褐煤提质废水生物处理系统启动期菌群结构变化_邓欢.pdf

吉林农业大学学报 2023，45（1）：83-93http:/Email:jlndxb Journal of Jilin Agricultural University褐煤提质废水生物处理系统启动期菌群结构变化*邓欢1，陆海2，张小雨2*，刘志生3，闫博佼1，任贺11.长春科技学院建筑工程学院，长春 130600；2.吉林建筑大学松辽流域水环境教育部重点实验室，长春 130118；3.长春市城乡规划设计研究院，长春 130022摘 要：利用Illumina MiSeq测序平台，定量分析褐煤提质废水生物接触氧化反应器生物膜培养驯化过程中的微生物种群变化规律，旨在为处理系统的优化运行提供科学依据。试验依据褐煤提质废水的进水比例分为30%、60%以及100%3个阶段。结果表明：经驯化，生物接触氧化反应器对褐煤提质废水的COD去除率为85.55%88.21%，满足后续深度处理系统的进水要求；随着进水褐煤提质废水比例的升高，生物膜微生物种群丰富度降低，种群多样性降低；随着启动过程的进行，进水酚类等芳香族物质含量升高，种群结构产生了动态响应，Flavobacteria、Aquaspirillum等菌属由于不适应水质，逐渐被淘汰，而可降解多种有机物尤其是芳烃类的Hydrogenophaga等菌属逐渐成为优势菌属。为通过工程技术手段创造更适合Hydrogenophaga等功能菌属生境，以强化菌群功能、提高褐煤提质废水处理效果提供理论依据。关键词：褐煤提质废水；生物接触氧化；微生物种群结构中图分类号：X703 文献标志码：A 文章编号：1000-5684（2023）01-0083-11DOI：10.13327/j.jjlau.2020.5882引用格式：邓欢，陆海，张小雨，等.褐煤提质废水生物处理系统启动期菌群结构变化 J.吉林农业大学学报，2023，45（1）：83-93.Dynamic Changes of Microbial Community Structure in the Start-up Period of the Biological Treatment System for Lignite Upgrading Wastewater*DENG Huan1，LU Hai2，ZHANG Xiaoyu2*，LIU Zhisheng3，YAN Bojiao1，REN He11.College of Civil Engineering and Architecture，Changchun Sci-Tech University，Changchun 130600，China；2.Key Laboratory of Songliao Aquatic Environment，Ministry of Education，Jilin Jianzhu University，Changchun 130118，China；3.Changchun Institute of Urban Planning and Design，Changchun 130022，ChinaAbstract：Illumina MiSeq sequencing platform was used to quantitatively analyze the dynamic changes of the microbial population in the biofilm cultivation and domestication process of lignite upgrading wastewater in biological contact oxidation reactor,aiming to provide a scientific basis for the optimal operation of the treatment system.The experiment was divided into three stages:30%,60%and 100%respectively according to the influent proportion of lignite upgrading wastewater.The results showed that after acclimation,the COD removal rate of lignite extracted wastewater in the bio*基金项目：国家自然科学基金项目（51808254）作者简介：邓欢，女，硕士，研究方向：污水处理及资源化利用。收稿日期：2020-06-16*通信作者：张小雨，E-mail：吉林农业大学学报 2023 年 2 月Journal of Jilin Agricultural University 2023，Februarylogical contact oxidation reactor reached 85.55%-88.21%,which met the influent water requirements of the subsequent in-depth treatment system.With the increase in the proportion of lignite upgrading wastewater extracted from influent lignite,the microbial population richness and diversity decreased.With the start-up process,the content of phenols and other aromatic substances in the influent increased,and the population structure produced a