序批式反应器改良工艺对海水养殖废水中氮和磺胺嘧啶去除及微生物群落分析❋

彭秋瑜, 刘如玲, 李 萌, 陈进进, 刘 健, 佘宗莲❋❋

(1. 中国海洋大学海洋环境与生态教育部重点实验室, 山东 青岛 266100; 2. 青岛海泊河污水处理厂, 山东 青岛 266005)

抗生素的抑菌或杀菌作用会影响微生物的代谢过程,进而降低生物法对废水中有机物和氮的去除效果[4]。已有一些学者研究了生物处理技术对废水中总无机氮(Total inorganic nitrogen,TIN)和抗生素的去除效果。 Liang等[5]研究发现在移动床生物膜反应器(Moving bed biofilm reactor,MBBR)中磺胺甲恶唑和甲氧苄啶去除性能较好(65.34%～85.16%),环丙沙星去除效果较差(27.11%),投加磺胺甲恶唑不会影响TIN的去除,而TIN去除率却随其他抗生素的投加而降低。Wang等[6]报道了在好氧颗粒污泥系统内TIN和四环素的去除率均可高达80.0%以上。Liang等[7]比较了磺胺嘧啶在含盐废水和淡水中的去除情况,研究发现淡水中抗生素去除效果要优于含盐废水。抗生素的去除率随盐度的升高而降低,高盐度通过抑制相关功能基因表达降低了抗生素的降解或吸附性能[8]。

总体来看,普通生物处理技术对高盐废水中抗生素的去除效率较低,在生物反应器内投加吸附剂等进行工艺改良,是提高抗生素去除效率的有效途径。Cheng等[9]研究表明,投加生物炭的改良废水生物处理工艺可以更有效地去除水体中磺胺类抗生素、COD及TIN等。Yang等[10]研究发现,向膜生物反应器(Membrane bioreactor,MBR)内投加活性炭能够显著提高磺胺甲恶唑和甲氧苄啶的去除率。安猛[11]研究发现,投加磁粉可促进生物处理系统内磺胺甲恶唑的降解和硝化过程。在活性污泥系统内投加吸附剂后,可提高系统的抗冲击负荷能力和稳定性,增加了微生物多样性和丰富度,促进优势菌的生长繁殖,有利于缺氧反硝化菌和生长缓慢的好氧反硝化菌富集[12-13]。

迄今,虽然已有研究投加吸附剂等改良废水生物处理工艺来探究氮和抗生素的去除效果,但有关改良工艺对海水养殖废水中氮和磺胺嘧啶去除及微生物群落的研究尚未见有报道。本研究通过向序批式反应器(Sequencing batch reactor ,SBR)内投加磁粉和粉末活性炭构建改良工艺,分析氮和磺胺嘧啶去除性能,考察反应器内微生物群落结构,比较分析了优势菌群和脱氮功能菌的差异性。

1 实验方法

1.1 实验装置和运行条件

本实验采用3个尺寸和结构相同的圆柱形SBR,内径为10 cm、高19 cm、有效容积1 L。1个SBR为对照,不投加吸附剂(简称为SBR-CK);1个反应器每天一次性投加50 mg/L磁粉(Fe3O4)(简称为SBR-Fe),磁粉粒度为200～300目,密度为5.18 g/cm3;1个反应器每天一次性投加50 mg/L粉末活性炭(简称为SBR-C),粉末活性炭粒度为200～300目,密度为0.45～0.55 g/cm3。

3个反应器反应条件相同,反应器每天运行4个周期,每个周期历时6 h,包括第一次进水15 min(0.35 L)、反应阶段4.5 h、静置沉淀1 h、出水10 min和闲置5 min;反应阶段采用缺氧(120 min)、好氧(60 min)、缺氧(90 min)交替运行方式,第二个缺氧阶段开始时设置第二次进水,进水历时4 min,进水量0.15 L。每个周期进出水总量均为0.5 L,换容比为50%,水力停留时间为12 h。曝气阶段用电磁式空气泵供气,用转子流量计控制供气量;反应阶段缺氧和好氧条件下均进行机械搅拌。

