鎢冶煉廢水MBR耐鹽馴化過程微生物特性及HRT效能影響

＊戚小忠 鐘輝 袁野 陳明,3 鐘常明,3*

（1.贛州市崇義生態(tài)環(huán)境局 江西 341300 2.江西理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院 江西 341000 3.江西省礦冶環(huán)境污染控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 江西 341000）

鹽度沖擊對微生物造成影響是限制此類廢水采用傳統(tǒng)生物法處理的難點(diǎn)[1,2]。然而，膜生物反應(yīng)器（MBR）具有污泥濃度高、污泥停留時(shí)間長等特點(diǎn)，可有效降低鹽度對微生物的影響，并具有占地面積小，處理效果強(qiáng)等優(yōu)勢。因此，MBR系統(tǒng)可通過耐鹽馴化使微生物成為優(yōu)勢菌種，提高反應(yīng)器運(yùn)行效果，是一種處理高鹽廢水的有效方法[3,4]。

論文采用梯度馴化方式，研究3%～5%鹽度鎢冶煉廢水MBR工藝反應(yīng)器內(nèi)微生物特性及HRT效能影響。

1.實(shí)驗(yàn)材料與方法

(1)實(shí)驗(yàn)用水

本實(shí)驗(yàn)廢水取自贛州市某鎢冶煉廠生產(chǎn)廢水調(diào)節(jié)池，廢水水質(zhì)特點(diǎn)為無機(jī)鹽濃度較高，C/N低，pH值呈中性。本實(shí)驗(yàn)研究3%～5%鹽度廢水，故根據(jù)實(shí)時(shí)測得鹽度進(jìn)行稀釋或者添加氯化鈉進(jìn)行調(diào)整實(shí)驗(yàn)用水鹽度，稀釋試驗(yàn)用水時(shí)，添加適量葡萄糖和氯化鈉控制COD和氨氮濃度恒定，具體水質(zhì)指標(biāo)如表1所示。

表1 鎢冶煉生產(chǎn)廢水水質(zhì)情況

(2)試驗(yàn)裝置

本實(shí)驗(yàn)使用5mm有機(jī)玻璃板（PMMA）自制一體式MBR反應(yīng)器，反應(yīng)器規(guī)格為200mm×100mm×260mm，有效容積為4L，實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

試驗(yàn)用膜為天津膜天膜科技股份有限公司生產(chǎn)的PVDF中空纖維膜制作而成，具有0.6mm的內(nèi)徑和1.0mm的外徑，設(shè)計(jì)膜通量15～25L/d，有效截留面積0.023m2。

(3)實(shí)驗(yàn)藥劑

實(shí)驗(yàn)過程中所用主要試劑1,10-鄰菲羅啉、4-氨基苯磺酰胺、氨基磺酸等均為分析純，實(shí)驗(yàn)分析用水采用實(shí)驗(yàn)室自制去離子水。

(4)分析項(xiàng)目與檢測方法

COD：高錳酸鉀法；DO：溶解氧儀法；MLVSS/MLSS/SVI：重量分析法；NH4+-N、NO2--N、NO3--N：分光光度法；pH：pH測定儀；微生物多樣性分析：Illumina測序平臺(tái)。

(5)實(shí)驗(yàn)方法

①污泥接種。污泥活化培養(yǎng)期每天更換一次3%鹽度的鎢冶煉廢水，DO為2.0～3.0mg/L之間，pH為7.3～7.8之間，每天固定時(shí)間測定進(jìn)水和出水COD、NH4+-N濃度。連續(xù)培養(yǎng)10天后，污泥變成黃褐色絮體，沉降效果良好，污泥濃度在7000mg/L左右，COD去除率在94%左右，NH4+-N去除率在85%左右。

②耐鹽馴化。采用0.5%作為一個(gè)梯度鹽度逐步馴化，構(gòu)建高鹽度的微生物處理系統(tǒng)，每個(gè)鹽度梯度馴化14d，直至MBR反應(yīng)器在5%鹽度下連續(xù)運(yùn)行至污染物去除率保持穩(wěn)定，即認(rèn)為污泥耐鹽馴化完成。

