O生物反应器处理石化废水的中试研究及微生物群落结构解析

科技导报2017，35（23）收稿日期：2017-05-16；修回日期：2017-08-04基金项目：国家水体污染控制与治理重大专项（2012ZX07201-005-06-01）作者简介：施云芬，教授，研究方向为污水处理，电子信箱：[e-mail]；初里冰（通信作者），副研究员，研究方向为水污染控制，电子信箱：[e-mail]引用格式：施云芬,郑蕾,马慧,等.脉冲水解酸化-A/O生物反应器处理石化废水的中试研究及微生物群落结构解析[J].科技导报,2017,35(23):39-45;doi:10.3981/j.issn.1000-7857.2017.23.006脉冲水解酸化脉冲水解酸化-A/O-A/O生物反应器处理生物反应器处理石化废水的中试研究及微生物群落石化废水的中试研究及微生物群落结构解析结构解析施云芬1，郑蕾1，马慧2，丁鹏元3，初里冰31.东北电力大学化工学院，吉林1320122.北京市规划委员会通州分局，北京1011013.清华大学核能与新能源技术研究院先进核能技术创新中心，北京100084摘要摘要采用自行设计的脉冲布水器，建造脉冲水解酸化-A/O（厌氧好氧工艺法）中试装置处理实际石化废水。水解酸化池和A/O的容积分别2.6m3和3.9m3；脉冲布水器的频次为10次/h；A/O池污泥龄25d，污泥回流比100%，温度15~32℃。反应器稳定运行近7个月的结果表明：尽管进水化学需氧量（COD）和氨氮波动较大，但出水COD和氨氮的去除率保持稳定。在进水COD质量浓度为（458±107）mg·L-1，系统COD去除率为80%，其中脉冲水解酸化池（PHA）的COD去除率为29%。进水氨氮质量浓度为（35.9±11.3）mg·L-1，系统氨氮的去除率为86%。UV254和TN的平均去除率约为58%，TP去除率可达86%。PHA泥水混合良好，出水挥发性脂肪酸（VFA）浓度比进水提高近1倍，BOD5（5天生化需氧量）/COD值比进水提高35%，显示其良好的水解酸化效果，并可提高进水的可生化性。IluminaMiseq测序结果表明：变形菌门（Proteobacteria）和拟杆菌门（Bacteroidetes）是主要的优势菌群，所占的比例在50%以上。在属的水平上，Anaerolineaceae和Clostridiales在水解酸化池中丰度较高；A/O池中丰度较高的菌属为Flexibacter，Thiobacillu，Nitrosomonadaceae和Nitrospira。通过反应器各段不同微生物种群的共同作用，石化废水中复杂的有机污染物得以有效降解。结果表明，脉冲布水水解酸化-A/O工艺是一种很有前途的石化废水处理技术，并可应用于其他工业废水的处理。关键词关键词脉冲布水器；水解酸化；IluminaMiseq测序；工业废水；污水处理石化废水主要是指石油化学工业在生产汽油、柴油、煤油、润滑油等各种石油产品、以及乙烯、甲苯、纤维、塑料等有机化工材料过程中产生的废水。通常含有石油类、有机酸、醇、胺、酚、醚、酮、醛、烃等多种有机污染物。具有废水量大、水质复杂、有毒有害物质浓度高、处理难度大等特点[1]。目前，石化废水的处理通常采用预处理与生物处理结合的二级处理工艺。采用隔油/气浮，混凝沉淀，Fenton和臭氧氧化等物理化学法以及水解酸化等工艺进行预处理[2-3]，提高其可生化性，然后进行二级生物处理。常采用的生物处理工艺有活性污泥法[4]、A/O工艺（厌氧好氧工艺法）[5]、接触氧化法[6]、膜生物反应器等[7]。其中，A/O工艺不仅能够高效的同时去除污水中的有机物和氮磷，而且运行成本低，操作简单，已经替代活性污泥法广泛应用于石化废水的处理。水解酸化是将厌氧生物反应控制在水解和酸化阶段，利用厌氧菌和兼性菌的作用，将污水中悬浮性固体和难生物降解的大分子有机物，转变为溶解性和易生物降解的小分子物质，并进一步在酸化菌作用下转化成挥发性脂肪酸。