钨冶炼高盐含氨氮废水膜生物反应器过程微生物菌群特性研究

甘雪慧，钟 辉，刘佛财，钟常明

(1.赣州市信丰生态环境局，江西 信丰 341600) (2.江西理工大学资源与环境工程学院，江西 赣州 341000)

0 引 言

江西省赣州市矿产资源丰富，尤以钨矿资源丰富而闻名，素有“世界钨都”之称。然而，钨冶炼会产生大量盐度为2.5%～3.0%的高盐氨氮废水[1]。当前，高盐氨氮废水处理的常用技术方法主要有物化法和生物法[1-3]：相比于物化法，生物法兼具经济、高效、无害的优势，但因盐度对微生物的生长有抑制作用，采用生物法处理高盐氨氮废水存在较大难度。

膜生物反应器(MBR)作为超滤或微滤膜与活性污泥法的有机结合，其优势[4-6]表现主要为：(1)超滤或微滤膜的高效截留作用。除人为外排污泥外，活性污泥始终停留在反应器中，有利于污泥泥龄长的硝化菌的生长和繁殖，反应器硝化能力增强；(2)较高的污泥浓度。无需考虑污泥沉降性能的影响，反应器有较高的污泥浓度，通过调节反应器中溶解氧的浓度，在微生物絮体内外形成由低到高的溶解氧浓度梯度。当具有良好活性的硝化细菌、反硝化细菌和异养细菌等微生物随盐度而变化时，微生物菌群代谢功能有较大的变化。因此，开展钨冶炼高盐氨氮废水微生物菌群特性研究是必要的。

1 材料与方法

1.1 试验装置与方法

1.1.1 试验装置

自制有效容积为4 L(220 mm×110 mm×260 mm)的膜生物反应器。试验膜组件选用PVDF材质的中空微滤纤维膜(内径为0.6 mm、外径为1.0 mm)，膜通量12～30 L/d，有效截留面积0.023 m2。试验装置示意图见图1。

1—电磁气泵；2—流量计；3—原水箱；4—时控器；5—YZ系列蠕动泵；6—HJB-S300搅拌机；7—精密温度计；8—JPB溶解氧仪；9—曝气头；10—好氧反应器；11—中空微滤膜；12—自控电脑；13—压力表；14—污泥箱图1 自制膜生物反应装置示意图

1.1.2 试验方法

将赣州市某钨业公司废水稀释成盐度分别为0%、0.3%、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%和3.0%的试验废水，采用不同梯度对MBR反应器内的活性污泥进行15 d的耐盐驯化。通过恒流蠕动泵控制反应器的进出水(抽吸4 min、停1 min为一周期)，水力停留时间(HRT)为24 h，使用NaHCO3溶液保持反应器pH值在7.5～8.0之间，溶解氧(DO)浓度保持在2.0～3.0 mg/L之间，污泥浓度保持在4 500～5 000 mg/L之间，通过空调使室温保持在26～28 ℃之间。

1.2 试验废水

取赣州市某钨业公司废水处理站调节池内的废水为试验用水，污染指标见表1。

表1 废水水质情况一览表

1.3 污染指标及分析方法

主要检测污染指标及分析方法见表2和表3。

表2 常规污染指标及分析方法

表3 特殊污染指标及分析方法

2 结果与讨论

2.1 污泥结构及生物相变化

对比不同盐度下污泥生物相(见图2)可以发现：驯化初期有大量的变形虫、累枝虫及轮虫后生动物等，污泥结构以丝状菌菌胶团为主；后期随着盐度进一步增加，原生动物表现出对盐度的不适应性，数量出现减少。文献[7]表明：丝状菌污泥絮体的骨架大小与絮体强度和抗剪切力密切相关，反应器丝状菌量少使其絮体强度和抗剪切力均变差，从而导致高盐环境下污泥絮体较细小，难以形成较大的菌胶团结构。

图2 驯化期间不同盐度下污泥镜检图

2.2 沉降性能变化

图3为驯化期间不同盐度下污泥体积指数(SVI)变化情况。

图3 驯化期间不同盐度下SVI变化情况

从图3可以看出，无盐环境和目标盐度下污泥体积指数(SVI)分别为111.5 mL/g和65.3 mL/g。SVI随着盐度增加而降低，表明一定范围内，提高盐度对污泥沉降性能具有促进作用。盐度对SVI的作用机理主要表现在以下两个方面：(1)盐度变化使污泥菌胶团结构发生变化，由上节污泥生物相分析结论可知：盐度提高使丝状菌数量减少，无法形成以丝状菌为骨架的菌胶团结构污泥絮体[8];(2)根据Magara理论[9]，污泥絮体整体呈电负性，由微生物表面、无机粒子、胞外聚合物等提供负吸附位，高盐钨冶炼氨氮废水中大量的K+、Na+提供正吸附位，导致活性污泥SVI值降低，即活性污泥絮凝性能提高。

2.3 污染物去除情况

图4为驯化期间COD变化情况。从图4可以看出，COD平均去除率总体上与盐度呈负相关。盐度梯度由低到高发生变化时，COD去除率从一个较高值瞬间降至一个较低值，可见瞬时盐度冲击对微生物影响明显。随着耐盐驯化的进行，COD去除率又逐渐提高，表现为活性微生物慢慢适应高盐环境。分析认为，面对不利生长环境情况，微生物将作出强烈的反应机制，反应机制调节细胞渗透压或合成相容物质，使细胞形成新的保护层[10]。目标盐度下，膜生物反应器系统的COD去除率为86%～93%。

