苯胺廢水SBR工藝生物強化處理效能

王 哲，魏 利，馬 放，趙 光，張 斯

(哈爾濱工業大學城市水資源與水環境國家重點實驗室，哈爾濱150090，wangzhe7013@126.com)

苯胺廢水來源范圍廣，污染危害大，化學工業、染料制造業、醫藥用品業的生產和應用過程中均排放苯胺廢水［1］.苯胺的大量生產和廣泛應用，對環境造成了污染，也給人體帶來了危害［2］.目前，常用的處理苯胺廢水的方法主要有溶劑萃取法、吸附法、濕式氧化法、光催化氧化法、超臨界氧化、反滲透法以及生物法等［3］.生物法處理苯胺廢水具有能耗低、二次污染小、處理效果好等優點［4-6］.為了提高生化法對廢水中苯胺的處理效果，分離和篩選高效的降解菌株是十分必要的.要想使分離和篩選出的菌株能夠在系統中穩定存在，并發揮較好作用，生物強化技術得到了國內外研究者的關注［7-9］.山丹等［10］采用生物強化的方法將實驗室篩選的高效低溫苯胺降解菌JH-9投加到SBR反應系統中，在低溫條件下(12℃)實現了苯胺廢水有效降解，針對含有苯胺174 mg/L的石化廢水，強化系統對苯胺的去除率達到97.8%.

本研究主要進行了室溫條件下苯胺廢水SBR工藝研究，采用高效苯胺降解菌進行生物強化，考察了苯胺的去除效率，并應用分子生物學方法對反應器中的種群演替規律進行了研究，為苯胺廢水生物強化技術的工業應用提供重要理論基礎.

1 實驗裝置與方法

1.1 實驗材料

1.1.1 菌種來源

實驗所用菌株是實驗室保存的高效苯胺降解菌［11］.

1.1.2 污泥來源

實驗所用污泥取自哈爾濱太平污水處理廠曝氣池.

1.1.3 廢水水質

反應器采用人工配水:葡萄糖 0.5 g/L; NH4Cl 0.025 g/L;KH2PO4、K2HPO40.005 g/L; CaCl20.042 g/L;MgSO4·7H2O 0.06 g/L;NaHCO30.13 g/L;微量元素溶液(1 mL/L);一定比例濃度的苯胺儲備液(10 g/L);調pH為7.0.

1.2 水質分析方法

主要參考國家環境保護總局水與廢水監測分析方法［12］.COD:CL-12型化學需氧量速測儀;苯胺:納氏試劑分光光度法;硝態氮:麝香草酚分光光度法;亞硝態氮:N-(1-萘基)-乙二胺光度法;pH:pH計.

1.3 實驗裝置

本試驗SBR反應器為圓柱形有機玻璃容器，總體積2L.裝置結構如圖1所示.

圖1 試驗裝置示意圖

1.4 反應器運行方式

反應周期12 h，其中反應10 h，靜止2 h，25℃，每周期排水量為總水量的4/5，反應器中加入有效體積1/5的活性污泥.實驗共進行了16個周期.分別檢測每周期進水和出水中苯胺、氨氮、亞硝態氮、硝態氮、COD的質量濃度，計算去除率.

1.5 生物強化方法

采用的生物強化方法為直接投加對目標污染物具有特效降解能力的微生物.生物強化所用菌株為從吉林化工廠污水廠曝氣池的活性污泥樣品中分離得到的一株能夠利用苯胺作為唯一碳源、氮源和能源生長的細菌JH-9，鑒定為Acinetobacter-calcoaceticus［11］.將實驗室保存的高效苯胺降解菌JH-9進行活化，制成菌懸液，再進行離心，然后將離心后的菌懸液固定于活性污泥上，進行生物強化，從而進行SBR小試.

1.6 PCR－DGGE操作方法

污水細菌基因組總DNA的提取:將前處理后的樣品加入PBS buffer充分旋渦，收集沉淀，重復此過程兩次，降低DNA提取的影響背景.預處理后的樣品，通過華舜細菌DNA小量提取試劑盒進行提取，提取后低溫(-20℃)保存.PCR-DGGE的引 物 為 F338GC:(5’ -CGCCCGCCGCGCGCGGCGGGCGGGGCGGGGGCACGGGGGG ACTCCTA CGGGAGGCAGCAG-3’)，R518:(5’-ATTACCGCGGCTGCTGG-3’).PCR反應條件:采用降落式PCR擴增策略，95℃預變性5 min，94℃變性30 s，56℃退火45 s，72℃延伸2 min，30個循環，72℃最終延伸15 min，PCR反應的產物用2%瓊脂糖凝膠電泳檢測.

