技术：高盐度废水处理工艺

1、技术|高盐度废水处理工艺高含盐废水的种类很多,石油、页岩气开采,电镀、制药、印染、发酵工业、海产品加工废水等都含有较高浓度的无机盐组分如Cl-等.生物处理方法是目前广泛采用的高盐废水处理方法,虽然高含盐废水中较高的盐度会影响生物处理的效果,但假设采用其他的方法,如膜别离等技术那么本钱较高所以生物处理仍是首选的处理方法.盐度影响生物处理效果的主要原因在于：在生物处理方法中,主要是利用活性污泥或生物膜、颗粒污泥中微生物的新代谢来吸附降解废水中的污染物,而高盐度会引起高渗透压,使微生物细胞脱水,同时也会抑制微生物降解有机物的反响效率从而影响生物处理方法的效果.因此,在处理高含盐废水时应中选择能够耐受

2、高盐度影响的生物反响器.迄今为止,已进行过盐度影响实验研究的生物反响器有膜生物反响器、移动床生物膜反响器、升流式厌氧污泥床(up-flowanaerobicsludgeblanket,UASB)反应器、上流式厌氧生物滤池反响器、EGSB反响器等,由于颗粒污泥在盐度负荷冲击下能够表达出更高的适应水平,UASB等能够培养出厌氧颗粒污泥的生物反应器得以在处理高含盐废水时有更多的应用研究,但同时从反响器处理效果和微生物角度分析研究较少.EGSB是在UASB根底上开展起来的第三代厌氧反响器与UASB相比有更好的运行效果.本次研究利用模拟的高盐度废水,从盐度影响下EGSB反响器的运行效果和厌氧颗粒7?泥两

3、个方面进行分析比拟,并对厌氧颗粒污泥做高通量测序,以期为EGSB反响器应用于高含盐工业废水的实际处理提供参考的实验数据.1、材料与方法1.1 实验装置实验用EGSB反响器由圆筒形有机玻璃制成,总高1.4m脩0.12m,总容积为15.52L,有效容积为15.18L.回流口在距反响器底部1.19m的位置,三相别离器圆环挡板距离顶部0.16m,三相别离集气罩呈圆锥形,底部直径0.1m,顶部直径0.03m,高0.08m,排气通道高0.07m,集气罩、排气通道和EGSB反响器上盖密闭.投加颗粒污泥于反响器中,进水和回流分别通过蠕动泵从反响器底部进入.颗粒污泥、沼气、废水三相在反响器中混合,随着水流上升至

4、三相别离器,沼气进入集气罩,而大局部废水通过集气罩与寸3板间的缝隙进入出水区,颗粒污泥由于重力作用,在遇到挡板和集气罩壁后,下降至7?泥层,因此能很好地实现气、液、固的三相别离.1.2 实验用水人工配置的模拟高盐废水用于本次实验,通过进水中逐渐增加的盐度对EGSB反响器进行驯化.人工配水主要由葡萄糖、NH4C1、KH2P04、NaHC03、NaCl和营养液配制而成,葡萄糖、NH4C1、KH2P04分别作为人工配水中微生物生长代谢所必须的C、N、P源,三者的投加量比例为C:N:P=250:5:1,后期调整为125:5:1.采用NaCl提供人工配水中的盐度,对微生物进行盐度驯化,其投加量逐渐由0增

5、加到7500mgL-1.营养液中包含微生物生长所需要的微量元素,其组成成分详见表1.表1营养与组成成分化学或分浓度化学成仆流度KrSl14-7HJ)足叫5MnSlIHiOLM70.075ZjiSO4*7H2O0.26心孙0.125(hh4034yHl口0.1250JS0吗B.一4431.3 分析工程及方法COD采用快速测定法,测定仪器为5B-3(C)型COD快速测定仪(中国连华科技);湿式气体流量计用于计量沼气产量；颗粒污泥粒径分布用湿式筛分法测定；颗粒污泥沉降速度采用重量沉降法.厌氧颗粒污泥高通量测序：根据OMEGA公司的E.Z.N.ATMMag-BindSoilDNAKit试齐【J盒说明书

