Fe3O4对含盐废水厌氧处理系统的影响

马凯丽,王 威,刘雨晴,严梦怡,崔延瑞,康 威,曹治国

Fe3O4对含盐废水厌氧处理系统的影响

马凯丽*,王 威,刘雨晴,严梦怡,崔延瑞,康 威,曹治国

(河南师范大学环境学院,黄淮水环境与污染防治教育部重点实验室,河南省环境污染控制重点实验室,河南 新乡 453007)

通过在固定的水力停留时间下(24h)逐步提升盐度,并设置有无Fe3O4的平行反应器作对照,考察不同盐度水平下Fe3O4对厌氧系统运行效能和厌氧污泥颗粒化进程的影响.结果表明,在0～2%的NaCl盐度水平下, Fe3O4的加入均能有效提升厌氧系统的处理效率并保证其稳定进行. Fe3O4对产甲烷过程的促进作用在不同盐度水平下有所差异,当盐度分别为0,0.5%,1%,2%时,实验组的甲烷产量分别为对照组的1.08,1.36,1.33和1.17倍,低盐环境下的促进效果更为显著.污泥特性和胞外聚合物的分析结果发现, Fe3O4的引入有利于形成结构更为紧密的厌氧颗粒污泥,进而强化厌氧污泥颗粒化进程.微生物群落结构分析结果表明,随着盐度提升,氢型产甲烷菌得以快速富集,同时主要细菌类型和代谢途径均发生了改变.而Fe3O4对厌氧系统中微生物菌群结构和代谢途径的影响在低盐度(0.5%)和较高盐度(1%,2%)下也存在显著差异.

四氧化三铁；
含盐废水；
厌氧颗粒污泥；
UASB反应器；
微生物群落结构

在造纸、石油、纺织印染等行业生产过程中,往往产生大量的高浓度无机盐废水[1-2].据报道,全球工业产出含盐废水量占总排放水量的5%[3],含盐废水的有效处理十分关键.目前高盐废水多采用升流式厌氧污泥床反应器(UASB)、厌氧膜生物反应器(AnMBR)及厌氧-好氧联合技术等生物工艺进行处理[4].其中,UASB因能培养沉降性能好、生物活性高、抗冲击负荷能力强的厌氧颗粒污泥等优点在含盐废水处理中得以广泛应用[5-7].

在厌氧生物处理系统中,污染物的降解需依靠水解发酵菌、产酸菌、产甲烷菌等的共同作用实现,然而盐度对厌氧微生物的毒害作用往往会影响微生物生长和聚集[8].高钠盐度会引发厌氧污泥中的Ca2+浸出,造成污泥强度损失和颗粒结构裂解[9],进而导致工艺性能恶化.

磁铁矿是自然界中广泛存在的具有吸附和还原能力的无机矿物,常作为外源添加剂强化厌氧消化过程.在不同类型有机废水的厌氧处理研究中,磁铁矿的加入对产甲烷过程均表现出促进作用,且对复杂有机物的水解也有不同程度的强化[10-11].研究表明,将磁铁矿加入厌氧系统后,污泥的平均粒径和机械强度均明显提升,污泥导电性和电子传递体系活性也显著增强[12-13].然而,关于Fe3O4能否促进含盐废水中厌氧颗粒污泥形成的研究较少.此外,不同盐度环境下Fe3O4对厌氧系统运行效能及微生物群落结构组成的影响也尚不清晰.本文拟运行两个平行的UASB反应器,通过考察不同盐度条件下厌氧系统中的有机物降解转化特征和颗粒污泥特性变化,结合分子生物学分析,阐明Fe3O4对含盐废水厌氧处理系统的影响及其微观机理,以期为含盐废水的厌氧强化处理提供参考.

