好氧颗粒污泥对活性黑5染料的降解

陈 希,胡 彬,曹 旭,宫延哲,张媛媛,王 瀚

(西安工程大学 城市规划与市政工程学院,西安 710048)

0 引 言

随着纺织印染行业的高速发展和人们对纺织品需求的不断增加,大量染料随废水进入水体。根据国际颜色索引,全球约有8 000种染料用于纺织品的生产[1]。目前,人造染料大多为芳烃类化合物,其中偶氮染料是应用最多的一种。由于偶氮染料及其分解产物芳胺等具有致癌、致畸和致突变的作用,对水生生态环境威胁较大[2]。因此,现阶段亟需开发一种经济有效、环境友好的工艺解决偶氮染料的降解问题。

相比化学法[3],生物法工艺简单、成本低廉、清洁无污染,广泛应用于染料废水的处理[4]。林旭萌等在研究脱氮技术进展时表明生物脱氮是印染废水主流的脱氮工艺[5]。采用厌氧-好氧联合工艺处理染料废水,在减少曝气降低能耗的同时,可充分利用微生物的各种生化反应实现染料的矿化脱毒[6]。但传统厌氧-好氧联合工艺相对复杂,处理过程耗时较长,微生物适应性差、抗负荷能力较弱[7]。

好氧颗粒污泥是近年来出现的一种较有前景的污水生物处理技术,污泥结构密实、沉降性能良好、生物多样性高和污泥龄较长[8]。SADRI等采用单一好氧环境培养好氧颗粒污泥处理酸性红18,当初始染料质量浓度小于50 mg·L-1时降解效果良好[9]。但单一好氧环境培养的好氧颗粒污泥没有充分利用微生物的厌氧代谢活性,因此在好氧颗粒污泥培养环境中引入厌氧环境,进一步提升单一好氧工艺对染料废水的降解潜力。

厌氧/好氧交替环境广泛应用于强化生物除磷系统,强化生物除磷系统富集具有碳源储存功能的菌群,形成的好氧颗粒污泥不但稳定性更强,同时又可强化有机物的厌氧代谢[10-11]。但厌氧/好氧交替环境的好氧颗粒污泥技术在染料废水处理中的研究较少。因此,本文通过在厌氧/好氧交替环境下培养好氧颗粒污泥处理模拟染料废水,分析染料在SBR系统中的去除效果和降解机理。

1 实 验

1.1 材料与仪器

1.1.1 材料

无水乙酸钠(天津市天力化学试剂有限公司,分析纯);氯化铵(天津市天力化学试剂有限公司,分析纯);磷酸二氢钾(天津市天力化学试剂有限公司,分析纯);磷酸氢二钾(天津市天力化学试剂有限公司,分析纯);氯化钙(天津市天力化学试剂有限公司,分析纯);碳酸氢钠(天津市天力化学试剂有限公司,分析纯);硫酸镁(天津市天力化学试剂有限公司,分析纯);硫酸亚铁(天津市天力化学试剂有限公司,分析纯);碘化钾(天津市科密欧化学试剂有限公司,分析纯);硼酸(天津市凯通化学试剂有限公司,分析纯);氯化钴(天津市科密欧化学试剂有限公司,分析纯);硫酸铜(天津市科密欧化学试剂有限公司,分析纯);硫酸锌(天津市科密欧化学试剂有限公司,分析纯);氯化锰(国药集团化学试剂有限公司,分析纯);二水钼酸钠(天津市致远化学实际有限公司,分析纯)。

1.1.2 仪器

UV-1800PC型紫外-可见分光光度计(上海美谱达仪器有限公司);ESJ120-4型电子天平(沈阳龙腾电子有限公司);TM0617型马弗炉(天津盈安美诚科学仪器有限公司);BT300-2J型蠕动泵(保定兰格恒流泵有限公司);YHX-030型恒温水浴循环系统(西安东瑞科教仪器有限公司);ACO-318型电磁空压机(广东海利集团有限公司);LZB-3WB型玻璃转子流量计(常州双环热工仪表有限公司);DF-101S型磁力搅拌器(郑州市中原科技玻璃仪器厂)。

