盐度对悬浮填料式SBR工艺处理性能及微生物群落的影响_吴亮.pdf
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1、DOI:10.19965/ki.iwt.2022-0370第 43 卷第 3 期2023年 3 月Vol.43 No.3Mar.,2023 工业水处理Industrial Water Treatment150盐度对悬浮填料式SBR工艺处理性能及微生物群落的影响吴亮,杨英,李卫华,程晓蕾,程志龙,周语桐,张田田(安徽建筑大学环境与能源工程学院,安徽合肥 230601)摘要 为探究不同盐度对悬浮填料式 SBR工艺处理性能以及悬浮填料上附着微生物群落结构的影响,在进水盐度为 0、5、10、15 g/L的 4个梯度下,对 SBR1(对照组,不添加填料)和 SBR2(添加 30%有效容积的悬浮填料式 S
2、BR工艺)2组工艺的 COD 和 NH4+-N 去除性能进行研究,并采用 16S rRNA 高通量测序技术分析了悬浮填料中微生物的群落特征。实验结果表明:当盐度从 0增加至 15 g/L 时,SBR1系统 COD 和 NH4+-N 平均去除率分别从 92.6%、92.5%降至 64.7%、68.2%,SBR2则是从 96.0%、94.2%降至 67.8%、73.8%,2个系统 COD、NH4+-N 的平均去除率均受到盐度影响而下降,且相比于 COD,系统对 NH4+-N的降解效果更好,此外,SBR2系统对 COD、NH4+-N的去除效果始终强于SBR1系统;悬浮填料上附着微生物中主要优势门为变
3、形菌门和拟杆菌门,其相对丰度维持在 77%以上;Epsilonbacteraeota的丰富度随着盐度的升高呈明显的上升趋势;随着盐度的增加,悬浮填料上微生物的群落多样性逐渐减少,但在中间盐度(5 g/L)时微生物的丰富度会增加。研究从微生物群落特征的角度,探讨了盐度渐增对微生物群落结构和多样性的影响,可为高盐胁迫下悬浮填料式 SBR系统中 COD和 NH4+-N的去除机制研究提供参考。关键词 悬浮填料;SBR工艺;盐度;多样性;丰富度中图分类号 X832 文献标识码 A 文章编号 1005-829X(2023)03-0150-08Effects of salinity on treatment
4、 performance and microbial community of suspended carrier SBRWU Liang,YANG Ying,LI Weihua,CHENG Xiaolei,CHENG Zhilong,ZHOU Yutong,ZHANG Tiantian(School of Environment and Energy Engineering,Anhui Jianzhu University,Hefei 230601,China)Abstract:In order to explore the effect of salinity on the perform
5、ance of suspended packing SBR process and the microbial community structure attached to suspended packing,the removal performance of COD and NH4+-N in SBR1(control group without filler)and SBR2(suspended filler SBR process with 30%effective volume)processes was studied under four gradients influent
6、salinity of 0,5,10,15 g/L.The characteristics of microbial community were analyzed by 16S rRNA high-throughput sequencing technology.Experiments results showed that,salinity reduced the removal performance of COD and NH4+-N in SBR system.When salinity increased from 0 to 15 g/L,the removal rates of
7、COD and NH4+-N in SBR1 system decreased from 92.6%and 92.5%to 64.7%and 68.2%,respectively,and that of SBR2 decreased from 96.0%and 94.2%to 67.8%and 73.8%.The average removal rates of COD and NH4+-N in the two systems were inhibited by salinity,and compared with COD,NH4+-N had better degradation effe
8、ct,and the removal effect of SBR2 system was always better than that of SBR1 system.Proteobacteria and Bacteroidetes were the dominant phyla,and their relative abundance was more than 77%.The abundance of Epsilonbacteraeota showed an obvious upward trend with the increase of salinity,and it was suit
