今天為廣大朋友介紹的是——印染廢水處理工藝
紡織印染廢水具有水量大、成分復(fù)雜多變、色度大、COD高、毒性強(qiáng)等特點(diǎn), 屬于難處理的工業(yè)廢水之一.如直接采用生化法如厭氧(水解酸化)、好氧等對(duì)其進(jìn)行處理, 時(shí)常會(huì)發(fā)生活性污泥受到抑制、生化系統(tǒng)癱瘓崩潰等不良情況.因此, 在實(shí)際運(yùn)行工藝中, 會(huì)先采用物化方法即投加鐵鹽、鋁鹽和PAM等混凝助凝劑, 通過(guò)吸附網(wǎng)捕等方式降低印染廢水污染物濃度和毒性后, 再進(jìn)入生化系統(tǒng)進(jìn)行處理.但該法存在生化處理能力有限、生化運(yùn)行不穩(wěn)定、化學(xué)污泥產(chǎn)量大等問(wèn)題.
雙氧水作為一種高級(jí)強(qiáng)氧化劑, 通常情況下會(huì)對(duì)污泥活性造成抑制影響, 甚至導(dǎo)致生化系統(tǒng)的癱瘓和崩潰, 因此在印染廢水處理中, 其常與鐵形成芬頓試劑, 用于深度處理環(huán)節(jié)中的染料脫色.
本實(shí)驗(yàn)嘗試了不同于以往的生化研究方法, 即采用雙氧水協(xié)同水解酸化-接觸氧化強(qiáng)化處理印染廢水的方法.通過(guò)接種城鎮(zhèn)污水廠的常規(guī)活性污泥, 在淹沒(méi)式生物濾池反應(yīng)器(submerged biological aerated filter, SBAF)內(nèi), 經(jīng)水解酸化-接觸氧化生化系統(tǒng)啟動(dòng)并運(yùn)行穩(wěn)定后, 在嚴(yán)格控制雙氧水投加濃度、投加量、投加頻率和投加方式的條件下, 將其投加到水解酸化反應(yīng)器內(nèi), 可顯著提高水解酸化和接觸氧化的生化處理能力, 并提升生化體系的穩(wěn)定性.本實(shí)驗(yàn)分別選取接種種泥、水解酸化污泥和接觸氧化污泥, 采用16S rDNA宏基因組高通量測(cè)序技術(shù), 分析對(duì)比了各反應(yīng)器中污泥微生物的群落結(jié)構(gòu), 明確了各反應(yīng)器中的優(yōu)勢(shì)微生物.該實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了雙氧水協(xié)同水解酸化-接觸氧化強(qiáng)化處理印染廢水具有技術(shù)可行性, 且對(duì)于未來(lái)提升生化系統(tǒng)處理能力和運(yùn)行穩(wěn)定性具有重要的指導(dǎo)意義.
一，材料與方法
1.1 實(shí)驗(yàn)裝置
實(shí)驗(yàn)裝置如圖 1所示, 兩個(gè)圓柱形反應(yīng)器主體采用有機(jī)玻璃制作, 分別設(shè)為水解酸化A段和接觸氧化O段, 其內(nèi)徑均為11.0 cm, 高度38.0 cm, 總?cè)莘e3.6 L, 有效容積3.0 L.反應(yīng)器內(nèi)部均懸掛組合填料供微生物附著生長(zhǎng), 外部包裹2.5 cm厚的水浴夾層用于保溫.
圖 1 本實(shí)驗(yàn)的反應(yīng)裝置示意
1.2 接種污泥
本實(shí)驗(yàn)接種污泥取自廣州市某污水處理廠二沉池的普通活性污泥.接種前, 將污泥靜置倒掉上清液后, 空曝3 d消耗污泥中的有機(jī)物, 之后將濃縮污泥濃度調(diào)節(jié)到10 246.3 mg·L-1, 備用.
1.3 實(shí)驗(yàn)用水
本實(shí)驗(yàn)用水采用人工模擬廢水, 其主要成分為(單位mg·L-1)：葡萄糖80.0~150.0, 可溶性淀粉120.0~300.0, 聚乙烯醇(PVA)200.0~320.0, 碳酸銨3.0~61.0, 磷酸二氫鉀25.0, 硫酸鎂20.0, 硫酸錳10.0, 硫酸鐵2.0, 活性黑染料5.0~30.0.實(shí)驗(yàn)進(jìn)水水質(zhì)見(jiàn)表 1.