1.1 试验装置

本文采用2个平行的有机玻璃制UASB反应器,有效容积为2.0L,分别记为A和B反应器.其中,A反应器为不添加Fe3O4的对照组,B反应器则参考Yin等[14]的研究,按照10g/L的投量一次性投加微米级Fe3O4颗粒(购自阿拉丁)并搅拌混匀.试验装置如图1所示.进水由蠕动泵从反应器底部连续泵入,经三相分离器溢流出水,产生的气体经水封后用气袋收集检测.反应器内的温度通过外设循环水浴层控制在(37±1)℃,并用保温带缠绕以达到保温和避光效果.运行期间,水力停留时间始终控制在24h,进水pH值控制在6.8～7.0,同时设置出水回流以保证反应器在整个运行阶段的液体上升流速为1m/h,运行期间不进行排泥.

图1 试验装置示意

1.2 接种污泥及试验用水

接种污泥为新乡市小尚庄污水处理厂二沉池污泥(MLSS:17.1g/L,MLVSS:9.4g/L),污泥接种量为反应器有效容积的45%.本试验采用梯度提升盐度的方式运行两个UASB反应器,根据盐度水平的不同,实验可分为4个阶段.其中阶段I不添加盐度,阶段II,III,IV分别添加质量分数为0.5%,1%,2%的NaCl盐度.每个阶段的运行时间均为30d,试验总运行时间为120d.

试验进水为以葡萄糖和乙酸钠为碳源的人工配水,具体组成为(mg/L­­­):乙酸钠(5000),葡萄糖(1600),NH4Cl(130),KH2PO4(33),MgSO4(200),CaCl2(200),NaHCO3(1500).同时每升水中添加1mL微量元素,微量元素组成参照文献[15].

1.3 测定方法

进出水COD采用快速密闭消解法测定,污泥粒径采用激光粒度分析仪(Microtrac S3500,美国)测定,并取3次测定的平均值进行分析.SS,VSS,pH值的分析均采用国家标准方法[16].采用超声-加热法分步提取疏松层胞外聚合物(LB-EPS)和紧密层胞外聚合物 (TB-EPS)[17],多糖和蛋白质的含量分别采用苯酚硫酸法[18]和BCA蛋白试剂盒法测定.反应器内产生的气体经气袋收集后,用7890B气相色谱仪(美国Agilent公司)测定CH4含量,挥发酸(VFAs)采用7890A气相色谱仪(美国Agilent公司)测定[19].

2.1 不同盐度下Fe3O4对有机物厌氧降解的影响

如图2,进水COD始终维持在3000mg/L.阶段Ⅰ中,A,B两反应器出水COD的平均值分别为43.4, 41.9mg/L,二者差异较小且并不显著(=0.6337).随着盐度提升至0.5%,两反应器中出水COD浓度均呈现先增大后减少的变化趋势,且B反中出水COD基本始终低于A反应器,说明盐度提升对COD降解表现出一定抑制作用,但Fe3O4的加入可在一定程度上缓解盐度冲击对有机物降解的不利影响.自第50d起, A,B两反应器的出水COD逐渐稳定在59.1, 58.5mg/L左右.阶段Ⅲ中两反应器的出水COD浓度变化趋势与阶段II相似,即先升高后降低,但出水COD的增幅均小于阶段Ⅱ.这一现象可能是因为经过阶段II中含盐环境的驯化,厌氧系统中的微生物逐步适应盐度环境,耐盐微生物活性和丰度增加,能够充分利用进水中的有机物维持自身的生长,因此阶段III中盐度提升对有机物降解效率的影响较阶段II偏小.在阶段III运行后期和阶段IV运行中,两反应器出水COD浓度均在检出限以下,说明在实验运行后期有机物几乎已经被完全降解.

出水中VFAs的变化情况与COD基本吻合.运行前50d,A反应器中VFAs的含量基本始终高于B反应器,自50d后两反应器中VFAs则基本都在检出限以下.运行初期(0～30d),VFAs主要由乙酸、异丁酸、异戊酸和正戊酸组成,异戊酸和丙酸则很少检出.随着运行时间的延长,乙酸在总VFAs中的占比逐渐增大,运行至第45d后,出水中VFAs几乎全部由乙酸组成,且B反应器中乙酸的平均含量远低于A反应器(16.9vs. 45.7mgCOD/L),说明Fe3O4能够通过加速VFAs特别是乙酸的降解减小不利条件对厌氧系统的冲击[20].

