21種菌門中,物種豐度大于1%的菌門共有6種,其中變形菌門(豐度66.76%)和擬桿菌門(豐度5.67%)是系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)菌門。這些菌門是以NaAc為單一碳源時(shí)好氧顆粒污泥系統(tǒng)中常見的優(yōu)勢(shì)菌門[20-21]。李黔花指出變形菌門的功能之一是降解COD[22],這也是變形菌門占優(yōu)勢(shì)的原因。投加活性黑5后,主要菌門的數(shù)目沒有明顯變化,但各種類菌門的豐度產(chǎn)生明顯變化。其中變化最明顯的是變形菌門、擬桿菌門和疣微菌門,變形菌門和擬桿菌門分別增加了6.53%和7.54%,而疣微菌門減少了1.21%。說明變形菌門和擬桿菌門更加適應(yīng)染料廢水的生存環(huán)境,對(duì)偶氮染料的降解效果更加顯著。YOGESH等研究表明變形菌門下的α-、β-、γ-proteobacterial參與偶氮染料脫色,而疣微菌門可能會(huì)受到染料的毒害[23]。此外,投加染料后出現(xiàn)了硝化菌門,豐度為0.007 6%?；钚院?中的偶氮雙鍵斷裂后形成氨基,脫氨基后增加了SBR系統(tǒng)的氮負(fù)荷,因而誘導(dǎo)SBR系統(tǒng)中富集了更多的硝化菌門。

在屬水平上進(jìn)一步篩選相對(duì)豐度大于1%的屬進(jìn)行分析,屬水平上2個(gè)樣品的微生物群落結(jié)構(gòu)如圖5(b)所示。從圖5(b)可以看出,投加偶氮染料前后好氧顆粒污泥菌群結(jié)構(gòu)也發(fā)生了顯著的變化。其中Candidatus_Competibacter、norank_f_Microscillaceae、Paracoccus、Azoarcus分別增加了6.26%、6.61%、4.18%、3.45%。Candidatus_Competibacter是除磷功能菌群中重要的聚糖菌,在厭氧環(huán)境下通過分解糖原提供能量攝取外界有機(jī)物儲(chǔ)存為胞內(nèi)的聚羥基烷酸酯[24]。在好氧環(huán)境消耗胞內(nèi)儲(chǔ)存的聚羥基烷酸酯合成糖原,同時(shí)Candidatus_Competibacter分泌大量的胞外聚合物,是厭氧-好氧交替環(huán)境下形成好氧顆粒污泥的重要菌群,說明投加染料并未使顆粒污泥解體,反而刺激了Candidatus_Competibacter的生長(zhǎng),更有利于污泥的顆粒化。Paracoccus、Azoarcus具有反硝化功能[25-26],2種菌屬豐度的升高可能與活性黑5增加了SBR系統(tǒng)的氮負(fù)荷有關(guān)。此外,Azoarcus還可降解苯甲酸鹽[26],對(duì)活性黑5在厭氧環(huán)境下生成的芳香胺有一定的去除效果。在投加偶氮染料后Thauera的占比增加了0.34%,Thauera大多呈桿狀,該菌屬除了具有反硝化功能外,能夠有效地降解芳香胺[27],在偶氮染料的降解中發(fā)揮了較大的作用。

(a) 門水平

2.4 活性黑5降解機(jī)理

根據(jù)典型周期內(nèi)污染物的變化、反應(yīng)器液相的紫外-可見光光譜變化和投加染料前后反應(yīng)器的菌群結(jié)構(gòu)變化,推測(cè)活性黑5的降解機(jī)理如圖6所示。

圖6 活性黑5降解機(jī)理

從圖6可以看出,厭氧階段,活性黑5的偶氮雙鍵斷裂,并生成了芳香胺等新的中間產(chǎn)物,染料實(shí)現(xiàn)部分脫色;好氧階段,芳香胺在好氧降解礦化時(shí)發(fā)生氧化脫氨基反應(yīng),同時(shí)生成二氧化碳和水等小分子有機(jī)物,芳香胺得到部分去除。

3 結(jié) 論

2) 偶氮染料的偶氮雙鍵斷裂主要發(fā)生在厭氧階段,產(chǎn)生的含苯環(huán)和萘環(huán)的中間產(chǎn)物主要在好氧階段通過氧化去除。

3) 由于偶氮染料提高了SBR系統(tǒng)的氮負(fù)荷,硝化菌門和具有反硝化或降解芳香類物質(zhì)功能的Paracoccus、Azoarcus和Thauera屬的豐度增加,因此推測(cè)Paracoccus、Azoarcus和Thauera屬在偶氮染料的降解中發(fā)揮關(guān)鍵作用。