好氧顆粒污泥對活性黑5染料的降解

2023-05-10 13:42:18宮延哲張媛媛

西安工程大學學報 2023年2期

陳希,胡彬,曹旭,宮延哲,張媛媛,王瀚

(西安工程大學城市規劃與市政工程學院,西安 710048)

0 引言

隨著紡織印染行業的高速發展和人們對紡織品需求的不斷增加,大量染料隨廢水進入水體。根據國際顏色索引,全球約有8 000種染料用于紡織品的生產[1]。目前,人造染料大多為芳烴類化合物,其中偶氮染料是應用最多的一種。由于偶氮染料及其分解產物芳胺等具有致癌、致畸和致突變的作用,對水生生態環境威脅較大[2]。因此,現階段亟需開發一種經濟有效、環境友好的工藝解決偶氮染料的降解問題。

相比化學法[3],生物法工藝簡單、成本低廉、清潔無污染,廣泛應用于染料廢水的處理[4]。林旭萌等在研究脫氮技術進展時表明生物脫氮是印染廢水主流的脫氮工藝[5]。采用厭氧-好氧聯合工藝處理染料廢水,在減少曝氣降低能耗的同時,可充分利用微生物的各種生化反應實現染料的礦化脫毒[6]。但傳統厭氧-好氧聯合工藝相對復雜,處理過程耗時較長,微生物適應性差、抗負荷能力較弱[7]。

好氧顆粒污泥是近年來出現的一種較有前景的污水生物處理技術,污泥結構密實、沉降性能良好、生物多樣性高和污泥齡較長[8]。SADRI等采用單一好氧環境培養好氧顆粒污泥處理酸性紅18,當初始染料質量濃度小于50 mg·L-1時降解效果良好[9]。但單一好氧環境培養的好氧顆粒污泥沒有充分利用微生物的厭氧代謝活性,因此在好氧顆粒污泥培養環境中引入厭氧環境,進一步提升單一好氧工藝對染料廢水的降解潛力。

厭氧/好氧交替環境廣泛應用于強化生物除磷系統,強化生物除磷系統富集具有碳源儲存功能的菌群,形成的好氧顆粒污泥不但穩定性更強,同時又可強化有機物的厭氧代謝[10-11]。但厭氧/好氧交替環境的好氧顆粒污泥技術在染料廢水處理中的研究較少。因此,本文通過在厭氧/好氧交替環境下培養好氧顆粒污泥處理模擬染料廢水,分析染料在SBR系統中的去除效果和降解機理。

1 實驗

1.1 材料與儀器

1.1.1 材料

無水乙酸鈉(天津市天力化學試劑有限公司,分析純);氯化銨(天津市天力化學試劑有限公司,分析純);磷酸二氫鉀(天津市天力化學試劑有限公司,分析純);磷酸氫二鉀(天津市天力化學試劑有限公司,分析純);氯化鈣(天津市天力化學試劑有限公司,分析純);碳酸氫鈉(天津市天力化學試劑有限公司,分析純);硫酸鎂(天津市天力化學試劑有限公司,分析純);硫酸亞鐵(天津市天力化學試劑有限公司,分析純);碘化鉀(天津市科密歐化學試劑有限公司,分析純);硼酸(天津市凱通化學試劑有限公司,分析純);氯化鈷(天津市科密歐化學試劑有限公司,分析純);硫酸銅(天津市科密歐化學試劑有限公司,分析純);硫酸鋅(天津市科密歐化學試劑有限公司,分析純);氯化錳(國藥集團化學試劑有限公司,分析純);二水鉬酸鈉(天津市致遠化學實際有限公司,分析純)。

1.1.2 儀器

UV-1800PC型紫外-可見分光光度計(上海美譜達儀器有限公司);ESJ120-4型電子天平(沈陽龍騰電子有限公司);TM0617型馬弗爐(天津盈安美誠科學儀器有限公司);BT300-2J型蠕動泵(保定蘭格恒流泵有限公司);YHX-030型恒溫水浴循環系統(西安東瑞科教儀器有限公司);ACO-318型電磁空壓機(廣東海利集團有限公司);LZB-3WB型玻璃轉子流量計(常州雙環熱工儀表有限公司);DF-101S型磁力攪拌器(鄭州市中原科技玻璃儀器廠)。

