固相碳源脫氮同步去除壬基酚的試驗研究

王 婷,孫佳寧,吳為中

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固相碳源脫氮同步去除壬基酚的試驗研究

王 婷,孫佳寧,吳為中*

(北京大學環境科學與工程學院,北京100871)

采用一種基于PHBV研發的新型固相碳源NS,構建同步硝化反硝化脫氮生物反應器,同時探究常見的內分泌干擾物壬基酚(NP)在系統中的同步去除特性,并運用IlluminaMiSeq高通量測序和熒光定量PCR(qPCR)技術,對微生物群落進行解析.反應器運行效果良好,硝酸鹽氮和氨氮去除率可分別達到96.18%和82.54%,出水COD平均濃度為27.48mg/L,壬基酚平均去除率為81.17%.高通量測序結果表明,(脫氯單胞菌屬)和(動膠菌屬)等報道的具脫氮作用的菌屬在無壬基酚條件下占據優勢地位.加入壬基酚的條件下,菌種總數和多樣性降低.熒光定量PCR結果表明,系統中氮循環基因豐度較高,基因豐度最大,而基因豐度最低.進水中存在壬基酚的條件下碳源表面基因豐度較低.

固相碳源；同步硝化反硝化；壬基酚；微生物群落結構；功能基因

水體富營養化是我國亟待解決的重大環境問題之一.2015年《中國環境狀況公報》顯示,在開展營養狀態監測的61個湖泊(水庫)中,有14個湖泊呈輕度和中度富營養狀態[1],而氮、磷等營養元素的過量輸入是導致水體富營養化的重要原因.我國污水處理廠出水氮素不達標現象普遍存在,這加劇了地表受納水體的富營養化風險.除氮素外,內分泌干擾物(EDCs)污染的日益加重也引起了社會的廣泛關注[2].其中壬基酚(NP)是一類有代表性的環境內分泌干擾物,主要來自洗滌紡織等行業中使用的表面活性劑壬基酚聚氧乙烯醚(NPEO)的分解[3].研究表明,壬基酚可促使雄性魚和蟾蜍表現出雌性特征[4],具有顯著雌激素效應和生物毒性,被聯合國環境保護署(UNEP)確定為27種優先控制的持久性有毒污染物之一[5].上海污水處理廠受納水體中壬基酚濃度在41.1~370.0ng/L之間,而出水壬基酚濃度達到125~1140ng/L,顯著高于地表水濃度[6].

因此實現對污水處理廠出水的同步深度脫氮和壬基酚等內分泌干擾物的去除具有十分重要的意義.

可生物降解聚合物作為一種新型外加固相碳源在脫氮工藝中的應用已被廣泛研究,相較于傳統液體碳源,固相碳源具有無毒無害和緩釋有機物的特性,可有效控制碳源過量和二次污染,同時可以作為反硝化生物膜的優良載體[7-9].國內外學者在以天然纖維素或高分子聚合物為固相碳源的脫氮系統中探究了五氯酚[10],氯吡硫磷,氯氰菊酯[11]和對氯苯酚[12]等農藥的去除特性,發現農藥的去除過程中吸附和生物降解作用同時存在,5mg/L氯酚類農藥去除率約為45%[10].目前利用固相碳源脫氮系統同步脫氮和去除壬基酚的研究鮮有報道.

本研究采用基于PHBV研發的新型固相碳源NS,構建微曝氣條件下的同步硝化反硝化生物反應器,并探究了固相碳源脫氮系統中壬基酚的同步去除效果.運用Illlumina高通量測序技術和熒光定量PCR技術,解析系統中微生物群落組成和氮循環基因豐度,探究有無壬基酚的情況下菌群和基因豐度的差異.本研究可為污水處理廠深度脫氮技術改造提供理論依據與技術指導.