③菌群特性分析。取自馴化期間的第14d、第28d、第42d、第56d和第70d的污泥樣本進(jìn)行16S rRNA，分別對應(yīng)3.0%、3.5%、4.0%、4.5%和5%的鹽度，編號為R3、R3.5、R4、R4.5和R5，分析其群落在不同鹽度下的構(gòu)成。

2.結(jié)果與討論

(1)門水平微生物豐度

不同鹽度污泥馴化期間在門水平上微生物相對豐度分析如圖2所示。在門水平上，系統(tǒng)內(nèi)主要由Proteobacteria、Deinococcus-Thermus、Bacteroidetes和Firmicutes構(gòu)成，其中Proteobacteria是所有馴化階段的優(yōu)勢菌種，相對豐度平均為83.9%。從3%到4%鹽度，Proteobacteria豐度從87.55%上升至91.94%后逐漸下降，在5.0%鹽度時(shí)降至66.61%，Proteobacteria具有降解有機(jī)物與生物脫氮作用。另外Deinococcus-Thermus在馴化過程中豐度逐漸升高，從0.48%上升至24.41%，此類微生物可以在極端環(huán)境下生長[5]，溫度（30～40℃）較高時(shí)生長良好，5.0%鹽度下Deinococcus-Thermus豐度出現(xiàn)上升。Bacteroidetes在3.0%、4.0%和5.0%鹽度時(shí)豐度分別為5.93%、1.35%和4.68%，呈現(xiàn)先降低、后升高趨勢，表明其在馴化過程中逐漸適應(yīng)鹽度對其造成的不利影響。

圖2 門水平微生物群落相對豐度分布情況

(2)屬水平微生物豐度

在屬水平上微生物相對豐度圖如圖3所示。豐度前十菌種主要由Devosia、Luteimonas、Truepera、Azoarcus和unclassified_Rhodobacteraceae等構(gòu)成。Devosia屬于根瘤菌目，包含多種產(chǎn)生EPS的細(xì)菌[5]，能適應(yīng)高鹽環(huán)境，逐漸在反應(yīng)器內(nèi)富集。在4.0%鹽度時(shí)，好氧菌Devosia達(dá)到最大豐度20.34%，在5.0%鹽度時(shí)豐度降至12.30%，能起到降解有機(jī)物的作用。Luteimonas豐度由3.10%提升至8.21%，文獻(xiàn)[6]表明，該屬可將硝酸鹽還原為亞硝酸鹽，這可能是反應(yīng)器內(nèi)亞硝酸鹽累積的原因之一。Truepera是一種高溫反硝化菌[7]，在馴化初始階段其豐度為0.48%，馴化至5.0%鹽度時(shí)豐度提升至24.40%，有研究[8]Truepera在夏季會(huì)大量富集，和本實(shí)驗(yàn)結(jié)果相似。Azoarcus在耐鹽馴化期間豐度持續(xù)由1.04%上升至7.94%，是反硝化脫硫菌[9]，主要利用硝酸鹽為電子受體，各種硫化物為電子供體的自養(yǎng)型反硝化細(xì)菌。Simplicispira豐度由13.83%降至0.43%，說明鹽度對其影響很大，無法適應(yīng)高鹽環(huán)境。在馴化期間Unclassified_Rhodobacteraceae豐度最高，研究表明Rhodobacteraceae是反硝化功能性菌[5,8]，隨著鹽度提升其豐度由52.49%降至28.07%，但仍是反應(yīng)器內(nèi)優(yōu)勢菌種。

