厌氧-好氧-沉淀-厌氧工艺污泥减量和 印染废水处理中微生物种群的演化 及其活性影响外文翻译资料

 2022-08-04 14:19:15

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厌氧-好氧-沉淀-厌氧工艺污泥减量和

印染废水处理中微生物种群的演化

及其活性影响

作者: Xu Hui; Yang Bo; Liu Yanbiao; Li Fang;

Song Xinshan; Cao Xin; Sand Wolfgang

DOI: 10.1016/J.JCLEPRO.2020.124403

摘要

原位污泥减量是印染废水生物处理中的一个重要环节。采用厌氧-好氧-沉淀-厌氧工艺(A OSA)在污泥回流条件下对印染废水进行处理，考察了印染废水的处理效率和污泥减量性能。与无污泥回流的厌氧-厌氧-厌氧工艺(AAO)进行了比较。结果表明：A OSA工艺处理印染废水的污泥量减少30%，脱色率达90%，比AAO工艺处理效果更好。有趣的是，A OSA流程的出水化学需氧量高于AAO流程。这是由于长期的污泥回流造成的中间化合物——芳香胺的积累抑制了微生物活性。此外，回流的污泥可能作为共代谢底物被降解，导致A OSA工艺的胞外聚合物浓度高于AAO工艺。此外，高通量测序分析表明，污泥减量性能与糖类细菌的生长有关。酶活性分析表明，在A OSA过程中脱氢酶和过氧化氢酶含量下降。该方法可以进一步扩大和优化，成为一种有前景的、有效的印染废水处理技术。

关键词：印染废水；减少污泥；酶活性；生物多样性；氧沉降-厌氧过程

1.简介

纺织工业产生大量染色废水，如果处理不当，可能造成严重的环境污染和公众健康问题(Oyekanmi et al., 2019a; Xu et al., 2018)。由于其提高效率和低成本，污泥工艺被认为是最合适的印染废水处理(Haddad et al., 2018)。但随着进水污染物浓度的增加和排放标准的提高，在此过程中会产生大量的剩余污泥，对生态环境造成破坏。(Chen et al., 2019; Liu et al., 2020;Oyekanmi et al., 2019b)提出了几种有效减少污泥的污泥处理方法。其中，物理化学处理，包括高级氧化工艺、机械破碎、化学处理和这些处理的组合，由于其效率高，操作和维护简单，通常用于污泥处理。然而，这些处理方法通常用于管道末端处理剩余污泥，具有较高的能源消耗和投资成本;这与纺织业清洁生产技术的发展背道而驰(Abdulrahman Oyekanmi et al., 2019; Aldieri and Vinci,2020; Hajek and Stejskal, 2018)。

另外，具有低投资成本、高成本效益和高去除效率等优点的生物工艺被认为是减少污泥的有前途的替代处理方法(Guo et al., 2020)。作为最常见的生物工艺之一，厌氧处理技术由于其环境安全性和低投入要求被认为是最有前途的印染废水处理方法 (Xu et al., 2018)。在氧化-沉淀-厌氧(OSA)过程中，减少污泥主要依靠生物酶活性，在生物处理系统中充当某些化学反应的催化剂(Romero-Pareja et al., 2017)。目前对OSA过程中微生物活性的研究主要集中在常规污泥参数的表征上，如沉降速度、污泥体积指数和混合液体挥发性悬浮物(MLVSS)含量(Chen et al., 2003; de Oliveira et al., 2018)。然而，这些参数不能直接表征微生物活性或生物量浓度。例如，由于污泥样品中存在死微生物和惰性挥发性悬浮物，MLVSS不能准确地代表生物量浓度。因此，需要更灵敏的表征工具如关键酶来综合评价OSA过程中的微生物活性。此外，有关微生物群落分布的基本信息，特别是用于处理印染废水的OSA污泥减量化系统，是有局限性的。

OSA工艺是一种重要的原位减泥工艺，在减泥方面表现出了优异的性能，特别是在城市污水处理厂(Zhou et al.,2015b)。同时，发现厌氧-厌氧-好氧工艺(AAO)由于分离了两个厌氧单元中不同功能的微生物区系，从而提高了污染物的去除率。此外，在AAO过程中，还可以通过回收剩余污泥来减少污泥。然而，似乎对OSA或AAO流程在纺织行业中的应用缺乏深入的了解;进一步的研究需要充分了解它们污泥减少的潜在机制。此外，一些研究已经证实，联合厌氧-好氧工艺比单一厌氧或好氧工艺可以增加偶氮染料的降解(Jayapal et al., 2018)。这是因为在厌氧条件下发生的偶氮键裂解和在好氧条件下芳香胺的氧化。然而，在印染废水处理过程中，中间化合物的存在会抑制微生物活性。而且针对中间化合物对OSA工艺影响的研究较少

