高含盐废水的种类很多, 石油、页岩气开采, 电镀、制药、印染、发酵工业、海产品加工废水等都含有较高浓度的无机盐组分如Cl-等.生物处理方法是目前广泛采用的高盐废水处理方法, 虽然高含盐废水中较高的盐度会影响生物处理的效果, 但若采用其他的方法, 如膜分离等技术则成本较高, 所以生物处理仍是首选的处理方法.盐度影响生物处理效果的主要原因在于：在生物处理方法中, 主要是利用活性污泥或生物膜、颗粒污泥中微生物的新陈代谢来吸附降解废水中的污染物, 而高盐度会引起高渗透压, 使微生物细胞脱水, 同时也会抑制微生物降解有机物的反应效率, 从而影响生物处理方法的效果.因此, 在处理高含盐废水时应当选择能够耐受高盐度影响的生物反应器.
迄今为止, 已进行过盐度影响实验研究的生物反应器有膜生物反应器、移动床生物膜反应器、升流式厌氧污泥床(up-flow anaerobic sludge blanket, UASB)反应器、上流式厌氧生物滤池反应器、EGSB反应器等, 由于颗粒污泥在盐度负荷冲击下能够体现出更高的适应能力, UASB等能够培养出厌氧颗粒污泥的生物反应器得以在处理高含盐废水时有更多的应用研究, 但同时从反应器处理效果和微生物角度分析研究较少. EGSB是在UASB基础上发展起来的第三代厌氧反应器, 与UASB相比有更好的运行效果.本次研究利用模拟的高盐度废水, 从盐度影响下EGSB反应器的运行效果和厌氧颗粒污泥两个方面进行分析比较, 并对厌氧颗粒污泥做高通量测序, 以期为EGSB反应器应用于高含盐工业废水的实际处理提供参考的实验数据.
1 材料与方法1.1 实验装置
实验用EGSB反应器由圆筒形有机玻璃制成, 总高1.4 m, 内径0.12 m, 总容积为15.52 L, 有效容积为15.18 L.回流口在距反应器底部1.19 m的位置, 三相分离器圆环挡板距离顶部0.16 m, 三相分离集气罩呈圆锥形, 底部直径0.1 m, 顶部直径0.03 m, 高0.08 m, 排气通道高0.07 m, 集气罩、排气通道和EGSB反应器上盖密闭.投加颗粒污泥于反应器中, 进水和回流分别通过蠕动泵从反应器底部进入.颗粒污泥、沼气、废水三相在反应器中混合, 随着水流上升至三相分离器, 沼气进入集气罩, 而大部分废水通过集气罩与挡板间的缝隙进入出水区, 颗粒污泥由于重力作用, 在遇到挡板和集气罩壁后, 下降至污泥层, 因此能很好地实现气、液、固的三相分离.
1.2 实验用水
人工配置的模拟高盐废水用于本次实验, 通过进水中逐渐增加的盐度对EGSB反应器进行驯化.人工配水主要由葡萄糖、NH4Cl、KH2PO4、NaHCO3、NaCl和营养液配制而成, 葡萄糖、NH4Cl、KH2PO4分别作为人工配水中微生物生长代谢所必须的C、N、P源, 三者的投加量比例为C:N:P=250:5:1, 后期调整为125:5:1.采用NaCl提供人工配水中的盐度, 对微生物进行盐度驯化, 其投加量逐渐由0增加到7500 mg ·L-1.营养液中包含微生物生长所需要的微量元素, 其组成成分详见表 1.
表 1 营养与组成成分
1.3 分析项目及方法
COD采用快速测定法, 测定仪器为5B-3(C)型COD快速测定仪(中国连华科技); 湿式气体流量计用于计量沼气产量; 颗粒污泥粒径分布用湿式筛分法测定; 颗粒污泥沉降速度采用重量沉降法.
厌氧颗粒污泥高通量测序：按照OMEGA公司的E. Z. N. ATM Mag-Bind Soil DNA Kit试剂盒说明书中的步骤提取厌氧颗粒污泥微生物中的DNA, 用琼脂糖凝胶检测DNA完整性.细菌PCR扩增采用引物为341F:CCCTACACGACGCTCTTCCGATCTG(barcode)CCTACGGGNGGCWGCAG, 805R:GACTG GAGTTCCTTGGCACCCGAGAATTCCAGACTACHVG GGTATCTAATCC.古菌引用槽式PCR扩增有三轮, 第一轮使用引物为340F：CCCTAYGGGGY GCASCAG, 1000R：GGCCATGCACYWCYTCTC, 第二轮引物为349F：CCCTACACGACGCTCTTCCGATCTN(barcode) GYGCASCA G KCGMGAAW, 806R：GAC TGGAGTTCCTTGGCACCCGAGAATTCCAGGACTACV SGGGTATCTAAT, 第三轮扩增, 引入Illumina桥式PCR兼容引物. PCR结束后, 将PCR产物进行琼脂糖电泳检测, DNA纯化回收, 利用Qubit2.0 DNA检测试剂盒对回收的DNA精确定量, 以方便按照1 :1的等量混合后测序.委托生工生物工程(上海)股份有限公司进行Illumina MiSeq高通量测序, 测序数据通过质量控制预处理, 去除嵌合体及靶区域外序列后, 在OTU聚类结果的基础上进行RDP分析.预处理采用的软件为Prinseq(版本0.20.4) 与FLASH(版本1.2.3), 去除嵌合体及靶区域外序列采用的软件为Mothur(版本1.30.1), 分类采用的软件为RDP classifier.