9、able for the growth and reproduction of salt-tolerant bacteria in high salinity environment.The community diversity of microorganisms on the suspended filler decreased with increasing salinity,but their richness increased in microorganisms at intermediate salinity(5 g/L).From the perspective of micr
10、obial community characteristics,this study discussed the effects of increasing salinity 基金项目 国家自然科学基金项目(51978003);安徽省重大科技专项(201903a06020034)开放科学(资源服务)标识码(OSID):151工业水处理 2023-03,43(3)吴亮,等:盐度对悬浮填料式 SBR工艺处理性能及微生物群落的影响on microbial community structure and diversity,which could provide reference for the s
11、tudy of COD and NH4+-N removal mechanism in suspended carrier SBR system under high salt stress.Key words:suspension packing;SBR process;salinity;diversity;richness近年来,人们发现海产品加工、石化、农业、制药、制革、纺织、食品等行业产生的废水中含盐量较高1-2。含盐废水未经有效处理就不受管制地排放到水体中可能会引起淡水盐度的变化、土壤和地下水的污染、农作物的严重损害、湖泊的富营养化等环境问题,严重威胁水生生物和人类健康3-5。目前,
12、国内外主要采用物化工艺、生物工艺、生物强化技术对高盐废水进行处理6。间歇 式 活 性 污 泥 法(Sequencing batch reactor process,SBR)作为生物处理法的一种,因其处理效率高、操作简单、运行成本低、占地面积小,并且不容易出现污泥膨胀的特点,被广泛应用于高盐废水的处理7-8。H.MIRBOLOOKI 等9在 SBR 中利用活性污泥微生物处理含盐纺织废水,发现当盐度高于5 g/L 时反应器中的微生物活性会受到影响,盐度从500 mg/L 增 加 到 10 000 mg/L 时,COD 去 除 率 由80.71%降低至 14.92%。O.LEFEBVRE 等10发现
13、,通过在 SBR 中接种嗜盐微生物可以有效地处理高盐度(120 g/L)的农业食品废水,接种后的 SBR 反应器中 COD和总凯氏氮的去除率分别达到 83%、72%。Yuanyuan ZHAO 等11使用 SBR 处理含盐废水时发现,当废水中盐质量分数从 1%增加到 2%时 COD去除率由97%降至80%,当盐质量分数从1%增加到3%时 NH4+-N和 TP的去除率均从 95%分别降至 56%和70%。生物法处理高盐废水的效果取决于活性污泥微生物的生长情况,SBR中悬浮生长的污泥暴露在高盐环境下时,污泥中微生物活性会被抑制,导致其对COD、氨氮的去除效果急剧下降。在高盐环境下增加生物量、提高生
14、物多样性和固定耐盐菌,是提高 SBR系统处理效果的有效措施12。为此常采用添加悬浮填料的方式对 SBR系统进行强化。但是关于悬浮填料式SBR工艺处理高盐废水的研究较少,对于悬浮填料生物膜附着微生物群落结构和多样性的研究更是寥寥无几。而微生物群落结构和多样性对于反映反应器污染物降解性能和微生物优势菌种十分重要,有助于研究人员更有针对性地优化处理工艺,提高去除效果。本研究向 SBR 内投加悬浮填料,在不同盐度下培养驯化附着于填料表面的微生物,考察添加悬浮填料前后盐度对 SBR 中 COD 和 NH4+-N 去除效果的影响,运用高通量测序技术对悬浮填料附着的微生物群落进行分析,以期更好地了解盐度对微
15、生物群落的影响并为耐盐优势菌种的选择提供参考。1 材料与方法1.1反应器的运行实验装置如图 1 所示,设置 SBR1、SBR2 2 组实验,都分别在有效容积为 4 L 的 SBR 反应装置中进行。SBR1为对照组,其装置里不添加悬浮填料,进水为人工模拟高盐废水,盐度以氯化钠(NaCl)质量浓度计,设置 0、5、10、15 g/L 4个盐度梯度。SBR2为实验组,其装置里添加30%有效容积的聚氨酯(PUF)生物悬浮填料,进水也为人工模拟高盐废水,盐度梯度同SBR1。反 应 器 内 温 度 控 制 在 2530。SBR1 和SBR2 每天运行 2 个周期,每周期时长 12 h,进水、好氧、缺氧、沉
16、淀、出水时间分别为0.5、6.5、3.5、1、0.5 h。1.2实验污泥及水质实验所用活性污泥取自中国合肥经济开发区污水处理厂二沉池,初始污泥质量浓度约为 4 800 mg/L。实验用水为人工配水,水质如表 1和表 2所示。1.3耐盐菌的驯化和水质分析方法实验按活性污泥与人工配水体积比为 3 5配制4 L 的溶液于反应器中,人工配水初始盐度为 0,待连续 6个周期内污泥沉降性能良好,COD、NH4+-N去除稳定后,将盐度逐步增加至 5、10、15 g/L,SBR1 和图 1实验装置Fig.1 Experimental setup试验研究工业水处理 2023-03,43(3)152SBR2 系统
17、总计驯化时间分别为 73 d 和 82 d。本实验未达稳定期时每天第 2 个周期收取 2 个反应器进出水,达稳定期的前 3 天连续取 6 个周期的进出水,使用纳氏试剂分光光度法13测定水样中 NH4+-N,快速消解分光光度法14测定水样 COD。1.416S rRNA高通量测序在每个盐度梯度下待NH4+-N、COD的去除稳定时,从 SBR2 中取出若干填料样品,用超纯水清洗填料,然后置于灭菌的离心管离心,得到微生物膜固体样品,分别记为N0、N1、N2、N3,存放于-80 冰箱,随后进行16S rRNA高通量测序分析(High-throughput sequencing)15。采用带有标记的特异
