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碳源类型对MBBR处理印染废水的影响机制研究

2024-11-07 3 上传者：管理员

摘要：探索不同碳源类型条件厌氧+好氧移动床生物膜反应器（MBBR）内印染废水处理效率、胞外聚合物（EPS）组成及微生物代谢功能差异，揭示丙酸钠、蔗糖和淀粉三种碳源类型对印染废水生物处理中微生物代谢的影响机理。结果表明，丙酸钠碳源通过改变了微生物群落组成及代谢功能，增加了EPS的含量，提高了COD、NH4+-N和色度的处理效果，分别可达50.5%、61.1%和16.4%；厌氧单元中溶解性EPS(SL-EPS)含量显著高于其他层的含量，而好氧单元中紧密型EPS(TB-EPS)含量最高；丙酸钠条件微生物的群落组成与其他碳源明显不同，且该条件提高了微生物对氯苯、氟苯甲酸盐、甲苯、硝基甲苯、乙苯、丙酸和乙酸等降解代谢功能的丰度。

关键词：
代谢功能
印染废水
微生物
碳源类型
胞外聚合物
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我国纺织品出口占世界纺织品总出口的30%～40%，对我国经济增长具有重要价值[1]。然而，纺织品生产过程中必然产生大量印染废水，这些废水具有有机浓度高、色度高、“三致”（致癌、致畸、致突变）[2]等特点，严重威胁地表水和地下水安全。工程实践及研究表明，化学与生物法组合是目前实现印染废水处理的主流工艺[3]，生物处理由于耗能少、工艺设备简单、无二次污染等优势，在印染废水中越来越受到重视。然而生物处理过程的机理不清，导致废水处理的成本较高。因此，深入揭示印染废水生物降解机理对纺织产业的可持续发展具有重要意义。

影响印染废水生物处理效果的因素包括pH、温度、溶解氧、碳源种类等[1,4]，其中碳源是影响的主要因素之一。在生物处理过程中，碳源不仅可作为微生物生长和生存的碳源与能源，也可作为偶氮键断裂所必须的电子供体[5]。HU等[6]研究发现碳源的添加可以改变微生物群落组成；LI等[7]探究了碳源类型对序批式反应器性能的影响，发现碳源为乙酸钠时营养物质去除效果最好；SABA等[8]采用序批式生物反应器处理活性黑-5偶氮染料，发现共基质为酵母提取物时效果较好（脱色率高达93%）。这些研究指出，合适的碳源类型有助于改善废水的处理效能及微生物的组成。然而，他们并未深入探索碳源类型对微生物代谢功能的影响，使得印染废水微生物降解代谢机理不清，导致碳源类型的选择缺乏可靠的理论参考。

污水处理厂常常投加的碳源包括甲醇、乙酸、丙酸钠、淀粉、蔗糖、葡萄糖、酵母提取物等，其中丙酸钠是一种挥发性脂肪酸类碳源，蔗糖是一种成本低廉的糖类碳源，而淀粉是一种大分子有机物，较丙酸钠和蔗糖更难降解，这些碳源在污废水处理方面具有重要作用[6-8]。因此，本研究以丙酸钠、淀粉和蔗糖为碳源，对比不同碳源条件印染废水系统的处理效率差异，探究碳源种类对胞外聚合物（Extracelluar polymeric substances,EPS）组成和微生物群落结构的影响，结合KEEG基因预测厌氧和好氧单元微生物的代谢功能，为选择适宜的碳源和优化废水处理工艺提供科学依据，有助于实现印染废水高效处理与资源化利用。

1、材料与方法

1.1 实验装置

实验装置示意图如图1所示，主要包括好氧单元与厌氧单元[9]。水力停留时间为12 h，厌氧单元搅拌11.5 h、换水0.5 h；好氧单元曝气10 h，停曝1.5 h，换水0.5 h，曝气量150～200 L/h，控制溶解氧浓度在4 mg/L左右。厌氧反应器单元的有效容积约为25.3 L（高1 000 mm，内径为200 mm），采用搅拌器实现载体与废水充分接触，转速为100 r/min；好氧单元反应器有效容积约为24.5 L（高700 mm，内径250 mm）。载体选择聚乙烯悬浮载体（直径10 mm），填充率为40%。

图1 实验装置

1.2 实验用水和接种污泥

接种污泥取自绍兴水处理发展有限公司的二沉池，污泥经过实验室驯化后投加到反应器中，污泥浓度为4 000 mg/L左右。实验用水采用实验室模拟配水，配水参数参考绍兴水处理发展有限公司的废水处理进水参数，进水COD在900～1 000 mg/L，利用丙酸钠（或淀粉，或蔗糖）、PVA、分散红玉200%、分散剂和纤维素进行配置；氮源和磷源分别为氯化铵和磷酸二氢钾，进水NH4+-N和PO43--P浓度分别为20～30 mg/L和4～5 mg/L；利用营养液模拟微量元素参数。