1.4 实验方法
实验通过调整EGSB反应器进水中Cl-的浓度来增加反应器盐度负荷, 在0盐度下连续启动反应器后分4个阶段逐步提高进水中Cl-的浓度, 各阶段进水中Cl-浓度依次为2000、3500、5000和7500 mg ·L-1.在每个阶段测定反应器的进出水COD值、容积产气率、厌氧颗粒污泥的粒径分布和沉降速度.对Cl-浓度为0和5000 mg ·L-1两个阶段的厌氧颗粒污泥进行高通量测序和宏基因组分析.
接种的厌氧颗粒污泥来自于某饮料生产企业的污水处理站UASB反应器中形成的颗粒污泥, 接种颗粒污泥体积占EGSB反应器总容积的50%.反应器水力停留时间(hydraulic retention time, HRT)为24 h, 回流比R为6 :1, 反应器温度使用电阻丝温控器控制在(35±2)℃, 进水pH值维持在6.8~7.2, 进水COD浓度维持在3267mg ·L-1, COD容积负荷为3.267kg ·(m3 ·d)-1.
2 结果与讨论2.1 盐度对COD降解的影响
EGSB反应器在控制进水COD浓度、进水COD容积负荷、pH等因素基本不变的运行条件下受不同盐度(以Cl-浓度计)影响, COD降解效率的变化情况如图 1所示.
图中a、b、c、d、e这5个部分的进水Cl-浓度依次为0、2000、3500、5000、7500 mg ·L-1, 在反应器启动后的114 d Cl-浓度曾调整为10000 mg ·L-1, 随即停止进水, 3 d后又恢复到7500 mg ·L-1(图中以虚线标示), 下同
图 1 COD降解效率的变化
Cl-浓度低于7500 mg ·L-1时EGSB反应器的COD降解效率受到的影响不大, 适当地提高盐度更能促进COD的降解, 这一点与刘峰等[11]的上流式厌氧生物滤池实验结果相似.反应器完成启动后, COD平均去除率为76.2%, 出水的COD平均浓度为699.2 mg ·L-1.当进水的Cl-浓度为2000 mg ·L-1, COD去除率略有降低, 但与前一阶段相比仍有升高, 且仍然呈增长趋势, 平均去除率为79.2%, 出水的COD平均浓度为678.25mg ·L-1.当进水的Cl-浓度提升到3500 mg ·L-1, 反应器的COD去除率未受到显著影响, 持续升高, 平均去除率达到87.7%, 出水的COD平均浓度为401.9mg ·L-1.反应器在2500 mg ·L-1和3000 mg ·L-1的Cl-浓度下COD去除率都能保持较快的增长速率, 并且在3500 mg ·L-1的Cl-浓度下去除率增长比前一阶段更快.反应器运行的第51 d开始, 进水的Cl-浓度增加到5000 mg ·L-1, 反应器COD去除率有所降低, 但仍然能维持在80%以上, 整个阶段中COD去除率在波动中逐渐上升, COD平均去除率为90.5%, 出水COD平均浓度为307.1mg ·L-1; 考虑到出水COD浓度波动较大, COD去除率应有进一步提高的空间, 在反应器运行第91 d对进水条件做出调整, 将进水中N、P浓度增加一倍，为反应器中微生物增加氮源磷源的供应.当进水的Cl-浓度进一步调整到7500 mg ·L-1, 反应器的COD平均去除率为98.1%, 没有明显波动, 出水的COD平均值为61.08mg ·L-1; 因为COD去除率在7500 mg ·L-1的进水Cl-浓度下没有受到影响, 在反应器启动的第114 d曾一度将进水Cl-浓度提升到10000 mg ·L-1, 但在调整次日EGSB反应器中的厌氧颗粒污泥即出现了严重的上浮流失现象, 随即停止进水, 2 d后将进水Cl-浓度恢复为7500 mg ·L-1.由于调整及时, 在此期间的COD降解并未受到很大影响, 反应器也很快恢复如前.在5000 mg ·L-1的Cl-浓度下, EGSB反应器经过接近2个月的驯化后COD的降解能力还能进一步提高, Cl-浓度达到7500 mg ·L-1时, 反应器的COD去除率能够不受影响稳定维持在最高水平.
