环丙沙星对短程硝化-厌氧氨氧化工艺脱氮效能的影响.pdf
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1、第37 卷第5期2023年9 月文章编号:16 7 1-3559(2 0 2 3)0 5-0 559-0 6济南大学学报(自然科学版)Journal of University of Jinan(Science and Technology)Vol.37 No.5Sept.2023D0I:10.13349/ki.jdxbn.20230327.001环丙沙星对短程硝化-厌氧氨氧化工艺脱氮效能的影响许会学1,薛晓东,司光超,张馨文!,冯(1济南大学水利与环境学院,山东济南2 50 0 2 2;2.山东省环境保护科学研究设计院有限公司,山东济南2 50 0 13)马锐,魏东1摘要:为了研究不同浓度的
2、氟喹诺酮类抗生素环丙沙星对短程硝化-厌氧氨氧化工艺的脱氮效能的影响,采用连续流式反应器进行分阶段长期实验;采用紫外分光光度法、高效液相色谱法及三维荧光光谱法,对不同阶段反应器的脱氮效能、环丙沙星去除率及可溶性微生物产物荧光特性进行表征。结果表明:当环丙沙星的质量浓度为0.1mg/L时,反应器出水硝态氮的质量浓度由2 8.7 1mg/L增至4 4.2 8 mg/L,一段时间后恢复稳定;反应器对环丙沙星的耐药性逐渐增强,恢复稳定期不断缩短;环丙沙星能够改变微生物物种丰富度和多样性以及各属的相对丰度。关键词:生物脱氮;短程硝化-厌氧氨氧化工艺;环丙沙星;微生物群落结构;毒性评价中图分类号:X523文
3、献标志码:AEffects of Ciprofloxacin on Operation Efficiency ofPartial Nitritation-Anammox Process开放科学识别码(OSID码):XU Huixue,XUE Xiaodong”,SI Guangchao,ZHANG Xinwen,FENG Rui,WEI Dong(1.School of Water Conservancy and Environment,University of Jinan,Jinan 250022,Shandong,China;2.Shandong Academy of Environme
4、ntal Science Co.,Ltd.,Jinan 250013,Shandong,China)Abstract:To investigate effects of fluoroquinolone antibiotic ciprofloxacin with different concentrations on nitrogen removalefficiency of partial nitrification-anammox process,a continuous flow reactor was used to carry out a long-term experimentin
5、stages.Nitrogen removal efficiency,ciprofloxacin removal rate,and fluorescence characteristics of soluble microbialproducts in different stages of the reactor were characterized by using ultraviolet spectrophotometry,high performanceliquid chromatography,and three-dimensional fluorescence spectromet
6、ry.The results show that when the mass concentra-tion of ciprofloxacin is 0.1 mg/L,the mass concentration of nitrate nitrogen in effluent water of the reactor increases from28.71 mg/L to 44.28 mg/L,and returns to stability after a period of time.Drug resistance of the reactor to ciprofloxacinincreas