磁粉和粉末活性炭投加后,在反应阶段与反应器中活性污泥呈混合悬浮状态,在静置沉淀阶段绝大部分与活性污泥共同沉淀至反应器底部,在出水阶段极少量不能沉淀至反应器底部的吸附剂和活性污泥以悬浮固体(Suspended solids,SS)形式随上清液排出。为了避免吸附剂在反应器内大量积累导致实验条件发生较大变化,实验过程中通过定期排放沉淀剩余污泥使反应器内混合液悬浮固体浓度(Mixed liquor suspended solids,MLSS)保持在1 800 mg/L左右,以期实验的稳定运行。

1.2 实验用水

1.3 间歇吸附实验

为了考察粉末活性炭和磁粉对磺胺嘧啶的吸附性能,分析吸附作用对磺胺嘧啶去除的影响,本研究进行了间歇吸附实验。具体实验方法为,将粉末活性炭或磁粉分别投加到含1 L模拟海水养殖废水的烧杯中,并加入磺胺嘧啶,使粉末活性炭和磁粉的初始浓度均为50 mg/L, 磺胺嘧啶初始浓度约为220～240 μg/L。将烧杯置于25 ℃、140 r/min的恒温水浴振荡器中震荡6 h,进行吸附反应。吸附反应前和结束时分别取上清液,测定吸附前后磺胺嘧啶浓度。本吸附反应做了3次重复实验,取3次实验的平均值作为结果进行讨论。

1.4 分析方法

1.4.2 微生物群落分析 为考察改良工艺对微生物群落结构和脱氮功能菌的影响,实验结束时取悬浮污泥样品,用PowerSoil DNA试剂盒(MoBio Laboratories,Carlsbad,CA,美国)提取DNA。采用515F(5′-GTGCCAGCAGCCGCGGTAA-3′)和907R(5′- CCGT CAATTCCTTTGAGTTT-3′)作为扩增产物,通过聚合链式反应(Polymeric chain reaction,PCR)对样品16S rDNA的V4-V5高变区进行扩增,扩增产物送至Novogene(中国,北京)进行高通量测序。

1.4.3 差异性分析 利用SPSS 25.0(IBM,美国),采用软件中单因素方差分析方法进行统计学分析,比较3个反应器污染物去除效果差异性。p<0.05时,认为存在显著性差异。

2 结果与讨论

2.1 污染物去除性能

图1 SBR污染物去除性能

投加磁粉和粉末活性炭时混合污泥系统的磺胺嘧啶去除率分别为18.24%和95.88%,去除率均高于未投加吸附剂的SBR(12.06%)(见图1),说明投加吸附剂提高了反应器的磺胺嘧啶去除性能,前人也发现在生物反应器中投加粉末活性炭可以提高抗生素的去除效果[10,15]。结合本研究的间歇吸附实验结果(见表1),单独投加磁粉或粉末活性炭在6 h内通过吸附作用对磺胺嘧啶的去除率分别为8.21%和95.9%,可知磁粉和粉末活性炭对磺胺嘧啶均有吸附作用,且粉末活性炭的吸附能力很强,远远高于磁粉。据此可以说明,投加磁粉或粉末活性炭的反应器中磺胺嘧啶去除率的提高主要是吸附作用的结果。据微生物群落结构分析,投加磁粉和粉末活性炭的SBR中抗生素降解菌的相对丰度高于未投加吸附剂的SBR,说明SBR改良工艺中有更高丰度的降解菌参与了磺胺嘧啶的降解。有关吸附剂在生物反应器中对抗生素去除的影响及其作用机制,需要进一步深入研究。