自制SBR示意图如图1所示。

图1 自制SBR示意图

图1中,反应器材质为亚克力,内径100 mm,有效高度900 mm,高径比9,有效容积7.2 L。采用BT300-2J型蠕动泵从反应器底部通过推流方式同步进出水。曝气设备采用ACO-318型电磁空压机,由LZB-3WB型玻璃转子流量计控制气量为2.0 L/min,采用恒温水浴循环系统保持反应器在(21±1)℃运行。

1.2 进水水质

实验采用模拟废水,按照碳源质量浓度∶氮源质量浓度∶磷源质量浓度=100∶5∶1配制。碳源以化学需氧量(chemical oxygen demand,COD)计,以NaAc为碳源[12],质量浓度为800 mg·L-1,NH4Cl为氮源,N质量浓度为40 mg·L-1,K2HPO4与KH2PO4为磷源,P质量浓度为8 mg·L-1。系统运行90 d,待好氧颗粒污泥成熟后分2个质量浓度梯度在上述模拟废水中投加活性黑5染料,分别于第91 d和第108 d投加25 mg·L-1和50 mg·L-1。不同运行阶段反应器进水水质见表1。

表1 不同运行阶段反应器的进水水质

表1中每升模拟污水分别加入矿物质和微量元素浓缩液10 mL·L-1、1 mL·L-1,矿物质和微量元素浓缩液组分及其质量浓度见表2[13]。

表2 微量元素和矿物质浓缩液组分及其质量浓度

1.3 实验方法

1.3.1 SBR系统运行方法

反应器整个运行过程由时控开关自动控制。每天6个周期,每周期4 h,包括60 min同步进出水,30 min厌氧静置,120～145 min好氧曝气和30～5 min沉淀(沉淀时间从刚接种时的30 min经过76 d缓慢降低至5 min,曝气时间相应延长)。此过程的60 min同步进出水与30 min厌氧静置共同提供90 min的厌氧阶段,其中,30 min厌氧静置由于无进水过程的扰动,提供了更低的氧化还原电位,促进了染料的厌氧降解;同时厌氧静置延长了SBR系统的厌氧时间,促进碳源的胞内储存。系统的容积交换率为25%,对应水力停留16 h。

1.3.2 指标测定

SBR污泥性能指标,即混合液悬浮固体(mix liquid suspended solid,MLSS)、混合液挥发性悬浮固体(mixed liquid volatile suspended solids,MLVSS)、污泥容积指数(sludge volume index,SVI)测定参照文献[13-14]。为分析活性黑5的降解过程,取原水(活性黑50 mg·L-1)及进水初始时刻、厌氧末期和周期末期的水样采用UV-1800PC型紫外-可见分光光度计进行光谱扫描。

1.3.3 污染物降解

在第119 d分析好氧颗粒污泥对污染物的降解过程。由于推流式反应器在厌氧阶段取样较为困难,故采用实验模拟反应器对污染物的降解过程。首先在好氧末期取1 000 mL泥水混合液至1 L烧杯中,静置5 min后弃去250 mL上清液。然后加入250 mL含50 mg·L-1活性黑5的模拟染料废水,用保鲜膜密封杯口。采用DF-101S磁力搅拌器厌氧搅拌90 min后,用ACO-318型电磁空压机通过微孔曝气头曝气145 min,最后沉淀5 min。整个实验过程中,分别在0、30、60、90、120、150、180、210、240 min取样测定水中污染物的质量浓度。

1.3.4 16S rRNA基因高通量测序

为研究微生物种群结构变化,对反应器投加染料前后颗粒污泥进行16S rRNA基因高通量测序。聚合酶链式反应扩增子文库使用Illumina MiSeq PE300平台构建,引物338F(5’-ACTCCTACGGGAGGCAGCAG-3’)和806R(5’-GGACTACHVGGGTWTCTAAT-3’)。采用UPARSE软件,根据97%的相似度对序列进行OTU聚类,并在聚类的过程中去除单序列和嵌合体。利用RDP classifier对每条序列进行物种分类注释,比对Silva数据库,最后对所得到的细菌分类信息进行多样性和组成群落分析。