表 1 模擬印染廢水成分
1.4 實(shí)驗(yàn)方法
本實(shí)驗(yàn)水解酸化污泥和接觸氧化污泥培養(yǎng)與馴化, 包括以下步驟.
1.4.1 污泥掛膜階段
(1) 水解酸化A段掛膜 取3.0 L接種污泥倒入反應(yīng)器A內(nèi), 打開攪拌裝置運(yùn)行5 d, 此期間每天投加適量的葡萄糖, 碳酸銨以及磷酸二氫鉀作為營(yíng)養(yǎng)原料, 當(dāng)肉眼可見(jiàn)填料上附著污泥呈黑色, 且水洗不易脫落時(shí), 停止攪拌裝置后, 將懸浮污泥從反應(yīng)器A中排出.掛膜完成.
(2) 接觸氧化O段掛膜 取3.0 L接種污泥倒入反應(yīng)器O內(nèi), 打開曝氣裝置運(yùn)行5 d, 此期間每天投加適量的葡萄糖, 碳酸銨以及磷酸二氫鉀作為營(yíng)養(yǎng)原料, 當(dāng)肉眼可見(jiàn)填料上附著污泥呈黃褐色, 且水洗不易脫落時(shí), 停止曝氣裝置, 將懸浮污泥從反應(yīng)器O中排出.掛膜完成.
(3) 將水解酸化段A出水口與接觸氧化段O進(jìn)水口用泵連通, 形成組合工藝.
1.4.2 生化系統(tǒng)啟動(dòng)階段
(1) 階段 配置模擬生化廢水進(jìn)水COD濃度為450.0~500.0 mg·L-1的模擬廢水, 其主要成分為可溶性淀粉, 葡萄糖, 碳酸銨, 磷酸二氫鉀, 使得BOD5:N:P為100:5:1, 開始連續(xù)進(jìn)水, A段和O段的HRT均為12 h, O段DO為2.5~3.5 mg·L-1. 20 d后, 當(dāng)O段出水COD穩(wěn)定小于30.0 mg·L-1、氨氮為0.0 mg·L-1時(shí), 階段完成(該階段僅為啟動(dòng)環(huán)節(jié), 出水水質(zhì)數(shù)據(jù)不作為本實(shí)驗(yàn)的分析內(nèi)容).
(2) 第二階段 配置模擬印染廢水進(jìn)水COD濃度按梯度分別為200.0、300.0、500.0和800.0 mg·L-1的含PVA印染廢水, 其主要成分為PVA, 可溶性淀粉, 葡萄糖, 碳酸銨, 磷酸二氫鉀, 染料活性黑B150(主要成分Black KN-B), B/C比為0.23, 其中PVA所貢獻(xiàn)的COD占比為60.0%, 色度300.0~400.0倍.系統(tǒng)連續(xù)進(jìn)水, A段和O段的水溫均控制在30~32℃, HRT均為18~20 h, O段DO為5.0~6.0 mg·L-1.當(dāng)O段出水COD基本穩(wěn)定在400.0~450.0 mg·L-1時(shí), 第二階段完成.該階段出水水質(zhì)進(jìn)行各指標(biāo)檢測(cè).
(3) 第三階段 調(diào)整模擬含PVA印染廢水中成分配比, 使PVA所貢獻(xiàn)COD占比降低至50.0%, 水質(zhì)B/C比調(diào)整至0.26, 水質(zhì)總COD維持800.0 mg·L-1, 色度維持300.0~400.0倍.系統(tǒng)連續(xù)進(jìn)水, A段和O段的水溫均控制在30~32℃, 水力停留時(shí)間均為18~20 h, 待生化系統(tǒng)比較終去除效果穩(wěn)定時(shí), 即COD去除率70.0%~74.0%, PVA去除率51.0%~54.0%, 氨氮去除率98.0%~100.0%, 色度總?cè)コ始s86.0%~91.0%時(shí), 完成第三階段.該階段出水水質(zhì)進(jìn)行各指標(biāo)檢測(cè).
1.4.3 雙氧水投加依據(jù)
由于目前暫未找到雙氧水協(xié)同水解酸化-接觸氧化處理印染廢水相關(guān)方面的文獻(xiàn), 因此本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)以前期探索工作為依據(jù).