图2 不同阶段出水中COD和挥发酸的含量变化

2.2 不同盐度下Fe3O4对厌氧产甲烷的影响

甲烷产量是监测厌氧系统运行情况的重要指标之一.如图3所示,阶段I运行中,A,B两反应器中甲烷平均产量分别为721.9,779.4mL/d.阶段II稳定运行后,A中的甲烷平均产量略有降低,为638.5mL/d,推测原因是A反应器中产甲烷菌活性对盐度变化的响应较为敏感,直接导致了产甲烷效率的下降.与之相反,B反应器中甲烷产量始终在较高水平,甚至较不加盐度运行的阶段I有所提升,为870.3mL/d.随着厌氧微生物对盐度的逐步适应,A,B两反应器中平均甲烷产量在阶段Ⅲ均有明显增长,分别达到797.2,1062.5mL/d.在阶段IV中, A中平均甲烷产量继续增长至891.1mL/d,B中甲烷产量相比阶段Ⅲ略有下降,为1038.2mL/d,但仍显著高于A反应器.

图3 不同运行阶段的甲烷产量

*:<0.01,***:<0.0001

一般研究认为,盐度会对厌氧微生物尤其是厌氧产甲烷菌的生长产生毒害作用,进而影响产甲烷效率.但在本研究中,向厌氧系统中加入0.5%～2.0%的盐度几乎并未对产甲烷过程产生不利影响.除了0.5%盐度水平下A反应器内的平均甲烷产量略有下降,其他盐度水平下各反应器中甲烷平均产量均较不加盐度运行时有所提升.此外,整个运行阶段中B反应器内的甲烷产量始终显著高于A反应器(4个运行阶段中值均小于0.01),这也证实了Fe3O4在含盐环境下也依然对厌氧产甲烷过程表现出明显促进效应.在高氨氮[21]或高硫酸盐[22]等不利条件存在下的厌氧系统中,Fe3O4的加入对甲烷产量的提升最高可达21.7%～58%.Yin等[23]的研究认为,Fe3O4可以作为电子介体构建微生物之间的直接电子传递途径,从而提高产酸菌和产甲烷菌之间的电子传递效率,强化厌氧产甲烷过程.本研究发现,不同盐度水平下Fe3O4对甲烷产量的提升效能具有较大差异性.当盐度为0,0.5%,1.0%和2.0%时,Fe3O4分别可提升8.0%,36.3%,33.3%和16.5%的甲烷产量.0.5%和1.0%的盐度水平下Fe3O4对产甲烷过程的促进效果最为显著.因此,在基于Fe3O4的厌氧耦合体系中可以考虑添加0.5%～1.0%的盐度以进一步强化厌氧产甲烷过程.