2 结果与讨论

2.1 污泥沉降性能

反应器污泥质量浓度历时变化如图2(a)所示。从图2(a)可以看出,污泥接种后初始MLSS为13 648 mg·L-1。培养至70 d时,为加速污泥的颗粒化,将沉淀时间由10 min降至5 min,聚集性和沉降性较差的污泥被排出系统,MLSS不断降低。82 d时MLSS趋于稳定,持续稳定至91 d时开始投加25 mg·L-1活性黑5染料。此后MLSS逐渐升高,并在7 882 mg·L-1处上下波动,随着时间的延续,MLSS的波动逐渐减小。在第108 d将染料质量浓度进一步提高至50 mg·L-1后,MLSS缓慢下降,直至120 d时MLSS稳定在6 300 mg·L-1左右,此过程伴随着颗粒污泥粒径的不断增大,MLVSS与MLSS的变化规律基本一致。初次投加活性黑5后,MLVSS/MLSS由83.9%上升至86.9%;当染料的投加质量浓度进一步增加至50 mg·L-1时,该比值再次升高至87.4%后略微降低,说明活性黑5对污泥的毒害作用较小,刺激了微生物的生长。

污泥的沉降性变化如图2(b)所示。从图2(b)可以看出,初次投加活性黑5后,SVI5在47～70 mL·g-1之间波动,SVI30为42～57 mL·g-1,较为稳定。2个梯度投加染料后,颗粒污泥的SVI均呈现先升高后下降的趋势,说明偶氮染料的加入使SBR系统沉降性能略微变差,但在7 d后即可逐渐恢复,50 mg·L-1以内的染料对成熟颗粒污泥沉降性和颗粒化影响较小。

(a) MLSS、MLVSS历时变化

2.2 活性黑5降解

2.2.1 污染物去除

和出水质量浓度

分2次增加模拟废水的进水染料质量浓度,反应器染料去除负荷的历时变化如图3(b)所示。从图3(b)可以看出,在91 d首次投加25 mg/L染料后,染料去除负荷Ⅰ(以MLSS计)不断下降,经过一段时间的驯化,至106 d时去除负荷开始回升,3 d后恢复至染料投加前水平。此后增加染料质量浓度至50 mg/L,染料去除负荷I进一步提高并至111 d后稳定在0.005 kg/(kg·d)左右,说明提高活性黑5质量浓度能够提高污泥对染料的去除负荷。考虑污泥中微生物的有效含量时,染料去除负荷Ⅱ(以MLVSS计)与染料去除负荷Ⅰ的变化规律相似。

2.2.2 活性黑5降解过程

典型周期内关键时间节点水样的紫外-可见光谱图如图4所示。

图4 活性黑5降解过程的紫外-可见光谱

从图4可以看出,活性黑5在紫外区的310 nm处和可见光区的598 nm处各有一个特征吸收峰,310 nm处吸收峰对应活性黑5分子中的苯环和萘环结构,598 nm处吸收峰对应偶氮双键结构[16-18]。厌氧段结束后(90 min),598 nm处的峰值有明显的降低,说明染料的偶氮双键在厌氧段断裂;但此时310 nm处的吸收峰强度降低并不明显,说明偶氮双键在裂解的同时生成了新的中间产物,使反应器液相中游离苯环和萘环结构的分子多于预期。马登月以葡萄糖、可溶性淀粉和乙酸钠等作为代谢底物[16],利用SBR分析偶氮染料刚果红降解机理时发现在降解过程中可能有新的中间产物出现。LI等在使用微生物燃料电池和顺序阳极-阴极反应器耦合系统进行偶氮染料降解时也发现了有新的中间产物产生[19]。在周期末期(240 min)、310 nm处的吸收峰强度大幅降低,说明在颗粒污泥表面好氧细菌的作用下,部分苯环和萘环开裂后被矿化为二氧化碳和水等小分子有机物,芳香胺被部分去除。598 nm处峰值也有略微下降,说明好氧阶段仍有少量偶氮双键断裂,其可能发生在好氧颗粒污泥中心的厌氧区。