6、中的步骤提取厌氧颗粒污泥微生物中的DNA,用琼脂糖凝月$检测DNA完整性.细菌PCR扩增采用引物为341F:CCCTACACGACGCTCTTCCGATCTG(barcode)CCTACGGGNGGCWGCAG,805R:GACTGGAGTTCCTTGGCACCCGAGAATTCCAGACTACHVGGGTATCTAATCC古菌引用槽式PCR扩增有三轮,第一轮使用引物为340F:CCCTAYGGGGYGCASCAG,1000RGGCCATGCACYWCYTCT篇二轮引物为349F:CCCTACACGACGCTCTTCCGATCTN(barcode)GYGCASCAGKCGMGAAW,806Rg

7、actggagttccttggcacccgagaattccaggactacvsgggtatctAab轮扩增,引入Illumina桥式PCR兼容引物.PCR结束后,将PCR产物进行琼脂糖电泳检测,DNA纯化回收利用Qubit2.0DNA检测试剂盒对回收的DNA精确定量,以方便根据1:1的等量混合后测序.委托生工生物工程上海股份进行IlluminaMiSeq高通量测序,测序数据通过质量限制预处理,去除嵌合体及靶区域外序列后,在OTU聚类结果的根底上进行RDP分析.预处理采用的软件为Prinseq版本0.20.4加FLASH版本1.2.3去除嵌合体及靶区域外序列采用的软件为Mothur版本1.30.

8、1,分类采用的软件为RDPclassifier,1.4 实验方法实验通过调整EGSB反响器进水中Cl-的浓度来增加反响器盐度负荷,在0盐度下连续启动反响器后分4个阶段逐步提升进水中Cl-的浓度,各阶段进水中Cl-浓度依次为2000、3500、5000和7500mgL-1.在每个阶段测定反响器的进出水COD值、容积产气率、厌氧颗粒污泥的粒径分布和沉降速度.对Cl-浓度为0和5000mgL-1两个阶段的厌氧颗粒污泥进行高通量测序和因组分析.接种的厌氧颗粒污泥来自于某饮料生产企业的污水处理站UASB反响器中形成的颗粒污泥,接种颗粒污泥体积占EGSB反响器总容积的50%反响器水力停留时间hydraul

9、icretentiontime,HRT为24h,回流比R为6:1,反响器温度使用电阻丝温控器限制在35i2C进水pH值维持在6.8-7.2,进水COD浓度维持在3267mgL-1,COD容积负荷为3.267kgm3d-1.2、结果与讨论2.1 盐度对COD降解的影响EGSB反响器在寸5制进水COD浓度、进水COD容积负荷、pH等因素根本不变的运行条件下受不同盐度以Cl-浓度计影响,COD降解效率的变化情况如图1所示.图中a、b、c、d、e这5个局部的进水Cl-浓度依次为0、2000、3500、5000、7500mgL-1,在反响器启动后的114dCl-浓度曾调整为10000mgL-1,随即停止

10、进水,3d后又恢复到7500mgL-1图中以虚线标示,下同图1COD降解效率的变化Cl-浓度低于7500mgL-1时EGSB反响器的COD降解效率受到的影响不大适当地提升盐度更能促进COD的降解.反响器完成启动后,COD平均去除率为76.2%出水的COD平均浓度为699.2mgL-1.当进水的Cl-浓度为2000mgL-1,COD去除率略有降低,但与前一阶段相比仍有升高,且仍然呈增长趋势,平均去除率为79.2%出水的COD平均浓度为678.25mgL-1.当进水的Cl-浓度提升到3500mgL-1,反响器的COD去除率未受到显著影响持续升高,平均去除率到达87.7%出水的COD平均浓度为401

11、.9mgL-1.反响器在2500mgL-1和3000mgL-1的Cl-浓度下COD去除率都能保持较快的增长速率,并且在3500mgL-1的Cl-浓度下去除率增长比前一阶段更快.反响器运行的第51d开始进水的Cl-浓度增加到5000mgL-1,反响器COD去除率有所降低,但仍然能维持在80%Z上,整个阶段中COD去除率在波动中逐渐上升,COD平均去除率为90.5%出水COD平均浓度为307.1mgL-1;考虑到出水COD浓度波动较大,COD去除率应有进一步提升的空间,在反响器运行第91d对进水条件做出调整,将进水中N、P浓度增加一倍,为反响器中微生物增加氮源磷源的供给.当进水的Cl-浓度进一步调

