印染廢水的主要污染特征為可生化性差、有機(jī)物含量高、色度深, 是工業(yè)廢水處理研究中被關(guān)注的重點.隨著含氮含硫染料和化學(xué)助劑的使用, 印染廢水也伴隨著氮、硫的污染, 已有學(xué)者開始重視氮的去除研究, 而硫的去除常被忽視.印染廢水中的硫主要以硫酸鹽和硫化物兩種形態(tài)存在, 《紡織染整工業(yè)水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》對硫化物的排放提出了要求, 硫酸鹽本身對環(huán)境沒有危害, 但其在一定條件下能夠轉(zhuǎn)化為硫化物, 進(jìn)而危害環(huán)境.針對印染廢水特點及其治理研究的現(xiàn)狀, 本課題前期采用了“UASB-缺氧好氧-混凝沉淀”組合工藝, 以蘇州一家印染企業(yè)排放的綜合性印染廢水為處理對象進(jìn)行中試研究, 最終實現(xiàn)了有機(jī)物、色度、氮、硫的同步去除, 并且在對調(diào)試成功的數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上初步研究了各個反應(yīng)器內(nèi)的氮、硫轉(zhuǎn)化去除機(jī)理. UASB作為該組合工藝中的核心反應(yīng)器, 對實現(xiàn)同步去除CO
D、脫氮、除硫（化學(xué)符號：S）起到了關(guān)鍵作用.因此, 本文在前期研究基礎(chǔ)上, 從對最佳工況條件下運(yùn)行數(shù)據(jù)分析、微生物學(xué)菌種鑒定(同義詞:判定、判斷、判決)和小試3個方面, 重點對UASB反應(yīng)器內(nèi)碳、氮、硫的協(xié)同去除機(jī)理進(jìn)行研究, 以期為后續(xù)研究提供理論參考.
2 材料與方法
2.1 中試概況
中試在蘇州某印染廠進(jìn)行, 該廠以印染純棉纖維、滌綸、腈綸和棉混紡織物為主, 排放的是綜合性印染廢水.廢水pH為7.0~10.0, 水溫為30~40 ℃, 其它主要指標(biāo)（target aim)為CODCr 452~775 mg?L-1、BOD5 98~185 mg?L-1、色度400~600倍、NH4+-N 22.5~40.6 mg?L-1、TN 70.3~102.3 mg?L-1、NO3--N 1.2~1.8 mg?L-1、TP 0.3~0.5 mg?L-1、SO42- 44.7~80.3 mg?L-1、S2- 32.5~41.8 mg?L-1、SS 225~400 mg?L-1, 未檢測出NO2--N和單質(zhì)硫.
中試裝置于3月啟動成功, 然后進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化得出：控制UASB水力負(fù)荷0.4 m3?m-2?h-1, 活性污泥A反應(yīng)器DO=0.5~0.8 mg?L-1, B反應(yīng)器DO=0.2 mg?L-1, 接觸氧化反應(yīng)器采用漸減曝氣且氣水比為
12:1, 混凝劑PAC和PAM投加量分別為1.2 mL?L-1和0.9 mL?L-1, 絮凝30 min, 實現(xiàn)了
C、
N、S的同步去除, 出水指標(biāo)達(dá)到并優(yōu)于《紡織染整工業(yè)水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》的直接排放標(biāo)準(zhǔn), 且連續(xù)半年運(yùn)行表明, 工藝穩(wěn)定.具體工藝流程如圖 1所示.