2.2 盐度对容积产气率的影响
容积产气率主要反映了厌氧反应器的产沼气情况, 其在很大程度上反映了厌氧反应器的有机物降解情况.
当进水Cl-浓度在7500 mg ·L-1以下时, 反应器的容积产气率随盐度的提升会在出现一定的波动后逐渐提升, 最终稳定维持在一个较高水平.从图 2可以看出, 在a、b段, 反应器的容积产气率都比较稳定, 没有太大变化, 平均为0.91 m3 ·(m3 ·d)-1. 42 d后, 随着Cl-浓度增大到3500 mg ·L-1, 容积产气率波动很大, 但整个阶段的平均值比前一阶段有增长, 为1.19 m3 ·(m3 ·d)-1; 结合同阶段COD去除率的变化可见, 与整体的厌氧消化过程相比, 产甲烷过程对盐度的变化更敏感.当Cl-浓度为5000 mg ·L-1, 反应器的容积产气率在初期有下降趋势, 在延长驯化时间并调整进水N、P浓度后, 容积产气率又逐渐上升, 整个阶段的平均值为1.39 m3 ·(m3 ·d)-1; 这个阶段的变化趋势与COD去除率的变化相近.在图中e段, 反应器的容积产气率在7500 mg ·L-1的Cl-浓度下略有下降, 经过一段时间驯化后, 反应器的容积产气率又逐渐回复到原来的水平, 维持在1.63 m3 ·(m3 ·d)-1左右.
图 2 容积产气率的变化
反应器的容积产气率受到盐度影响的变化情况与COD降解的变化情况比较相似, 在盐度提升时会受一定影响, 而持续驯化一段时间后又逐渐恢复并能在原有水平上进一步提高; 不同的是盐度变化对产气的影响更大, 在图 2中容积产气率的数据波动很大, 不如COD降解率的变化平稳.
2.3 盐度对厌氧颗粒污泥的影响
在反应器运行的不同阶段分别取样测定了反应器中厌氧颗粒污泥的粒径分布与沉降速度参数, 粒径分布与沉降速度能够体现颗粒污泥整体状态与降解性能, 作为反应器内厌氧污泥的主体, EGSB反应器中颗粒污泥的状态是反应器运行效果的关键, 颗粒污泥的状态与特性影响着厌氧反应器的处理效率、体系活性及系统稳定性等.
从图 3及表 2可以看出, 在盐度冲击下, 大颗粒污泥受到影响解体为小颗粒污泥, 使小颗粒污泥所占的比重上升.当Cl-浓度增加到7500 mg ·L-1且短暂调至10000 mg ·L-1后, 粒径在0.9~0.6 mm的颗粒污泥大量解体成为粒径小于0.6 mm的微小颗粒污泥, 与前面的几个运行阶段相比变化较大.在徐英博等的实验中, 颗粒污泥的粒径分布在高负荷下也表现出相同的变化, 分析其原因为大颗粒污泥中微生物较为丰富, 结构复杂, 生长优势明显, 而0.9~0.6 mm颗粒污泥较易受影响出现解体, 粒径减小.在其他较低盐度下, 颗粒污泥粒径分布变化可以保持在一个较小范围内. Cl-浓度在0~7500 mg ·L-1变化时, 粒径大于2 mm的大颗粒污泥所占的质量分数始终在50%以上, 并且在Cl-浓度调整到3500 mg ·L-1后, 粒径大于2 mm的大颗粒污泥所占的质量分数还有较低增幅, 可见颗粒污泥在这个等级的盐度负荷下适应良好.
图 3 厌氧颗粒污泥照片
表 2 厌氧颗粒污泥粒径分布(质量分数)/%
如图 4所示, 同等粒径范围内厌氧颗粒污泥的沉降速度受盐度影响不大, 粒径大于0.9 mm的颗粒污泥的沉降速度始终在60 m ·h-1以上, 除粒径大于2 mm的颗粒污泥外的其他粒径较小的颗粒污泥的沉降速度都有一定的提升.研究表明, 废水浮力随盐度增加而提升, 导致高含盐量的体系可以在系统中保留更为密实的颗粒污泥, 而大颗粒污泥内部容易营养不足引起细胞自溶形成空腔, 从而密度下降, 影响沉降速度.