1.3 常规水质指标

研究各实验阶段定期检测反应器进水及出水水质。COD、NH4+-N和TP的测定参照《水和废水监测分析方法》（第四版）中的方法；污泥沉降比（SV）采用沉降法测定；混合液悬浮固体浓度（MLSS）采用重量法测定；DO和pH采用便携式多参水质测量仪进行测定；聚乙烯醇（PVA）和色度采用分光光度法测定[10]。

1.4 EPS分析方法

EPS是一种微生物细胞分泌的大分子聚合物，主要成分为蛋白质和多糖。研究发现，较高含量蛋白质和多糖在强化微生物代谢代谢活性和微生物絮体稳定性方面具有重要作用[11]，因此，分析EPS的含量及组成具有重要意义。载体表面的生物膜采用人工挤压等操作实现生物膜脱落，采用热提取法提取；根据EPS与细胞的结合程度，将EPS分为溶解性EPS(SL-EPS）、松散型EPS(LB-EPS）和紧密型EPS(TB-EPS);EPS中的蛋白质和多糖分别采用Lowry法和蒽酮-硫酸法测定[11]。

1.5 微生物多样性及功能分析

取各工况填料，剥离生物膜，转速10 000 r/min离心5 min，排出上清液后收集生物膜样品，样品DNA采用试剂盒进行提取，提取后经过纯度检测、电泳等分析合格后进行扩增，扩增区域为V3-V4区，扩增引物为F:CCTAYGGGRBGCASCAG;R:GGACTACNNGGGTATCTAAT。采用Illumina Miseq高通量测序技术进行测序，并利用PICRUSt2软件预测微生物的KEGG同源基因丰度。

2、结果与讨论

2.1 印染废水处理效率分析

表1为三种碳源条件厌氧+好氧MBBR系统对COD、NH4+-N、色度和PVA的去除效果，每个工况装置运行22～28 d。碳源类型改变了MBBR系统内印染废水的处理效果。由于丙酸钠是一种弱酸性物质，可为微生物提供适宜的生长环境，促进微生物的活性和降解能力[13]。在丙酸钠条件COD、NH4+-N、色度和PVA的平均去除效率均达到最高，平均去除率分别为50.5%、61.1%、16.4%和81.5%；淀粉碳源条件COD、NH4+-N和色度的去除率均最低，而蔗糖碳源条件PVA的去除率最低。这些结果与微生物的代谢差异有关。WANG等[12]得到相类似的结果。

表1 印染废水处理效果

2.2 EPS组成及含量分析

碳源类型差异明显改变了MBBR系统内微生物代谢产物EPS的含量及组成，且厌氧单元和好氧单元中EPS的组成显著不同（图2）。在丙酸钠碳源条件，厌氧单元和好氧单元EPS的含量均最高（71.4 mg/g VSS和61.5 mg/g VSS），蔗糖条件的含量次之。该结果与印染废水的处理效率分布规律一致，解释了在丙酸钠条件印染废水处理效率高的原因是微生物代谢活性被增强。此外，厌氧单元生物膜中EPS的含量（58.3～71.4 mg/g VSS）高于好氧单元（48.9～61.4 mg/g VSS），由于厌氧条件难降解染料等有毒物质较高，生物膜为了维持正常的生长代谢，分泌更多的EPS。在MBBR系统内，蛋白质的含量明显高于多糖的含量，由于较高的蛋白质含量有助于维持生物膜的稳定性，该结果与之前研究结果一致[14]。厌氧单元与好氧单元生物膜中EPS的组成明显不同，在厌氧单元生物膜中SL-EPS的含量显著高于其他层，而好氧单元生物膜中TB-EPS的含量显著高于其他层，该结果与厌氧单元和好氧单元微生物代谢过程差异有关。

图2 EPS的组成及含量

2.3 微生物多样性分析

表2为好氧单元和厌氧单元中微生物的多样性（Shannon和Simpson）与丰富度（Chao1和Observed＿species）指数分布结果。不同碳源条件好氧单元与厌氧单元微生物的丰富度和多样性存在差异。在厌氧单元中，丙酸钠碳源明显提高了微生物的丰富度，但微生物多样性在蔗糖碳源条件最高；在好氧单元中，蔗糖碳源提高了微生物的丰富度指数，而在淀粉条件微生物的多样性指数最高。这些结果与微生物的代谢机理有关，合适的碳源有助与改善微生物的多样性及丰富度。此外，好氧单元微生物多样性指数和丰富度指数均明显高于厌氧单元，由于厌氧条件微生物的类别明显少于好氧条件，使得多样性及丰度呈现该结果。