2.3 Fe3O4对含盐废水厌氧处理系统中污泥粒径分布的影响

图4 不同运行时期两反应器内的污泥粒径分布变化(a,b)及运行第120d时A反应器(c)和B反应器(d)内的污泥形态

通常粒径大于300μm的污泥即可认为是颗粒污泥[24],本研究将粒径在100～300μm的污泥视为中粒径污泥,而粒径小于100μm的污泥则为小粒径污泥.从图4可以看出,运行初期,两反应器内小粒径污泥占比均高于95%,而中粒径污泥比重则不足4%.30d后(阶段I末期),A,B两反应器内中粒径污泥占比分别增长至16.11%和26.40%,而小粒径污泥比例则持续降低至50%以下.与此同时,颗粒污泥也开始逐步形成,其体积分数分别为0.31%和2.21%,并在运行60d后继续增大至15.29%和15.83%.运行至第90d时,B中颗粒污泥比重进一步增大至44.18%,显著高于A反应器中颗粒污泥占比(32.95%).且小粒径污泥占比下降至14.91%,明显低于A反应器的25.34%,中粒径污泥比重则与A反应器基本持平(40.91% vs. 41.71%).当盐度提升到2%并继续运行至第120d时,A反应器中颗粒污泥和中粒径污泥占比分别为33.16%和41.29%,与运行第90d的数据基本保持一致,说明A反应器中污泥粒径基本达到动态稳定,2%的盐度环境对颗粒污泥的形成并未产生不利影响.而B反应器内颗粒污泥比重则继续增大至49.05%,小粒径污泥比重则变化不大.Li等[25]的研究提出,一定范围内的盐度提升可能有利于颗粒污泥的培养.本研究发现,盐度提升对颗粒污泥形成并无不利影响,且在运行90d后,添加Fe3O4的实验组中颗粒污泥占比始终显著高于对照组.运行结束时对污泥进行观察,发现A反应器内污泥呈灰棕色,颗粒较小且松散;B中颗粒污泥占比较高且颜色偏黑,污泥形状相对规则且边界轮廓清晰,观察结果与粒径数据相吻合,说明Fe3O4的投加可能有利于形成结构更为紧密的厌氧颗粒污泥.

2.4 Fe3O4对含盐废水中胞外聚合物的影响

如表1所示,两反应器中的胞外聚合物(EPS)主要以TB-EPS为主(47～160mg/gVSS), LB-EPS含量相对较少(1.8～6.2mg/gVSS).其中,LB-EPS中以多糖(PS)为主,除了阶段IV中A反应器内的PN/PS高于1外,其余阶段两反应器中的PN/PS均低于1.而TB-EPS中则以蛋白(PN)为主,PN/PS在1.8～4.6之间波动.较高的PN/PS一般更有利于促进颗粒污泥形成并维持污泥结构的稳定[26],这也说明TB-EPS在厌氧污泥颗粒化过程的作用较LB-EPS更为关键.随着盐度的提升,两反应器中总PN/PS在阶段I～III均呈现缓慢减少的趋势,而当盐度增加至2%时,该比值则分别快速增长至4.44和2.81,说明低盐度对PN/PS的影响较小,而在2%的盐度冲击下厌氧微生物遭受的毒害作用更为明显,因此通过分泌大量胞外蛋白以维持厌氧环境的稳定,进而导致PN/PS的快速升高.Li等[25]在研究中也发现了类似现象,即PN/PS更容易受高盐度的影响,当盐度低于8g/L时其比值变化则非常微弱.高PN/PS往往意味着更强的疏水性和更多的吸附或结合位点[27],因此也有利于减轻盐度对厌氧微环境的冲击.此外,在阶段I～IV的运行期间,A反应器中的PN/PS比值及EPS总量基本始终高于B反应器.这一现象可能是因为Fe3O4能一定程度上减缓盐度对厌氧微生物的毒害作用[28],从而使厌氧系统遭受较小的不利影响,因此EPS的分泌较对照组系统也相应较少.

对两反应器中EPS组分含量与颗粒污泥体积分数进行皮尔逊相关性分析发现,B反应器中颗粒污泥比重与TB-EPS中PN含量呈良好的线性正相关(R2=0.984,=0.008),而在A反应器中这一相关关系并不显著(R2=0.796,=0.102).这一研究结果证实TB-EPS中的胞外蛋白在厌氧颗粒污泥形成中的作用更为关键,而Fe3O4的引入能够进一步强化二者的相关关系.

表1 不同运行时期厌氧污泥EPS组分的变化

2.5 Fe3O4对含盐废水微生物群落结构的影响

对两反应器运行第30,60,90和120d的污泥样品进行Illumina Miseq测序分析.同时筛选相对丰度高于1%的微生物菌属作为主要分析对象,研究Fe3O4对不同盐度水平下古菌和细菌群落组成的影响.