1 材料與方法

1.1 生物反應器的構建、馴化與運行

生物反應器采用上流式,主要部分為有機玻璃制成的圓柱體,內徑5cm,出水口距反應器底部45cm.將基于PHBV研發的新型固相碳源NS和生物陶粒共混作為填料,按體積比1:3混合填充,填充高度為24cm.試驗所用接種活性污泥取自清華大學中水站回流污泥池,具有較好的脫氮性能.靜態馴化1~2周后,開始連續流實驗.進水采用人工配水,NH4+-N、NO3--N和PO43--P濃度分別為5,10和3mg/L.使用甲醇溶液將4-壬基酚標準物配置成500mg/L的儲備液,貯藏于-20℃,間隔3周更換儲備液.在第113d開始加入壬基酚,進水壬基酚初始濃度為0.5mg/L,第155d提高至1mg/L,第196d提高至2mg/L.進水箱和反應器均用錫紙包裹以避免光的干擾作用.維持水力停留時間(HRT)為2h,總氮容積負荷為180gN/(m3·d),壬基酚容積負荷分別為6、12、24gNP/(m3·d),溫度(28±2)℃,曝氣量控制在3~ 5mL/min.裝置如圖1所示.

1.進水箱;2.蠕動泵;3.填料(固相碳源NS與陶粒按體積比1:3混合);4.生物反應器;5.氣泵;6.出水箱

1.2 水質分析方法

反應器連續運行期間,定期取反應器進出水過0.45μm濾膜后,測定氨氮、硝酸鹽氮和COD濃度.氨氮、硝酸鹽氮根據國環保局發布的標準方法,分別采用紫外分光光度法檢測(島津,UV- Vis2401紫外-可見分光光度儀),COD采用快速消解法比色法測定(WTW, phtoLad S6, CR3200).反應器溶解氧及溫度使用便攜式溶氧儀測定(WTW,AM39).

壬基酚(4-NP)標準物購于Adamas公司.反應器進、出水中壬基酚采用固相萃取法(SPE)提取,采用SPE固相萃取裝置(SUPELCO公司)和HLB固相萃取小柱(博納生物,6mL,500mg).取水樣500mL過0.45μm濾膜待測.依次用3mL二氯甲烷、3mL甲醇和3mL超純水活化HLB小柱,然后以3mL/min流速使水樣通過HLB小柱,再用6mL超純水淋洗,減壓抽干30min,最后用10mL二氯甲烷分兩次洗脫,洗脫液在40℃以下用氮氣吹干,用1mL流動相定容,過0.22μm濾膜到進樣小瓶中待測[13].

壬基酚采用高效液相色譜串聯紫外檢測器(HPLC-UV,島津公司,10-ADVp)測定,所采用的液相色譜柱為迪馬公司樹脂反相色譜柱(250mm×4.6mm×5μm),流動相采用甲醇-水(體積比89:11),流速1mL/min,紫外檢測波長225nm,柱溫35℃,進樣量20μL[14].出峰時間7.7min,回收率113%.

1.3 Illumina高通量測序分析和熒光定量PCR

在壬基酚加入之前反應器穩定運行的第96d,以及壬基酚加入之后的穩定運行時期、全過程第226d,分別從反應器底部隨機取一定質量的固相碳源和生物陶粒,超聲震蕩后懸濁液過0.22μm濾膜.將濾膜剪碎,使用微生物DNA提取試劑盒(博彩生物,上海)提取DNA.高通量測序及初步分析由北京美吉桑格生物醫藥科技有限公司完成,以16srRNA基因V3~V5區作為測序段,引物為515F(5‘-GTGCCAGCMGCCGCGG-3’)和907R (5‘-CCGTCAATTCMTTTRAGTTT-3’),在0.03水平進行OTU聚類和物種分類分析.基于16s rRNA基因和氮循環基因基因進行熒光定量PCR實驗,由微基生物(上海)有限公司完成,引物信息如表1所示.