水解酸化可将芳香烃、杂环类等复杂难降解的大分子有机物，转化为有机酸、醇等易降解的小分子物质。水解酸化工艺在印染废水[8]、皮革废水[9]、焦化废水[10]、制药废水[11]、石化废水[12]等多种难降解有机废水处理中得到广泛应用。目前石化废水大多采用水解酸化工艺对石化废水进行预处理，减轻后续生物处理工艺的负担。即可有效降低成本，又能提高出水水质。水解酸化池的进水方式一般分为连续进水和脉冲进水。传统的连续均匀布水式水解酸化池存在污泥淤积严重、泥水混合效果差以及水下设备腐蚀严重等问题，导致水解酸39科技导报2017，35（23）化效率降低，影响水解酸化池的处理效果。脉冲式布水器利用虹吸原理，周期性地将大量的水在短时间内迅速注入反应器内，使池内的底层污泥交替进行收缩和膨胀。可实现泥水充分混合，提高水解效率；同时节省水下搅拌等设备费用[13]。脉冲水解酸化是一种有前途的工业废水预处理技术。徐灏龙等[14]采用脉冲布水复合水解酸化反应器处理印染废水的研究表明，反应器内的污泥层处于有规律的膨胀-收缩-膨胀的循环状态，强化了废水与污泥的接触，SS的去除率在80%以上，化学需氧量（COD）的去除率为50%。贾明昊[15]研究采用脉冲布水厌氧流化床工艺处理草浆废水。厌氧池的COD去除率在10%~40%波动，有效降低了后续好氧工艺的处理负荷。郭迎庆[16]报道了采用脉冲布水式水解酸化池处理江苏某印染厂废水的工程案例。结果表明，经过脉冲水解酸化处理后，废水的BOD5/COD由0.27提高到0.35，COD去除率大于50%，色度去除率超过40%。本研究采用自行设计的钟罩式脉冲布水器，建造脉冲水解酸化-A/O中试反应装置，研究该装置对中国北方某大型石化企业综合废水的有机物和氮磷的去除效果；考察脉冲前后水解酸化反应器内污泥浓度的分布状况；并对PHA、A池和O池内微生物的种群结构进行分析。1材料和方法1.1试验装置整套系统主要由储水池、初沉池、PHA、A/O池和二沉池组成。各个单元依次串联以保持组合工艺连续出水。图1~2为装置示意图和现场设备的照片。PHA由脉冲布水器和升流式水解酸化反应器构成，脉冲布水器安装在水解酸化池上部1米处。脉冲布水器为圆柱体，直径0.35m，高0.5m，容积0.048m3，材质为不锈钢。脉冲布水器的频次为10次/h。水解酸化池为圆柱体，容积为2.6m3，底部直径为0.75m，高4.5m。A/O反应器由1个A段和4个O段串联组成，总体积为3.9m3。O1-O4段底部设有曝气盘，为了有更好的泥水混合效果，每段还设有搅拌器。其他储水池、初沉池和二沉池的体积分别为3.38、0.13、0.51m3。石化废水经潜水泵从储水池进入初沉池，沉淀后溢流进入中间水箱，然后由提升泵送至脉冲布水器内。在脉冲布水器的作用下，每隔一段时间，将连续进入脉冲布水器的废水在30~40s内送入水解酸化池底部。水解酸化池出水溢流至A/O池的缺氧段，经A/O生物处理后，进入二沉池。泥水分离后，出水通过二沉池顶部的溢流堰排出，底部污泥通过回流泵回流至A段，剩余污泥通过二沉池底部的阀门定期排出。储水池和初沉池内的底层淤泥定期通过底部阀门排出。图1PHA-A/O反应装置示意Fig.1SchematicdiagramofthePHA-A/Oset-up图2现场装置照片Fig.2Picturesoftheequipment（a）进水配水管线-初沉池（b）脉冲布水器-水解酸化池（c）A/O池-二沉池40科技导报2017，35（23）1.2实验用水实验装置建在中国东北某化工园区石化综合污水处理厂内。反应器的进水与污水处理厂的进水相同，经管道引入中试车间。该污水厂接纳园区内大宗化学品、合成纤维、合成橡胶、精细化工和农药厂等60余套化工装置排放的废水。实验期间其主要水质指标如表1所示。可以看出，实际废水的COD和氨氮等指标含量波动较大，硫酸根的浓度较高。