如图5(a)所示,在阶段I～II运行中,始终是两反应器中的优势菌属(54.4～79.1%),其次是(11.4～33.6%),(3.6～6.5%),其他古菌菌属的相对丰度则不足2.0%.和均是典型的乙酸营养型产甲烷菌,而则是严格的氢营养型产甲烷菌,能利用H2,CO2或甲酸作为碳源,并在不利环境条件下富集生长[29].随着盐度提升至1%,在A,B两反应器中的丰度均明显下降,的比重也急剧降至1.5%以下.与之相反,的含量则快速增加至41.8%和40.6%,成为仅次于的第2大菌属.当盐度进一步提升至2%后,以49.9%的相对丰度超过成为A中的主要古菌类型,而其在B反应器中的比重则降至23.1%.这一现象表明,在无盐和低盐环境条件下,乙酸型产甲烷菌和是主要的厌氧产甲烷菌群;而在较高盐度下,受到严重抑制,同时氢型产甲烷菌快速富集,与共同促进厌氧产甲烷.此外,在阶段III,IV的运行中,和的丰度也表现出不同程度的增长,且B反应器中两菌属的含量均高于A.和都是氢型产甲烷菌,并在近期研究中被发现具有电化学活性,能够参与微生物种间直接电子传递过程[30-31].因此,二者在B反应器中的富集也意味着Fe3O4可能通过构建种间直接电子传递路径的方式强化厌氧产甲烷效率.

图5 不同运行时期的微生物群落组成

图5(b)中对细菌菌属的分析结果表明,两反应器中主要细菌菌属为,,以及.其中,主要由大量酸性发酵菌群组成, 可以有效促进有机碳源的完全氧化,进而提高甲烷产量[32].本研究中主要在无盐度条件下大量富集,随着盐度提升,其在两反应器中的相对丰度均明显降低,说明该类菌群的耐盐性较差.在0.5%的低盐环境下,A反应器中的主导菌属为,B中则为.而在较高盐度(1%,2%)下,A中主导细菌类型更替为, B中则以为主.Sudmalis等[33]在0.5%和2%的NaCl盐度下同样检测到了大量,该菌属可能通过与的作用促进丝状微生物聚集和颗粒污泥形成[34].为Thermotogae菌门中的中温菌属,也是一类典型的乙酸氧化菌群.Wang等[35]的研究发现,厌氧系统中的丰度与乙酸含量具有较好的正相相关.Liu等[22]的研究则进一步提出,与以及也存在较好的线性相关性,通过与产甲烷菌的互营生长促进厌氧产甲烷过程.随着盐度增加,的丰度也显著减少,说明其对盐度变化较为敏感.与此同时,,,-01, LNR_A2-18等的含量则随盐度增加而增大.此外,在2%的盐度水平下,B中产电菌的含量增至4.76%,显著高于A中的1.54%,而在较低盐度水平下该菌属在两反应器中的丰度差异不大.

2.6 不同盐度下Fe3O4对细菌功能基因的影响

表2 一级KOs(KEGG orthologs)的相对丰度

图6 KEGG的主要6种代谢路径丰度变化

基于KEGG数据库的Tax4Fun基因预测方法,解析不同盐度水平下两反应器中的微生物功能通路.根据表2中一级KOs(KEGG orthologs)的相对丰度,与代谢,环境信息和遗传信息处理(57.6%～58.5%, 19.2%～20.0%和17.3%～17.7%)相关的微生物占厌氧系统中总功能基因的绝大多数.随着盐度提升,与环境信息处理相关的功能基因普遍受到抑制,而与遗传信息处理相关的功能基因在含盐环境中的表达则受到促进,且随着盐度增大其丰度呈现先增加后减少的趋势.