自制SBR示意圖如圖1所示。

圖1 自制SBR示意圖

圖1中,反應器材質為亞克力,內徑100 mm,有效高度900 mm,高徑比9,有效容積7.2 L。采用BT300-2J型蠕動泵從反應器底部通過推流方式同步進出水。曝氣設備采用ACO-318型電磁空壓機,由LZB-3WB型玻璃轉子流量計控制氣量為2.0 L/min,采用恒溫水浴循環系統保持反應器在(21±1)℃運行。

1.2 進水水質

實驗采用模擬廢水,按照碳源質量濃度∶氮源質量濃度∶磷源質量濃度=100∶5∶1配制。碳源以化學需氧量(chemical oxygen demand,COD)計,以NaAc為碳源[12],質量濃度為800 mg·L-1,NH4Cl為氮源,N質量濃度為40 mg·L-1,K2HPO4與KH2PO4為磷源,P質量濃度為8 mg·L-1。系統運行90 d,待好氧顆粒污泥成熟后分2個質量濃度梯度在上述模擬廢水中投加活性黑5染料,分別于第91 d和第108 d投加25 mg·L-1和50 mg·L-1。不同運行階段反應器進水水質見表1。

表1 不同運行階段反應器的進水水質

表1中每升模擬污水分別加入礦物質和微量元素濃縮液10 mL·L-1、1 mL·L-1,礦物質和微量元素濃縮液組分及其質量濃度見表2[13]。

表2 微量元素和礦物質濃縮液組分及其質量濃度

1.3 實驗方法

1.3.1 SBR系統運行方法

反應器整個運行過程由時控開關自動控制。每天6個周期,每周期4 h,包括60 min同步進出水,30 min厭氧靜置,120～145 min好氧曝氣和30～5 min沉淀(沉淀時間從剛接種時的30 min經過76 d緩慢降低至5 min,曝氣時間相應延長)。此過程的60 min同步進出水與30 min厭氧靜置共同提供90 min的厭氧階段,其中,30 min厭氧靜置由于無進水過程的擾動,提供了更低的氧化還原電位,促進了染料的厭氧降解;同時厭氧靜置延長了SBR系統的厭氧時間,促進碳源的胞內儲存。系統的容積交換率為25%,對應水力停留16 h。

1.3.2 指標測定

SBR污泥性能指標,即混合液懸浮固體(mix liquid suspended solid,MLSS)、混合液揮發性懸浮固體(mixed liquid volatile suspended solids,MLVSS)、污泥容積指數(sludge volume index,SVI)測定參照文獻[13-14]。為分析活性黑5的降解過程,取原水(活性黑50 mg·L-1)及進水初始時刻、厭氧末期和周期末期的水樣采用UV-1800PC型紫外-可見分光光度計進行光譜掃描。

1.3.3 污染物降解

在第119 d分析好氧顆粒污泥對污染物的降解過程。由于推流式反應器在厭氧階段取樣較為困難,故采用實驗模擬反應器對污染物的降解過程。首先在好氧末期取1 000 mL泥水混合液至1 L燒杯中,靜置5 min后棄去250 mL上清液。然后加入250 mL含50 mg·L-1活性黑5的模擬染料廢水,用保鮮膜密封杯口。采用DF-101S磁力攪拌器厭氧攪拌90 min后,用ACO-318型電磁空壓機通過微孔曝氣頭曝氣145 min,最后沉淀5 min。整個實驗過程中,分別在0、30、60、90、120、150、180、210、240 min取樣測定水中污染物的質量濃度。