圖 1中試系統(tǒng)工藝流程圖
2.2 UASB反應(yīng)器
2.2.1 中試裝置
UASB為目前應(yīng)用廣泛的高效厭氧反應(yīng)器之一, 優(yōu)于普通水解酸化池.反應(yīng)器由污泥反應(yīng)區(qū)、氣液固三相分離器、沉淀區(qū)和氣室組成, 具體如圖 2所示.反應(yīng)器規(guī)格為2 m×2 m×5 m, 均分為4個單元, 有效容積18 m3, 三相分離器高0.8 m, 集氣罩斜面坡度60°, 沉淀區(qū)斜面高度0.4
M、坡度55°, 布水區(qū)高0.8 m, 超高0.4 m, 設(shè)計進(jìn)水流量1 m3, 即水力負(fù)荷0.25 m3?m-2?h-1.由提升泵抽取, 從底部分兩道進(jìn)水, 并采用環(huán)形均勻布水方式, 具體如圖 2中底視圖所示.接種污泥取自蘇州某污水廠二沉池含水率82%的剩余污泥, 接種量15 g?L-1.反應(yīng)器先采用低負(fù)荷啟動, 原水經(jīng)自來水稀釋至CODCr為200 mg?L-1, 用硫酸調(diào)節(jié)pH為7.0~8.0, 以0.6 m3?h-1連續(xù)進(jìn)水, 5 d后逐步減少自來水用量, 提高進(jìn)水COD, 經(jīng)過15 d馴化, 松散污泥轉(zhuǎn)變?yōu)樾鯛钗勰?再以原水作為進(jìn)水, 以正常負(fù)荷啟動, 并逐步提高水力負(fù)荷至設(shè)計值0.25 m3?m-2?h-1, 經(jīng)過40 d培養(yǎng), 形成了顆粒污泥, 粒徑為0.9~3.5 mm, 沉降性良好, MLVSS約48 g?L-1, VSS/SS為0.51, CODCr去除率為35%~41%, 即反應(yīng)器啟動成功.由于進(jìn)水水溫為30~40 ℃, 反應(yīng)器內(nèi)能夠達(dá)到中溫消化所需的溫度.
圖 2 UASB反應(yīng)器示意圖
2.2.2 小試裝置
小試反應(yīng)器采用有機(jī)玻璃自制, 尺寸為15 cm×100 cm, 外置加熱棒于水中進(jìn)行水浴加熱, 控制為中溫消化, 接種污泥取自中試UASB反應(yīng)器內(nèi)已培養(yǎng)好的顆粒污泥, 溫度控制與污泥濃度同中試UASB反應(yīng)器.由于小試反應(yīng)器接種污泥取自已培養(yǎng)好的顆粒污泥, 因此, 無需長時間菌種培養(yǎng).進(jìn)水取自中試系統(tǒng)進(jìn)水, 調(diào)節(jié)pH為7.0~8.0, 連續(xù)運(yùn)行5 d, 出水即達(dá)到了中試UASB反應(yīng)器的出水標(biāo)準(zhǔn), 啟動成功.
2.3 檢測方法2.3.1 常規(guī)指標(biāo)檢測
CO
D、色度、NH4+-
N、T
N、TK
N、NO3--
N、NO2--
N、S2-、SO42-、S
S、TP測定按國家環(huán)保總局發(fā)布的《水和廢水監(jiān)測分析方法》進(jìn)行;溫度、pH采用便攜式測定儀測定;BOD5測定采用BOD快速測定儀;對于S0的測定, 有研究得出可以采用液相色譜法和分光光度法, 本文采用分光光度法.