表1 吸附剂对磺胺嘧啶的吸附去除性能

本研究中模拟海水养殖废水污染物浓度稳定,有机物及营养物等均为易溶解物质,成分较简单;而实际海水养殖废水中,污染物浓度波动较大,有机物和营养物质为投放的过剩饵料及水生生物的分泌物,存在降解速率较慢的悬浮态有机物;此外,实际废水中存在残留的重金属等,会影响微生物代谢过程。因此本研究结果虽然对实际废水的处理有参考价值,但考虑实际废水中复杂成分的影响,污染物去除效果会下降。

2.2 周期内氮转化过程

(A:缺氧阶段, O:好氧阶段, S: 静置阶段, E: 出水阶段。 t1:第一次进水, t2:第二次进水。A: Anoxic;O: Oxic; S: Settling; E: Effluent. t1:The first influent;t2:The second influent.)

图2 有机物和氮周期变化

Fig. 2 Variation of COD and nitrogen during a cycle

2.3 微生物群落分析

2.3.1 微生物群落丰富度和多样性 实验结束后取3个反应器内悬浮污泥样品进行16S rDNA高通量测序,比较分析了微生物群落的丰富度和多样性,结果如表2所示。SBR-CK、SBR-Fe和SBR-C的微生物样品分别命名为CK、Fe和C。根据样品覆盖率(>0.99)可知,测序结果可以合理反映微生物群落多样性和丰富度。SBR-CK、SBR-Fe和SBR-C的OTU个数分别为696、729和622,SBR-Fe中OTU个数最多,说明投加磁粉有利于增加SBR中OTU的个数。SBR-CK的多样性指数(Shannon和Simpson)和丰富度指数(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样性和丰富度,这与前人的研究结果不同,在不含盐的废水中,安猛[11]投加磁粉和Qu等[12]投加粉末活性炭后均发现微生物丰富度和多样性增加。

表2 微生物群落多样性和丰富度指数

2.3.2 微生物群落结构分析 3个微生物样品中共检测出19个菌门,前11个优势菌门相对丰度见图3,其中前5个优势菌门为Proteobacteria(变形菌门,57.1%～83.7%)、Bacteroidata(拟杆菌门,4.3%～17.2%)、Planctomycetota(浮游菌门,1.0%～4.6%)、Desulfobacterota(脱硫菌门,1.3%～2.2%)和Bdellovibrionota(0.5%～1.8%),总丰度为82.0%～91.6%。Proteobacteria是3个反应器中的第一优势菌门,SBR改良工艺富集了该菌门,SBR-Fe和SBR-C相对丰度分别为62.9%和83.7%。在实际海水养殖废水处理系统中,Proteobacteria也是第一优势菌门[17]。多种脱氮相关菌如硝化菌和反硝化菌等均属于变形菌门,在废水生物法脱氮过程中该菌门发挥了重要作用[18]。Bacteroidata是第二优势菌门,该菌门主要与有机物的降解有关[19],相比于未投加磁粉和粉末活性炭的反应器,投加磁粉或粉末活性炭并不适合该菌门生长,相对丰度由SBR-CK的17.2%分别降至13.2%(SBR-Fe)和4.3%(SBR-C)。Planctomycetota门是与厌氧氨氧化细菌有关的菌门[20],此菌门在3个样品中的相对丰度为4.6%、3.5%和1.0%,SBR-Fe和SBR-C中Planctomycetota的相对丰度降低,说明SBR改良工艺影响了厌氧氨氧化菌的生长。改良工艺阻碍了Calditrichota的富集,特别是投加粉末活性炭时该菌门丰度降低至极低水平(0.3%),目前针对该菌门的研究较为缺乏。改良工艺富集了Desulfobacterota门,在3个反应器中相对丰度分别为1.3%,2.2%和2.1%。此外,SBR-Fe和SBR-C还分别富集了门Actinobacteriota(1.0%)和Spirochaetota(2.0%)。Spirochaetota可以将碳水化合物转化为简单的VFA[21]和利用秸秆等纤维素作为底物进行厌氧消化[22]。本研究采用的粉末活性炭制作原料为椰子壳,其纤维素含量高达53.06%,这为此菌门厌氧消化提供了底物。