在水解酸化-接觸氧化生化系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定后, 于當(dāng)天下午16:00開始在水解酸化段投加了20.0 mL體積分?jǐn)?shù)為150.0 mL·L-1的雙氧水(15.0%的雙氧水), 流速為0.67 mL·min-1, 投加時(shí)間約2.5 h.第二天早上09:00取樣前, 發(fā)現(xiàn)水解酸化反應(yīng)器存在嚴(yán)重污泥上浮現(xiàn)象, 且體系局部DO濃度高達(dá)30.0 mg·L-1, 當(dāng)即采取了緊急措施, 關(guān)閉了所有進(jìn)水閥, 將水解酸化體系的污水全部排出, 換成自來(lái)水, 之后按正常模擬廢水進(jìn)水, 該生化系統(tǒng)經(jīng)過(guò)7 d后得到恢復(fù)(恢復(fù)依據(jù)為達(dá)到1.4.2節(jié)中生化系統(tǒng)啟動(dòng)階段的第三階段特征污染物去除情況).
當(dāng)生化系統(tǒng)恢復(fù)穩(wěn)定后, 于當(dāng)天下午16:00開始在水解酸化段投加20.0 mL體積分?jǐn)?shù)為15.0 mL·L-1的雙氧水(1.5%的雙氧水), 流量為0.67 mL·min-1, 投加時(shí)間約2.5 h.第二天早上09:00取樣前, 發(fā)現(xiàn)水解酸化反應(yīng)器內(nèi)存在少量污泥上浮現(xiàn)象, 且體系DO大于2.0 mg·L-1, 隨即停止投加雙氧水, 關(guān)閉所有進(jìn)水閥, 將水解酸化體系的污水全部排出, 換成自來(lái)水, 之后按正常模擬廢水進(jìn)水, 該節(jié)生化系統(tǒng)經(jīng)過(guò)7 d后得到恢復(fù)(恢復(fù)依據(jù)為達(dá)到1.4.2節(jié)中生化系統(tǒng)啟動(dòng)階段的第三階段特征污染物去除情況).
當(dāng)生化系統(tǒng)再次恢復(fù)穩(wěn)定后, 于每天下午16:00開始在水解酸化段投加100.0 mL體積分?jǐn)?shù)為3.0 mL·L-1雙氧水(0.3%的雙氧水), 流量為0.67 mL·min-1, 投加時(shí)間約2.5 h.第二天早上09:00取樣前, 反應(yīng)器內(nèi)沒(méi)有出現(xiàn)污泥上浮現(xiàn)象, DO穩(wěn)定在0.1~0.4 mg·L-1, 體系運(yùn)行正常.
因此, 經(jīng)過(guò)前期實(shí)驗(yàn)探索, 雙氧水的投加條件比較終選取為：體積分?jǐn)?shù)為3.0 mL·L-1, 投加量為100.0 mL, 流速0.67 mL·min-1, 投加時(shí)間每天下午16:00, 持續(xù)約為2.5 h, 投加頻率為1次·d-1.
1.4.4 雙氧水協(xié)同生化系統(tǒng)啟動(dòng)及運(yùn)行階段
(1) 此階段中, 體系模擬進(jìn)水成分和濃度, 與1.4.2節(jié)中(3) 一致, A段和O段的HRT均維持在18~20 h.
(2) 每個(gè)HRT階段內(nèi), 用蠕動(dòng)泵向A段注入雙氧水溶液, 投加條件參見(jiàn)1.4.3節(jié).于每天早上09:00取出水水樣, 并對(duì)水質(zhì)的各指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè).
(3) 體系持續(xù)運(yùn)行.系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定后, 分別在A段和O段的生物膜上各采集一個(gè)污泥樣本, 送至檢測(cè)機(jī)構(gòu)(銳博生物科技有限公司, 廣州)進(jìn)行16S rDNA宏基因組測(cè)序.
1.5 水質(zhì)檢測(cè)方法
本實(shí)驗(yàn)水質(zhì)均采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)方法.其中, COD采用重鉻酸鉀法測(cè)定; NH4+-N采用水楊酸法測(cè)定; 色度采用稀釋法測(cè)定; PVA采用分光光度法測(cè)定; pH值和溫度采用便攜式pH計(jì)(PJBJ-260, 上海雷磁)測(cè)定; DO采用便攜式溶解氧分析儀(JPB-607A, 上海雷磁)測(cè)定.染料吸光度采用分光光度法測(cè)定.
1.6 基于Illumina平臺(tái)的16S rDNA宏基因組測(cè)序
分別取反應(yīng)器A和反應(yīng)器O中的污泥, 經(jīng)濃縮后, 冷凍干燥機(jī)冷凍干燥, 進(jìn)行16S rDNA宏基因組測(cè)序[19], 其流程如下.
1.6.1 樣品抽提與質(zhì)檢
采用離心吸附柱法進(jìn)行樣品DNA抽提, 并用Agarose Gel Electrophoresis和ND-1000Nanodrop進(jìn)行樣品質(zhì)檢.
