序批式反應(yīng)器改良工藝對海水養(yǎng)殖廢水中氮和磺胺嘧啶去除及微生物群落分析?

彭秋瑜, 劉如玲, 李 萌, 陳進(jìn)進(jìn), 劉 健, 佘宗蓮??

(1. 中國海洋大學(xué)海洋環(huán)境與生態(tài)教育部重點實驗室, 山東 青島 266100; 2. 青島海泊河污水處理廠, 山東 青島 266005)

抗生素的抑菌或殺菌作用會影響微生物的代謝過程,進(jìn)而降低生物法對廢水中有機(jī)物和氮的去除效果[4]。已有一些學(xué)者研究了生物處理技術(shù)對廢水中總無機(jī)氮(Total inorganic nitrogen,TIN)和抗生素的去除效果。 Liang等[5]研究發(fā)現(xiàn)在移動床生物膜反應(yīng)器(Moving bed biofilm reactor,MBBR)中磺胺甲惡唑和甲氧芐啶去除性能較好(65.34%～85.16%),環(huán)丙沙星去除效果較差(27.11%),投加磺胺甲惡唑不會影響TIN的去除,而TIN去除率卻隨其他抗生素的投加而降低。Wang等[6]報道了在好氧顆粒污泥系統(tǒng)內(nèi)TIN和四環(huán)素的去除率均可高達(dá)80.0%以上。Liang等[7]比較了磺胺嘧啶在含鹽廢水和淡水中的去除情況,研究發(fā)現(xiàn)淡水中抗生素去除效果要優(yōu)于含鹽廢水?？股氐娜コ孰S鹽度的升高而降低,高鹽度通過抑制相關(guān)功能基因表達(dá)降低了抗生素的降解或吸附性能[8]。

總體來看,普通生物處理技術(shù)對高鹽廢水中抗生素的去除效率較低,在生物反應(yīng)器內(nèi)投加吸附劑等進(jìn)行工藝改良,是提高抗生素去除效率的有效途徑。Cheng等[9]研究表明,投加生物炭的改良廢水生物處理工藝可以更有效地去除水體中磺胺類抗生素、COD及TIN等。Yang等[10]研究發(fā)現(xiàn),向膜生物反應(yīng)器(Membrane bioreactor,MBR)內(nèi)投加活性炭能夠顯著提高磺胺甲惡唑和甲氧芐啶的去除率。安猛[11]研究發(fā)現(xiàn),投加磁粉可促進(jìn)生物處理系統(tǒng)內(nèi)磺胺甲惡唑的降解和硝化過程。在活性污泥系統(tǒng)內(nèi)投加吸附劑后,可提高系統(tǒng)的抗沖擊負(fù)荷能力和穩(wěn)定性,增加了微生物多樣性和豐富度,促進(jìn)優(yōu)勢菌的生長繁殖,有利于缺氧反硝化菌和生長緩慢的好氧反硝化菌富集[12-13]。

迄今,雖然已有研究投加吸附劑等改良廢水生物處理工藝來探究氮和抗生素的去除效果,但有關(guān)改良工藝對海水養(yǎng)殖廢水中氮和磺胺嘧啶去除及微生物群落的研究尚未見有報道。本研究通過向序批式反應(yīng)器(Sequencing batch reactor ,SBR)內(nèi)投加磁粉和粉末活性炭構(gòu)建改良工藝,分析氮和磺胺嘧啶去除性能,考察反應(yīng)器內(nèi)微生物群落結(jié)構(gòu),比較分析了優(yōu)勢菌群和脫氮功能菌的差異性。

1 實驗方法

1.1 實驗裝置和運行條件

本實驗采用3個尺寸和結(jié)構(gòu)相同的圓柱形SBR,內(nèi)徑為10 cm、高19 cm、有效容積1 L。1個SBR為對照,不投加吸附劑(簡稱為SBR-CK);1個反應(yīng)器每天一次性投加50 mg/L磁粉(Fe3O4)(簡稱為SBR-Fe),磁粉粒度為200～300目,密度為5.18 g/cm3;1個反應(yīng)器每天一次性投加50 mg/L粉末活性炭(簡稱為SBR-C),粉末活性炭粒度為200～300目,密度為0.45～0.55 g/cm3。

3個反應(yīng)器反應(yīng)條件相同,反應(yīng)器每天運行4個周期,每個周期歷時6 h,包括第一次進(jìn)水15 min(0.35 L)、反應(yīng)階段4.5 h、靜置沉淀1 h、出水10 min和閑置5 min;反應(yīng)階段采用缺氧(120 min)、好氧(60 min)、缺氧(90 min)交替運行方式,第二個缺氧階段開始時設(shè)置第二次進(jìn)水,進(jìn)水歷時4 min,進(jìn)水量0.15 L。每個周期進(jìn)出水總量均為0.5 L,換容比為50%,水力停留時間為12 h。曝氣階段用電磁式空氣泵供氣,用轉(zhuǎn)子流量計控制供氣量;反應(yīng)階段缺氧和好氧條件下均進(jìn)行機(jī)械攪拌。

