鎢冶煉高鹽含氨氮廢水膜生物反應器過程微生物菌群特性研究

2021-11-10 09:56:50甘雪慧劉佛財鐘常明

中國鉬業 2021年5期

甘雪慧，鐘輝，劉佛財，鐘常明

(1.贛州市信豐生態環境局，江西信豐 341600) (2.江西理工大學資源與環境工程學院，江西贛州 341000)

0 引言

江西省贛州市礦產資源豐富，尤以鎢礦資源豐富而聞名，素有“世界鎢都”之稱。然而，鎢冶煉會產生大量鹽度為2.5%～3.0%的高鹽氨氮廢水[1]。當前，高鹽氨氮廢水處理的常用技術方法主要有物化法和生物法[1-3]：相比于物化法，生物法兼具經濟、高效、無害的優勢，但因鹽度對微生物的生長有抑制作用，采用生物法處理高鹽氨氮廢水存在較大難度。

膜生物反應器(MBR)作為超濾或微濾膜與活性污泥法的有機結合，其優勢[4-6]表現主要為：(1)超濾或微濾膜的高效截留作用。除人為外排污泥外，活性污泥始終停留在反應器中，有利于污泥泥齡長的硝化菌的生長和繁殖，反應器硝化能力增強；(2)較高的污泥濃度。無需考慮污泥沉降性能的影響，反應器有較高的污泥濃度，通過調節反應器中溶解氧的濃度，在微生物絮體內外形成由低到高的溶解氧濃度梯度。當具有良好活性的硝化細菌、反硝化細菌和異養細菌等微生物隨鹽度而變化時，微生物菌群代謝功能有較大的變化。因此，開展鎢冶煉高鹽氨氮廢水微生物菌群特性研究是必要的。

1 材料與方法

1.1 試驗裝置與方法

1.1.1 試驗裝置

自制有效容積為4 L(220 mm×110 mm×260 mm)的膜生物反應器。試驗膜組件選用PVDF材質的中空微濾纖維膜(內徑為0.6 mm、外徑為1.0 mm)，膜通量12～30 L/d，有效截留面積0.023 m2。試驗裝置示意圖見圖1。

1—電磁氣泵；2—流量計；3—原水箱；4—時控器；5—YZ系列蠕動泵；6—HJB-S300攪拌機；7—精密溫度計；8—JPB溶解氧儀；9—曝氣頭；10—好氧反應器；11—中空微濾膜；12—自控電腦；13—壓力表；14—污泥箱圖1 自制膜生物反應裝置示意圖

1.1.2 試驗方法

將贛州市某鎢業公司廢水稀釋成鹽度分別為0%、0.3%、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%和3.0%的試驗廢水，采用不同梯度對MBR反應器內的活性污泥進行15 d的耐鹽馴化。通過恒流蠕動泵控制反應器的進出水(抽吸4 min、停1 min為一周期)，水力停留時間(HRT)為24 h，使用NaHCO3溶液保持反應器pH值在7.5～8.0之間，溶解氧(DO)濃度保持在2.0～3.0 mg/L之間，污泥濃度保持在4 500～5 000 mg/L之間，通過空調使室溫保持在26～28 ℃之間。

1.2 試驗廢水

取贛州市某鎢業公司廢水處理站調節池內的廢水為試驗用水，污染指標見表1。

表1 廢水水質情況一覽表

1.3 污染指標及分析方法

主要檢測污染指標及分析方法見表2和表3。

表2 常規污染指標及分析方法

表3 特殊污染指標及分析方法

2 結果與討論

2.1 污泥結構及生物相變化

對比不同鹽度下污泥生物相(見圖2)可以發現：馴化初期有大量的變形蟲、累枝蟲及輪蟲后生動物等，污泥結構以絲狀菌菌膠團為主；后期隨著鹽度進一步增加，原生動物表現出對鹽度的不適應性，數量出現減少。文獻[7]表明：絲狀菌污泥絮體的骨架大小與絮體強度和抗剪切力密切相關，反應器絲狀菌量少使其絮體強度和抗剪切力均變差，從而導致高鹽環境下污泥絮體較細小，難以形成較大的菌膠團結構。

圖2 馴化期間不同鹽度下污泥鏡檢圖

2.2 沉降性能變化

圖3為馴化期間不同鹽度下污泥體積指數(SVI)變化情況。

圖3 馴化期間不同鹽度下SVI變化情況

從圖3可以看出，無鹽環境和目標鹽度下污泥體積指數(SVI)分別為111.5 mL/g和65.3 mL/g。SVI隨著鹽度增加而降低，表明一定范圍內，提高鹽度對污泥沉降性能具有促進作用。鹽度對SVI的作用機理主要表現在以下兩個方面：(1)鹽度變化使污泥菌膠團結構發生變化，由上節污泥生物相分析結論可知：鹽度提高使絲狀菌數量減少，無法形成以絲狀菌為骨架的菌膠團結構污泥絮體[8];(2)根據Magara理論[9]，污泥絮體整體呈電負性，由微生物表面、無機粒子、胞外聚合物等提供負吸附位，高鹽鎢冶煉氨氮廢水中大量的K+、Na+提供正吸附位，導致活性污泥SVI值降低，即活性污泥絮凝性能提高。