變性梯度凝膠電泳(DGGE)采用Bio-Rad公司DcodeTM的基因突變檢測系統對PCR反應產物進行分離.使用梯度混合裝置，制備6% ～12%的聚丙烯酰胺凝膠，變性劑濃度從30% ～60%和40%～60%(100%的變性劑為7 mol/L的尿素和40%的去離子甲酰胺的混合物).純化后的PCR樣品6 μL和上樣緩沖液6 μL混合后加入上樣孔.儀器溫度設定為60℃，110 V的電壓下，電泳時間9 h.電泳結束后，將凝膠進行銀染.染色后的凝膠用Image Scanner II透射掃描儀掃描后保存.

2 結果與討論

2.1 生物強化系統對苯胺的去除能力

對生物強化系統苯胺的去除能力進行測定，結果如圖2所示.由圖2可以看出，由于運行初期的吸附作用，第1周期出水中苯胺質量濃度較低;第2周期被活性污泥吸附的苯胺被釋放，出水中苯胺質量濃度較第1周期明顯要高.前5個周期苯胺去除率基本維持在30%左右，主要原因為苯胺降解菌作為單一菌種，適應活性污泥穩定系統新環境的能力較差.從第5周期開始，混合系統運行開始趨于穩定，對苯胺去除率顯著上升，在第7周期達到100%的去除率.這說明苯胺降解菌逐漸適應了活性污泥系統的生態環境，能夠高效地發揮功能，并完成了系統的啟動.隨后，除第9周期苯胺去除率有略微波動外，生物強化系統對苯胺的去除率保持在100%，第16周期出水中苯胺質量濃度為零.高效苯胺降解菌很好地固定于活性污泥上，實現了較強的生物強化效能.混合系統內實現了生態位分離，系統內微生物群落在不斷適應和調整過程中趨于穩定.

圖2 SBR反應器中苯胺質量濃度的變化

2.2 生物強化系統中氨氮、亞硝氮、硝氮的變化情況

對生物強化系統進水和出水中氨氮、亞硝氮、硝氮質量濃度的變化分別進行測定，結果如圖3所示.

圖3 SBR反應器中氨氮、亞硝氮、硝氮質量濃度變化

另外，由圖3也可看出，出水中亞硝氮、硝氮的質量濃度幾乎保持不變，維持在很低的水平，一直到反應周期的結束.因為亞硝化細菌與硝化細菌的營養類型均為化能自養型，不與其他菌種產生營養的競爭，故可以推測反應器中的亞硝化、硝化細菌沒有發揮作用.這是因為反應器的水力停留時間較短，不會馴化出世代時間長的硝化菌群，而且苯胺降解菌已經被證實沒有硝化功能，故亞硝氮、硝氮的質量濃度不會明顯增加.

2.3 生物強化系統對COD的去除能力

對生物強化系統COD的去除能力進行測定，結果如圖4所示.前兩個周期SBR反應器對COD的去除效果不顯著，出水COD仍達到1000 mg/L左右，這是因為反應器啟動初期，活性污泥系統對高質量濃度廢水需要一個適應過程，與上面討論的前兩個周期苯胺的去除效果相符合，前兩個周期也可理解為對活性污泥的馴化過程.從第3周期開始，反應器中的菌群開始逐漸對COD進行降解，除第5周期COD去除率出現了輕微波動外，去除率整體呈線性增長.到第7周期，反應器實現了對苯胺與COD的穩定降解，出水中COD質量濃度維持在200 mg/L左右，去除率達到80%.隨后，出水中COD質量濃度穩步下降，一直維持到第16周期，出水中COD質量濃度保持在100 mg/L左右，生物強化系統對COD的去除率為92.23%.