表2 生物膜中微生物多样性指数表

2.4 微生物组成分析

碳源类型差异使得印染废水处理效率、EPS组成及微生物多样性发生变化，主要原因在于微生物的组成存在差异，微生物在门水平和属水平的组成结果如图3所示（Y和H表示厌氧单元和好氧单元；B、D和Z表示丙酸钠、淀粉和蔗糖条件）。MBBR系统内Proteobacteria为优势菌门，其相对丰度46.1%～77.4%，其他菌门丰度从高到低依次为Bacteroidetes(10.1%～38.7%）、Firmicutes(0.05%～13.8%）、Actinobacteria(0.5%～4.8%）等。该结果与之前的研究结果类似[6,11]。从聚类结果可以看出，厌氧单元中微生物的组成与好氧单元明显不同，且好氧单元中微生物的门类更加多样，该结果与微生物的多样性测序结果一致。在厌氧单元中，丙酸钠条件明显提高了Proteobacteria、Actinobacteria和Patescibacteria相对丰度；在好氧单元，丙酸钠明显提高了Bacteroidetes的相对丰度，而在蔗糖条件Proteobacteria相对丰度明显较高。之前的研究发现Proteobacteria具有降解有机物和氮磷的功能，Actinobacteria具有维持生物膜稳定性的功能[4,6,15]。此外，在同一处理单元，丙酸钠与其他碳源的微生物的组成明显不属于一类，结合印染废水处理效果、EPS的组成可以得出，丙酸钠通过改善微生物的组成影响了印染废水处理效率及微生物代谢产物。

图3 门类和属类水平微生物群落聚类结果

属类水平微生物的聚类结果与门类聚类结果一致，厌氧单元与好氧单元属于两大类，且丙酸钠碳源条件微生物组成明显不同于其他碳源。在厌氧单元中，丙酸钠碳源条件Dechloromonas、Aquitalea和Acinetobacter的相对丰度明显高于其他碳源，而在淀粉和蔗糖条件Dysgonomonas、Klebsiella、Tolumonas、Lactococcus和Bacteroides的相对丰度较高；好氧单元内淀粉和蔗糖碳源条件属类的组成类似，而丙酸钠碳源与其他碳源明显不同，该条件Chryseobacterium的相对丰度明显较高。这些结果表明，碳源的差异改变了系统内微生物的代谢组成，从而影响代谢过程，改变了系统的废水处理效果。

2.5 微生物代谢功能分析

图4为厌氧单元和好氧单元微生物代谢功能预测结果。在好氧和厌氧单元中微生物的代谢功能主要为氨基酸的代谢、合成与降解，其丰度明显高于（6～8倍）其他代功能的丰度；其次，糖酵解、戊糖磷酸途径等糖类的代谢丰度也明显较高。这些功能与微生物的代谢生长密切相关。此外，微生物具有氯代环己烷和氯苯的降解、苯甲酸、氟苯甲酸盐降解、甲苯降解、氯代烷烃与氯代烯烃降解、硝基甲苯降解、乙苯降解、苯乙烯降解等难降解有机物降解功能，且对丙酸和丁酸也具有降解功能。由于难降解染料中含有大量苯环结构的有机物，微生物在水解酸化和有机物氧化过程分泌对应的酶，使得微生物具备对应的功能。丙酸钠条件这些有机物降解功能的丰度较其他碳源高，该结果与印染废水处理效率、EPS的分布及微生物组成结果一致，表明丙酸钠通过改变微生物的群落组成及代谢功能，影响了印染废水的处理效果。

图4 KEGG基因代谢功能

3、结论

1）合适的碳源类型有助于改善MBBR系统对印染废水的处理效果。在丙酸钠条件COD、NH4+-N、色度和PVA的平均去除效率均达到最高，平均去除率分别为50.5%、61.1%、16.4%和81.5%，而在蔗糖条件PVA的降解效果较高。

2）厌氧单元和好氧单元生物膜中EPS的组成明显不同。丙酸钠条件促进微生物分泌更多的EPS，厌氧和好氧单元EPS浓度分别可达71.4 mg/g VSS和61.5 mg/g VSS；厌氧单元生物膜中SL-EPS的含量显著高于其他层的含量，而好氧单元中TB-EPS的含量明显较高。

合适的碳源类型通过改变微生物组成及代谢功能影响了废水处理效果。MBBR系统内优势菌门为Proteobacteria，相对丰度为46.1%～77.4%，且丙酸钠碳源条件微生物的组成与其他碳源条件明显不同；在丙酸钠条件微生物对氯苯、氟苯甲酸盐、甲苯、硝基甲苯、乙苯、丙酸和乙酸等降解功能的丰度较高。

参考文献:

[2]刘俊逸,黄青,李杰,等.印染工业废水处理技术的研究进展[J].水处理技术,2021,47(3):1-6.

[3]罗瑛,刘辉,龙慧君,等.印染废水预处理技术研究进展[J].印染助剂,2020,37(10):6-9.

[9]郑钰铭.流化床生物膜反应器中印染废水处理效能研究[D].西安:西安理工大学,2021.

[10]韩芳,耿翠玉,贾琰,等.退浆废水中聚乙烯醇的分析检测研究[J].干旱环境监测,2017,31(1):1-4,24.

基金资助:国家自然科学基金(52206210);

文章来源:任杰辉,杨晓鑫,郑钰铭,等.碳源类型对MBBR处理印染废水的影响机制研究[J].水处理技术,2024,50(11):113-117.