苯酚降低好氧颗粒污泥处理低C_N废水效能的机制探究.pdf
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1、第49卷 第 10 期2023 年 10 月Vol.49 No.10Oct.,2023水处理技术水处理技术TECHNOLOGY OF WATER TREATMENT苯酚降低好氧颗粒污泥处理低苯酚降低好氧颗粒污泥处理低C/N废水效能的废水效能的机制探究机制探究谢海婷1,罗翔1,贾丽君2(1.郑州科技学院新科学院,河南 郑州 450000;2.安阳学院土木与建筑工程学院,河南 安阳 455000)摘摘 要要:针对毒性有机物苯酚对好氧颗粒物运行效能影响不明确的现状,在室温条件下探究了不同苯酚浓度对好氧颗粒污泥(AGS)处理低C/N废水的效能的影响,并解析了相关机制。结果表明,苯酚降低了AGS对污染物
2、的去除效能,降低了污泥浓度,导致沉降性下降,并提高了胞外聚合物(EPS)尤其是蛋白质的含量。5.0 mg/L苯酚暴露时,COD、总氮和PO43-P去除效率分别下降至82.6%84.6%、67.5%71.6%和80.6%84.3%,AGS浓度降至4.6 g/L,然而,SVI提高至120127.5 mL/g,EPS含量提高至81.386.5 mg/g。苯酚暴露改变了AGS内微生物群落特征,当苯酚含量为5.0 mg/L时,Proteobacteria、Bacteroidetes和Nitrospirae的相对丰度下降至36.6%、21.3%和5.1%,远低于空白组。本研究结果为AGS处理含苯酚的低C/
3、N废水提供了一定的数据支撑和理论依据。关键词关键词:AGS;苯酚;胞外聚合物;沉降性;微生物开放科学开放科学(资源服务资源服务)标识码标识码(OSID):中图分类号中图分类号:X703 文献标识码文献标识码:A 文章编号文章编号:10003770(2023)10-0118-004苯酚是一类中等毒性的有机化学品,其在工业各领域中被广泛应用。在苯酚的生产和使用过程中不可避免导致苯酚的释放,最终通过工业废水进入自然水环境。酚类化合物是一类危险且广泛的污染物,即使在低浓度下也具有高毒性,会引发血液中毒等不良生物反应1。含酚废水的有机化合物去除和脱氮主要依靠生物技术处理,因此考察了苯酚对生物技术的影响行
4、为及作用机制引起了广泛关注2-3。好氧颗粒污泥(AGS)是通过微生物自凝聚作用而形成的颗粒污泥,其具有污泥浓度高、沉降性能好、抗冲击负荷能力强等优势4-5。AGS在处理城镇低C/N废水、畜禽养殖废水、工业废水方面具有广泛引用。AGS的成功运行与操作条件(温度、曝气强度、有机负荷等)、污水水质等密切相关6。之前的研究多集中于探究操作条件来提高AGS处理效能,而关于污水水质对AGS运行效率影响的探究较少。污水内携带的工业污染物如苯酚等可能会影响AGS处理效率,并影响AGS污泥特征。此外,AGS内微生物群落特征对处理效率具有直接作用。苯酚暴露同样可能影响AGS内微生物群落特征。然而,关于苯酚对AGS
5、处理低C/N城镇废水的影响的探究较匮乏。因此,本文首先探究了苯酚对AGS处理低C/N城镇废水的影响,然后分析苯酚暴露对AGS污泥特征的影响,最后比较各组别内微生物群落特征来揭示苯酚影响AGS运行效能的微生物学机制。本研究工作为理解AGS处理含苯酚废水的运行情况及城镇废水的高效处理提供了一定的理论依据和数据支撑。1 材料与方法材料与方法1.1实验材料实验材料实验所用废水取自郑州某污水处理厂初沉池出水,收集后的污水经再次过滤后置于-4 冰箱内存储备用。实验用水的主要特征:pH 6.87.0,COD 为180210 mg/L,TN为5162 mg/L,磷酸盐为8.210.2 mg/L。实验所用接种物
6、物某实验室驯化完成的颗粒污泥,该颗粒污泥具有良好污染物和氮磷去除能力,其COD、总 氮(TN)和 PO43-P 去 除 效 率 分 别 高 达91.2%、75.2%和90.3%以上。DOI:10.16796/ki.10003770.2023.10.022收稿日期:2022-11-21基金项目:国家重点研发计划项目(2016YFC0402500)作者简介:谢海婷(1992),女,讲师,研究方向为水处理技术、生物修复等;电子邮件:苯酚购买于长沙某生物试剂有限公司,其CAS:108-95-2,分子式:C6H6O,分子量:94.11。实验装置为竖流式反应器,有效体积为3.0 L,由树脂玻璃构成。反应器