表1 熒光定量PCR引物名稱及序列

水質部分及熒光定量PCR部分數據統計分析采用軟件SPSS.18.0.Illumina高通量測序部分物種總數及多樣性指數分析采用PAST 3.0分析.

2 結果與討論

2.1 同步硝化反硝化脫氮效果

反應器硝酸鹽氮去除情況如圖2(a)所示.反應器啟動較快,運行過程中硝酸鹽氮去除率較高且穩定.平均進水濃度為(11.49±1.22) mg/L,出水濃度為(0.44±0.64)mg/L,平均去除率為(96.18± 5.63)%.由圖2(a)可見,反應器開始運行到第50d,硝酸鹽氮去除率在90%~100%之間波動,50~70d基本穩定在95%以上.在第105~142d內,硝酸鹽氮去除率再次出現輕微波動,可能是因為第113d壬基酚加入后,反硝化作用受到了輕微的影響.此后經過一段時間的適應,硝酸鹽氮去除率恢復穩定.加入壬基酚之前和之后的穩定階段硝酸鹽氮去除率無顯著差異(獨立樣本檢驗,>0.05),表明加入壬基酚并沒有對反硝化過程造成明顯影響.

氨氮去除效果如圖2(b)所示.全過程氨氮平均進出水濃度分別為(5.13±0.37)mg/L和(1.14±1.07)mg/L.相較于硝酸鹽氮去除率,氨氮去除率較低且波動較大,平均去除率為(82.54± 15.35)%.在反應器運行初期,硝化功能啟動較慢,氨氮去除率波動明顯,連續運行50d后才逐漸趨于穩定.在113d加入0.5mg/L壬基酚之后,氨氮去除率出現了明顯波動.此后較長一段時間內未恢復,可能是受到壬基酚的影響較為明顯.當壬基酚濃度繼續提高至2mg/L時,氨氮去除率再次產生波動.隨著運行時間的增加,硝化性能逐漸得到恢復.

影響氨氮去除率的因素包括溶解氧和壬基酚的加入等.充足的溶解氧是硝化反應進行的必要條件.楊飛飛探究了以PHBV/PLA共混高聚物為固相碳源的同步硝化反硝化系統運行效果,平均溶解氧為3.18mg/L,HRT為4h,硝酸鹽氮去除率為68.1%[15].Chu等[16]在以PCL為碳源的同步硝化反硝化系統中將溶解氧控制在2.7~3.7mg/L之間,獲得較好的氨氮去除效果.本實驗將反應器溶解氧均值控制在2.13mg/L左右,反硝化效果十分穩定,但硝化效果受到輕微影響,且啟動較慢,說明較低的DO對氨氮去除存在一定影響.當系統中COD過高時,好氧異養菌會同氨氧化菌競爭氧氣,從而抑制硝化作用.

Stasinakis發現壬基酚對活性污泥中自養菌有一定的毒性效應,可能抑制自養菌對氨氮的利用,造成污水處理系統氨氮處理效率的降低[17].另有研究證實,0.5mg/L的壬基酚即可對氨氮的轉化速率產生影響[18],但也有研究發現壬基酚濃度為10mg/L時才對氨氮的去除率產生輕微影響[19],這說明不同系統中不同的氨氧化菌和硝化菌群落對壬基酚有不同的耐受力.本研究中低濃度壬基酚的加入對氨氮去除率造成了短期影響,但一段時間后即可恢復.加入壬基酚前后穩定運行狀態下的氨氮去除率并無顯著差異(獨立樣本檢驗,>0.05),說明本研究中壬基酚的加入對氨氮去除沒有長期的顯著影響.