磁粉和粉末活性炭投加后,在反應(yīng)階段與反應(yīng)器中活性污泥呈混合懸浮狀態(tài),在靜置沉淀階段絕大部分與活性污泥共同沉淀至反應(yīng)器底部,在出水階段極少量不能沉淀至反應(yīng)器底部的吸附劑和活性污泥以懸浮固體(Suspended solids,SS)形式隨上清液排出。為了避免吸附劑在反應(yīng)器內(nèi)大量積累導(dǎo)致實驗條件發(fā)生較大變化,實驗過程中通過定期排放沉淀剩余污泥使反應(yīng)器內(nèi)混合液懸浮固體濃度(Mixed liquor suspended solids,MLSS)保持在1 800 mg/L左右,以期實驗的穩(wěn)定運行。

1.2 實驗用水

1.3 間歇吸附實驗

為了考察粉末活性炭和磁粉對磺胺嘧啶的吸附性能,分析吸附作用對磺胺嘧啶去除的影響,本研究進(jìn)行了間歇吸附實驗。具體實驗方法為,將粉末活性炭或磁粉分別投加到含1 L模擬海水養(yǎng)殖廢水的燒杯中,并加入磺胺嘧啶,使粉末活性炭和磁粉的初始濃度均為50 mg/L, 磺胺嘧啶初始濃度約為220～240 μg/L。將燒杯置于25 ℃、140 r/min的恒溫水浴振蕩器中震蕩6 h,進(jìn)行吸附反應(yīng)。吸附反應(yīng)前和結(jié)束時分別取上清液,測定吸附前后磺胺嘧啶濃度。本吸附反應(yīng)做了3次重復(fù)實驗,取3次實驗的平均值作為結(jié)果進(jìn)行討論。

1.4 分析方法

1.4.2 微生物群落分析 為考察改良工藝對微生物群落結(jié)構(gòu)和脫氮功能菌的影響,實驗結(jié)束時取懸浮污泥樣品,用PowerSoil DNA試劑盒(MoBio Laboratories,Carlsbad,CA,美國)提取DNA。采用515F(5′-GTGCCAGCAGCCGCGGTAA-3′)和907R(5′- CCGT CAATTCCTTTGAGTTT-3′)作為擴(kuò)增產(chǎn)物,通過聚合鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(Polymeric chain reaction,PCR)對樣品16S rDNA的V4-V5高變區(qū)進(jìn)行擴(kuò)增,擴(kuò)增產(chǎn)物送至Novogene(中國,北京)進(jìn)行高通量測序。

1.4.3 差異性分析 利用SPSS 25.0(IBM,美國),采用軟件中單因素方差分析方法進(jìn)行統(tǒng)計學(xué)分析,比較3個反應(yīng)器污染物去除效果差異性。p<0.05時,認(rèn)為存在顯著性差異。

2 結(jié)果與討論

2.1 污染物去除性能

圖1 SBR污染物去除性能

投加磁粉和粉末活性炭時混合污泥系統(tǒng)的磺胺嘧啶去除率分別為18.24%和95.88%,去除率均高于未投加吸附劑的SBR(12.06%)(見圖1),說明投加吸附劑提高了反應(yīng)器的磺胺嘧啶去除性能,前人也發(fā)現(xiàn)在生物反應(yīng)器中投加粉末活性炭可以提高抗生素的去除效果[10,15]。結(jié)合本研究的間歇吸附實驗結(jié)果(見表1),單獨投加磁粉或粉末活性炭在6 h內(nèi)通過吸附作用對磺胺嘧啶的去除率分別為8.21%和95.9%,可知磁粉和粉末活性炭對磺胺嘧啶均有吸附作用,且粉末活性炭的吸附能力很強(qiáng),遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于磁粉。據(jù)此可以說明,投加磁粉或粉末活性炭的反應(yīng)器中磺胺嘧啶去除率的提高主要是吸附作用的結(jié)果。據(jù)微生物群落結(jié)構(gòu)分析,投加磁粉和粉末活性炭的SBR中抗生素降解菌的相對豐度高于未投加吸附劑的SBR,說明SBR改良工藝中有更高豐度的降解菌參與了磺胺嘧啶的降解。有關(guān)吸附劑在生物反應(yīng)器中對抗生素去除的影響及其作用機(jī)制,需要進(jìn)一步深入研究。