1.3.4 16S rRNA基因高通量測序

為研究微生物種群結構變化,對反應器投加染料前后顆粒污泥進行16S rRNA基因高通量測序。聚合酶鏈式反應擴增子文庫使用Illumina MiSeq PE300平臺構建,引物338F(5’-ACTCCTACGGGAGGCAGCAG-3’)和806R(5’-GGACTACHVGGGTWTCTAAT-3’)。采用UPARSE軟件,根據97%的相似度對序列進行OTU聚類,并在聚類的過程中去除單序列和嵌合體。利用RDP classifier對每條序列進行物種分類注釋,比對Silva數據庫,最后對所得到的細菌分類信息進行多樣性和組成群落分析。

2 結果與討論

2.1 污泥沉降性能

反應器污泥質量濃度歷時變化如圖2(a)所示。從圖2(a)可以看出,污泥接種后初始MLSS為13 648 mg·L-1。培養至70 d時,為加速污泥的顆?；?將沉淀時間由10 min降至5 min,聚集性和沉降性較差的污泥被排出系統,MLSS不斷降低。82 d時MLSS趨于穩定,持續穩定至91 d時開始投加25 mg·L-1活性黑5染料。此后MLSS逐漸升高,并在7 882 mg·L-1處上下波動,隨著時間的延續,MLSS的波動逐漸減小。在第108 d將染料質量濃度進一步提高至50 mg·L-1后,MLSS緩慢下降,直至120 d時MLSS穩定在6 300 mg·L-1左右,此過程伴隨著顆粒污泥粒徑的不斷增大,MLVSS與MLSS的變化規律基本一致。初次投加活性黑5后,MLVSS/MLSS由83.9%上升至86.9%;當染料的投加質量濃度進一步增加至50 mg·L-1時,該比值再次升高至87.4%后略微降低,說明活性黑5對污泥的毒害作用較小,刺激了微生物的生長。

污泥的沉降性變化如圖2(b)所示。從圖2(b)可以看出,初次投加活性黑5后,SVI5在47～70 mL·g-1之間波動,SVI30為42～57 mL·g-1,較為穩定。2個梯度投加染料后,顆粒污泥的SVI均呈現先升高后下降的趨勢,說明偶氮染料的加入使SBR系統沉降性能略微變差,但在7 d后即可逐漸恢復,50 mg·L-1以內的染料對成熟顆粒污泥沉降性和顆?；绊戄^小。

(a) MLSS、MLVSS歷時變化

2.2 活性黑5降解

2.2.1 污染物去除

和出水質量濃度

分2次增加模擬廢水的進水染料質量濃度,反應器染料去除負荷的歷時變化如圖3(b)所示。從圖3(b)可以看出,在91 d首次投加25 mg/L染料后,染料去除負荷Ⅰ(以MLSS計)不斷下降,經過一段時間的馴化,至106 d時去除負荷開始回升,3 d后恢復至染料投加前水平。此后增加染料質量濃度至50 mg/L,染料去除負荷I進一步提高并至111 d后穩定在0.005 kg/(kg·d)左右,說明提高活性黑5質量濃度能夠提高污泥對染料的去除負荷?？紤]污泥中微生物的有效含量時,染料去除負荷Ⅱ(以MLVSS計)與染料去除負荷Ⅰ的變化規律相似。