进一步对二级KOs中与代谢相关主要路径丰度进行分析,发现Fe3O4对6种主要代谢路径的影响在不同盐度水平下存在明显差异.在0.5%盐度水平下,Fe3O4的加入对碳水化合物代谢,氨基酸代谢,辅酶因子和维他命代谢以及能量代谢4种代谢均表现为抑制作用,而对多糖合成代谢和其他氨基酸代谢则为促进作用.当盐度提升至1%和2%时,B反应器中多糖合成代谢和其他氨基酸代谢的丰度均低于A反应器,其他4种代谢路径的丰度则相较A反应器明显增加,且在2%的盐度水平下浮动更大.这一结果与微生物多样性的变化基本一致,说明Fe3O4在低盐度(0.5%)和较高盐度(1%,2%)下对厌氧系统微生物菌群和代谢途径的影响机制也有所不同,Fe3O4可能通过调控不同类型的微生物菌群富集以及代谢路径,实现对不同盐度水平下厌氧运行效能的强化.

3.1 Fe3O4可以通过加速VFAs特别是乙酸的分解减缓盐度冲击对有机物厌氧降解的不利影响.

3.2 不同盐度水平下Fe3O4对甲烷产量的提升效能差异显著.在0.5%和1.0%的盐度水平下Fe3O4对产甲烷过程的促进效果最佳,分别为36.3%和33.3%.而在2%盐度下的强化作用稍有减弱,为16.5%.

3.3 Fe3O4能有效减缓盐度对厌氧微生物的毒害作用并降低EPS分泌,同时强化含盐废水的厌氧污泥颗粒化过程,促进形成结构更为紧密的厌氧颗粒污泥.

3.4 在低盐度(0.5%)和较高盐度(1%,2%)下,Fe3O4分别通过调控不同类型的微生物菌群富集以及代谢路径,实现对含盐废水厌氧运行效能的强化.

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致谢：本实验中反应器的运行由陈婷婷、单诗杰、石玉洋等协助完成,在此表示感谢.

Influence of Fe3O4on the anaerobic treatment system of saline wastewater.

MA Kai-li*, WANG Wei, LIU Yu-qing, YAN Meng-yi, CUI Yan-rui, KANG Wei, CAO Zhi-guo

a(Henan Key Laboratory for Environmental Pollution Control, Key Laboratory of Yellow River and Huai River Water Environment and Pollution Control, Ministry of Education, School of Environment, Henan Normal University, Xinxiang 453007, China)., 2022,42(11)：5128～5135

The salinity was stepwise increased at fixed hydraulic retention time of 24h, two parallel anaerobic reactors with and without Fe3O4were applied to investigate the influence of Fe3O4on operational performance and sludge granulation of anaerobic system. The addition of Fe3O4could effectively enhance the anaerobic treatment efficiency and ensure the stable operation at all tested salinity. The improvement of Fe3O4on methane yield differed significantly at salinity varying from 0～2%. At salinity of 0, 0.5%, 1% and 2%, the methane yield of Fe3O4-supplemented reactor was 1.08, 1.36, 1.3 and 1.17-fold of the contrast reactor, the enhancement of Fe3O4on methane yield was more significant under low salinity. In addition, the sludge properties and extracellular polymer substances secretion during the operation process were simultaneously analyzed as well. The results showed that the addition of Fe3O4facilitated the formation of closely-packed anaerobic granular sludge, thus enhanced the anaerobic granulation process. According to the microbial community structure analysis, hydrogenotrophic methanogens were rapidly enriched with the increase of salinity, while the main bacterial consortium and metabolic pathways were changed as well. The effects of Fe3O4on the microbial community structure and metabolic pathway of anaerobic system were also observed obviously distinct under low salinity (0.5%) and high salinity (1%, 2%).

ferroferric oxide；
saline wastewater；
anaerobic granule sludge；
UASB reactor；
microbial community structure

X703

A

1000-6923(2022)11-5128-08

马凯丽(1989-),女,河南许昌人,讲师,博士,研究方向为废水生物处理及资源化利用技术.发表论文20余篇.

2022-04-20

国家自然科学基金资助项目(51908199,42122057,41977308);中国博士后科学基金(2022M711072);河南省自然科学基金资助项目(212300410179);2021年河南师范大学研究生科研创新资助项目([2021]12)

* 责任作者, 讲师, makaili@126.com

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