1.6.2 文庫(kù)構(gòu)建與質(zhì)檢
通過(guò)質(zhì)檢的樣品, 用TruSeq® Custom Amplicon Sample Prep Kit進(jìn)行文庫(kù)構(gòu)建, 主要包括內(nèi)側(cè)特異性引物PCR擴(kuò)增、外側(cè)接頭特異性引物PCR擴(kuò)增及純化, 并用Agilent2200TapeStation和Qubit2.0進(jìn)行文庫(kù)質(zhì)檢.
1.6.3 樣本制備
(1) 通過(guò)質(zhì)檢的文庫(kù), 按照pooling比例進(jìn)行混合, pooling后的濃度為2.1 nmol·L-1.
(2) 將pooling樣品與2.1 nmol·L-1 Phix Control按照19:1比例進(jìn)行混合.
(3) 將2.0 mol·L-1 NaOH稀釋為0.2 mol·L-1 NaOH.
(4) 將(2) 和(3) 處理結(jié)果按照1:1比例進(jìn)行混合, 室溫孵育5 min.
(5) 用HT1將(4) 中混合物稀釋100倍, 取420 μL作為測(cè)序樣本.
1.6.4 上機(jī)測(cè)序
使用Pair End Flow Cell, 進(jìn)行MiSeq 2500上機(jī)操作, 并運(yùn)行Pair End(2×100) 標(biāo)準(zhǔn)測(cè)序程序.
1.6.5 數(shù)據(jù)分析
測(cè)序程序運(yùn)行完畢, 對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行生物信息學(xué)分析.首先對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行過(guò)濾, 去除低質(zhì)量數(shù)據(jù), 得到干凈數(shù)據(jù)(clean data)后進(jìn)行后續(xù)分析; 其次將Paired-end reads拼接為Tags, 并且去冗余, 獲取Unique Tags; 然后對(duì)Unique Tags進(jìn)行聚類, 生成OTU(operational taxonomic units); 比較后利用生成的OTU進(jìn)行物種注釋、分類統(tǒng)計(jì)及Alpha多樣性分析.
上述步驟中所使用的試劑、儀器及廠家信息見(jiàn)表 2.
表 2 主要使用的儀器及試劑
二，結(jié)果與討論
2.1 反應(yīng)體系中印染廢水pH變化
pH的變化在一定程度上可以反映水解酸化、接觸氧化的生化運(yùn)行情況.為了驗(yàn)證雙氧水對(duì)水解酸化-接觸氧化體系是否具有抑制或破壞作用, 本實(shí)驗(yàn)對(duì)印染廢水進(jìn)水、水解酸化A段出水、接觸氧化O段出水的pH進(jìn)行檢測(cè)分析, 結(jié)果如圖 2所示.本實(shí)驗(yàn)過(guò)程經(jīng)歷了兩個(gè)階段：生化系統(tǒng)啟動(dòng)期(階段Ⅰ:1~43 d)和雙氧水協(xié)同生化系統(tǒng)運(yùn)行期(階段Ⅱ:44~176 d).在階段Ⅰ中, 由于實(shí)驗(yàn)采用COD階梯式增長(zhǎng)方式啟動(dòng)系統(tǒng), 在第1 d~26 d時(shí), 印染廢水進(jìn)水pH平均值為7.6, 水解酸化出水pH平均值7.4, 接觸氧化出水pH平均值7.4.這是由于水解酸化污泥和接觸氧化污泥均處于馴化階段, 因此印染廢水進(jìn)水、水解酸化出水和接觸氧化出水pH沒(méi)有明顯差別, 且分別無(wú)顯著變化規(guī)律.在第27~43 d時(shí), 當(dāng)印染廢水進(jìn)水pH平均值提升至7.9(由于COD增加而引起的), 水解酸化出水pH平均值降為7.2, 接觸氧化出水pH平均值降為7.1.說(shuō)明水解酸化A段開始產(chǎn)生生化作用.在階段Ⅱ中, 在印染廢水水質(zhì)不發(fā)生變化的條件下, 雙氧水投加至水解酸化A段中, 該過(guò)程水解酸化A段內(nèi)DO始終保持穩(wěn)定在0.1~0.4 mg·L-1之間, 且未出現(xiàn)污泥上浮(或死泥漂浮)的現(xiàn)象.此階段印染廢水進(jìn)水pH平均值為8.0, 水解酸化出水pH平均值為7.4, 接觸氧化出水pH平均值降為7.3, 即水解酸化出水pH平均值與接觸氧化出水pH平均值接近, 但低于印染廢水進(jìn)水pH平均值.說(shuō)明雙氧水對(duì)水解酸化-接觸氧化生化體系未造成抑制或破壞影響.