7、底部铺设曝气盘,在好氧阶段由涡轮式增氧机供氧,侧底部进水,侧顶部出水。1.2实验设置实验设置实验设置3个相同的反应器并定义为R1、R2和R3。R1设为空白组,进水内不含苯酚,而R2和R3内进水中人为添加适量苯酚并控制浓度分别为0.5 mg/L和5.0 mg/L,分别考察低浓度和高浓度苯酚对AGS运行效能的影响。进水初始 pH 通过添加 2.0 mol/L氢氧化钠控制在7.0,而运行过程不调控pH。AGS 运行在恒温实验室内完成,室温约为 3035。AGS采用快速进水,然后好氧曝气6 h、沉淀出水0.5 h、闲置1.5 h。AGS每日运行3个周期,并于好氧曝气结束前排掉适量污泥控制污泥停留时间为
8、12 d。待AGS运行稳定后取污泥样品进行微生物群落结构测定。1.3分析方法分析方法水样经 0.22 m 过滤去置于 4 冰箱内待检;COD采用重铬酸钾法测定,TSS和VSS采用重量灼烧法测定;污泥体积指数(SVI)通过30 min沉淀法测定;活性氧(ROS)和乳酸脱氢酶(LDH)分别通过活性氧检测试剂盒和乳酸脱氢酶细胞毒性检测试剂盒测定。EPS提取采用离子交换法,总量用TOC含量表示。蛋白质(PN)和多糖(PS)分别采用福林酚法和蒽酮比色法,并分别以牛血清蛋白和葡萄糖为标准底物。分别采集不同运行阶段污泥样品,置于-80 条件下保存。使用试剂盒提取污泥样品中的DNA。根据Illumina Mi
9、Seq平台标准操作规程将纯化后的扩增片段构建PE 2300 的文库。2 结果与讨论结果与讨论2.1苯酚对苯酚对AGS处理低处理低C/N废水效能的影响废水效能的影响图1展示了苯酚对AGS处理低C/N废水过程中COD、TN和PO43-P的去除效率的影响。在空白组和低剂量苯酚组别内COD去除效率大致相似,均维持在92.6%95.3%,说明低浓度苯酚对AGS去除污染物影响不显著。然而当苯酚暴露剂量提高至5.0 mg/L时,前10 d内,COD去除效率仍维持在89.5%91.3%,后期 COD 去除效率逐渐下降,并降低至82.6%84.6%,远低于空白组和低剂量苯酚组别。高剂量苯酚对微生物增殖代谢产生负
10、面作用从而降低了污染物去除。从图中可以看出,R1内TN和PO43-P 的去除效率分别为 73.6%79.5%和 93.4%96.2%,说明 AGS处理低 C/N废水具有良好的氮磷去除能力。然而当进水中含有苯酚时,苯酚存在影响了 AGS 对氮和磷的去除,尤其是 PO43-P 的去除。低剂量苯酚稍微降低 TN 去除但显著降低了PO43-P的去除。R2内 TN 和 PO43-P的去除效率分别为72.1%76.4%和84.6%86.9%。然而当苯酚暴露浓度为 5.0 mg/L 时,TN 和 PO43-P 的去除效率均显著下降至67.5%71.6%和80.6%84.3%。陈璇等 7 发现苯酚同样会抑制厌
11、氧氨氧化颗粒污泥生物脱氮,但产生抑制效率时苯酚浓度高达50.0 mg/L。本工作中低浓度苯酚抑制生物脱氮除磷的一个重要原因可能在于本研究中进水C/N较低。2.2苯酚对苯酚对AGS污泥特征的影响污泥特征的影响污泥浓度及有机质含量对维持AGS高活性具有重要意义。苯酚存在同样会影响AGS浓度及有机质含量。如图2所示,在空白组内TSS浓度随时间先波动变化后期略有升高,而低浓度苯酚暴露组内,TSS浓度先波动变化后逐渐下降,在 150 d时,TSS浓度下降至5.0 g/L,低于对照组的5.7 g/L。上述实验证实低浓度苯酚会降低AGS污泥浓度,且低剂量苯酚会在AGS内富集从而降低微生物活性,导致污染物和氮
12、磷去除效率下降。当苯酚暴露浓度提高至 5.0 mg/L,TSS 浓度大幅下降,且在 150 d 时,TSS浓度下降为4.6 g/L。此外,苯酚暴露还降低了污泥内有机质占比,空白组内VSS/TSS约为0.640.67,而当苯酚浓度分别为0.5 mg/L和5.0 mg/L时,VSS/TSS则分别下降至0.610.64和0.580.60,说明苯酚降低了污泥有机质占比。0306090120150768084889296TN去除率 R1 R2 R3PO43-P去除率 R1 R2 R3时间/dTN、PO43-P去除率/%COD去除率/%65707580859095100105COD去除率 R1 R2 R3