图3 微生物样品中菌门的相对丰度

3个SBR中微生物样品的前30个优势菌属分别如图4所示。本研究中前三优势菌属为Pseudoalteromonas(21.3%～43.5%),Vibrio(6.6%～11.5%)和Denitromonas(0.7%～11.8%)。SBR改良工艺适合Pseudoalteromonas属生长,投加磁粉时相对丰度最高(43.5%),该菌属是一种反硝化菌,喜好在缺氧的深海环境里生存[23],本研究中3.2%的盐度和较长的缺氧时间(210 min)为该菌属的生长富集提供了条件。Vibrio在SBR-C中相对丰度最高(11.5%),SBR-Fe中丰度最低(6.6%),表明粉末活性炭有利于该菌属的生长而磁粉会抑制其富集,该菌属是一种反硝化菌,有研究表明该菌属内的多种菌株能够参与异养硝化-好氧反硝化活动[24]。反硝化菌Denitromonas在改良工艺下的生长受到了抑制,相对丰度由SBR-CK的11.8%降为了0.7%～2.2%,说明该菌属对磁粉和粉末活性炭极为敏感。厌氧氨氧化菌SM1A02在改良工艺中相对丰度降低,说明投加磁粉和粉末活性炭不利于SBR进行厌氧氨氧化过程。SBR-Fe中Lentimicrobium和Bdellovibrio的相对丰度高于SBR-CK,有研究报道系统内投加预处理的香蕉皮后Lentimicrobium相对丰度也会增加[25]。Bdellovibrio是一种捕食性物种,能够利用革兰氏阴性细菌病原体作为底物,是一种潜在活抗生素[26]。SBR-C内Spirochaeta_2,Aliiroseovarius和Moraxella的相对丰度也高于SBR-CK,特别是Moraxella的相对丰度由SBR-CK的1.0%增加到25.0%,说明粉末活性炭与活性污泥组成的混合系统对Moraxella的生长是极有利的。Moraxella属功能多样化,具有降解丙烯酰胺和去除水体中苯酚的能力[27],有些菌株还被验证具有异养硝化-好氧反硝化功能[28]。

图4 微生物样品中菌属的相对丰度

图5 微生物样品中功能菌分布图

图6 微生物样品中功能菌相对丰度

抗生素降解菌Geobacter在SBR-CK、SBR-Fe和SBR-C中的相对丰度分别为1.0%、1.7%和1.8%,投加磁粉和粉末活性炭时相对丰度高于未投加时,改良工艺有相对较高丰度的Geobacter属参与磺胺嘧啶降解,这表明在SBR改良工艺中除了吸附作用,生物降解在抗生素去除中也起到了关键作用。Xiao等[31]研究结果显示,Fe3O4纳米颗粒可增强Geobacter属的抗生素降解性能。本研究采用的磁粉主要组成为Fe3O4(尺寸为200目),投加磁粉可能有助于Geobacter降解磺胺嘧啶,进而提高了SBR-Fe对磺胺嘧啶的去除率。

3 结论

本研究结果表明,通过向SBR中分别投加磁粉和粉末活性炭构建改良工艺可以实现对海水养殖废水中的氮和磺胺嘧啶的有效去除。3个SBR中悬浮污泥的微生物群落结构和功能菌群有明显差异。

(2)SBR改良工艺更有利于反硝化菌Pseudoalteromonas的富集(30.2%～43.5%),投加粉末活性炭时Aliiroseovarius和Moraxella的相对丰度较高,分别为8.9%和25.0%。投加磁粉丰富了AOB种类和提高了总DNB相对丰度,这从分子生物学角度解释了SBR-Fe中TIN去除率最高的原因。

(3)3个SBR中主要脱氮途径为异养反硝化。SBR-CK中磺胺嘧啶的去除依赖于Geobacter属的生物降解,SBR改良工艺中磺胺嘧啶的去除途径为吸附和Geobacter生物降解。