2.2 出水COD濃度變化情況

全程COD變化如圖3所示.反應器運行前期,COD濃度較高,70d之后基本穩定在50mg/L以下.由于固相碳源被微生物消耗,反應器運行中期補充碳源至最初體積比例,待系統穩定后繼續監測COD,其濃度始終穩定在50mg/L以下.全過程COD均值為(27.48±13.28)mg/L,穩定期間偶爾的過度釋碳可能是反應器反沖洗不及時所導致.COD在第一階段呈現先上升后下降的狀態,與楊飛飛[20]及Shen等[21]的研究結果相同.在反應器運行初期,固相碳源降解菌處于馴化階段,降解速率慢,出水COD較低.隨著菌群的豐富,異養菌對固相碳源的降解速率增加,未被完全利用的有機物隨著出水排出,導致COD增加.此后,固相碳源外層疏松的易降層被降解完全,其降解速率和降解產物的利用速率達到了一定的平衡,出水COD也隨之下降并穩定.壬基酚加入前后穩定運行階段,COD無顯著差異(獨立樣本檢驗,>0.05).

2.3 壬基酚去除效果

壬基酚進水濃度和去除率如圖4所示,第113d進水壬基酚0.5mg/L,第155d濃度升至1mg/L,196d升至2mg/L.初次測定時平均去除率為48.9%左右,此后去除率有所提升.提高進水壬基酚濃度后首次測定時去除率降低,隨后隨著反應器的持續運行而回升.全程壬基酚平均去除率為81.17%.不同壬基酚初始濃度下,去除率沒有顯著差異(one-way anova方差分析,>0.05).

壬基酚在不同工藝條件下的去除效果存在較大差異.戴玉女等[22]采用自然曝氣生物濾床去除二級污水處理廠尾水中的內分泌干擾物,氨氮和壬基酚負荷分別為1.28gNP/(m3·d)和0.046gNP/(m3·d),去除率分別達到77%和63%.相比之下本研究可以在高負荷條件下獲得更高的去除率.國外學者在曝氣生物填充床和序批膜生物反應器中也實現了高效率的壬基酚去除[23-24].Su等[25]發現易降解有機物可與壬基酚產生競爭機制,從而抑制壬基酚的生物轉化效率.但本研究在添加了易生物降解固相碳源的條件下,仍然獲得了較高的壬基酚去除率.根據Rojas的綜述可知,壬基酚被USEPA定義為可生物降解物質,在實驗室規模研究中的去除率最高可達99%[26],在本實驗中也獲得了較高的去除率,表明固相碳源并未對壬基酚的生物降解過程產生明顯影響.

2.4 系統填料表面微生物群落組成分析

通過Illumina高通量測序,獲取了壬基酚加入前(96d)和加入后(223d)固相碳源和陶粒表面生物膜微生物群落結構特征.屬分類水平下的微生物群落結構如圖5所示,圖中樣品NS_0, C_0分別代表未加入壬基酚時新型碳源NS和陶粒ceramsite,樣品NS_1,C_1分別代表加入壬基酚時新型碳源和陶粒.在4個樣品中豐度均低于5%的屬已合并為OTHERS在圖中顯示.未加入壬基酚時,系統中的優勢菌屬有(脫氯單胞菌屬)、(紅環菌科)、(動膠菌屬)以及(生絲單胞菌科).屬常在脫氮除磷系統中被發現,可以硝酸鹽氮為電子受體礦化芳香族化合物,是典型的脫氮菌[27-29].中的許多菌屬同樣具有反硝化功能[30],且可能具有基因[31].屬于一類貧營養條件下生長的好氧反硝化菌,因此多附著在生物陶粒表面.菌屬攜帶和基因,具有好氧反硝化功能,并且對氨氮的去除也有貢獻[32].多個屬具有反硝化功能,且通常在貧營養和高溶解氧的條件下生存[33],此多聚集在陶粒表面.