在这项研究中，一个厌氧-OSA (A OSA)过程是通过将剩余污泥返回厌氧装置超过168天的运行来开发的。在无污泥回流的情况下，比较了A OSA工艺与AAO工艺在印染废水处理中的污泥减量性能。

本研究的主要目的是:

(1)评价A thorn; OSA工艺的污泥减量性能和污染物去除效率;

(2)研究污泥减量对酶活性和污染物去除的影响，以及中间产物的潜在影响;

(3)阐明A OSA污泥减量过程中细菌和古菌群落的演化。为了实现这些目标，确定了以下参数:观察到的污泥产量;芳香胺、胞外聚合物(EPS)、脱氢酶、过氧化氢酶浓度;以及高通量测序。这项工作拓宽了A OSA工艺的潜在应用，并为印染废水处理中的污泥减量化带来了新的见解。

2.材料和方法

2.1试验装置

图1显示了AAO和A OSA过程的示意图。每个工艺的设置包括3个分离的分区:一级厌氧池、二级厌氧池和好氧池，A OSA工艺分别为A1、A2和O1单元，AAO工艺分别为A1、A2和O1单元。将由软纤维束、塑料环件、支撑套和聚酯绳组成的复合聚丙烯载体(图S1)以相同的15%填充率装入每个单元。每个隔间的工作容积为7.9 L(高度39cm;长15cm;宽度15cm)，使用的材料是有机玻璃。在A OSA工艺中，配备了回流泵，将沉淀池中的剩余污泥回流到初级厌氧池。为了研究回流污泥对A OSA工艺中污泥减量的影响，以一个类似的无回流污泥的AAO工艺为对照

图1：A OSA (a)和AAO (b)过程的示意图

2.2原污泥

以上海市松江市污水处理厂为研究对象，对污泥进行了试验研究。考虑废水中染料的生物毒性，将原始种子污泥初始接种到反应器中培养微生物30天的适应性。原种子污泥的混合液悬浮物(MLSS)浓度为10 g/L, MLVSS/MLSS比值为0.7。在水力停留时间(HRT)为24h的条件下，间歇曝气(每天好氧18 h，厌氧6 h)至少运行30天

2.3合成废水

在化学需氧量(COD)为600mg /L，色度为400倍的条件下，向反应器投加了625mg /L葡萄糖、30mg /L活性黑染料、5mg /L活性黄染料、5mg /L活性红染料、25mg /L NaCl、各种添加剂和必需营养素组成的合成废水。活性黑5、活性黄3、活性红24购自上海西玛尔德里奇有限公司，所使用的偶氮染料结构式如图2所示。由于反应器内MLSS浓度稳步上升，COD去除率提高到70%，因此不再次投加反应器，终止培养过程。

图2：操作时间内，在A OSA和AAO过程中，剩余污泥产率(a)、MLSS浓度(b)和观察到的污泥产率(c)的变化

2.4实验方法

将培养的污泥接种到各单元，最终MLSS浓度为3.14 g/L。手术前用氮气冲洗厌氧装置1 h以去除溶解氧(DO)。运行过程中各好氧单元DO含量保持在2-4 mg/L。该工艺以合成废水为原料。矿质培养基含NH4Cl (0.5 g/L)、K2HPO4 (0.4 g/L)、CaCl2(0.1 g/L)、MgSO4·7H2O (0.1 g/L)、FeSO4·7H2O (0.1 g/L)。用NaHCO3维持每个单元的初始pH为7.2-7.4。操作期间，各组HRT持续维持在15.8 h。实验在常温下进行168天。在A OSA工艺中，沉淀池底部积累的剩余污泥间歇式返回到A1单元，而AAO工艺中的剩余污泥直接排放。此外，考虑到在工艺运行过程中无法准确测量载体上的生物量浓度，我们假设在长期运行过程中A OSA和AAO过程中载体上的生物量浓度是相对恒定的。因此，以体系内悬浮污泥浓度的变化来评价污泥减量化性能。