表1 吸附劑對磺胺嘧啶的吸附去除性能

本研究中模擬海水養(yǎng)殖廢水污染物濃度穩(wěn)定,有機(jī)物及營養(yǎng)物等均為易溶解物質(zhì),成分較簡單;而實際海水養(yǎng)殖廢水中,污染物濃度波動較大,有機(jī)物和營養(yǎng)物質(zhì)為投放的過剩餌料及水生生物的分泌物,存在降解速率較慢的懸浮態(tài)有機(jī)物;此外,實際廢水中存在殘留的重金屬等,會影響微生物代謝過程。因此本研究結(jié)果雖然對實際廢水的處理有參考價值,但考慮實際廢水中復(fù)雜成分的影響,污染物去除效果會下降。

2.2 周期內(nèi)氮轉(zhuǎn)化過程

(A:缺氧階段, O:好氧階段, S: 靜置階段, E: 出水階段。 t1:第一次進(jìn)水, t2:第二次進(jìn)水。A: Anoxic;O: Oxic; S: Settling; E: Effluent. t1:The first influent;t2:The second influent.)

圖2 有機(jī)物和氮周期變化

Fig. 2 Variation of COD and nitrogen during a cycle

2.3 微生物群落分析

2.3.1 微生物群落豐富度和多樣性 實驗結(jié)束后取3個反應(yīng)器內(nèi)懸浮污泥樣品進(jìn)行16S rDNA高通量測序,比較分析了微生物群落的豐富度和多樣性,結(jié)果如表2所示。SBR-CK、SBR-Fe和SBR-C的微生物樣品分別命名為CK、Fe和C。根據(jù)樣品覆蓋率(>0.99)可知,測序結(jié)果可以合理反映微生物群落多樣性和豐富度。SBR-CK、SBR-Fe和SBR-C的OTU個數(shù)分別為696、729和622,SBR-Fe中OTU個數(shù)最多,說明投加磁粉有利于增加SBR中OTU的個數(shù)。SBR-CK的多樣性指數(shù)(Shannon和Simpson)和豐富度指數(shù)(Chao1和ACE)高于SBR-Fe和SBR-C,表明投加磁粉和粉末活性炭降低了微生物的多樣性和豐富度,這與前人的研究結(jié)果不同,在不含鹽的廢水中,安猛[11]投加磁粉和Qu等[12]投加粉末活性炭后均發(fā)現(xiàn)微生物豐富度和多樣性增加。

表2 微生物群落多樣性和豐富度指數(shù)

2.3.2 微生物群落結(jié)構(gòu)分析 3個微生物樣品中共檢測出19個菌門,前11個優(yōu)勢菌門相對豐度見圖3,其中前5個優(yōu)勢菌門為Proteobacteria(變形菌門,57.1%～83.7%)、Bacteroidata(擬桿菌門,4.3%～17.2%)、Planctomycetota(浮游菌門,1.0%～4.6%)、Desulfobacterota(脫硫菌門,1.3%～2.2%)和Bdellovibrionota(0.5%～1.8%),總豐度為82.0%～91.6%。Proteobacteria是3個反應(yīng)器中的第一優(yōu)勢菌門,SBR改良工藝富集了該菌門,SBR-Fe和SBR-C相對豐度分別為62.9%和83.7%。在實際海水養(yǎng)殖廢水處理系統(tǒng)中,Proteobacteria也是第一優(yōu)勢菌門[17]。多種脫氮相關(guān)菌如硝化菌和反硝化菌等均屬于變形菌門,在廢水生物法脫氮過程中該菌門發(fā)揮了重要作用[18]。Bacteroidata是第二優(yōu)勢菌門,該菌門主要與有機(jī)物的降解有關(guān)[19],相比于未投加磁粉和粉末活性炭的反應(yīng)器,投加磁粉或粉末活性炭并不適合該菌門生長,相對豐度由SBR-CK的17.2%分別降至13.2%(SBR-Fe)和4.3%(SBR-C)。Planctomycetota門是與厭氧氨氧化細(xì)菌有關(guān)的菌門[20],此菌門在3個樣品中的相對豐度為4.6%、3.5%和1.0%,SBR-Fe和SBR-C中Planctomycetota的相對豐度降低,說明SBR改良工藝影響了厭氧氨氧化菌的生長。改良工藝阻礙了Calditrichota的富集,特別是投加粉末活性炭時該菌門豐度降低至極低水平(0.3%),目前針對該菌門的研究較為缺乏。改良工藝富集了Desulfobacterota門,在3個反應(yīng)器中相對豐度分別為1.3%,2.2%和2.1%。此外,SBR-Fe和SBR-C還分別富集了門Actinobacteriota(1.0%)和Spirochaetota(2.0%)。Spirochaetota可以將碳水化合物轉(zhuǎn)化為簡單的VFA[21]和利用秸稈等纖維素作為底物進(jìn)行厭氧消化[22]。本研究采用的粉末活性炭制作原料為椰子殼,其纖維素含量高達(dá)53.06%,這為此菌門厭氧消化提供了底物。

