改性活性污泥处理重金属废水过程中群落结构变化特征

2019年2月海峡科学February2019第2期总第146期StraitsScienceNo.2,Total146th改性活性污泥处理重金属废水过程中群落结构变化特征严樟1,2侯杉珊2郑晓亚2陈日耀1刘耀兴1金延超1郑育毅1,3曾伟民2（1.福建师范大学环境科学与工程学院，福建福州350007；2.中南大学资源加工与生物工程学院，湖南长沙410083；3.福建师范大学环境科学研究所，福建福州350007）[摘要]通过静态厌氧方式驯化好氧活性污泥，将其改性成以厌氧菌为主的活性污泥体系来处理不同种类、不同浓度的重金属废水，探究改性污泥在处理低浓度重金属废水过程中群落结构的变化趋势和重金属离子的去除效果。结果表明，改性活性污泥在处理低浓度重金属废水后，群落结构多样性均会呈现出不同程度的降低，优势菌群也会发生相应的变化。本次实验所获得的改性活性污泥对Cu2+和Cr（VI）均有较好的处理效果，且Cu2+去除率高达98%，COD的去除率也可达到85%以上，表明该方法在实际低浓度重金属有机废水处理中具有一定的推广价值。[关键词]厌氧活性污泥重金属废水群落多样性废水处理[中图分类号]X172[文献标识码]A[文章编号]1673-8683(2019)02-0013-031概述现阶段生活污水的处理技术已相当成熟，但工业废水因其自身的复杂性、难降解性，成为污水处理行业的主要难题。电镀厂、炼油厂、化学药剂厂所排放的废水不仅含有高浓度的有机污染物，而且含有不同程度的重金属离子[1]。若任意排放该类废水，将对生态环境及人类健康产生巨大的危害。活性污泥法是治理工业废水经常使用的处理方式之一[2]。而活性污泥是从环境中获得，经过人工多次驯化培养而得到的微生物群落用于去除废水中的可生化有机物、悬浮固体颗粒和部分氮磷元素等污染物质[3]。活性污泥法具有二次污染小、运行成本低、可处理污染物种类多、处理潜力大、处理彻底等优点[4]。运用高通量测序技术研究污染场地中环境微生物与污染物之间的相互关系，探究微生物群落动态变化和污染物降解之间的相互作用[5]，可为污染物的生物处理法提供可靠的理论指导。本实验将好氧活性污泥经特定的驯化方式转变为以厌氧菌为优势菌群的改性厌氧活性污泥，用于处理含铬离子、铜离子的重金属有机废水。在处理过程中研究微生物的群落变化，重金属去除效果，进而找到低浓度重金属废水的微生物高效处理途径。2实验材料与方法2.1接种与驯化本实验的活性污泥为市政生活污水厂中取得的好氧污泥。使用锥形瓶，通过将培养基加满锥形瓶的方式，制造出简易的厌氧环境，将污泥加入到培养基中厌氧培养，将好氧活性污泥改性成富含SBR混合体系的厌氧活性污泥[6]。培养基使用的是Postgate’sC选择性培养基[7]。培养周期为1周，进行4个周期后，获得了以SRB为主体的厌氧菌混合体系[8]。2.2实验设备实验仪器：光学显微镜-CX21FS1（OLYMPUS），冷冻超速离心机-TGL-16（湘仪），5B-3F型化学需氧量(COD)快速测定仪（连华科技），ICAP7200Radial〔赛默飞科技（中国）有限公司〕。2.3模拟废水的配置本实验的研究目的是考察改性活性污泥处理不同重金属浓度废水的处理效果，废水基础配方为葡萄糖8.48g/L，磷酸二氢钾0.135g/L，硫酸铵1.26g/L，硫酸钠4.26g/L，模拟重金属离子浓度分别为硫酸铜0.1、0.5、1、2、4、8mg/L；重铬酸钾0.1、0.5、1、2、4、8mg/L。·13·HAIXIAKEXUE海峡科学2019年第2期2.4废水处理实验在500mL的改性活性污泥体系中，静置，排掉约400mL上清液，在加入不同浓度的模拟废水，配制成500mL处理体系。从加入废水开始计时，连续处理24h，在0min、15min、30min、1h、2h、4h、8h、15h、24h取样，每次取出20mL体系。检测溶液中的COD去除率和重金属离子去除率。2.5高通量测序选取实验中金属离子去除效果最优的改性活性污泥，使用DNeayPowersoilKit(50)试剂盒来提取DNA后进行测序分析。3结果与讨论3.1活性污泥的改性厌氧培养所得到的活性污泥中的菌体在显微镜观察下，呈现出弧状、杆状、球状等形态，其中以球形为主要群体。