2.2.2 活性黑5降解過程

典型周期內關鍵時間節點水樣的紫外-可見光譜圖如圖4所示。

圖4 活性黑5降解過程的紫外-可見光譜

從圖4可以看出,活性黑5在紫外區的310 nm處和可見光區的598 nm處各有一個特征吸收峰,310 nm處吸收峰對應活性黑5分子中的苯環和萘環結構,598 nm處吸收峰對應偶氮雙鍵結構[16-18]。厭氧段結束后(90 min),598 nm處的峰值有明顯的降低,說明染料的偶氮雙鍵在厭氧段斷裂;但此時310 nm處的吸收峰強度降低并不明顯,說明偶氮雙鍵在裂解的同時生成了新的中間產物,使反應器液相中游離苯環和萘環結構的分子多于預期。馬登月以葡萄糖、可溶性淀粉和乙酸鈉等作為代謝底物[16],利用SBR分析偶氮染料剛果紅降解機理時發現在降解過程中可能有新的中間產物出現。LI等在使用微生物燃料電池和順序陽極-陰極反應器耦合系統進行偶氮染料降解時也發現了有新的中間產物產生[19]。在周期末期(240 min)、310 nm處的吸收峰強度大幅降低,說明在顆粒污泥表面好氧細菌的作用下,部分苯環和萘環開裂后被礦化為二氧化碳和水等小分子有機物,芳香胺被部分去除。598 nm處峰值也有略微下降,說明好氧階段仍有少量偶氮雙鍵斷裂,其可能發生在好氧顆粒污泥中心的厭氧區。

2.3 細菌群落結構

選取投加染料前后的好氧顆粒污泥進行16S rRNA基因高通量測序,將樣品分為投加染料前和投加染料后。污泥在門水平的群落組成如圖5(a)所示。從圖5(a)可以看出,在測序時選擇相對豐度大于1%的菌門,不足1%的菌門歸為“其他”。投加活性黑5前樣品檢測的21種菌門中,物種豐度大于1%的菌門共有6種,其中變形菌門(豐度66.76%)和擬桿菌門(豐度5.67%)是系統的優勢菌門。這些菌門是以NaAc為單一碳源時好氧顆粒污泥系統中常見的優勢菌門[20-21]。李黔花指出變形菌門的功能之一是降解COD[22],這也是變形菌門占優勢的原因。投加活性黑5后,主要菌門的數目沒有明顯變化,但各種類菌門的豐度產生明顯變化。其中變化最明顯的是變形菌門、擬桿菌門和疣微菌門,變形菌門和擬桿菌門分別增加了6.53%和7.54%,而疣微菌門減少了1.21%。說明變形菌門和擬桿菌門更加適應染料廢水的生存環境,對偶氮染料的降解效果更加顯著。YOGESH等研究表明變形菌門下的α-、β-、γ-proteobacterial參與偶氮染料脫色,而疣微菌門可能會受到染料的毒害[23]。此外,投加染料后出現了硝化菌門,豐度為0.007 6%?；钚院?中的偶氮雙鍵斷裂后形成氨基,脫氨基后增加了SBR系統的氮負荷,因而誘導SBR系統中富集了更多的硝化菌門。

在屬水平上進一步篩選相對豐度大于1%的屬進行分析,屬水平上2個樣品的微生物群落結構如圖5(b)所示。從圖5(b)可以看出,投加偶氮染料前后好氧顆粒污泥菌群結構也發生了顯著的變化。其中Candidatus_Competibacter、norank_f_Microscillaceae、Paracoccus、Azoarcus分別增加了6.26%、6.61%、4.18%、3.45%。Candidatus_Competibacter是除磷功能菌群中重要的聚糖菌,在厭氧環境下通過分解糖原提供能量攝取外界有機物儲存為胞內的聚羥基烷酸酯[24]。在好氧環境消耗胞內儲存的聚羥基烷酸酯合成糖原,同時Candidatus_Competibacter分泌大量的胞外聚合物,是厭氧-好氧交替環境下形成好氧顆粒污泥的重要菌群,說明投加染料并未使顆粒污泥解體,反而刺激了Candidatus_Competibacter的生長,更有利于污泥的顆粒化。Paracoccus、Azoarcus具有反硝化功能[25-26],2種菌屬豐度的升高可能與活性黑5增加了SBR系統的氮負荷有關。此外,Azoarcus還可降解苯甲酸鹽[26],對活性黑5在厭氧環境下生成的芳香胺有一定的去除效果。在投加偶氮染料后Thauera的占比增加了0.34%,Thauera大多呈桿狀,該菌屬除了具有反硝化功能外,能夠有效地降解芳香胺[27],在偶氮染料的降解中發揮了較大的作用。