7、es gradually,and the period of recovery and stability is shortened continuously.Ciprofloxacin can change richnessand diversity of microbial species as well as relative abundance of each genus.Keywords:biological removal of nitrogen;partial nitrification-anammox process;ciprofloxacin;microbial commun
8、itystructure;toxicity assessment目前,畜禽养殖行业污染是广受关注的农业面源污染之一。饲料中通常会加入一定量的抗生素用收稿日期:2 0 2 2-0 6-14基金项目:国家自然科学基金项目(52 2 7 0 0 7 1)第一作者简介:许会学(1997 一),女,山东济南人。硕士研究生,研究方向为水污染监测与控制工程。E-mail:10 30 7 54 57 6 q q.c o m。通信作者简介:魏东(198 5一),男,山东济南人。副教授,博士,硕士生导师,研究方向为水污染控制。E-mail:w e i d o n g 50 6 16 3.c o m。网络首发地址:
9、https:/ 0 2 3-0 3-2 7 T15:03:41560进而对污水厂的稳定运行带来一定影响1,因此开展抗生素对污水处理厂运行效能的影响评价具有重要的研究意义。短程硝化-厌氧氨氧化(PN/A)工艺是一种新型生物脱氮技术,用于有效处理高含量氨氮废水,与传统生物脱氮工艺相比,具有大幅减少耗氧量和无需碳源消耗的优势2 。通常,厌氧氨氧化菌(AnAOB)对抗生素十分敏感,例如四环素类、大环内酯类和氟喹诺酮类等。其中,环丙沙星(CIP)是一种通过抑制革兰氏阴性菌的脱氧核糖核酸(DNA)转录和复制抑制微生物的活性的一种氟喹诺酮类抗生素3,具有抗菌谱广、抗菌性强、药效好和易于吸收等优点,在养殖行业
10、中应用广泛4 。近年来,在污水处理厂中频繁检测到各类抗生素,对脱氮工艺造成一定的影响,因此,本文中考察CIP对PN/A工艺运行效能影响,对于推广PN/A工艺具有重要意义。1材料与方法1.1实验装置与运行方法PN/A反应器采用上流式运行模式,顶部设有滤网进行泥水分离(见图1)。反应器内径和高度分别为12、30 cm,有效容积为3.4 L。实验过程中,反应器填充体积分数为4 0%的K3型微生物填料,单个K3填料直径、高度分别为2 5、12 mm。反应器采用黑色遮光布进行避光遮挡。反应器底部安装磁力搅拌器,以保证废水充分混合,搅拌速度控制为12 0 r/min。曝气过程中,通过气泵将空气引入反应器底
11、部,并控制系统溶解氧(DO)质量浓度稳定在0.5 0.8 mg/L。通过加热棒将反应器温度的稳定控制在30 32,PN/A工艺水力停留时间(HRT)设定为2 4 h。Cb口中串a合成废水a一进水桶;b一溢流口;c一曝气装置;d一温度计;e加热棒;fK3型微生物填料;g磁力搅拌器;P蠕动泵。图1短程硝化厌氧氨氧化反应器济南大学学报(自然科学版)1.2桂模拟废水和接种污泥采用人工模拟废水,进水氨氮质量浓度约为200mg/L。进水通过碳酸氢钠调节反应器内水体pH为7.2 7.8。模拟废水中其他组分如下:磷酸二氢钾,质量浓度为10.0 mg/L;氯化钙,质量浓度为2 2.7 mg/L;七水合硫酸镁,质
12、量浓度为12.3mg/L;微量元素物质成分如表1所示。根据CIP投加量,实验分为4 个运行阶段,第I阶段(1 4 0 d)、第阶段(4 1 10 2 d)、第阶段(10 3 12 4 d)和第IV阶段(12 5 16 0 d)。4 个阶段的CIP投加量分别为0、0.1、5、10 mg/L。接种污泥为实验室处理高氨氮废水的PN/A污泥,初始污泥质量浓度(MLSS)控制在4.0 g/L。表1微量元素浓度类型物质FeSO47H20微量元素IEDTAZnSO4 7H,0CoCl,6H,OMnCl,4H,0CuSO45H,0微量元素NaMo042H,0NiCl26H,0NaSe0410H20H,BO4E
13、DTA注:EDTA为乙二胺四乙酸。1.3测定项目及分析方法1.3.1水质测试d采用紫外分光光度计(7 52 N型,上海仪电分析有限公司),根据国家标准GB/T7479一19 8 7、GB/T74931987和环境保护行业标准HJ/T3462007中的方法定期检测出水氨氮(NHt-N)、亚硝态氮(NO,-N)、硝态氮(NO;-N)的含量。NO;-N测试前f利用离子吸附树脂进行预处理,避免水样中CIP测a试干扰。采用高效液相色谱仪(Agilent1260型,美国安捷伦科技有限公司)测定CIP浓度5,色谱P环丙沙星g第37 卷质量浓度/(mg/L)5.000500043024099025022019