2.3.2 微生物檢測
污泥樣品取自中試UASB反應(yīng)器污泥層, 取樣后裝入無菌袋密封, 利用實時熒光定量PCR, 并委托歐易公司采用454高通量測序技術(shù)進(jìn)行微生物菌群鑒定, 實驗流程為：
①DNA提取：使用E.Z.N.A Soil DNA試劑盒抽提基因組DNA, 并用1%瓊脂糖凝膠電泳檢測抽提DNA完整性;
②PCR擴(kuò)增：按指定測序區(qū)域合成帶有5′454
A、B接頭-特異引物3′的融合引物, PCR儀為ABI GeneAmp9700型, 采用TransGen TransStart Fastpfu DNA Polymerase AP221-02型聚合酶, 每個樣品3個重復(fù), 將同一樣品PCR產(chǎn)物混合后用2%瓊脂糖凝膠電泳檢測, 并用AXYGEN公司的AxyPrepDNA凝膠回收試劑盒切膠回收, Tris-HCl洗脫;
③熒光定量：參照電泳檢測結(jié)果, 將PCR產(chǎn)物用QuantiFluorTM-ST熒光定量系統(tǒng)進(jìn)行檢測定量, 之后按照每個樣品測序量進(jìn)行相應(yīng)比例混合;EmPCR和Roche GS FLX+測序所用試劑分別為Roche GS FLX Titanium EmPCR Kits和Roche GS FLX+ Sequencing Method Manual _XLR70 kit;
④生物信息學(xué)分析：去除序列末端后引物和接頭序列、低質(zhì)量堿基、barcode標(biāo)簽序列、前引物序列, 丟棄長度短于200 b
P、模糊堿基數(shù)>0、序列平均質(zhì)量低于25的序列, 提取非重復(fù)序列, 與Silva數(shù)據(jù)庫中已比對的核糖體序列數(shù)據(jù)庫進(jìn)行比對, 并采用Mothur軟件將OTU中序列與Silva數(shù)據(jù)庫比對, 找出最相近且可信度達(dá)80%以上的種屬信息.
3 結(jié)果與討論
3.1 數(shù)據(jù)分析
選取優(yōu)化條件下的運(yùn)行數(shù)據(jù), 分析UASB反應(yīng)器內(nèi)
C、
N、S轉(zhuǎn)化去除機(jī)理.印染廢水中的氮多以偶氮染料和尿素助劑等有機(jī)氮和氨氮形式存在, 其中, Org-N占大部分.分析表 1進(jìn)水?dāng)?shù)據(jù)得出, Org-N在TN中平均占60%以上, NH4+-N占到33%左右.出水?dāng)?shù)據(jù)顯示, NH4+-N平均濃度從28.3 mg?L-1升高到了34.9 mg?L-1, 表觀產(chǎn)率在23.3%左右. NH4+-N增加說明反應(yīng)器內(nèi)存在厭氧氨化反應(yīng), 使Org-N分解產(chǎn)生NH4+-N.凱氏氮包括(bāo kuò)NH4+-N和Org-N, 結(jié)合TK
N、NH4+-N進(jìn)出水?dāng)?shù)據(jù)分析可知, 80%左右的Org-N得到了去除, 其中大部分是參與了氨化反應(yīng), 因為同化作用對Org-N的減少貢獻(xiàn)較少.同時, 出水TKN相比于進(jìn)水降低了44.1%, 說明部分NH4+-N參與了某種反應(yīng)被消耗掉, 且氨化作用NH4+-N產(chǎn)生量大于其參與反應(yīng)消耗量, 最終使出水NH4+-N表現(xiàn)出升高的現(xiàn)象.TN去除率為38.5%, 說明反應(yīng)器內(nèi)存在某種或某幾種氮的形態(tài)轉(zhuǎn)變且產(chǎn)生了N2氣體逸出, 致使TN損失.出水NO3--N升高約1.3 mg?L-1, 也檢測到了NO2--N, 在0.6 mg?L-1左右, 很明顯, UASB反應(yīng)器內(nèi)發(fā)生了NO2--
N、NO3--N形態(tài)轉(zhuǎn)變.選取參數(shù)優(yōu)化試驗中HRT對UASB反應(yīng)器運(yùn)行影響相關(guān)數(shù)據(jù), 進(jìn)一步分析出水NO2--
N、NO3--N增量隨HRT變化情況.結(jié)果發(fā)現(xiàn), 隨HRT不斷增大, Δ[NO2--N]、Δ[NO3--N]先增加后下降, Δ[NO2--N]在HRT=5 h時達(dá)到最大, 為15.2 mg?L-1, 而后下降至HRT=11 h時的0.8 mg?L-1, 而Δ[NO3--N]比Δ[NO2--N]推遲2 h取得最大值, 為12.5 mg?L-1, 而后下降至HRT=11 h時的2.1 mg?L-1.Δ[NO2--N]、Δ[NO3--N]先增加后減少的變化情況說明UASB反應(yīng)器內(nèi)前期發(fā)生了硝化反應(yīng), 而后又可能發(fā)生反硝化作用, 造成NH4+-N部分消耗和TN損失, 但也不排除（Remove)存在厭氧氨氧化的可能.厭氧條件下, 以NO2-為電子受體將NH4+氧化成N2的生物反應(yīng)稱為厭氧氨氧化, 反應(yīng)伴隨著NO2--N和NH4+-N的同步去除, 最終體現(xiàn)為TN的減少.因此, 從氮形態(tài)變化角度分析, UASB對氮去除表現(xiàn)為TN的損失, 損失原因可能是硝化反硝化和厭氧氨氧化的作用.