圖3 微生物樣品中菌門的相對豐度

3個SBR中微生物樣品的前30個優(yōu)勢菌屬分別如圖4所示。本研究中前三優(yōu)勢菌屬為Pseudoalteromonas(21.3%～43.5%),Vibrio(6.6%～11.5%)和Denitromonas(0.7%～11.8%)。SBR改良工藝適合Pseudoalteromonas屬生長,投加磁粉時相對豐度最高(43.5%),該菌屬是一種反硝化菌,喜好在缺氧的深海環(huán)境里生存[23],本研究中3.2%的鹽度和較長的缺氧時間(210 min)為該菌屬的生長富集提供了條件。Vibrio在SBR-C中相對豐度最高(11.5%),SBR-Fe中豐度最低(6.6%),表明粉末活性炭有利于該菌屬的生長而磁粉會抑制其富集,該菌屬是一種反硝化菌,有研究表明該菌屬內(nèi)的多種菌株能夠參與異養(yǎng)硝化-好氧反硝化活動[24]。反硝化菌Denitromonas在改良工藝下的生長受到了抑制,相對豐度由SBR-CK的11.8%降為了0.7%～2.2%,說明該菌屬對磁粉和粉末活性炭極為敏感。厭氧氨氧化菌SM1A02在改良工藝中相對豐度降低,說明投加磁粉和粉末活性炭不利于SBR進(jìn)行厭氧氨氧化過程。SBR-Fe中Lentimicrobium和Bdellovibrio的相對豐度高于SBR-CK,有研究報道系統(tǒng)內(nèi)投加預(yù)處理的香蕉皮后Lentimicrobium相對豐度也會增加[25]。Bdellovibrio是一種捕食性物種,能夠利用革蘭氏陰性細(xì)菌病原體作為底物,是一種潛在活抗生素[26]。SBR-C內(nèi)Spirochaeta_2,Aliiroseovarius和Moraxella的相對豐度也高于SBR-CK,特別是Moraxella的相對豐度由SBR-CK的1.0%增加到25.0%,說明粉末活性炭與活性污泥組成的混合系統(tǒng)對Moraxella的生長是極有利的。Moraxella屬功能多樣化,具有降解丙烯酰胺和去除水體中苯酚的能力[27],有些菌株還被驗證具有異養(yǎng)硝化-好氧反硝化功能[28]。

圖4 微生物樣品中菌屬的相對豐度

圖5 微生物樣品中功能菌分布圖

圖6 微生物樣品中功能菌相對豐度

抗生素降解菌Geobacter在SBR-CK、SBR-Fe和SBR-C中的相對豐度分別為1.0%、1.7%和1.8%,投加磁粉和粉末活性炭時相對豐度高于未投加時,改良工藝有相對較高豐度的Geobacter屬參與磺胺嘧啶降解,這表明在SBR改良工藝中除了吸附作用,生物降解在抗生素去除中也起到了關(guān)鍵作用。Xiao等[31]研究結(jié)果顯示,Fe3O4納米顆粒可增強(qiáng)Geobacter屬的抗生素降解性能。本研究采用的磁粉主要組成為Fe3O4(尺寸為200目),投加磁粉可能有助于Geobacter降解磺胺嘧啶,進(jìn)而提高了SBR-Fe對磺胺嘧啶的去除率。

3 結(jié)論

本研究結(jié)果表明,通過向SBR中分別投加磁粉和粉末活性炭構(gòu)建改良工藝可以實現(xiàn)對海水養(yǎng)殖廢水中的氮和磺胺嘧啶的有效去除。3個SBR中懸浮污泥的微生物群落結(jié)構(gòu)和功能菌群有明顯差異。

(2)SBR改良工藝更有利于反硝化菌Pseudoalteromonas的富集(30.2%～43.5%),投加粉末活性炭時Aliiroseovarius和Moraxella的相對豐度較高,分別為8.9%和25.0%。投加磁粉豐富了AOB種類和提高了總DNB相對豐度,這從分子生物學(xué)角度解釋了SBR-Fe中TIN去除率最高的原因。

(3)3個SBR中主要脫氮途徑為異養(yǎng)反硝化。SBR-CK中磺胺嘧啶的去除依賴于Geobacter屬的生物降解,SBR改良工藝中磺胺嘧啶的去除途徑為吸附和Geobacter生物降解。