二氯甲烷對活性污泥脫氮性能的影響研究

劉星龍， 崔康平， 陳奕涵， 袁新銳

(合肥工業(yè)大學 資源與環(huán)境工程學院，安徽 合肥 230009)

1 引言

現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常使用大量揮發(fā)性有機物(volatile organic compounds,VOC)作為有機溶劑和生產(chǎn)原料，例如石油煉制、藥品制造、皮革制造、涂料等[1]。隨著我國醫(yī)藥與化工業(yè)的快速發(fā)展，這些企業(yè)生產(chǎn)過程中排放大量VOC[2,3]，在眾多VOC中，二氯甲烷(DCM)因具有較高的毒性與殘留性[4]被各界廣泛關注，被國際癌癥機構(gòu)一致認為是疑似致癌物質(zhì)[5]。工業(yè)生產(chǎn)過程中86%的DCM通過揮發(fā)進入大氣[6]，在水中殘留的部分仍會對人們健康與環(huán)境安全造成較大危害。

根據(jù)《中華人民共和國水污染防治法》規(guī)定，工業(yè)生產(chǎn)廢水必須經(jīng)有效處理、達到排放標準后再通入市政管網(wǎng)進入污水處理廠，由于企業(yè)生產(chǎn)過程中存在一定的波動或處理設備故障，甚至人為因素，違規(guī)排放、超標排放屢見不鮮，使未達標的出水進入生活污水處理廠[7]。我國大部分污水處理廠廣泛使用生物處理的方法[8]，廢水中殘留的DCM可能對活性污泥系統(tǒng)中的硝化和反硝化菌產(chǎn)生較強的抑制作用，進一步導致整個脫氮生物系統(tǒng)的崩潰，造成出水不達標，嚴重污染自然水體。目前國內(nèi)外大部分研究都將DCM作為氣態(tài)污染物進行處理[9,10]，因此對DCM在水體中不同質(zhì)量濃度對活性污泥系統(tǒng)的影響程度有必要進行研究。

本研究通過向活性污泥序批式反應器(sequencing batch reactor,SBR)中投加不同質(zhì)量濃度的DCM，研究DCM沖擊對活性污泥脫氮性能和生物群落變化的情況，為生活污水處理廠遭遇DCM沖擊事故時提供一定數(shù)據(jù)支持以及參考依據(jù)。

2 材料與方法

2.1 實驗裝置及運行方式

本實驗采取用4個完全相同的1 L玻璃制錐形瓶作為SBR反應器，由時控開關控制水浴搖床和空氣泵的運行時間，進出水均由用注射器手動完成。實驗用污泥取自合肥市望塘污水處理廠，實驗配水采用模擬生活污水。將接種污泥加入反應器在馴化20 d后，4個反應器都達到了較高效率的氨氮和有機物去除后開始進行沖擊試驗。反應器運行周期為12 h，每個周期包括好氧階段270 min，缺氧階段270 min，靜置階段150 min，出水階段15 min，進水階段15 min。每個周期固定進出水500 mL，水力停留時間為24 h。在好氧階段用空氣泵向反應器內(nèi)泵入空氣，并由玻璃轉(zhuǎn)子流量計控制空氣流量，同時水浴搖床保持160 RPM運行，反應器內(nèi)的溶解氧(DO)均勻混合保持在2～3.5 mg/L。在缺氧階段停止空氣泵運行，水浴搖床保持60 RPM運行，溶解氧保持0.1 mg/L左右。4個反應器均由同一個水浴搖床維持溫度在(25±1)℃。通過添加碳酸氫鈉和稀鹽酸溶液維持反應器pH值為7.5左右。4個反應器所含二氯甲烷分別為0、2、4、6 mg/L，分別以SBRA,SBRB,SBRC和SBRD代表。實驗主要分為3個階段，馴化穩(wěn)定階段20 d，模擬沖擊階段7 d和沖擊恢復階段15 d。