13、 图1苯酚暴露对 AGS长期运行出水 COD、TN和 PO43-P去除效率的影响Fig.1Effect of phenol exposure on COD,TN and PO43-P removal efficiency of effluent from AGS long term operation118谢海婷等,苯酚降低好氧颗粒污泥处理低C/N废水效能的机制探究苯酚购买于长沙某生物试剂有限公司,其CAS:108-95-2,分子式:C6H6O,分子量:94.11。实验装置为竖流式反应器,有效体积为3.0 L,由树脂玻璃构成。反应器底部铺设曝气盘,在好氧阶段由涡轮式增氧机供氧,侧底部进水,侧顶
14、部出水。1.2实验设置实验设置实验设置3个相同的反应器并定义为R1、R2和R3。R1设为空白组,进水内不含苯酚,而R2和R3内进水中人为添加适量苯酚并控制浓度分别为0.5 mg/L和5.0 mg/L,分别考察低浓度和高浓度苯酚对AGS运行效能的影响。进水初始 pH 通过添加 2.0 mol/L氢氧化钠控制在7.0,而运行过程不调控pH。AGS 运行在恒温实验室内完成,室温约为 3035。AGS采用快速进水,然后好氧曝气6 h、沉淀出水0.5 h、闲置1.5 h。AGS每日运行3个周期,并于好氧曝气结束前排掉适量污泥控制污泥停留时间为12 d。待AGS运行稳定后取污泥样品进行微生物群落结构测定。
15、1.3分析方法分析方法水样经 0.22 m 过滤去置于 4 冰箱内待检;COD采用重铬酸钾法测定,TSS和VSS采用重量灼烧法测定;污泥体积指数(SVI)通过30 min沉淀法测定;活性氧(ROS)和乳酸脱氢酶(LDH)分别通过活性氧检测试剂盒和乳酸脱氢酶细胞毒性检测试剂盒测定。EPS提取采用离子交换法,总量用TOC含量表示。蛋白质(PN)和多糖(PS)分别采用福林酚法和蒽酮比色法,并分别以牛血清蛋白和葡萄糖为标准底物。分别采集不同运行阶段污泥样品,置于-80 条件下保存。使用试剂盒提取污泥样品中的DNA。根据Illumina MiSeq平台标准操作规程将纯化后的扩增片段构建PE 2300 的
16、文库。2 结果与讨论结果与讨论2.1苯酚对苯酚对AGS处理低处理低C/N废水效能的影响废水效能的影响图1展示了苯酚对AGS处理低C/N废水过程中COD、TN和PO43-P的去除效率的影响。在空白组和低剂量苯酚组别内COD去除效率大致相似,均维持在92.6%95.3%,说明低浓度苯酚对AGS去除污染物影响不显著。然而当苯酚暴露剂量提高至5.0 mg/L时,前10 d内,COD去除效率仍维持在89.5%91.3%,后期 COD 去除效率逐渐下降,并降低至82.6%84.6%,远低于空白组和低剂量苯酚组别。高剂量苯酚对微生物增殖代谢产生负面作用从而降低了污染物去除。从图中可以看出,R1内TN和PO4
17、3-P 的去除效率分别为 73.6%79.5%和 93.4%96.2%,说明 AGS处理低 C/N废水具有良好的氮磷去除能力。然而当进水中含有苯酚时,苯酚存在影响了 AGS 对氮和磷的去除,尤其是 PO43-P 的去除。低剂量苯酚稍微降低 TN 去除但显著降低了PO43-P的去除。R2内 TN 和 PO43-P的去除效率分别为72.1%76.4%和84.6%86.9%。然而当苯酚暴露浓度为 5.0 mg/L 时,TN 和 PO43-P 的去除效率均显著下降至67.5%71.6%和80.6%84.3%。陈璇等 7 发现苯酚同样会抑制厌氧氨氧化颗粒污泥生物脱氮,但产生抑制效率时苯酚浓度高达50.0
18、 mg/L。本工作中低浓度苯酚抑制生物脱氮除磷的一个重要原因可能在于本研究中进水C/N较低。2.2苯酚对苯酚对AGS污泥特征的影响污泥特征的影响污泥浓度及有机质含量对维持AGS高活性具有重要意义。苯酚存在同样会影响AGS浓度及有机质含量。如图2所示,在空白组内TSS浓度随时间先波动变化后期略有升高,而低浓度苯酚暴露组内,TSS浓度先波动变化后逐渐下降,在 150 d时,TSS浓度下降至5.0 g/L,低于对照组的5.7 g/L。上述实验证实低浓度苯酚会降低AGS污泥浓度,且低剂量苯酚会在AGS内富集从而降低微生物活性,导致污染物和氮磷去除效率下降。当苯酚暴露浓度提高至 5.0 mg/L,TSS
19、 浓度大幅下降,且在 150 d 时,TSS浓度下降为4.6 g/L。此外,苯酚暴露还降低了污泥内有机质占比,空白组内VSS/TSS约为0.640.67,而当苯酚浓度分别为0.5 mg/L和5.0 mg/L时,VSS/TSS则分别下降至0.610.64和0.580.60,说明苯酚降低了污泥有机质占比。0306090120150768084889296TN去除率 R1 R2 R3PO43-P去除率 R1 R2 R3时间/dTN、PO43-P去除率/%COD去除率/%65707580859095100105COD去除率 R1 R2 R3 图1苯酚暴露对 AGS长期运行出水 COD、TN和 PO43