dynamic response:Flavobacteria,Aquaspirillum and other bacteria were gradually eliminated because of their inadaptability for the water quality.The bacteria capable of degrading a variety of organic substances,especially aromatic hydrocarbons,such as Hydrogenophaga,gradually became the dominant bacteria.Therefore,scientific support was provided to aid in creating more suitable habitats for functional bacteria such as Hydrogenophaga through engineering techniques,to enhance the function of flora and improve the treatment effect of lignite extraction wastewater.Key words：lignite upgrading wastewater；biological contact oxidation；microbial community structure2016年，我国褐煤产量达到4.43亿t，产量位居全球第一，褐煤是介于泥炭与沥青煤之间的棕黑色、无光泽的低级煤，化学反应性强，在空气中容易风化，不易储存和运输，燃烧时会产生大量的黑灰，严重污染空气，大量使用可能导致我国雾霾问题。因此，只有提质后的褐煤产品方可满足要求1-3。目前，褐煤提质的首选工艺为洗选蒸脱法。该方法具有技术成熟、设备先进、运行稳定等优点。但在提质过程中，干燥脱水、加热分解等工序在改变煤炭组成和结构的同时，产生了大量废水。侯克怡等4采用原子吸收法、气相色谱-质谱联用技术等对该废水成分进行了详细分析，发现废水中不但富含灰分及重金属，而且含有高浓度难降解的有机污染物，如苯系物、酚类、氰化物、烷烃等，此外氨氮含量也很高。根据褐煤提质废水的污染特性可知，该种废水可生化性较差，应采用生化法为主体技术进行处理5-7。目前，氨氮含量高的废水脱氮处理方法包括物理、化学以及生物法等 8-10，其中生物脱氮法可与有机物去除在同一套系统中完成，因而应用广泛。此外，根据工程经验，含难生物降解成分的废水，仅采用生物处理工艺难以达到排放标准，需采用高级氧化技术等深度处理工艺11。综上，根据废水水质特性，结合难降解废水处理技术经验，确定褐煤提质废水处理可行性方案：混凝沉淀法预处理厌氧生物反应器好氧生物反应器高级氧化技术或活性炭吸附。其中，好氧生物处理技术是核心技术，运行效果直接影响废水处理效果1，12-14。目前，针对褐煤提质废水好氧生物处理技术的研究多集中于处理技术开发、反应器处理效果评估等方面15-16，关于反应器内的微生物种群结构，尤其是污泥培养驯化过程中的种群结构变迁的研究尚未见文献报道。近年来，高通量测序技术和PCR-DGGE等现代分子生物学技术被广泛用于环境领域17-20，本研究利用Illumina MiSeq测序平台定量分析了褐煤提质废水生物接触氧化反应器生物膜培养驯化期间的菌群变化规律，以期识别系统功能与细菌群落结构的关系，从群落演替层面揭示褐煤提质废水好氧生物处理机理，为处理系统的优化运行以及规模化应用提供理论依据。1材料与方法1.1试验装置生物接触氧化反应系统试验装置见图1。反应器有效容积为 24.75 L（长宽高=75 cm15 cm30 cm），其中保护高度为 8 cm。反应器内设置4 个带导流管的隔板，将其分为5个串联的反应格室，每格室内设有半软性填料。生物接触氧化反应器出水进入沉淀池中进行固液分离。沉淀池为竖流式，有效容积15 L，上端设有溢流堰，出水由硅胶管排出。沉淀池底部设有排泥孔，用于定期向外排放污泥。84邓欢，等：褐煤提质废水生物处理系统启动期菌群结构变化吉林农业大学学报 Journal of Jilin Agricultural University1.2试验用水与运行方案原褐煤提质废水取自洗选蒸脱法褐煤提质工艺示范生产线的浸出预处理段。废水取回后采用聚合氯化铝铁（PAFC）进行混凝沉淀预处理，后经厌氧折流板反应器进行厌氧共代谢生物处理，其出水作为生物接触氧化池进水，主要水质指标见表 1，其中硝酸盐氮和亚硝酸氮未检出。为满足微生物生长繁殖对磷的营养需求，需补充添加磷源KH2PO5，投加量按m（C）m（P）=100 1计算。反应系统接种污泥为长春市某污水处理厂二沉池回流污泥。该厂于2002年建成投产，处理对象为生活污水和部分工业废水，日处理量为15104 m3/d，主体工艺为氧化沟，为达到除磷目的，增加聚合氯化铝投加工艺。污水厂运行至今，化学需氧量（COD）降解、氮以及磷去除效果较好且稳定。活性污泥呈黄褐色，污泥指数（SVI）约为130。接种污泥共6 L，取回后，向其中投加营养物质啤酒，每日投加2次，每次投加1 000 mL，连续曝气以恢复污泥活性。2 d后，将其按照比例投加至生物接触氧化反应器各格室内。试验期间，为培养驯化污泥，将厌氧共代谢出水经自来水按不同比例稀释后，再通入生物接触氧化反应器内，即逐级增加褐煤提质废水COD质量浓度，不断提高容积负荷的方法运行。按照褐煤提质废水投加比例的不同，将反应系统的运行分为3个阶段，每阶段运行30 d。各阶段设计参数见表1。试验启动期间，即第1阶段初期，以30%的褐煤提质废水进入生物接触氧化反应器，运行10 d后，填料上观察到生物膜，说明挂膜成功，可开始研究。表1生物接触氧化反应器进水水质及运行参数Table 1Influent quality and operating pa