2.3 污染物去除情況

圖4為馴化期間COD變化情況。從圖4可以看出，COD平均去除率總體上與鹽度呈負相關。鹽度梯度由低到高發生變化時，COD去除率從一個較高值瞬間降至一個較低值，可見瞬時鹽度沖擊對微生物影響明顯。隨著耐鹽馴化的進行，COD去除率又逐漸提高，表現為活性微生物慢慢適應高鹽環境。分析認為，面對不利生長環境情況，微生物將作出強烈的反應機制，反應機制調節細胞滲透壓或合成相容物質，使細胞形成新的保護層[10]。目標鹽度下，膜生物反應器系統的COD去除率為86%～93%。

圖4 馴化期間COD變化情況

圖5 馴化期間氮濃度變化情況

2.4 三維熒光光譜分析

對馴化前后的污泥進行采樣，用三維熒光光譜(EEM)通過有機物熒光識別波長對胞外聚合物(EPS)和可溶性微生物產物(SMP)進行分析，結果見圖6和圖7。

從圖6和圖7可以看出，兩個污泥樣品中共出現5種特征熒光峰，其中零鹽環境污泥樣品中出現類色氨酸熒光峰1[12](EX/EM，285～290/352)和類腐殖酸熒光峰2(EX/EM，325～375/425～450)，且EPS中熒光強度強于SMP。3.0%鹽度下污泥樣品中除了出現與無鹽環境下相同的兩種特征熒光峰外，還出現了UV-腐殖酸熒光峰3(EX/EM，350/400～425)、類腐殖酸熒光峰4(EX/EM，375～425/425～475)和類富里酸熒光峰5(EX/EM，300～325/350～400)。對比分析SMP發現，3.0%鹽度下污泥樣品中不存在峰1和峰2，取而代之的是峰3和峰4，且熒光強度較強。對比分析EPS發現，3.0%鹽度下污泥樣品中出現峰1和峰2，峰1熒光強度遠遠高于零鹽環境下，峰2熒光強度則變化較小，表明微生物菌群對類腐殖酸物質的降解能力幾乎為零，與楊毅等[13]的研究結果一致。

圖7 3.0%鹽度EEM分析

綜合對比分析馴化前后污泥樣品中SMP和EPS變化情況，無論是特征峰數量亦或是熒光強度，3.0%鹽度下污泥樣品均強于無鹽環境下污泥樣品。分析認為在高鹽惡劣環境下，活性微生物通過分泌更多的EPS和SMP等物質來抗壓高滲透壓進行生長繁殖。

2.5 微生物種群多樣性分析

對耐鹽馴化第1天、第55天、第85天和第115天的活性污泥進行取樣，并進行微生物多樣性檢測，鹽度對應分別為0%、1.0%、2.0%和3.0%，編號為R0、R1、R2和R3。

圖8為微生物群落門水平上分布情況。從圖8可以看出，高鹽環境下，微生物多樣性相較于正常環境下更低。在門水平分類上，微生物群落結構主要由變形菌門、浮霉菌門、綠彎菌門、芽單胞菌門、擬桿菌門和厚壁菌門等組成。隨著馴化過程的進行，變形菌門成為優勢菌門，相對豐度由最初的41.37%提高至58.74%，文獻[14]表明：在有機物降解和脫氮過程中變形菌門起著決定性作用；以絲狀菌為主的綠彎菌門其相對豐度逐漸降低，由3.40%下降至0.02%，

圖8 微生物群落門水平上分布情況

其相對豐度的降低與活性污泥熒光顯微鏡鏡檢結論和SVI隨鹽度增加而減小的結論吻合。芽單胞菌門相對豐度隨鹽度增加而提高，由最初的1.25%提高至6.56%，厚壁菌門則表現出相反的變化趨勢。賈曉碩等[15]研究表明，芽單胞菌門反硝化能力較強。浮霉菌門和擬桿菌門的相對豐度隨鹽度增加均有所提高。主要菌門6種均在馴化期間相對豐度保持在62.40%～81.96%之間。

圖9為屬水平上微生物群落分布情況。從圖9可以看出，在屬水平分類上，微生物群落結構主要由副球菌屬、陶厄氏菌屬、假單胞菌屬、亞硝化單胞菌屬、鹽單胞菌屬和鞘氨醇單胞菌屬等構成。假單胞菌屬相對豐度由1.65%提高至7.50%，研究[16]表明，假單胞菌屬具備較強的反硝化能力且能夠在0～4%鹽度條件下生長繁殖。鞘氨醇單胞菌屬在目標鹽度下相對豐度達5.25%，該菌屬能夠分泌更多的胞外聚合物以抵抗高滲透壓環境。鹽單胞菌屬、副球菌屬和陶厄氏菌屬在目標鹽度下相對豐度分別為4.83%、3.65%和6.56%，并能在2%～10%鹽度條件下生長繁殖[17-20]，此外，它們作為一類硝化-好氧反硝化細菌，能夠在好氧環境下進行反硝化反應[21]。