2.2 實驗用水

2.3 測定指標與方法

2.3.1 水質(zhì)測定

2.3.2 活性污泥中微生物群落的多樣性和豐富度通過高通量測序進行測定

(1)樣本提取：DCM沖擊試驗完成后，取各反應器中泥水混合物50 mL放入離心管中于-20 ℃的冰箱中冷藏保存，隨后盡快提取DNA。

(2)DNA提取，PCR擴增與基因測序：參照E.Z.N.A.? Soil DNA Kit (Omega Bio-tek, Norcross, GA, U.S.) 試劑盒說明書，對活性污泥樣本中的微生物總DNA進行提取。細菌群落結(jié)構(gòu)研究采用16 s rRNA全長通用引物341F 5’- CCTAYGGGRBGCASCAG-3’ and 806R 5’- GGACTACNNGGGTATCTAAT-3’ 進行PCR擴增，每個樣本的擴增引物含有8堿基標簽序列用以區(qū)分樣本。準備20 μL的PCR反應體系，如下：4 μL的5x FastPfu Buffer, 2 μL的 2.5 mol/L dNTPs, 上下游引物各0.8 μL (5 μmol/L), 0.4 μL的FastPfu Polymerase,以及10 ng模板 DNA。PCR擴增實驗程序如下：95 ℃下進行5 min; 在95 ℃下進行30 s，在55 ℃下進行30 s，在72 ℃下進行45 s，上述三步驟進行1個循環(huán)，最后 72 ℃保持10 min。擴增產(chǎn)物經(jīng)2%瓊脂糖凝膠電泳后采用 AxyPrep DNA Gel Extraction Kit (Axygen Biosciences, Union City, CA, U.S.) 試劑盒參照說明書操作流程進行純化。將提取后的基因送至上海凌恩生物科技有限公司(中國上海)進行測序。

3 結(jié)果與討論

3.1 DCM對SBR性能的影響

圖1 DCM沖擊對反應器性能的影響

圖2 馴化后反應器不同時間和質(zhì)量濃度

圖3 反應器運行周期同一時間與的質(zhì)量濃度

3.2 DCM沖擊對SBR中微生物群落的影響

在沖擊期結(jié)束后對各組反應器中的活性污泥進行高通量測序，對應的污泥樣本為SBRA,SBRB,SBRC,SBRD。基于處理后所得到有效的序列，對活性污泥樣品進行分類單元(OTUs)聚類分析，分別獲得446、864、766、937個OTUs。不同質(zhì)量濃度DCM沖擊下微生物群落的豐富度和多樣性指數(shù)變化見表1所列。其中微生物群落的豐富性常用Chao指數(shù)和ACE指數(shù)來表示，多樣性常用Shannon指數(shù)和Simpson指數(shù)來表示[12]。從表1中可以看出，由于DCM的沖擊導致Chao指數(shù)和ACE指數(shù)的下降，其中在中質(zhì)量濃度的SBRC反應器中生物多樣性下降最為明顯，分別從1529、1556下降至819、832。Shannon指數(shù)有著明顯的下降，DCM質(zhì)量濃度越高的組Shannon指數(shù)下降的顯著,在反應器SBRD中從8.8下降至6.7，下降了23.86%，Simpson指數(shù)較SBRA也分別有著8～9倍的增長，Shannon指數(shù)和Simpson指數(shù)的變化都反映了生物多樣性的下降，從微生物群落角度反映了DCM對活性污泥系統(tǒng)的影響[13]。

表1 DCM 沖擊下微生物群落的豐富度與多樣性指數(shù)

在沖擊結(jié)束后微生物群落在門水平的變化如圖4所示。在門水平上，沖擊前后活性污泥樣品中主要的門都為Patescibacteria、Proteobacteria、Chloroflexi和Actinobacteriota，其總豐度在70%以上。其中Patescibacteria在經(jīng)過DCM沖擊后有著明顯的增加，從10.44%增加至51.85%，44.68%，51.24%，而Proteobacteria和Chloroflexi的相對豐度分別從未沖擊狀態(tài)的41.13%, 15.06%下降至21.68%、23.51%、19.60% 和10.02%、10.16%、9.29%。說明在DCM的沖擊下Patescibacteria門類生物可以有效適應并逐漸成為優(yōu)勢菌種，而Proteobacteria和Chloroflexi會被DCM明顯抑制，Patescibacteria門類對于有機物有著較強的降解性能[14]，這也解釋了在沖擊過程中COD的去除未受影響的現(xiàn)象。硝化菌門(Nitrospirota)的顯著減少，從未受沖擊的0.51%下降至0.46%、0.42%、0.38%這也與活性污泥脫氮性能的下降現(xiàn)象相符。近年來關于Acidobacteriota 門的研究表明，該門菌種通過轉(zhuǎn)運蛋白直接攝取氨[15]，實驗過程中氨氮有著明顯下降，而硝酸鹽氮與亞硝酸鹽氮沒有產(chǎn)生，這與Acidobacteriota直接攝取氨的研究結(jié)果相符。Acidobacteriota 門菌類在DCM的沖擊中有著顯著的下降，影響了活性污泥系統(tǒng)對于氨氮的吸收速率。

圖4 DCM沖擊對反應器內(nèi)群落門水平上的影響

4 結(jié)論