存在壬基酚且系統穩定時,除(脫氯單胞菌屬)和(紅環菌科)仍保持優勢地位之外,(屬于螺旋體科)和成為新的優勢菌.是一類潛在致病菌屬,多見于動物體內[34],文獻對該菌的報道較少.是一類聚糖菌, McIlroy等[31]報道了具有反硝化功能的,其基因組具備完整的反硝化通路,因此具有反硝化功能.此外,部分菌屬在加入壬基酚的條件下相對豐度發生了明顯變化.具有反硝化功能的(生絲單胞菌科)基本被淘汰,(球衣細胞屬)和(屬于紅螺菌科)比例也明顯降低,但(屬于黃桿菌科)菌屬比例則明顯提高.在生活污水[35]和河湖底泥[36]中分離得到,多數不具備反硝化功能,但可降解多種有機物質.

抽平后的樣品序列數、覆蓋度、OTU總數、物種總數估計指數Ace和物種多樣性Shannon指數見表2. 4個樣品的測序覆蓋度均高于0.997,說明測序結果可以基本反應樣品中菌群結構.加入壬基酚前,生物反應器系統中陶粒表面物種總數和物種多樣性均高于碳源表面,這與熒光定量PCR中16s rRNA基因的絕對豐度結果相反(見表3),說明碳源表面雖然微生物豐度大,但是物種數較少,多樣性較低.加入壬基酚的條件下,物種總數和多樣性比無壬基酚條件下較低.

表2 微生物群落豐度和多樣性分析

其它研究也曾報道壬基酚加入使實驗體系中微生物菌種總數和多樣性降低的情況[37-38].外源有機物的加入使土壤樣品中微生物多樣性下降,可能因其易被降解,降解菌被篩選出來且逐漸形成優勢,從而降低了Shannon多樣性指數[39].本實驗中微生物物種總數和多樣性降低的原因推測為以下兩點:1)壬基酚加入,尤其是其濃度升高之后,可能對微生物群落產生了干擾作用,使不適應的菌種豐度降低或被淘汰,因此降低了菌種總數和多樣性.這種短期干擾作用有可能會在后期恢復[40];2)固相碳源表面能夠降解壬基酚的菌種比例增加,從而降低了均勻度,也使得Shannon指數降低.雖然物種總數和多樣性降低,但系統COD和脫氮效果并未受到顯著影響,可能因為淘汰的物種多為相對豐度較低的菌屬,而影響系統運行效果的優勢菌和主要的脫氮菌相對豐度較為穩定(圖5).

Venn圖(圖6)表示有無壬基酚條件下固相碳源NS和陶粒表面生物膜中共有和獨有的OTU數目.兩種條件下,固相碳源表面共有的OTU有163個,另有141和93個OUT分別存在于無壬基酚和有壬基酚的情況下.陶粒表面的共有OTU和單獨OTU數分別為194、148和111.可見適應壬基酚的菌種數量更少,這與物種估計總數Ace的結果相一致(表2).

2.5 氮循環基因絕對及相對豐度分析

通過熒光定量PCR實驗,獲取了壬基酚加入前(96d)和加入后(223d)16s rRNA及氮循環基因和的絕對和相對豐度(表3).

由表3可知,16srRNA、和在碳源表面的絕對豐度均顯著高于陶粒表面(One-Way ANOVA,Student-Newman- Keuls檢驗[41],<0.05),這與碳源表面營養物質豐富密切相關.由氮循環基因的相對豐度(氮循環基因占16s rRNA基因絕對豐度的百分比)可知,除基因,其他基因在碳源表面的相對豐度均顯著低于陶粒表面(<0.05).陶粒表面較高的反硝化基因豐度表明附著于陶粒表面的微生物也具有較高的脫氮性能.由于固相碳源在微生物的降解作用下形成可溶性有機物釋放到周圍水相中,可被陶粒表面的微生物繼續利用,從而促進了反硝化微生物的生長.和基因分別編碼細胞色素型亞酸鹽還原酶和Cu型亞硝酸鹽還原酶[42],可將亞硝酸鹽還原為一氧化氮.根據基因絕對豐度可知,基因比基因豐度高接近3個數量級,說明填料表面攜帶基因的反硝化菌占主導.在其他固相碳源脫氮系統和人工濕地脫氮系統中發現相似的結果[20,43].基因豐度最低,這也可能是硝化功能較弱且不穩定的原因.