圖 2 反應(yīng)體系pH變化情況
2.2 反應(yīng)體系中印染廢水COD去除情況
從圖 3的結(jié)果可知, 印染廢水中COD的去除情況分為兩個(gè)階段：生化系統(tǒng)啟動(dòng)期(階段Ⅰ:1~43 d)和雙氧水協(xié)同生化系統(tǒng)運(yùn)行期(階段Ⅱ: 44~176 d).在階段Ⅰ內(nèi), 生化系統(tǒng)進(jìn)水COD以階梯式增長(zhǎng)方式啟動(dòng)系統(tǒng), 即第1~13 d, 進(jìn)水COD為194.0~217.0 mg·L-1; 第14~18 d, 進(jìn)水COD為284.0~300.0 mg·L-1; 第19~26 d, 進(jìn)水COD為473.0~500.0 mg·L-1; 第27~43 d, 進(jìn)水COD為753.0~823.0 mg·L-1.采用這種啟動(dòng)方式的目的在于提高系統(tǒng)的抗沖擊負(fù)荷能力, 通過(guò)緩慢改變水質(zhì)環(huán)境, 使污泥循序漸進(jìn)地得以馴化.此階段系統(tǒng)COD總?cè)コ时容^大可達(dá)到71.9%.當(dāng)該體系COD總?cè)コ史�(wěn)定維持在62.5%~71.9%時(shí), 將雙氧水于第43 d開始定時(shí)定量地投加到水解酸化A段內(nèi).從圖 3中數(shù)據(jù)可知, 第43~77 d, 水解酸化A段COD去除率從44.5%下降到24.4%, 接觸氧化A段COD去除率從57.1%上升到91.3%.其中, 水解酸化A段重點(diǎn)在于污染物質(zhì)化學(xué)結(jié)構(gòu)和性質(zhì)上的改變, 而不在于其量的去除, 當(dāng)雙氧水投加到水解酸化A段時(shí), 其產(chǎn)生的羥基自由基的強(qiáng)氧化性可協(xié)同水解酸化微生物將廢水中部分大分子有機(jī)物分解為小分子有機(jī)物(這可能是引起COD去除率出現(xiàn)下降的主要原因), 其產(chǎn)物中的微量氧氣可提高兼性水解酸化菌的生理代謝功能.這說(shuō)明雙氧水的投加使得A段的水解酸化能力得以加強(qiáng), 從而對(duì)提高接觸氧化O段的生化處理能力起到了顯著作用; 第77~176 d, 水解酸化A段COD去除率穩(wěn)定維持在20.6%~26.9%, 接觸氧化A段COD去除率穩(wěn)定維持在88.5%~94.6%.此階段Ⅱ該反應(yīng)體系COD比較大去除率為95.8%, 平均去除率為89.8%.
圖 3 反應(yīng)體系COD去除情況
這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明, 向水解酸化A段投加雙氧水, 嚴(yán)格控制其投加濃度、投加量、投加時(shí)間和投加方式, 不僅不會(huì)出現(xiàn)抑制污泥活性、破壞生化系統(tǒng)的情況, 反而有利于提升水解酸化-接觸氧化體系對(duì)廢水中COD的生化去除能力.