表1实验用水的水质指标Table1CharacteristicsoftheinfluentCOD/（mg·L-1）261~985氨氮质量浓度/（mg·L-1）15~53硝态氮质量浓度/（mg·L-1）0.4~12.1总磷质量浓度/（mg·L-1）0.9~6.5硫酸根质量浓度/（mg·L-1）372~1179紫外吸光度（UV254）/（cm-1）0.41~3.00pH值6.2~9.81.3反应器的启动和运行PHA和A/O池的接种污泥取自污水处理厂的厌氧水解酸化池和好氧池。接种污泥浓度分别10和5g·L-1。内循环48h后开始连续进水，逐渐提高有机负荷，经过1个月驯化。水解酸化池和二沉池出水COD保持稳定，反应器启动成功。反应器运行近7个月，日处理量约为4.2m3，水解酸化池和A/O池的水力停留时间（HRT）分别为15h和22h。反应器的温度随环境温度变化，为15~32℃。A/O池内O段的溶解氧（DO）质量浓度控制在2~6mg·L-1，污泥回流比为100%。通过定期排泥，A/O池的污泥龄（SRT）控制在25d左右。定期取样监测反应器进水、水解酸化池和二沉池出水的COD，氨氮，BOD5和UV254等指标；检测脉冲水解酸化反应器进出水的挥发性脂肪酸（VFA），SO42-和S2-浓度。所有水样先采用0.45μm滤膜过滤，然后再进行分析。反应器运行稳定半年左右，取水解酸化池、A段和O段的污泥样品进行微生物种群结构解析。UV254可反映水中芳香和具有共轭双键的化合物浓度，是衡量废水中有机污染物指标的一项重要控制参数。VFA作为水解酸化的重要指标，可以用来评价水解酸化反应的效果。1.4分析方法COD、氨氮、总磷、BOD5、SO42-和S2-浓度均按照标准方法测定[17]。VFA采用联合滴定法测定[18]。污泥浓度采用重量法测定。DO和温度采用便携式溶解氧测定仪（YSI-550A）。氧化还原电位（ORP）和pH值采用便携式多参数水质分析仪测定（WTW3420）。总氮使用总有机碳分析仪（TOC-VCPH/CPN，岛津）测定。微生物种群结构分析采用454高通量测序方法，具体方法为：1）基因组DNA抽提。使用DNA提取试剂盒（OMEGA公司）提取DNA，然后利用1%琼脂糖凝胶电泳检测。2）PCR扩增。按指定测序区域，合成带有barcode的特异引物。使用AxyPrepDNA凝胶回收试剂盒（AXYGEN公司）切胶回收PCR产物，Tris_HCl洗脱；2%琼脂糖电泳检测。3）荧光定量。参照电泳初步定量结果，将PCR产物用QuantiFluor™-ST蓝色荧光定量系统（Promega公司）进行检测定量，之后按照每个样本的测序量要求，进行相应比例的混合。4）IluminaMiseq测序。使用IluminaMiseqPE250系统进行测序（上海美吉生物医药科技有限公司）。5）对所得结果进行优化处理，得到优质序列，并统计该样本所含有效测序序列和优质序列数目，对97%相似性水平下的样品的运算分类单位（operationaltaxonomicunits，OTU）进行生物信息统计分布，进行OTU聚类分析和物种分类学分析。基于OTU聚类分析结果，可以计算得到丰富度指数Ace和Chao1，以及多样性指数Shannon和Simpson。Ace和Chao1是用来估计群落中含有OUT数目的指数，生态学中常用来估计物种总数；Shannon和Simpson是用来估计群落中OUT多样性高低的群落多样性指数。基于分类学信息，可以进行门、纲、目、科、属、种水平上群落结构的统计分析。2结果与讨论2.1脉冲水解酸化-A/O中试反应器的运行表现图3和图4分别为反应器进水、PHA出水、A段和二沉池出水的COD和氨氮浓度随运行时间的变化。可以看出，进水COD受不同工厂来水COD波动的影响，浓度变化很大。反应器运行平稳后，出水COD保持稳定。反应器各段对COD的去除均有贡献，在进水COD浓度为（458±107）mg·L-1，PHA出水COD为（324±66）mg·L-1，A段和二沉池出水COD为（160