表3 壬基酚加入前固相碳源和陶粒表面氮循環基因絕對和相對豐度

通過比較有無壬基酚條件下基因相對豐度差異(圖7)可知,添加壬基酚的條件下,和基因的相對豐度并無顯著變化(>0.05),基因相對豐度顯著增加(<0.05).碳源表面的基因相對豐度顯著增加,基因顯著減少(<0.05),而陶粒表面的這2種基因相對豐度均無顯著變化(>0.05).基因在碳源表面的相對豐度較無壬基酚的條件下降低了約25.4%,絕對豐度也降低了18.5%,但陶粒表面的基因豐度沒有顯著變化,有可能是壬基酚的加入降低了攜帶基因的反硝化菌對碳源的利用能力.雖然基因豐度出現了大幅減少,但是反硝化效果依然非常穩定.可能是由于反應器進水的硝氮濃度低(10mg/L),攜帶基因的反硝化菌豐度波動后仍然大量存在,足以轉化這部分硝酸鹽氮.定量PCR結果表明,存在壬基酚的情況下,除碳源表面基因較低之外,其他基因豐度沒有受到大幅度的負面影響.

3 結論

3.1 填有固相碳源NS和惰性生物陶粒的同步硝化反硝化反應器在溶解氧較低的條件下(2.13±0.77)mg/L,具有穩定良好的硝酸鹽氮脫除效果,平均去除率為96.18%.氨氮去除率波動較大,平均去除率為82.54%.

3.2 壬基酚平均去除率為81.17%,不同初始濃度下壬基酚的去除率沒有顯著差異,表明反應器具有較高的耐沖擊能力

3.3 系統中、_、和_、等為優勢菌屬,除之外,其他菌屬多具有脫氮功能.存在壬基酚的條件下系統菌種總數和多樣性較低.

3.4 添加壬基酚的條件下,碳源表面基因豐度顯著低于未添加壬基酚的時期,但沒有影響生物反應器的脫氮效能.

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Simultaneous removal of nitrogen and nonylphenol using solid phase carbon source.

WANG Ting, SUN Jia-ning, WU Wei-zhong*

(College of Environmental Science and Engineering, Peking University, Beijing 100871, China)., 2017,37(8)：2915~2923

The simultaneous nitrification and denitrification bioreactors in this research were packed with a new type of solid phase carbon source NS, which was invented based on PHBV. The removal rate of nitrogen and nonylphenol (NP) in the reactor was investigated. Illumina MiSeq high-throughput sequencing and quantitative PCR (qCPR) were applied to analyze the microbial community structure and functional genes. The removal rates of nitrate and ammonia nitrogen were 96.18% and 82.54%, respectively. Average COD concentration was 27.48mg/L in effluent.The average removal efficiency of NP was 81.17%. The results of high-throughput sequencing illustrated that the previously reported denitrifiers including,andwere the dominant microbe genus on the surface of solid carbon when NP was not added. The estimated total number of bacteria species anddiversity decreased after NP was added in the influent. According to outcomes of qPCR, functional genes of nitrogen cycle had rich abundance in the bioreactor. Abundances ofgene andgene were the highest and lowest, respectively. However,abundance reduced when NP was added in the influent.

solid phase carbon source；simultaneous nitrification and denitrification；nonylphenol；microbial community structure；functional genes

X522

A

1000-6923(2017)08-2915-09

王 婷(1991-),女,山東濟南人,北京大學碩士研究生,主要從事水污染治理理論與技術研究.

2016-12-26

國家自然科學基金資助項目(51378021);國家水體污染控制與治理重大科技專項(2012ZX07102002)

* 責任作者, 副教授, wzwu@pku.edu.cn