18、引物进行16S V4区域扩增,特异引物是 515F(5-GTGCCAGMGCCGCGG-3)和 806R(5-GGACTACHVGGGTWTCTAAT-3)16。测序实验流程见图 2。对所有样品拼接后的 clean tags进行聚类(相似性为 97%),生成 OTU(Operational taxonomic unit),并选取 OTU 的代表性序列,得到分类学综合信息表(OTU-table),同时基于OTU的绝对丰度及注释信息,分别统计各个样品在门(Phylum)和属(Genus)水平上的序列构成情况,并依据该数据绘制组成结构柱状图。根据 OTU-table中各样品的 OTU数目信息,统计O
19、TU在不同样品中出现的情况绘制韦恩图,并计算不同样品的多样性指数,绘制多样性表。2 结果与分析2.1盐度对 COD和 NH4+-N去除率的影响盐度对 SBR1、SBR2 系统去除 NH4+-N 的影响分别见图 3(a)、3(b)。由图 3(a)可知,SBR1 系统总计运行 73 d,各盐度水平下分别在第 7、24、45、73天达到稳定,稳定时污泥混合液悬浮固体浓度(MLSS)17分别维持在4 670、4 350、3 920、3 450 mg/L 左右(连续 3 d 检测值,以下同),并且连续 6个周期 COD 和 NH4+-N的去除 率 维 持 在 97%、85%、72%、69%和 98%、8
20、8%、81%、74.5%左右;由图 3(b)可知,SBR2 系统总计运行 82 d,第 14 天后聚氨酯填料内部形成大量生物膜,絮体密实,填料外侧也有少量生物膜生成,镜检发现大量菌胶团、累枝虫、钟虫,故判断挂膜成功,之表 1人工配水成分Table 1 Simulated water composition营养元素碳源氮源磷源微量元素药品名称葡萄糖氯化铵磷酸二氢钾微量元素溶液质量浓度/(mgL-1)7001003010780.5表 2微量元素溶液成分Table 2 Composition of trace element solution药品名称碘化钾氯化铁氯化钴硼酸四水氯化锰硫酸锌钼酸钠硫酸铜
21、乙二胺四乙酸二钠质量浓度/(mgL-1)181501515121263100图 2测序流程图Fig.2 Sequencing flow chart图 3SBR1(a)和 SBR2(b)系统中 COD、NH4+-N去除率的变化Fig.3 Changes in the removal rates of COD and NH4+-N in the SBR1(a)and SBR2(b)systems153工业水处理 2023-03,43(3)吴亮,等:盐度对悬浮填料式 SBR工艺处理性能及微生物群落的影响后根据稳定情况,在第 21、36、56天将盐度提升至 5、10、15 g/L,各盐度下稳定时填料挂
22、膜生物量18分别维持在 2 540、2 670、2 510、2 360 mg/L 左右,并且连续 6 个周期 COD 和 NH4+-N 的去除率维持在 97%、88%、78.5%、74.5%和 95.5%、93%、84%、79.5%左右。在 0、5、10、15 g/L盐度下,SBR1、SBR2系统达到稳定状态所需的时间都逐渐增长,这表明盐度会影响 SBR系统对污染物(COD和 NH4+-N)的去除性能,盐度越高影响越大。此外,从 图 3 还 可 以 看 出 SBR1 和 SBR2 系 统COD、NH4+-N 的去除效果均随着盐度的增加呈总体下降趋势,每增加一个盐度梯度时去除率都会产生较大的波动
23、,随着微生物不断驯化去除率又逐渐恢复至平稳状态。当盐度为 15 g/L时 SBR1和 SBR2系统分别在第 73 天和第 82 天 COD 去除率降到 68.7%、74.9%,NH4+-N去除率则是降到 74.8%、79.9%。由此可见,盐度越高对微生物降解COD、NH4+-N抑制作用越大,即盐度与 COD去除率和 NH4+-N去除率呈现负相关关系,这与Yujuan Chen等16研究结果相似,其原因可能是由于盐度提高,微生物细胞的渗透压增大,细胞脱氢酶的活性降低,导致活性污泥系统受到冲击,部分微生物由于无法适应高盐环境而死亡,对污染物的处理效果减弱19。此外,在 10、15 g/L盐度下,相
24、比于 COD,系统对 NH4+-N 的降解效果更好,SBR1和 SBR2 系统的 NH4+-N 去除率均大于 COD 去除率。这可能是因为硝化细菌和反硝化细菌对盐度的耐受性强,盐度增加使该类细菌在菌落中占据优势地位。对各盐度下 COD 和 NH4+-N 的平均去除率进行计算,结果见图 4。由图 4 可 知,不 同 阶 段 SBR2 系 统 对 COD 和NH4+-N 的平均去除率均高于 SBR1 系统相应的值。当盐度从 0增加至 15 g/L时,SBR1系统 COD、NH4+-N平 均 去 除 率 从 92.6%、92.5%降 至 64.7%、68.2%,SBR2系统 COD、NH4+-N平均
25、去除率从 96.0%、94.2%降至 67.8%、73.8%,经计算此盐度范围内 SBR1 比SBR2系统的 COD、NH4+-N平均去除率下降幅度约分别增加 4.2、4.0个百分点。以上均说明 SBR2系统对高盐废水有更好的处理效果,即向SBR中投加悬浮填料能够增加它的抗冲击负荷能力,原因可能是悬浮填料表面附着了大量的微生物,SBR2反应器内的生物多样性和丰富度增加并形成了稳定的生物膜系统,大大加强了生物的抗逆性20-21。从图 4还可以看出,COD、NH4+-N 的去除曲线斜率逐渐减小,10 g/L 到15 g/L盐度阶段减小最为明显,这表明微生物得到了有效驯化,耐盐菌增加,系统对盐度的敏
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