由此可見，活性污泥能夠經過短時間的馴化，實現對COD的快速降解.因為活性污泥取自城市污水處理廠的曝氣池，本身對COD就有較強的去除能力，將苯胺降解菌固定在活性污泥上后，活性污泥能夠實現對COD的快速降解，這充分說明了這種生物強化的方法是可行的.可以推測，對于較高質量濃度的含苯胺工業廢水，采用此生物強化方法能夠同時實現對苯胺及COD的同時降解，這也為今后此方法在工程中的應用奠定了基礎.

圖4 SBR反應器中COD質量濃度的變化

2.4 活性污泥菌群內部形態的變化

取代表性階段的活性污泥樣品于掃描電子顯微鏡下觀察其內部形態結構，結果如圖5(放大倍數為5000倍)所示.

圖5 活性污泥內部形態變化情況的掃描電子顯微鏡照片

由圖5可以看出，苯胺降解菌能夠很好的固定于活性污泥中形成經生物強化的活性污泥.W2為第2周期的掃描電鏡照片，由于苯胺降解菌還未完全適應活性污泥這個復雜的環境，故形狀為短桿菌的苯胺降解菌只有較少數量固定在活性污泥的結構中.W6為第6周期的掃描電鏡照片，此時，苯胺的去除率已達到80%以上，由照片也可以看出，固定于活性污泥上的苯胺降解菌明顯增多.W15為第15周期的掃描電鏡照片，此時苯胺的去除率穩定在100%，可以看出，雖然苯胺降解菌菌量沒有前幾周期多，但苯胺降解菌遍布于活性污泥上，達到了一種穩定的狀態，并且活性污泥中的菌群種類比較豐富，除了桿菌、球菌，最后幾個周期還發現了弧菌，這可能為種泥所帶入.

2.5 活性污泥內部種群動態演替研究

對生物強化處理過程活性污泥內部種群進行PCR-DGGE種群動態演替及生物強化優勢種群變化規律研究，從而確定生物強化處理系統中所含有的微生物的種類和數量關系，直接獲得微生物多樣性的信息.

在為期近一周的時間內，分別選取代表性的樣本進行種群的動態演替分析，W2、W4、W6、W8、W15分別為處理過程中活性污泥的第二周期、第四周期、第六周期、第八周期以及第十五周期的代表性樣品.活性污泥內部的微生物生物群落多樣性變化如圖6所示.

圖6 活性污泥內部種群不同階段PCR-DGGE圖譜和條帶識別圖譜

由圖6可以看出，微生物群落多樣性豐富，優勢種群較為明顯.為進一步分析污泥載體微生物群落變化的規律，采用Quantity One軟件包對不同生物強化運行時段的微生物群落結構進行相似性分析，利用該軟件包的泳道/條帶識別功能，識別DGGE圖譜，根據戴斯系數(Dice coefficient)計算出各泳道間相似性的矩陣圖，分析樣品間的相似性.圖6是以W6為標準做出的條帶泳道識別圖，根據戴斯系數計算出各泳道簡間的相似性結果見表1.

表1 不同條帶相似性的矩陣圖 %

由表1可以看出，條帶4(W8)和條帶5(W15)相似性最高，相似度為75.1%，分析認為系統進入后期穩定運行，系統內微生物優勢菌株得到強化.

3 結論

1)應用于SBR的生物強化小試研究能夠實現對苯胺的有效去除，72 h后苯胺的去除率達到80%以上，120 h后苯胺的去除率為100%，苯胺出水質量濃度幾乎為零.同時，生物強化系統能夠實現對COD的有效去除，系統穩定運行后出水中COD質量濃度保持在100 mg/L左右，去除率為92.23%.生物強化技術實現了系統的快速啟動，并能連續穩定運行.

2)隨著苯胺的降解，氮元素以氨根離子的形式釋放出來，出水中氨氮質量濃度不斷升高，但從第10周期(120 h)開始，反應器中所具備的苯胺降解菌降解苯胺所產生的氮源被活性污泥的生長所利用，出水氨氮維持在較低的水平.同時，出水中亞硝氮、硝氮質量濃度一直維持在較低的水平，生物強化系統由于水力停留時間較短，沒有馴化出世代時間長的硝化菌群.

3)苯胺降解菌能夠很好的固定于活性污泥上形成經生物強化的活性污泥，系統達到穩定時苯胺降解菌遍布于活性污泥之上.微生物群落多樣性豐富，優勢種群較為明顯.經過一段時期的運行，群落結構產生了明顯的差異性，系統內微生物優勢菌株得到強化.

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