2.5取样分析方法

每天对进水流量、DO浓度和温度进行测量和校正。每日测定色度、COD和剩余污泥浓度。从每个单元底部的取样口收集污泥样品，用于污泥特性分析。每周检测1次MLSS、脱氢酶、过氧化氢酶、芳香胺浓度和污泥产量(Yobs)。实验结束时，对EPS含量和微生物群落结构进行分析。用标准方法测定COD、MLSS、MLVSS、DO和pH (APHA, 1998)。脱氢酶和过氧化氢酶浓度分别采用2,3,5 -三苯基四唑氯法(Beloti et al., 1999)和蒽酮法(Stpniewska et al., 2009)。根据之前的研究(Dai et al., 2016)测定芳香胺浓度。使用类似于其他研究报告的稀释方法测量色度(Yang et al., 2018)。Yobs的计算参考 Zhou et al. (2015a)。EPS的提取包括可溶性EPS (S-EPS)、松散结合EPS (LB-EPS)和紧密结合EPS (TB-EPS)主要基于先前介绍的热提取方法 (Yang et al., 2018)。分别按照BCA法(Davis and Radke, 1987) 和蒽酮法(Zhu et al., 2015)测定EPS中的蛋白质(PN)和多糖(PS)浓度

2.6高通量测序

为了评估微生物群落结构的变化，在实验结束时从每个单元收集污泥样品进行高通量测序分析。分别使用针对V3-V4可变区域的341F (50-CCTACGGGNGGCWGCAG-30)/805R-(50-GACTACHVGGGTATCTAATCC-30）和349F (50-GYGCASCAGKCGMGAAW-30)/806R (50-GGACTACVSGGGTACTAT-30)引物进行古菌和细菌的16S rRNA PCRs(聚合酶链反应)。高通量测序的每一步都在支持信息中详细描述(章节S1)。

3.结果与讨论

3.1污泥减量性能

3.1.1剩余污泥产率

为了评估该工艺的污泥减量性能，我们对A OSA和AAO工艺的剩余污泥产量进行了评估(图2a)。整个操作按流程绩效分为三个阶段(I、II、III)。从图2a可以看出，在第20天前，两种工艺的剩余污泥产率均显著下降，且无显著差异。这是由于这两个过程仍处于启动阶段，微生物活性较低。然而，一旦这些微生物适应了新的条件，两种工艺的剩余污泥产率逐渐提高。随着运行时间的延长，AAO工艺的剩余污泥产率保持稳定。然而，与AAO工艺相比，A OSA工艺的剩余污泥产率变化趋势相反，从第40天的1.3 g/d下降到第160天的1.0 g/d。此外，两种工艺之间的差异逐渐增大。上述结果表明，采用A OSA工艺处理印染废水可达到减少污泥的效果。 Zhou et al. (2015a)也发现了类似的现象，通过污泥再循环，OSA工艺将剩余污泥减少了30-50%。

3.1.2剩余污泥浓度

为了进一步研究A OSA工艺的污泥减量性能，对各单元的MLSS浓度进行了监测(图2b)。各单元的MLSS浓度随时间的增加先降低，然后略有增加，再降低。在实验前期(0-35 d)，微生物活性受到染色废水的抑制，导致MLSS浓度降低。之后，随着载体上生物膜的形成，MLSS浓度逐渐升高。第70天和第56天，A1和O1的MLSS浓度分别达到最大值2.5 g/L和1.7 g/L。然而，MLSS浓度随着操作的进行呈现下降趋势，A1、A2和O1的MLSS浓度在第168天分别下降到2.1、1.5和1.0 g/L。这一结果表明，在A OSA工艺的每个单元都实现了污泥的减少。此外，A1的MLSS浓度显著高于A2和O1。这可能是因为A1中的部分回流污泥被降解，但大部分被转化为厌氧污泥。O1单元的MLSS最低，这归因于低底物浓度下同时存在内源性呼吸和有氧氧化(Park et al.,2017)。

3.1.3。观察污泥产量

经过长期运行，A OSA工艺的污泥量有所减少。为了评价好氧污泥Yobs与该工艺中污泥减量的相关性，我们测定并比较了两种工艺中好氧污泥Yobs的变化(图2c)。Yobs是用于评估污泥最小化的最重要因素 (Zheng et al., 2020)。在第80天前，随着操作时间的增加，两个过程的Yobs呈线性增加，表明微生物发生了生长。由于染料等难降解污染物的存在，印染废水的可生化性普遍较差，但通过厌氧处理可以提高其可生化性 (Forgacs et al., 2004)。1 ~ 12天后，O1中的嗜酸细胞趋于稳定。而O1中的Yobs呈现显著下降趋势。O1的Yobs最低，为0.35 g/g COD，比O1降低了30%。Zheng et al. (2019)也观察到类似的现象，厌氧膜生物反应器可以将污泥减少35

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