12、整到7500mgL-1,反响器的COD平均去除率为98.1%,没有明显波动,出水的COD平均值为61.08mgL-1;由于COD去除率在7500mgL-1的进水Cl-浓度下没有受到影响,在反响器启动的第114d曾一度将进水Cl-浓度提升到10000mgL-1,但在调整次日EGSB反响器中的厌氧颗粒污泥即出现了严重的上浮流失现象,随即停止进水,2d后将进水Cl-浓度恢复为7500mgL-1.由于调整及时,在此期间的COD降解并未受到很大影响,反响器也很快恢复如前.在5000mgL-1的Cl-浓度下,EGSB反响器经过接近2个月的驯化后COD的降解水平还能进一步提升,Cl-浓度到达7500mgL-

13、1时,反响器的COD去除率能够不受影响稳定维持在最高水平.2.2 盐度对容积广气率的影响容积产气率主要反映了厌氧反响器的产沼气情况,其在很大程度上反映了厌氧反响器的有机物降解情况.当进水Cl-浓度在7500mgL-1以下时,反响器的容积产气率随盐度的提升会在出现一定的波动后逐渐提升,最终稳定维持在一个较高水平.从图2可以看出,在a、b段,反响器的容积产气率都比拟稳定,没有太大变化,平均为0.91m3(m3d)-1.42d后,随着Cl-浓度增大到3500mgL-1,容积产气率波动很大,但整个阶段的平均值比前一阶段有增长,为1.19m3(m3d)-1;结合同阶段COD去除率的变化可见,与整体的厌氧

14、消化过程相比,产甲烷过程对盐度的变化更敏感.当Cl-浓度为5000mgL-1,反响器的容积产气率在初期有下降趋势,在延长驯化时间并调整进水N、P浓度后,容积产气率又逐渐上升,整个阶段的平均值为1.39m3(m3d)-1;这个阶段的变化趋势与COD去除率的变化相近.在图中e段,反响器的容积产气率在7500mgL-1的Cl-浓度下略有下降,经过一段时间驯化后反响器的容积产气率又逐渐回复到原来的水平,维持在1.63m3(m3d)-1左右.图2容积产气率的变化反响器的容积产气率受到盐度影响的变化情况与COD降解的变化情况比拟相似,在盐度提升时会受一定影响,而持续驯化一段时间后又逐渐恢复并能在原有水平上

15、进一步提升；不同的是盐度变化又t产气的影响更大,在图2中容积产气率的数据波动很大,不如COD降解率的变化平稳.2.3 盐度对厌氧颗粒污泥的影响在反响器运行的不同阶段分别取样测定了反响器中厌氧颗粒污泥的粒径分布与沉降速度参数粒径分布与沉降速度能够表达颗粒污泥整体状态与降解性能,作为反响器厌氧污泥的主体,EGSB反响器中颗粒污泥的状态是反响器运行效果的关键颗粒污泥的状态与特性影响着厌氧反响器的处理效率、体系活性及系统稳定性等.从图3及表2可以看出,在盐度冲击下,大颗粒污泥受到影响解体为小颗粒污泥便小颗粒污泥所占的比重上升.当Cl-浓度增加到7500mgL-1且短暂调至10000mgL-1后,粒径在

16、0.9-0.6mm的颗粒污泥大量解体成为粒径小于0.6mm的微小颗粒污泥,与前面的几个运行阶段相比变化较大.在徐英博等的实验中,颗粒污泥的粒径分布在高负荷下也表现出相同的变化,分析其原由于大颗粒污泥中微生物较为丰富,结构复杂,生长优势明显,而0.9-0.6mm颗粒污泥较易受影响出现解体粒径减小.在其他较低盐度下,颗粒污泥粒径分布变化可以保持在一个较小围.Cl-浓度在0-7500mgL-1变化时,粒径大于2mm的大颗粒污泥所占的质量分数始终在50犯上,并且在Cl-浓度调整到3500mgL-1后粒径大于2mm的大颗粒污泥所占的质量分数还有较低增幅,可见颗粒污泥在这个等级的盐度负荷下适应良好.(A)

17、口-健度-oCijtj-5000图3厌氧颗粒污泥照片表2厌氧颗粒污泥粒径分布(质量分数)/%遇巾0-诧噌_留枚/irtm22-090.0-CL45a45-(f.20a3607由6251.K?44.74.14Dl73500也K32.13j,210.7SDl63SliH)57.35s14JJ341K2fk*775mM.1向i.mm如图4所示,同等粒径围厌氧颗粒污泥的沉降速度受盐度影响不大,粒径大于0.9mm的颗粒污泥的沉降速度始终在60mh-1以上,除粒径大于2mm的颗粒污泥外的其他粒径较小的颗粒污泥的沉降速度都有一定的提升.研究说明,废水浮力随盐度增加而提升,导致高含盐量的体系可以在系统中保存更