图4 驯化期间COD变化情况

图5 驯化期间氮浓度变化情况

2.4 三维荧光光谱分析

对驯化前后的污泥进行采样，用三维荧光光谱(EEM)通过有机物荧光识别波长对胞外聚合物(EPS)和可溶性微生物产物(SMP)进行分析，结果见图6和图7。

从图6和图7可以看出，两个污泥样品中共出现5种特征荧光峰，其中零盐环境污泥样品中出现类色氨酸荧光峰1[12](EX/EM，285～290/352)和类腐殖酸荧光峰2(EX/EM，325～375/425～450)，且EPS中荧光强度强于SMP。3.0%盐度下污泥样品中除了出现与无盐环境下相同的两种特征荧光峰外，还出现了UV-腐殖酸荧光峰3(EX/EM，350/400～425)、类腐殖酸荧光峰4(EX/EM，375～425/425～475)和类富里酸荧光峰5(EX/EM，300～325/350～400)。对比分析SMP发现，3.0%盐度下污泥样品中不存在峰1和峰2，取而代之的是峰3和峰4，且荧光强度较强。对比分析EPS发现，3.0%盐度下污泥样品中出现峰1和峰2，峰1荧光强度远远高于零盐环境下，峰2荧光强度则变化较小，表明微生物菌群对类腐殖酸物质的降解能力几乎为零，与杨毅等[13]的研究结果一致。

图7 3.0%盐度EEM分析

综合对比分析驯化前后污泥样品中SMP和EPS变化情况，无论是特征峰数量亦或是荧光强度，3.0%盐度下污泥样品均强于无盐环境下污泥样品。分析认为在高盐恶劣环境下，活性微生物通过分泌更多的EPS和SMP等物质来抗压高渗透压进行生长繁殖。

2.5 微生物种群多样性分析

对耐盐驯化第1天、第55天、第85天和第115天的活性污泥进行取样，并进行微生物多样性检测，盐度对应分别为0%、1.0%、2.0%和3.0%，编号为R0、R1、R2和R3。

图8为微生物群落门水平上分布情况。从图8可以看出，高盐环境下，微生物多样性相较于正常环境下更低。在门水平分类上，微生物群落结构主要由变形菌门、浮霉菌门、绿弯菌门、芽单胞菌门、拟杆菌门和厚壁菌门等组成。随着驯化过程的进行，变形菌门成为优势菌门，相对丰度由最初的41.37%提高至58.74%，文献[14]表明：在有机物降解和脱氮过程中变形菌门起着决定性作用；以丝状菌为主的绿弯菌门其相对丰度逐渐降低，由3.40%下降至0.02%，

图8 微生物群落门水平上分布情况

其相对丰度的降低与活性污泥荧光显微镜镜检结论和SVI随盐度增加而减小的结论吻合。芽单胞菌门相对丰度随盐度增加而提高，由最初的1.25%提高至6.56%，厚壁菌门则表现出相反的变化趋势。贾晓硕等[15]研究表明，芽单胞菌门反硝化能力较强。浮霉菌门和拟杆菌门的相对丰度随盐度增加均有所提高。主要菌门6种均在驯化期间相对丰度保持在62.40%～81.96%之间。

图9为属水平上微生物群落分布情况。从图9可以看出，在属水平分类上，微生物群落结构主要由副球菌属、陶厄氏菌属、假单胞菌属、亚硝化单胞菌属、盐单胞菌属和鞘氨醇单胞菌属等构成。假单胞菌属相对丰度由1.65%提高至7.50%，研究[16]表明，假单胞菌属具备较强的反硝化能力且能够在0～4%盐度条件下生长繁殖。鞘氨醇单胞菌属在目标盐度下相对丰度达5.25%，该菌属能够分泌更多的胞外聚合物以抵抗高渗透压环境。盐单胞菌属、副球菌属和陶厄氏菌属在目标盐度下相对丰度分别为4.83%、3.65%和6.56%，并能在2%～10%盐度条件下生长繁殖[17-20]，此外，它们作为一类硝化-好氧反硝化细菌，能够在好氧环境下进行反硝化反应[21]。

图9 属水平上微生物群落分布情况

3 结 论

(1)驯化初期，污泥生物相丰富，随着盐度增加，原生动物减少，后生动物逐渐消失，污泥絮体变得细小且密实。污泥体积指数(SVI)随盐度增加而降低，无盐环境和目标盐度下SVI分别为111.5 mL/g和65.3 mL/g，一定范围内提高盐度对污泥沉降性能具有促进作用。

(3)在高盐恶劣环境下，微生物通过分泌更多的SMP和EPS等物质来抗压高渗透压。

(4)增加盐度微生物多样性不断减少，微生物群落结构主要由芽单胞菌门、拟杆菌门、变形菌门、绿弯菌门、浮霉菌门和厚壁菌门等组成，具有有机物降解、硝化反应和反硝化反应等良好性能和耐盐性。