表 1 最佳工況下UASB反應(yīng)器2015年5―7月運(yùn)行數(shù)據(jù)
圖 3 UASB反應(yīng)器出水NO2--
N、NO3--N增加隨HRT變化情況
從硫元素數(shù)據(jù)變化看, 出水SO42-、S2-均出現(xiàn)下降, 去除率分別為77.5%、60.1%左右, 出水也檢測到了少量的S0, 濃度在0.5~0.9 mg?L-1.生物反應(yīng)器中, SO42-下降說明可能存在硫酸鹽還原菌的還原作用, 硫酸鹽還原菌是一類化能異養(yǎng)型厭氧菌, 能夠利用廢水中有機(jī)物作為電子供體, 將硫酸鹽還原成硫化物.根據(jù)化學(xué)反應(yīng)元素守恒定律, SO42-被還原成S2-的同時會脫出氧, 而脫出的O應(yīng)該是參與了硝化反應(yīng)和有機(jī)物的氧化降解, 從而使反應(yīng)器前期出現(xiàn)NO2--
N、NO3--N增加的現(xiàn)象, 同時促進(jìn)COD去除.但如果單單按照硫酸鹽還原作用來解釋, 出水S2-含量應(yīng)該是增多, 這與實際出水S2-下降的現(xiàn)象相矛盾.進(jìn)一步分析S2-隨HRT變化情況發(fā)現(xiàn), 出水S2-增量隨HRT增大先是逐漸增加, HRT=5 h時增量最大, 為15.4 mg?L-1, 而后增量開始減少, 約6.5 h時為0 mg?L-1, 此時進(jìn)出水S2-濃度相等, 當(dāng)HRT=11 h時, Δ[S2-]為-18.6 mg?L-1, 出水S2-下降到了進(jìn)水值的40%左右.因此, 綜合S2-、SO42-的變化情況, 猜想反應(yīng)器內(nèi)前期發(fā)生了硫酸鹽還原反應(yīng), 導(dǎo)致SO42-減少、S2-增加, 而在后期又發(fā)生了同步脫硫反硝化, 可能存在無色硫細(xì)菌, 以S2-為電子供體, 將NO2--
N、NO3--N還原成N2, 同時S2-被氧化成S0, 導(dǎo)致S2-減少, 這也與出水檢測(檢查并測試)出S0及反應(yīng)器中NO2--
N、NO3--N的變化情況正好符合.出水檢測出S0的量較少, 原因為:含硫化物廢水生物處理出水中的單質(zhì)硫是由微生物體內(nèi)排出的微小顆粒, 部分被污泥截留, 而另一部分以懸浮狀態(tài)存在于水中被測出;部分S2-與重金屬離子結(jié)合行成硫化物沉淀去除, 使參與同步脫硫反硝化S2-的量少.
圖 4 UASB反應(yīng)器內(nèi)S2-濃度隨HRT變化情況
3.2 污泥微生物菌群鑒定(同義詞:判定、判斷、判決)分析
通過數(shù)據(jù)分析, 認(rèn)為UASB反應(yīng)器內(nèi)存在厭氧(Oxygen)氨化、硝化反硝化、硫酸鹽還原、脫硫反硝化, 可能還有厭氧氨氧化.為了驗證上述猜測, 進(jìn)行微生物菌群鑒定.通過圖 5可以看出, 在門水平上主要菌群為：變形菌門、擬桿菌門、厚壁菌門、綠彎菌門、浮霉菌門、酸桿菌門和梭桿菌門等, 其中, GOOGLE PRoteobacteria所占比例最大, 其次是Bacteroidetes和Firmicutes.