20、-P去除效率的影响Fig.1Effect of phenol exposure on COD,TN and PO43-P removal efficiency of effluent from AGS long term operation119第 49 卷 第 10 期水处理技术水处理技术图 3 进一步展示了苯酚对污泥沉降性能的影响,可见苯酚暴露能提高SVI,且苯酚浓度越高,SVI提高越显著。当苯酚暴露浓度达到5.0 mg/L时,SVI提高至120127.5 mL/g,污泥沉降性变差,部分污泥未能沉淀完全,从而在排水期被排掉,从而降低了污泥浓度。此外,AGS内EPS含量同样可影响污泥沉降性。
21、图可知,苯酚含量提高了AGS内EPS含量,而EPS含量过高会导致颗粒污泥表面电负性变大,颗粒污泥间的静电排斥力增加,进而导致污泥沉降性能恶化。EPS提高还会提高电泳迁移率,也会导致污泥的沉降性能恶化8。EPS是 AGS中起连接、吸附微生物,填充空隙等作用的重要作用9。苯酚浓度同样能影响EPS含量及组分,如图所示,空白组内 EPS含量大致为65.670.3 mg/g,而当苯酚含量提高至0.5 mg/L时,EPS 含量有所提高,并在稳定时期提高至 70.372.6 mg/g。当苯酚含量提高至 5.0 mg/L,EPS 含量大幅提高至 81.386.5 mg/g,其中 PN和 PS的含量分别为 40
22、.342.3 mg/g和 26.526.9 mg/g,均高于空白组的36.639.5 mg/g和23.323.9 mg/g。相较于PS含量增加,苯酚暴露更易提高PN的含量。陈璇等7探究苯酚对厌氧氨氧化颗粒污泥性能时同样发现苯酚存在提高了EPS含量。苯酚等有毒物质存在促使微生物启动自我保护机制,激发产生更多的EPS抵抗环境变化。PN具有抵御毒性的热类蛋白结构,而PS则可以提高纳米颗粒流体动力学直径并促进其聚集10。2.3苯酚对苯酚对LDH和和ROS释放的影响释放的影响LDH和ROS释放量能表征细胞受损程度。如图 5 所示,不论低浓度还是高浓度苯酚均提高了AGS内LDH和ROS的释放,表明苯酚损害
23、了AGS细胞活性,从而降低污染物和营养盐的去除。在120 d时,0.5 mg/L苯酚组别内 LDH和 ROS释放量分别为105%和106%,当苯酚浓度提高至5.0 mg/L时,LDH和ROS相对释放量进一步提高至109%和110%,相似的实验结果也在其它时间内发现。上述实验结果说明苯酚浓度越高,AGS内细胞受损越显著。苯酚能会损伤细胞壁,并且诱导细菌产生ROS并导致 DNA 损伤,DNA 的氧化损伤是诱变引起的11。苯酚对细胞完整性的破坏也是其降低污染物和营养盐的原因之一。2.4苯酚对苯酚对AGS内微生物学的影响内微生物学的影响图进一步展示了苯酚暴露时AGS内微生物在门级别的比较。由图可知,P
24、roteobacteria(变形菌门)和Bacteroidetes(拟杆菌门)是AGS内主要的02040608010012014016060708090100110120130140SVI/(mLg-1)时间/d R1 R2 R3 图3苯酚对AGS污泥沉降性能的影响Fig.3Effect of phenol on AGS sludge settling performance4060801001201404045505560657075808590PN含量 R1 R2 R3PS含量 R1 R2 R3时间/dEPS含量/(mgg-1)PN、PS含量/(mgg-1)2025303540455055
25、60EPS含量 R1 R2 R3 图4苯酚对AGS内EPS含量及组分的影响Fig.4Effect of phenol on EPS content and components in AGS40506070809010011012090100110120130140150LDH相对释放 R1 R2 R3时间/dROS相对释放/%LDH相对释放/%80859095100105110115120ROS相对释放 R1 R2 R3 图5苯酚对AGS系统内ROS和LDH相对释放量的影响Fig.5Effect of phenol on the relative release of ROS and LDH
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