2.3 反應(yīng)體系中印染廢水氨氮去除情況分析
從圖 4的結(jié)果可知, 印染廢水中氨氮的去除情況分為兩個(gè)階段：生化系統(tǒng)啟動(dòng)期(階段Ⅰ: 1~43 d)和雙氧水協(xié)同生化系統(tǒng)運(yùn)行期(階段Ⅱ: 44~176 d).在階段Ⅰ內(nèi), 生化系統(tǒng)進(jìn)水氨氮以階梯式增長(zhǎng)方式啟動(dòng)系統(tǒng).采用這種啟動(dòng)方式主要是因?yàn)殡S著進(jìn)水COD的不斷提升, 為保證微生物生長(zhǎng)所需要的水質(zhì)C/N比, 而不斷增加進(jìn)水中的氨氮濃度.此階段A段出水氨氮濃度隨著進(jìn)水氨氮濃度的增大而持續(xù)增大, 其出水氨氮濃度和氨氮去除率時(shí)有明顯波動(dòng), 其中氨氮去除率出現(xiàn)過(guò)多次負(fù)值, 而接觸氧化O段出水氨氮濃度和氨氮去除率在第24 d后開始逐漸穩(wěn)定, 其出水氨氮濃度均穩(wěn)定較低水平.這說(shuō)明前期進(jìn)水氨氮濃度的增加, 會(huì)引起系統(tǒng)波動(dòng)運(yùn)行.當(dāng)?shù)?3 d開始向水解酸化A段投加雙氧水后, 系統(tǒng)進(jìn)入階段Ⅱ.隨著進(jìn)水氨氮濃度的不斷上升, 水解酸化A段出水氨氮濃度也呈正相關(guān)性增長(zhǎng), 其氨氮去除率沒(méi)有再出現(xiàn)過(guò)負(fù)值現(xiàn)象, 接觸氧化O段氨氮去除率一直保持低水平的平穩(wěn)狀態(tài), 此階段氨氮比較大去除率達(dá)到100.0%, 平均去除率達(dá)到96.7%.這說(shuō)明雙氧水的投加對(duì)生化體系穩(wěn)定性是有利的.有研究發(fā)現(xiàn), 雙氧水的投加會(huì)增加廢水中的氧含量, 能顯著提升氨氮的去除率, 本實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)論與之一致.因此, 雙氧水的適量投加, 不僅使得生化體系對(duì)印染廢水中COD的去除能力提高, 對(duì)氨氮的去除能力也同樣增強(qiáng).
圖 4 反應(yīng)體系中氨氮的去除情況
2.4 反應(yīng)體系中印染廢水PVA去除情況分析
PVA是印染廢水中比較典型的難降解大分子有機(jī)物.為了更為直觀地了解雙氧水協(xié)同生化對(duì)印染廢水的處理能力, 本實(shí)驗(yàn)從第43 d開始(即投加雙氧水開始), 增加了PVA濃度檢測(cè).通過(guò)對(duì)PVA的去除情況影響, 可對(duì)雙氧水協(xié)同生化工藝有進(jìn)一步深入認(rèn)識(shí).實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖 5所示.
圖 5 反應(yīng)體系中PVA的去除情況
從圖 5結(jié)果可知, 在43~53 d期間, 該反應(yīng)體系經(jīng)歷了短期的適應(yīng)階段后, 于第54 d開始, 隨著進(jìn)水PVA濃度的增大, 水解酸化A段對(duì)其去除能力呈緩慢下降趨勢(shì), 而接觸氧化O段對(duì)PVA的去除能力不斷增強(qiáng), 到63 d時(shí)該段對(duì)PVA的去除率達(dá)到90.8%.此后隨著運(yùn)行時(shí)間的增長(zhǎng), 接觸氧化O段對(duì)PVA依然保持良好的去除能力, 即PVA比較大去除率達(dá)到94.4%, 平均去除率為87.4%.這一結(jié)果再次證明, 雙氧水對(duì)水解酸化-接觸氧化的生化處理能力的提升與強(qiáng)化作用.
2.5 反應(yīng)體系中印染廢水脫色情況分析
本實(shí)驗(yàn)配置的模擬印染廢水進(jìn)水色度在300~400倍之間.由于色度稀釋法存在一定的誤差性, 因此本實(shí)驗(yàn)通過(guò)投加不同濃度的染料, 采用波長(zhǎng)600 nm處的吸光度測(cè)定變化, 來(lái)間接反映該體系中的色度去除情況, 其結(jié)果如圖 6所示.
圖 6 反應(yīng)體系中色度的去除情況
雙氧水在水中會(huì)分解產(chǎn)生羥基自由基, 可有效降解含共軛雙鍵的發(fā)色基團(tuán)及其他含有復(fù)雜芳香環(huán)的官能團(tuán), 因此當(dāng)其與水解酸化、接觸氧化共同作用時(shí), 會(huì)對(duì)印染廢水有顯著的脫色性能.從圖 6結(jié)果可知, 在運(yùn)行43~113 d期間, 當(dāng)廢水進(jìn)水染料濃度為10 mg·L-1時(shí), 其水質(zhì)在波長(zhǎng)600 nm處的吸光度為0.26~0.38, 經(jīng)雙氧水協(xié)同水解酸化A段和接觸氧化O段處理后, A段的色度去除能力先處于波動(dòng)狀態(tài), 后穩(wěn)定持續(xù)在70.0%左右, 而O段的色度去除能力先持續(xù)增強(qiáng), 后穩(wěn)定維持在80.0%左右小范圍波動(dòng); 從114~176 d, 隨著染料投加從20 mg·L-1增加到60 mg·L-1時(shí), A段的色度去除能力呈緩慢增強(qiáng)趨勢(shì), 體現(xiàn)出雙氧水與水解酸化協(xié)同強(qiáng)化作用; 而O段的色度去除能力呈顯著下降趨勢(shì), 總體系的色度去除能力有略微下降趨勢(shì), 但整體上呈現(xiàn)較為穩(wěn)定的狀態(tài).在整個(gè)這一運(yùn)行過(guò)程中, 反應(yīng)體系的比較大脫色率為96.3%, 平均脫色率為92.1%.這一結(jié)果體現(xiàn)出雙氧水協(xié)同水解酸化-接觸氧化方法對(duì)色度去除的技術(shù)優(yōu)勢(shì).