3.2污染物去除效果3.2.1重金属离子去除率含有重金属的废水，在经过改性活性污泥4h处理后，重金属离子浓度明显下降，Cu2+去除率最高达98%，Cr(VI)去除率最高达95%（见图1a、1b）。在处理的前30min，重金属浓度快速降低，可能由于改性活性污泥具有较大的比表面积，对重金属具有较强的吸附能力，而且改性活性污泥去除Cu2+的效率相比Cr(VI)更高。在一定范围内处理不同浓度的重金属离子废水时，离子浓度越高，去除效果越好。3.2.2COD的去除含铜废水（图1c）和含铬废水（图1d）在改性活性污泥处理的24h中COD不断下降，与重金属的去除率相似，在处理废水前2h内，COD去除率明显上升，表明菌群在快速消耗有机物，为自身生理代谢活动提供能量，从而使其吸附的重金属离子在生物体内发生相应的生物转化，以达到重金属离子从废水中去除的效果。2h之后，废水中的重金属离子浓度降低，COD去除率趋缓。实验表明，处理不同浓度的重金属废水时，在一定范围内，活性污泥降解金属废水的离子浓度越高，COD去除率越高。(a)含重金属离子的废水(b)含重金属离子的废水(c)含铜废水(d)含铬废水图1改性活性污泥处理废水污染物的去除率·14·2019年第2期海峡科学HAIXIAKEXUE3.3高通量测序结果分析由群落柱状对比结果(见图2)可知，经过厌氧培养后的改性活性污泥(Y)中优势菌是丛毛单胞菌科(25.61%)，其次是Norank_p_Saccharibacteria(12.32%)和噬几丁质杆菌科(13.53%)。处理过含铜废水的活性污泥与改性活性污泥相比，其优势菌转变为假单胞菌科，占整体的近40%，远高于其他菌群。处理含Cr（VI）废水的改性活性污泥，Norank_p_Saccharibacteria成为优势菌，占整体的30.30%，同时假单胞菌科也有所增长（14.03%）。图2群落柱状对比图4实验结论本文对好氧活性污泥进行厌氧驯化，获得改性厌氧活性污泥处理含有不同种类、不同浓度的金属离子废水，最终得到以下结论。（1）通过对好氧活性污泥的厌氧改性，得到了以丛毛单胞菌科、Norank_p_Saccharibacteria、噬几丁质杆菌科为优势菌群的厌氧活性污泥。（2）在废水处理过程中，改性活性污泥中的优势种群也发生相应的变化，处理过含铜废水的改性活性污泥，其优势种群转变为假单胞菌科；处理过含铬废水的活性污泥，其优势种群转变为Norank_p_Sacchari-bacteria。同时处理过含重金属废水的活性污泥群落多样性也会发生相应的降低。（3）本次试验发现，当铜、铬离子初始浓度为8mg/L时去除量最大，Cu2+去除率最高达98%，Cr（VI）去除率最高达95%，同时COD的去除率均达到80%以上。改性活性污泥吸附去除相同浓度Cu2+的效率较Cr（VI）更高，并且在一定离子浓度范围内，离子浓度越高，去除效果越好。参考文献：[1]袁怡,黄勇,李祥,等.含氨和硫酸盐废水的处理技术展望[J].工业水处理,2012(11):1-5.[2]许晓路,申秀英.活性污泥法在工业废水处理中的应用进展[J].环境工程学报,1994(1):58-65.[3]陈晓.某污水处理厂活性污泥法工艺对比和改造中试研究[D].杭州:浙江工业大学,2017.[4]AtkinsonBW,BuxF,KasanHC.Bioremediationofmetal-contaminatedindustrialeffluentsusingwastesludges[J].WaterScienceandTechnology,1996,34(9):9-15.[5]闫来洪,张振冲,郗丽君,等.不同活性污泥中菌群多样性及差异分析[J].化学与生物工程,2016(8):57-62.[6]LoShang‐Lien,LinChi‐Ying.Adsorptionofheavymetalsfromwastewaterwithwasteactivatedsludge[J].JournaloftheChineseInstituteofEngineers,1989,12(4):451-461.[7]张佩兰.厌氧生物除磷及其微生物种群结构特性的研究[D].广州:广州大学,2011.[8]柴立元,刘恢,闵小波,等.改性活性污泥处理含铬废水[J].中国有色金属学报,2005,15(9):1458-1464.[9]王晓蕾,张琇,周云锋,等.沙漠微生物群落功能多样性分析[J].水土保持通报,2012(3):91-95.·15·