14、02101415000柱为C18柱,柱温为4 0,测试波长为2 7 8 mm,流动相中磷酸与乙腈的体积比为8 2:18。1.3.2微生物产物分析溶解性微生物产物(SMP)的三维荧光光谱图使用荧光光度计仪(LS-55型,美国Perkin-Elmer公第5期司)获得。仪器参数设定如下:发射波长E为2 0 0 400nm,增量为10 nm;激发波长E为2 8 0 550 nm,间隔5nm,增量为0.5nm;激发狭缝和发射狭缝均保持在10 nm,扫描速率设置为2 4 0 0 nm/min。1.3.3细胞活性检测采用活性氧试剂盒(S0033S型,碧云天生物技术有限公司)和乳酸脱氢酶释放检测试剂盒(C00
15、16型,碧云天生物技术有限公司)6 检测微生物样品胞内活性氧水平和乳酸脱氢酶释放。1.3.4微生物分析方法收集4 个不同阶段的微生物样品进行冷冻保存并送至上海美吉生物医药科技有限公司进行16 S核糖体核糖核酸(rRNA)检测。通用引物对采用515F806R(5-G T G CCA G CM G CCG CG G T A A-3)和(5-GGACTACHVGGGTWTCTAAT-3)对 16 S rRNA基因的高变区V4进行扩增7 ,使用Silva(Re l e a s e 138)240第1阶段第阶段第阶段第IV阶段220200180(1/u)/泌鲁望160140120100806040200
16、在反应4 0 d后,向PN/A反应器中投加CIP至质量浓度为0.1mg/L(第阶段)。由图2(a)可知,在反应 4 1 8 0 d,出水 NH-N、NO z-N、NO;-N的质量浓度分别为0.7 7、2.0 1、4 4.2 8 mg/L。NO 3-N浓度增加说明系统的脱氮性能受到轻微干扰,CIP的存在使AnAOB菌活性受到抑制,但未对AOB菌的活性造成明显的抑制 。此外,刚投加CIP的前5d,CI P去除率在30%左右,主要是通过污泥吸附作用去除,一段时间后CIP的去除率降低至10%以下,说明CIP在污泥中已经达到吸附饱和,且生物降解作用不大,由于CIP对微生物的胁迫作用影响了系统脱氮过程,因
17、此系统无法再去除CIP。图2(b)还显示,第阶段CIP的去除率从30.14%逐渐降低到19.56%,说明当污泥吸附达到饱和后,CIP将不再被去除。在反应92 10 2 d,出水NO;-N许会学,等:环丙沙星对短程硝化-厌氧氨氧化工艺脱氮效能的影响样品的群落物种组成。2结果与讨论2.1PN/A反应器的脱氮效能PN/A反应器脱氮效能如图2 所示。通过控制温度及曝气量等条件,使PN/A反应器的脱氮效能达到最优并维持稳定(第I阶段)。由图2(a)可见,第I阶段的NH-N去除率达到97.10%,出水NO3-N、NO z-N的平均质量浓度分别为2 8.7 1、1.49mg/L,实现了短程硝化菌(AOB)和
18、AnAOB菌同步生长,且PN/A系统中NO;-N的积累量占NH+-N消耗量的15%,接近11%的理论值8 ,因此PN/A反应器运行效果良好,在不改变现有调控条件的情况下可进行下一阶段的CIP毒性试验阶段。107第阶段8进水CIP(/u)/吾望出水CIP-进水NH,-N6+出水NH,-N+出水NO;-N+出水NO;-N20406080100120 140160时间/d(a)氮素浓度的变化图2 短程硝化厌氧氨化工艺脱氮效能质量浓度降低至2 3.6 0 mg/L,与对照阶段相似,说明微生物对低浓度的CIP具有耐药性10 ,经过一段时间的适应期后,对微生物的抑制作用减弱,从而恢复了PN/A反应器的脱氮
19、效能。从反应10 3d起,反应器中CIP的质量浓度增加至5mg/L(第阶段)。由图2(a)可看出,在反应103110d,出水NO;-N的质量浓度由2 8.30 mg/L增加至6 3.32 mg/L,在经过持续7 d的增加后,开始降低至2 4.7 7 mg/L,可认为PN/A工艺在质量浓度为5mg/L的CIP刺激下,对AOB菌的活性未造成明显影响,但抑制了反硝化菌(NOB)的活性,促进PN/A反应器脱氮效能的恢复。在反应12 5d后继续增加CIP的质量浓度至10mg/L(第IV阶段)。由图2(a)可知,出水NO;-N的质量浓度开始出现波动并持续增加至4 0.0 5mg/L,561数据库(http
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