2.6 反應(yīng)體系內(nèi)微生物菌群的宏基因組16S rDNA測(cè)序分析 2.6.1 微生物聚類與Alpha多樣性分析
微生物聚類分析：利用Qiime挑選OTUs, 將所有相似性大于97%的序列歸為一個(gè)OUT, 默認(rèn)聚類方法為uclust, 即一個(gè)OUT表示一個(gè)物種, 體系中OUT大于4 000, 微生物物種豐富.
微生物α多樣性分析：α多樣性即樣品內(nèi)部的生物多樣性, 主要有Chao1指數(shù)、Shannon指數(shù)、Simpson指數(shù), Chao1指數(shù)等多種衡量樣品物種豐度的指標(biāo).這些指數(shù)數(shù)值越大, 表明物種豐度越大.其中, Shannon和Simpson指數(shù)是綜合了OTU豐度和OTU均勻度兩方面因素多樣性指數(shù), Shannon值越大, Simpson值越小, 說(shuō)明群落多樣性越高.
樣本覆蓋度：是指測(cè)序結(jié)果占整個(gè)基因組的比例.通常將該指標(biāo)與聚類、α多樣性指標(biāo)的稀釋曲線相結(jié)合, 用于評(píng)價(jià)測(cè)序量是否覆蓋所有類群, 并間接反映樣品中物種的豐富程度.當(dāng)曲線趨于平緩或者達(dá)到平臺(tái)期時(shí)則認(rèn)為測(cè)序深度已基本覆蓋樣品中的所有物種.
為了研究本體系內(nèi)微生物的種群結(jié)構(gòu)特征, 本實(shí)驗(yàn)選取3個(gè)污泥樣品, 分別為接種期種泥、運(yùn)行期A段反應(yīng)器污泥和O段反應(yīng)器污泥, 對(duì)這些微生物樣品進(jìn)行聚類與多樣性分析, 其OTU數(shù)目、有效序列條數(shù)統(tǒng)計(jì)及微生物α多樣性相關(guān)的各項(xiàng)指標(biāo)見(jiàn)表 3和圖 7所示.根據(jù)指標(biāo)結(jié)果, 本研究中樣品曲線基本趨于平緩, 各測(cè)序結(jié)果占整個(gè)基因組的97%以上, 覆蓋度高, 證明樣品測(cè)序量能夠準(zhǔn)確反映出樣品的物種豐度.
表 3 微生物樣品的α多樣性
圖 7 α多樣性指標(biāo)的稀釋曲線
2.6.2 反應(yīng)體系內(nèi)微生物菌群結(jié)構(gòu)分析
本實(shí)驗(yàn)運(yùn)行期的A段反應(yīng)器污泥和O段反應(yīng)器污泥, 采用宏基因組16S rDNA宏基因測(cè)序分析技術(shù), 對(duì)反應(yīng)體系內(nèi)微生物的菌群結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行研究, 其結(jié)果如圖 8和表 4所示.
圖 8 反應(yīng)體系內(nèi)微生物的菌群組成(門水平)
表 4 反應(yīng)體系內(nèi)微生物的菌群特性(門水平
從圖 8和表 4可知, 通過(guò)對(duì)比該反應(yīng)體系在接種期和運(yùn)行期時(shí)的微生物在門水平下的菌群結(jié)構(gòu)和豐度變化, 發(fā)現(xiàn)不同時(shí)期, 不同生化段的微生物菌群結(jié)構(gòu)有著顯著差異.
