处理番茄酱加工废水的活性污泥颗粒化过程

第31卷第2期2018年2月环境科学研究ResearchofEnvironmentalSciencesVol.31,No.2Feb.,2018陈启伟，苏馈足,陈丁丁，等.处理番茄酱加工废水的活性污泥颗粒化过程[J].环境科学研究,2018,31(2):369-378.CUENQiwei,SLKuizu,CUENDingding,eia/.Processofaerobicgranulationofactivatedsludgetreatingtomatopasteprocessingwastewater[J].ResearchofEnvironmentalSciences,2018,31(2)：369-378.处理番茄酱加工废水的活性污泥颗粒化过程陈启伟\苏馈足陈丁丁\疏童\王维红21.合肥工业大学土木与水利工程学院，安徽合肥2300092.新疆农业大学水利与土木工程学院，新疆乌鲁木齐830052摘要：为解决新疆番茄酱加工废水排放量大、处理效果参差不齐的情况，在SBR(序批式反应器）中接种絮体污泥，以人工合成番茄酱加工废水为基质成功培养出粒径为0.50~1.61mm的好氧颗粒污泥，并采用扫描电镜、三维荧光光谱（3DEEM)、激光共聚焦（CLSM)、死活细菌染色以及高通量测序等技术表征活性污泥的颗粒化过程.结果表明，颗粒污泥沉降性能良好，C0D(:l_、NH4+-N、P043--P的平均去除率分别为90%、85%、45%.扫描电镜下，椭球状的颗粒污泥轮廓清晰，结构密实.蛋白质在颗粒化过程中逐渐增加，a-多糖、6-多糖和蛋白质贯穿整个颗粒截面，在颗粒中分布广泛，构成了颗粒的骨架.颗粒内部的孔隙为溶解氧和营养物质传递提供了条件，因此活细菌则更多地靠近颗粒边缘及内部的孔隙周围，并包裹着死细菌.颗粒化过程中，微生物的丰富度和均匀性逐渐上升，物种多样性也不断变化，Chao1指数先由515.26降至444.30后又增至526.72，Shannon-Wiener指数由2.81增至5.45.优势降解菌拟杆菌和变形菌相对丰度不断发生变化，拟杆菌由8.85%增至45.95%，而变形菌由78.17%逐渐减至36.66%.研究显示，不同的细菌种群之间的相互作用对有机物的降解以及反应体系的稳定起到重要的作用.关键词：好氧颗粒污泥；番茄酱加工废水；胞外聚合物；高通量测序中图分类号：X703文章编号：1001-6929(2018)02-0369-10文献标志码：ADOI：10.13198/j.issn.1001-6929.2017.03.80ProcessofAerobicGranulationofActivatedSludgeTreatingTomatoPasteProcessingWastewaterCHENQiwei1,SUKuizu1**,CHENDingding1,SHUTong1,WANGWeihong21.SchoolofCivilandHydraulicEngineering，HefeiUniversityofTechnology，Hefei230009,China2.CollegeofHydraulicandCivilEngineering，XinjiangAgriculturalUniversity，Urumchi830052,ChinaAbstract：Tomatopasteprocessingproduceslotsofwastew-aterinXinjiangregionandparthasnottreatedefficiently.Tosolvethisproblem，flocculentsludgewasfedwithsynthetictomatopasteprocessingwastewaterinasequencingbatchreactor(SBR).Aerobicgranularsludgewithdiametersfrom0.50-1.61mmwassuccessfullycultivated.Thecombinedbio-analyticaltechniquesofscanningelectronmicroscopy(SEM)，3-Dexcitationemissionmatrices(3DEEM)，confocallaserscanningmicroscopy(CLSM)，live/deadstainingandhigh-throughputsequencingwereusedtocharacterizethegranulationprocessofactivatedsludge.Theresultssuggestedthattheaerobicgranuleshadagoodsettlingability.TheaverageremovalrateofC0Drr，NH4+-N，P〇43_-Preached90%，85%and45%，respectively.ObservationbySEMshow-edthatellipsoidalgranulehadaclearoutlineandcompactingstructure.TheconcentrationofproteininEPSincreasedgradually.Inaddition，a-D-glucopyranosepolysaccharide，^6-D-glucopyranoepolysaccharideandprotein，ascomponentsofEPS，widelydistributedthroughoutthewholegranule，whichconstructedtheframeworkofthegranule.Theporesinthegranuleprovidedthepassagewaysfordeliveryofdissolvedoxygenandnutrients，thereforethelivebacteriadistributedmorecloselytotheedgeofthegranuleandpores，withdeadbacteriawrappedinside.Duringtheprocessofgranulation，microbialdiversityvariedwhenspeciesrichnessandevennessgraduallyincreased.Chao1indexdecreasedfrom515.26to444.30thenbackto526.72.Shannon-Wienerindexincreasedfrom2.81to5.45.Asdominantdegradingbacteriagroups，therelativeabundanceofBacteroidesincreasedfrom8.85%to45.95%whilethatofProteobacteriadecreasedfrom78.17%to36.66%.Thestudydemonstratedtheinteractionofdifferentbacterialpopulationsplaysan收稿日期：2017-06-28修订日期：2017-11-02作者简介：陈启伟（1993-),男，安徽安庆人,[e-mail].*责任作者,苏馈足（1977-),女，河北衡水人，教授，博士，主要从事水和污水处理系统数学模拟、新型水和污水处理技术研究,[e-mail]基金项目：国家自然科学基金项目（No.51378165,51668062)SupportedbyNationalNaturalScienceFoundationofChina(No.51378165，51668062)370环境科学研究第31卷importantroleonthedegradationoforganicsandthestabilityofreactionsystem.Keywords：aerobicgranularsludge；tomatopastewastewater；extracellularpolymericsubstances(EPS)；high-throughputsequencing污泥的颗粒化指的是废水生物处理系统中的微生物在适宜的条件下自我凝聚形成具有特殊结构的微生物聚集体的过程[1].由于好氧颗粒污泥法具有活性高、生物量大、沉降性能好、抗负荷冲击能力强等优点[2]，因此成为国内外废水生物处理领域的研究热点之一.新疆地区的番茄酱加工业有几十年的发展史，已成为新疆农业食品加工的支柱产业[3].番茄酱加工业的兴起，在获得经济效益的同时也带来了加工废水处理不足的问题，众多企业以直排的方式处理废水，排放量大，造成了严重的环境污染[4].因此对番茄酱加工废水的处理已刻不容缓.好氧颗粒污泥技术由于特有的优势而被广泛研究.Morgenroth等[5]在SBR(序批式反应器）中通过控制沉降时间培养出好氧颗粒污泥.Beun等[6]验证了沉降时间是好氧颗粒污泥形成的重要因素，并指出较短的水力停留时间和较强的水流剪切力有利于颗粒的形成.好氧颗粒污泥可用于同步硝化和反硝化[7-8]、生物除磷[9]以及生活污水[10]、奶制品废水[11]、豆制品加工废水[12]、重金属废水[13]以及有毒废水[14]的处理.李维军等[15]以好氧-厌氧耦合法处理番茄酱加工废水，去除效果好.孙世阳等[16]为番茄酱加工废水处理过程的监测提出新方法.目前国内外对好氧颗粒污泥研究主要集中在不同基质下培养出颗粒污泥的工艺参数和环境因素以及相关的物理、化学和生物特性，显示了好氧颗粒污泥技术广泛的应用前景.但颗粒化过程仍是影响好氧颗粒污泥实际工程应用的关键因素.如能对颗粒化的进程进行系统描述，将为加快好氧颗粒污泥系统的启动过程提供科学依据，以充分利用其容积负荷大、生物种群丰富等特点，实现对番茄酱加工废水的高效降解.该研究在SBR中以人工合成番茄酱加工废水培养出好氧颗粒污泥.在反应器持续运行过程中，分别采用三维荧光光谱和激光共聚焦以及高通量测序等技术来表征颗粒化过程，以期为进一步提高处理效果、优化系统的运行提供理论依据.1材料与方法1.1试验装置和运行方式SBR反应器(见图1)由有机玻璃制成，反应器内径为0.08m，高为1.00m，有效容积为4L.反应器底部的曝气装置用于提供溶解氧并起到搅拌作用.反应器中pH控制在7.5±0.5，p(D0)维持在6.0mg/L左右.SBR运行周期为4h，每周期具体运行参数:进水为10min，出水为2min，沉降时间由初始的30min随反应器运行逐渐降至30s，曝气由198min相应增至227min，排水比为50%.1.2接种污泥接种污泥取自乌鲁木齐市纳斯番茄酱加工厂污水处理站，p(MLSS)为3.9g/L，p(MLVSS)为1.1g/L，SVl3。为27.5mL/g.1.3试验水质番茄酱加工过程中不添加食品添加剂，加工废水的主要成分为番茄果实中所含有的可溶性有机质和胶体物质，因此水处理的主要任务为C0D的有效去除.韩芹芹等[4]指出，新疆的番茄酱加工废水的p(C0DCr)在400~2000mg/L之间.该研究采用人工合成番茄酱加工废水，以鲜榨番茄汁为碳源，p(C0DCr)为400〜500mg/L.分别以氯化铵和磷酸氢二钠为氮源、磷源，p(NH4+-N)和p(P〇43'P)分别为50和10mg/L.无水碳酸钠用以调节pH.常量元素和微量元素的配比参照文献[17].1.4分析项目和测定方法p(C0DCr)、p(NH4+-N)、p(P〇43'P)、p(MLSS)和SVU等指标采用文献[18]中的方法测定.颗粒粒径采用显微镜连接数码相机拍照观察然后用Motic第2期陈启伟等:处理番茄酱加工废水的活性污泥颗粒化过程371Image软件计算得到.SEM(扫描电子显微镜）：样品经PBS清洗后浸没在25%戊二醛中固定，于4°C冰箱放置12h