18、为密实的颗粒污泥而大颗粒污泥部容易营养缺乏引起细胞自溶形成空腔,从而密度下降,影响沉降速度.图4颗粒污泥沉降速度的变化2.4 盐度对微生物群落多样性的影响为进一步分析盐度对厌氧颗粒污泥体系中微生物群落多样性的影响,分别对Cl-浓度为0和5000mgL-1两个反响器运行阶段的厌氧颗粒污泥进行高通量测序和因组分析表3、4及图5、6分别展示了2个阶段中古菌和细菌在门水平和属水平分类层面上的类群分布情况.表3古菌门水平类群分布门样本口一潴慨审只做半一/1门(禅率ci法般Timt1ri_t序划数4此绛丹1ryhithmlw雪154目取.nHEury.orliTqrti1AIM厚?T*/I4:rrWrli

19、nn胃JKM)1fFnrifrhjfUiJ也必IWlphylitni居ILIN1phMiK幅J0表4细菌门水平类群分布门祥*L：一律度=fl耳乳教丰度46庠到Si聿度,/-rhl,1,ILHO5523.M0-RuHndMFU74294)IKTOpTTibiFhIrm677123,17日三日今用ri1a中南河JiMM11,551sFimu45278W.06日田和Mri/LdrlLI68411.Z71根6.|J5774,四刃/卜1小爪父Im4.511hhi-in-i|,jiJ-hliliJ7I4II123Z42UrSVulfcAai.hUw油iEA1加 VA!-RiilhWVWM 1弧nTIkH%

20、中I IlPFtalW J1dli电玩0I明不 巾Ai,um%114gfj 他mTIkf就rvAi Mi1*.*drt.L-SJ 岫1uunmcmAucBCT i|kEm.fWf0wmT lAi.rw.%山fl kdlublUAWIJUfaTU皿3*rH、BaArtThi 4dk3,图5古菌属水平类群分布UltLlhslIliKl,hHikAh,lR.WTEWVZJjwiMmvuih斡H*lAc-mLmi.-u5*呻1,：thiFriunUMttiWfAmAai.-KT-鼎iitwwVthE图6细菌属水平类群分布在盐度的影响下微生物群落的优势菌群变化很大.Cl-浓度为0时,古菌中的优势菌属是M

21、ethanoregula与Methanothrix,分另1占总数的50.01%32.59%,而当Cl-浓度到达5000mgL-1,占据优势的菌属那么是Methanobacterium(57.5%),Methanospir川um(21.9%)和Methanothrix(13.91%).Methanoregula属于广古菌门(&Euryarchaeota)甲烷微菌目(&Methanomicrobiales),主要代谢底物是H2、CO2.Methanothrix之前曾用名是Methanosaeta,属于专性乙酸营养型产甲烷古菌,有研究显示Methanosaeta适于在高负荷下生长.Methanoba

22、cterium属于广古菌门甲烷杆菌目(&Methanobacteriales),可以利用H2、甲酸盐、甲醇等底物生产甲烷,Methanospirillum属于广古菌门甲烷微菌目,其主要代谢底物为甲酸.Methanoregula,Methanothrix,Methanobacterium,Methanospir川um等都是厌氧消化器中常见的产甲烷菌属.在细菌群中,Cl-浓度为0时的门水平上的主要菌群是B-Chloroflexi(23.86%)邛-Proteobacteria(18.99%),伊Bacteroidetes(11.27%),当Cl-浓度到达5000mgL-1,占据主体的菌群那么变为B

23、-Bacteroidetes(29%),伊Proteobacteria(23.17%)和伊Firmicutes(18.06%)在属水平上没有特别优势的菌属,在两个不同阶段优势最大的细菌分别是Longilinea(7.49%而Paludibacter(7.69%Longilinea属于绿弯菌门(3-Chloroflexi)的厌氧纯菌目(,Anaerolineales),可代谢多种碳水化合物.Paludibacter属于拟杆菌门(,Bacteroidetes)的紫单胞菌科(&Porphyromonadaceae),能发酵多种单糖和二糖产丙酸、乙酸和少量丁酸.当Cl-浓度为0时,在细菌的测序分析中发现了古菌