反應(yīng)體系在接種期間, 除5.1%未檢出或未識(shí)別的菌門, 種泥微生物共包括49個(gè)菌門, 其中>1%的共有11個(gè)菌門(如表 4).其中變形菌門Proteobacteria和綠彎菌門Chloroflexi所占比例達(dá)到51.0%, 為種泥中的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)菌門.其次, 各菌門根據(jù)菌種豐度含量大小依次為：變形菌門Proteobacteria>綠彎菌門Chloroflexi>硝化螺旋菌門Nitrospirae>浮霉菌門Planctomycetes>放線菌門Actinobacteria>酸桿菌門Acidobacteria>擬桿菌門Bacteroidetes>疣微菌門Verrucomicrobia.
反應(yīng)體系在運(yùn)行期間, 除7.5%未檢出或未識(shí)別的菌門, 水解酸化A段共包括51個(gè)菌門, 比接種期種泥多了2個(gè)菌門, 其中>1%的共有11個(gè)菌門.其中變形菌門Proteobacteria和擬桿菌門Bacteroidetes所占比例分別為27.0%和14.5%, 成為水解酸化A段的優(yōu)勢(shì)菌門.其次, 各菌門豐度含量大小依次為：變形菌門Proteobacteria>擬桿菌門Bacteroidetes>疣微菌門Verrucomicrobia>厚壁菌門Firmicutes>芽單胞菌門Gemmatimonadetes>酸桿菌門Acidobacteria>梭桿菌門Fusobacteria>OD1>綠彎菌門Chloroflexi>綠菌門Chlorobi>放線菌門Actinobacteria>OP3>廣古菌門Euryarchaeota(=BRC1)>黏膠球形菌門Lentisphaerae(=浮霉菌門Planctomycetes=裝甲菌門Armatimonadetes).有研究表明, 擬桿菌門Bacteroidetes和厚壁菌門Firmicutes廣泛存在于染料廢水處理中的水解酸化段, 這兩個(gè)菌門主要用于染料色度的去除.本研究結(jié)果與這些報(bào)道結(jié)果之間既存在共同點(diǎn), 也存在差異.
反應(yīng)體系在運(yùn)行期, 除6.9%未檢出或未識(shí)別的菌門, 接觸氧化O段共包括30菌門, 比接種期種泥少了19個(gè)菌門, 其中>1%的共有11個(gè)菌門.其中變形菌門Proteobacteria和浮霉菌門Planctomycetes所占比例分別為18.9%和26.2%, 成為接觸氧化O段的優(yōu)勢(shì)菌門.其次, 各菌門豐度含量大小依次為：浮霉菌門Planctomycetes>變形菌門Proteobacteria>酸桿菌門Acidobacteria>疣微菌門Verrucomicrobia>綠彎菌門Chloroflexi>芽單胞菌門Gemmatimonadetes>裝甲菌門Armatimonadetes>放線菌門Actinobacteria>BRC1>硝化螺旋菌門Nitrospirae(=TM6).
綜上, 水解酸化A段微生物從接種期到運(yùn)行期, 菌群結(jié)構(gòu)發(fā)生了顯著變化, 其優(yōu)勢(shì)菌門主要為變形菌門Proteobacteria、擬桿菌門Bacteroidetes和疣微菌門Verrucomicrobia, 這3個(gè)菌門所占比例達(dá)到51.3%.接觸氧化O段微生物從接種期到運(yùn)行期, 菌群結(jié)構(gòu)同樣發(fā)生了顯著變化, 其優(yōu)勢(shì)菌門主要為浮霉菌門Planctomycetes、變形菌門Proteobacteria和酸桿菌門Acidobacteria, 這3個(gè)菌門所占比例達(dá)到53.9%.
三，結(jié)論
(1) 將雙氧水投加到水解酸化A段中, 投加體積分?jǐn)?shù)3 mL·L-1、投加量100.0 mL、流速0.67 mL·min-1、投加頻率1次·d-1, 可顯著強(qiáng)化水解酸化和接觸氧化的生化處理能力。
(2) 雙氧水協(xié)同水解酸化-接觸氧化可對(duì)印染廢水中的特征污染物進(jìn)行有效處理.其中, COD平均去除率為89.8%;氨氮平均去除率達(dá)到96.7%; PVA平均去除率為87.4%;染料平均脫色率為92.1%.
(3) 水解酸化A段和接觸氧化O段的微生物從接種期到運(yùn)行期, 菌群結(jié)構(gòu)均發(fā)生了顯著變化.其中, 水解酸化A段優(yōu)勢(shì)菌門主要為變形菌門Proteobacteria、擬桿菌門Bacteroidetes和疣微菌門Verrucomicrobia; 接觸氧化O段優(yōu)勢(shì)菌門主要為浮霉菌門Planctomycetes、變形菌門Proteobacteria和酸桿菌門Acidobacteria.
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