圖3 屬水平微生物群落相對豐度分布情況

(3)HRT對MBR系統(tǒng)效能的影響

HRT對MBR反應(yīng)器去除COD的影響如圖4所示。

由圖4可以看出，隨著HRT增加，MBR反應(yīng)器對COD去除效率逐漸上升。在HRT為8h時(shí)，COD平均去除率為83.98%，微生物受到鹽度的抑制，其脫氫酶活性會(huì)出現(xiàn)不同程度的降低，同時(shí)污泥解體導(dǎo)致微生物流失，但是MBR反應(yīng)器的高效截留特性使得微生物得以保留，反應(yīng)器可在高濃度污泥條件下運(yùn)行，因此在較短HRT的條件下也呈現(xiàn)可觀的COD去除效果。當(dāng)HRT提升至12h時(shí)，反應(yīng)器對COD的平均去除率上升至87.06%，相較于HRT為8h時(shí)，去除效率提高了3.08%。HRT提高至18h時(shí)，反應(yīng)器對COD平均去除率上升了2.84%，達(dá)到89.90%，當(dāng)HRT進(jìn)一步提高至24h時(shí)，COD平均去除率為92.41%，此時(shí)平均出水濃度為15.98mg/L。結(jié)果表明，隨著HRT提高，污染物與反應(yīng)器內(nèi)微生物接觸時(shí)間延長，可有效提高COD去除效果，進(jìn)一步提高HRT可繼續(xù)增強(qiáng)COD去除效果，但是時(shí)間過長會(huì)導(dǎo)致成本增加，因此，在保證可以達(dá)到出水標(biāo)準(zhǔn)的情況下，可選擇合適的HRT以控制成本與能耗。

圖4 不同水力停留時(shí)間條件下系統(tǒng)對COD去除效果

HRT對MBR反應(yīng)器脫氮效果的影響如圖5所示。

圖5 不同水力停留時(shí)間條件下系統(tǒng)脫氮效果

從圖5可以看出MBR反應(yīng)器對NH4+-N和TN的去除效果都隨著HRT的增大而升高。當(dāng)HRT為8h時(shí)，反應(yīng)器平均出水NH4+-N為31.62mg/L，平均去除率僅為38.99%，分析認(rèn)為，硝化菌在高鹽條件下，其生物活性相較于無鹽條件會(huì)嚴(yán)重下降，短時(shí)間內(nèi)無法將NH4+-N轉(zhuǎn)化為硝酸鹽類物質(zhì)，導(dǎo)致出水NH4+-N去除效果較差。當(dāng)HRT提高至12h時(shí)，NH4+-N去除效果明顯上升，平均去除率提高至54.32%，說明延長水力停留時(shí)間，增加污染物與微生物接觸時(shí)間，可有效提高反應(yīng)器去除去染污能力。隨著HRT進(jìn)一步提高至18h時(shí)，反應(yīng)器對NH4+-N去除效率提高了14.21%，較長反應(yīng)時(shí)間可使得NH4+-N被氧化的更加徹底。當(dāng)HRT為24h時(shí)，NH4+-N去除效率達(dá)到了82.47%，此時(shí)NH4+-N平均出水濃度為8.95mg/L。HRT對TN的影響與NH4+-N相似，從圖中可以看出，MBR反應(yīng)器對TN的去除效果也是隨著HRT的增加而升高的。其中NO3-在試驗(yàn)期間都處于很低的濃度，而NO2-隨著HRT的升高呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，這是由于在高鹽環(huán)境下將NO2-轉(zhuǎn)化為NO3-的硝化細(xì)菌受到嚴(yán)重的抑制，而將NH4+-N轉(zhuǎn)化為NO2-的亞硝化細(xì)菌受鹽度抑制較弱導(dǎo)致的。因此通過MBR反應(yīng)器處理高鹽廢水在反應(yīng)器內(nèi)形成了短程同步硝化反硝化反應(yīng)，當(dāng)HRT小于18h時(shí)，反應(yīng)器內(nèi)亞硝化反應(yīng)速率大于反硝化速率，導(dǎo)致亞硝酸鹽的積累，當(dāng)HRT達(dá)到24h時(shí)，NH4+-N濃度降低使得亞硝酸鹽濃度達(dá)到峰值，此時(shí)延長HRT使得反硝化反應(yīng)時(shí)間增加，亞硝酸鹽濃度降低。

3.結(jié)論

文章研究了3%～5%鹽度鎢冶煉廢水耐鹽馴化過程膜生物反應(yīng)器（MBR）微生物特性及HRT效能影響。結(jié)果表明：MBR系統(tǒng)微生物在高鹽環(huán)境下可生存，并能有效去除水中污染物；隨HRT的提高，MBR有效提高COD、NH4+和TN的去除效果。