圖 5 UASB反應(yīng)器污泥細(xì)菌在門水平上的類別
表 2列出了在屬的水平上鑒定出的優(yōu)勢菌屬、亞硝化菌和氨氮水(Nitric acid)菌及其豐度.對其進(jìn)行作用分類, 第一類包括：Clostridiu
M、Bacillu
S、Lactococcu
S、Paludibacte
R、Paenibacillus.其中, 梭菌屬屬于厚壁菌門下的厭氧菌, 多數(shù)梭菌能將糖、蛋白質(zhì)等大分子有機(jī)物降解為酸、醇、CO2、H2和無機(jī)物.也有研究發(fā)現(xiàn), 梭菌屬可以有效降解偶氮染料, 使其脫色.芽孢桿菌屬屬于厚壁菌門, 多為兼性厭氧化能異養(yǎng)菌, 具有將大分子有機(jī)物分解為低分子酸的能力.Banat等研究發(fā)現(xiàn), Bacillus在厭氧條件下可以產(chǎn)生偶氮還原酶, 對偶氮染料表現(xiàn)出較高的脫色性能.乳球菌屬屬于厚壁菌門下兼性厭氧菌, 以碳水化合物為底物發(fā)酵又稱酦酵產(chǎn)酸, 有研究將其判定為專性水解產(chǎn)酸菌.Paludibacter屬于擬桿菌門, 能在中溫厭氧條件下降解多種單糖和二糖, 產(chǎn)生丙酸、乙酸和少量丁酸, 而厚壁菌門下的類芽孢桿菌屬也具有同樣的功能.研究顯示, UASB可以將印染廢水的B/C從0.2左右提高到0.4以上, 同時對色度能達(dá)到77.0%的去除率, 以上5種優(yōu)勢菌屬的檢出正好從微生物學(xué)角度說明了UASB水解酸化效果好、脫色好及其對COD有較高去除率的原因.
表 2 UASB反應(yīng)器優(yōu)勢菌屬及AO
B、NOB及其豐度
第二類包括：Desulfobulbu
S、Desulfovibrio.其中, 脫硫葉菌屬與脫硫弧菌屬屬于變形菌門下厭氧型的硫酸鹽還原菌, 可利用乳酸、丙酮酸、乙醇等作為碳源, 將硫酸鹽還原為硫化氫.這兩種菌屬的檢出證實了反應(yīng)器內(nèi)存在硫酸鹽還原, 與實驗觀察到SO42-減少的現(xiàn)象相一致.在有較高濃度硫酸鹽存在的厭氧反應(yīng)體系中, 一般多存在硫酸鹽還原菌與產(chǎn)甲烷菌對底物的競爭作用, 往往由于SRB對H2和乙酸有較高的親和力而在競爭中取勝, 從而對MPB產(chǎn)生初級抑制, 同時硫酸鹽還原產(chǎn)生的H2S對MPB又會產(chǎn)生次級抑制作用.菌種鑒定未發(fā)現(xiàn)產(chǎn)甲烷菌屬, 說明產(chǎn)甲烷菌受到了抑制, UASB反應(yīng)器很好地停留在了水解酸化階段.
第三類包括： Thiobacillu
S、Arcobacter.其中, 硫桿狀菌屬屬變形菌門下的硫氧化細(xì)菌, 可將S2-氧化S0、SO42-, 其在種水平上的脫氮硫桿菌比較特殊, 是目前研究的熱門細(xì)菌.Thiobacillus denitrificans特殊之處在于好氧和厭氧條件下皆能進(jìn)行硫氧化, 前者進(jìn)行的是單一S2-氧化, 以O(shè)2為電子受體, 可將S2-氧化成S0、SO42-, 而后者以NO3--N作為電子受體, 可將S2-氧化成S0, 同時還原NO3--N成N2, 實現(xiàn)的是同步脫硫反硝化.在種的水平上檢測到了Thiobacillus denitrificans, 約占Thiobacillus的82%, 說明UASB反應(yīng)器內(nèi)存在同步脫氮除硫.而屬于變形菌門的弓形桿菌屬也具有脫氮除硫功能.Gevertz等在油田廢水中分離得到一株能使S2-氧化成S0、NO3-好氧成NO2-的菌株, 經(jīng)鑒定, 該菌株與Arcobacter屬微生物最為接近.