2.3 细菌群落结构

选取投加染料前后的好氧颗粒污泥进行16S rRNA基因高通量测序,将样品分为投加染料前和投加染料后。污泥在门水平的群落组成如图5(a)所示。从图5(a)可以看出,在测序时选择相对丰度大于1%的菌门,不足1%的菌门归为“其他”。投加活性黑5前样品检测的21种菌门中,物种丰度大于1%的菌门共有6种,其中变形菌门(丰度66.76%)和拟杆菌门(丰度5.67%)是系统的优势菌门。这些菌门是以NaAc为单一碳源时好氧颗粒污泥系统中常见的优势菌门[20-21]。李黔花指出变形菌门的功能之一是降解COD[22],这也是变形菌门占优势的原因。投加活性黑5后,主要菌门的数目没有明显变化,但各种类菌门的丰度产生明显变化。其中变化最明显的是变形菌门、拟杆菌门和疣微菌门,变形菌门和拟杆菌门分别增加了6.53%和7.54%,而疣微菌门减少了1.21%。说明变形菌门和拟杆菌门更加适应染料废水的生存环境,对偶氮染料的降解效果更加显著。YOGESH等研究表明变形菌门下的α-、β-、γ-proteobacterial参与偶氮染料脱色,而疣微菌门可能会受到染料的毒害[23]。此外,投加染料后出现了硝化菌门,丰度为0.007 6%。活性黑5中的偶氮双键断裂后形成氨基,脱氨基后增加了SBR系统的氮负荷,因而诱导SBR系统中富集了更多的硝化菌门。

在属水平上进一步筛选相对丰度大于1%的属进行分析,属水平上2个样品的微生物群落结构如图5(b)所示。从图5(b)可以看出,投加偶氮染料前后好氧颗粒污泥菌群结构也发生了显著的变化。其中Candidatus_Competibacter、norank_f_Microscillaceae、Paracoccus、Azoarcus分别增加了6.26%、6.61%、4.18%、3.45%。Candidatus_Competibacter是除磷功能菌群中重要的聚糖菌,在厌氧环境下通过分解糖原提供能量摄取外界有机物储存为胞内的聚羟基烷酸酯[24]。在好氧环境消耗胞内储存的聚羟基烷酸酯合成糖原,同时Candidatus_Competibacter分泌大量的胞外聚合物,是厌氧-好氧交替环境下形成好氧颗粒污泥的重要菌群,说明投加染料并未使颗粒污泥解体,反而刺激了Candidatus_Competibacter的生长,更有利于污泥的颗粒化。Paracoccus、Azoarcus具有反硝化功能[25-26],2种菌属丰度的升高可能与活性黑5增加了SBR系统的氮负荷有关。此外,Azoarcus还可降解苯甲酸盐[26],对活性黑5在厌氧环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大多呈杆状,该菌属除了具有反硝化功能外,能够有效地降解芳香胺[27],在偶氮染料的降解中发挥了较大的作用。

(a) 门水平

2.4 活性黑5降解机理

根据典型周期内污染物的变化、反应器液相的紫外-可见光光谱变化和投加染料前后反应器的菌群结构变化,推测活性黑5的降解机理如图6所示。

图6 活性黑5降解机理

从图6可以看出,厌氧阶段,活性黑5的偶氮双键断裂,并生成了芳香胺等新的中间产物,染料实现部分脱色;好氧阶段,芳香胺在好氧降解矿化时发生氧化脱氨基反应,同时生成二氧化碳和水等小分子有机物,芳香胺得到部分去除。

3 结 论

2) 偶氮染料的偶氮双键断裂主要发生在厌氧阶段,产生的含苯环和萘环的中间产物主要在好氧阶段通过氧化去除。

3) 由于偶氮染料提高了SBR系统的氮负荷,硝化菌门和具有反硝化或降解芳香类物质功能的Paracoccus、Azoarcus和Thauera属的丰度增加,因此推测Paracoccus、Azoarcus和Thauera属在偶氮染料的降解中发挥关键作用。