图 4 颗粒污泥沉降速度的变化
2.4 盐度对微生物群落多样性的影响
为进一步分析盐度对厌氧颗粒污泥体系中微生物群落多样性的影响, 分别对Cl-浓度为0和5000 mg ·L-1两个反应器运行阶段的厌氧颗粒污泥进行高通量测序和宏基因组分析, 表 3、4及图 5、6分别展示了2个阶段中古菌和细菌在门水平和属水平分类层面上的类群分布情况.
表 3 古菌门水平类群分布
表 4 细菌门水平类群分布
图 5 古菌属水平类群分布
图 6 细菌属水平类群分布
在盐度的影响下, 微生物群落的优势菌群变化很大. Cl-浓度为0时, 古菌中的优势菌属是Methanoregula与Methanothrix, 分别占总数的50.01%与32.59%, 而当Cl-浓度达到5000 mg ·L-1, 占据优势的菌属则是Methanobacterium(57.5%), Methanospirillum(21.9%)和Methanothrix(13.91%). Methanoregula属于广古菌门(β-Euryarchaeota)甲烷微菌目(β-Methanomicrobiales), 主要代谢底物是H2、CO2. Methanothrix之前曾用名是Methanosaeta, 属于专性乙酸营养型产甲烷古菌, 有研究显示Methanosaeta适于在高负荷下生长. Methanobacterium属于广古菌门甲烷杆菌目(β-Methanobacteriales), 可以利用H2、甲酸盐、甲醇等底物生产甲烷, Methanospirillum属于广古菌门甲烷微菌目, 其主要代谢底物为甲酸. Methanoregula, Methanothrix, Methanobacterium, Methanospirillum等都是厌氧消化器中常见的产甲烷菌属.
在细菌群中, Cl-浓度为0时的门水平上的主要菌群是β-Chloroflexi(23.86%), β-Proteobacteria(18.99%), β-Bacteroidetes(11.27%), 当Cl-浓度达到5000 mg ·L-1, 占据主体的菌群则变为β-Bacteroidetes(29%), β-Proteobacteria(23.17%)和β-Firmicutes(18.06%).在属水平上没有特别优势的菌属, 在两个不同阶段优势最大的细菌分别是Longilinea(7.49%)与Paludibacter(7.69%). Longilinea属于绿弯菌门(β-Chloroflexi)的厌氧绳菌目(β-Anaerolineales), 可代谢多种碳水化合物. Paludibacter属于拟杆菌门(β-Bacteroidetes)的紫单胞菌科(β-Porphyromonadaceae), 能发酵多种单糖和二糖产丙酸、乙酸和少量丁酸.当Cl-浓度为0时, 在细菌的测序分析中发现了古菌的β-Euryarchaeota, 因为细菌与古菌的16S rDNA基因序列有较高的同源性, 在对细菌测序分析时也有可能发现古菌, β-Euryarchaeota在Cl-浓度达到5000 mg ·L-1时在细菌的测序中不再占据优势, 表明盐度的增高影响了古菌的生长.具体参见污水宝商城资料或http://www.dowater.com更多相关技术文档。
3 结论
(1) 在COD容积负荷为3.267kg ·(m3 ·d)-1的运行条件下, EGSB反应器在Cl-浓度小于7500 mg ·L-1时运行效果较好, 随着Cl-浓度的提高, 反应器运行效果基本表现出波动后提升的变化.最终Cl-浓度在7500 mg ·L-1时, 反应器的COD平均去除率在98.1%, 容积产气率能够基本稳定在1.3 m3 ·(m3 ·d)-1以上.在盐度驯化后, 适当提高盐度能够提高反应器的运行效果.
(2) 保持反应器COD容积负荷为3.267kg ·(m3 ·d)-1, 反应器中的厌氧颗粒污泥对于0~7500 mg ·L-1范围内的Cl-浓度体现出良好的适应性, 大颗粒污泥在盐度提升的影响下仍然占据反应器颗粒污泥的主体, 而在Cl-浓度短暂提升到10000 mg ·L-1的冲击下, 粒径较小的颗粒污泥容易受到影响, 出现解体现象.同等粒径范围内厌氧颗粒污泥的沉降性能在高盐废水的影响下有小幅度的提升, 并且大颗粒污泥的沉降速度保持在60 m ·h-1以上.
(3) 盐度影响了厌氧颗粒污泥中微生物的类群分布, 群落中优势菌群的变化很大.当Cl-浓度由0增加到5000 mg ·L-1, 古菌群中的优势菌群由Methanoregula(50.01%)和Methanothrix(32.59%)变为Methanobacterium(57.5%), Methanospirillum(21.9%)和Methanothrix(13.91%); 细菌群中, 原本数量较多的Longilinea(7.49%)受盐度影响丰度降低, Paludibacter(7.69%)成为占据优势的菌群.