第四類包括：Nitrosococcu
S、Nitrobacte
R、Thauera.其中, 亞硝化球菌屬能將氨氧化成亞硝酸鹽, 硝化桿菌屬將NO2-繼續(xù)氧化成硝酸鹽.陶厄氏菌屬是變形菌門下的一類革蘭氏陰性細(xì)菌, 具有反硝化能力, 它們的檢出說明存在硝化反硝化, 解釋了NO2-和NO3-在反應(yīng)器內(nèi)的變化情況.同時, Nitrosococcus和Nitrobacter皆是需氧型菌屬, 其檢出說明UASB反應(yīng)器內(nèi)存在有氧環(huán)境, 判斷是SO42-還原脫出來的O為其生理活動營造了微弱的有氧環(huán)境.
在屬的水平上未發(fā)現(xiàn)目前已知5種厭氧氨氧化菌屬：Brocadi
A、Kueneni
A、Scalindu
A、Jetteni
A、Anammoxoglobus, 故不認(rèn)為存在厭氧氨氧化作用.
通過數(shù)據(jù)分析及菌種鑒定, 確定UASB反應(yīng)器內(nèi)氮、硫去除機(jī)理為硫酸鹽還原、厭氧氨化、同步脫硫反硝化、硝化反硝化, 具體可理解為：廢水中SO42-進(jìn)入UASB反應(yīng)器后在厭氧狀態(tài)下由硫酸鹽還原菌還原成S2-, 同時脫出O, 脫出的O可能被硝化菌捕捉參與硝化反應(yīng), 使NH4+-N氧化分解, 造成反應(yīng)前期NO2--
N、NO3--N增加, 但由于氨化作用的存在, NH4+-N并未出現(xiàn)下降, 而后, 部分NO2--
N、NO3--N在反硝化特殊結(jié)構(gòu)：莢膜、鞭毛、菌毛作用下還原成N2, 造成反應(yīng)后期NO2--
N、NO3--N下降和TN去除, 部分NO3--N又與S2-發(fā)生同步脫硫反硝化, 生成N2和S0, 使TN進(jìn)一步去除及S2-減少.同時, 反應(yīng)器內(nèi)存在多種具有水解酸化作用的優(yōu)勢菌種, 這些異養(yǎng)型菌對去除COD起到了很大作用.硫酸鹽還原菌與反硝化細(xì)菌也屬于異養(yǎng)型菌, 它們在發(fā)揮各自特有功能的同時, 對COD去除也做出了一定貢獻(xiàn), 或者說促進(jìn)了COD的去除.
3.3 小試研究
菌種鑒定確定了UASB反應(yīng)器內(nèi)存在硫酸鹽還原、脫硫反硝化和硝化反硝化, 而硫酸鹽還原反應(yīng)脫出的O可能被硝化菌及其它細(xì)菌撲捉參與硝化和有機(jī)物降解, 工藝運(yùn)行中也發(fā)現(xiàn), 隨著進(jìn)水SO42-含量的波動, UASB反應(yīng)器內(nèi)CO
D、T
N、S2-等指標(biāo)也相應(yīng)存在細(xì)微的變動, 因此, 猜測硫（化學(xué)符號：S）酸鹽還原作用影響著硝化反硝化、脫硫反硝化及COD去除.為了試著驗證這一猜想, 進(jìn)行了硫酸鹽含量對UASB運(yùn)行影響實驗.考慮到采用中試裝置研究會存在SO42-含量不易精確控制、藥劑投加量大和研究成本高等問題, 因此, 采用小試研究.
小試研究采用單因素變量法, 采用連續(xù)流進(jìn)水方式研究
