上海印染污水處理設(shè)備廠(chǎng)家紡織印染廢水具有水量大、成分復(fù)雜多變、色度大、COD高、毒性強(qiáng)等特點(diǎn), 屬于難處理的工業(yè)廢水之一.如直接采用生化法如厭氧(水解酸化)、好氧等對(duì)其進(jìn)行處理, 時(shí)常會(huì)發(fā)生活性污泥受到抑制、生化系統(tǒng)癱瘓崩潰等不良情況.因此, 在實(shí)際運(yùn)行工藝中, 會(huì)先采用物化方法即投加鐵鹽、鋁鹽和PAM等混凝助凝劑, 通過(guò)吸附網(wǎng)捕等方式降低印染廢水污染物濃度和毒性后, 再進(jìn)入生化系統(tǒng)進(jìn)行處理.但該法存在生化處理能力有限、生化運(yùn)行不穩(wěn)定、化學(xué)污泥產(chǎn)量大等問(wèn)題.

　　雙氧水作為一種高級(jí)強(qiáng)氧化劑, 通常情況下會(huì)對(duì)污泥活性造成抑制影響, 甚至導(dǎo)致生化系統(tǒng)的癱瘓和崩潰, 因此在印染廢水處理中, 其常與鐵形成芬頓試劑, 用于深度處理環(huán)節(jié)中的染料脫色.

本實(shí)驗(yàn)嘗試了不同于以往的生化研究方法, 即采用雙氧水協(xié)同水解酸化-接觸氧化強(qiáng)化處理印染廢水的方法.通過(guò)接種城鎮(zhèn)污水廠(chǎng)的常規(guī)活性污泥, 在淹沒(méi)式生物濾池反應(yīng)器(submerged biological aerated filter, SBAF)內(nèi), 經(jīng)水解酸化-接觸氧化生化系統(tǒng)啟動(dòng)并運(yùn)行穩(wěn)定后, 在嚴(yán)格控制雙氧水投加濃度、投加量、投加頻率和投加方式的條件下, 將其投加到水解酸化反應(yīng)器內(nèi), 可顯著提高水解酸化和接觸氧化的生化處理能力, 并提升生化體系的穩(wěn)定性.本實(shí)驗(yàn)分別選取接種種泥、水解酸化污泥和接觸氧化污泥, 采用16S rDNA宏基因組高通量測(cè)序技術(shù), 分析對(duì)比了各反應(yīng)器中污泥微生物的群落結(jié)構(gòu), 明確了各反應(yīng)器中的優(yōu)勢(shì)微生物.該實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了雙氧水協(xié)同水解酸化-接觸氧化強(qiáng)化處理印染廢水具有技術(shù)可行性, 且對(duì)于未來(lái)提升生化系統(tǒng)處理能力和運(yùn)行穩(wěn)定性具有重要的指導(dǎo)意義.

上海印染污水處理設(shè)備廠(chǎng)家1.4.1 污泥掛膜階段

　　(1) 水解酸化A段掛膜 取3.0 L接種污泥倒入反應(yīng)器A內(nèi), 打開(kāi)攪拌裝置運(yùn)行5 d, 此期間每天投加適量的葡萄糖, 碳酸銨以及磷酸二氫鉀作為營(yíng)養(yǎng)原料, 當(dāng)肉眼可見(jiàn)填料上附著污泥呈黑色, 且水洗不易脫落時(shí), 停止攪拌裝置后, 將懸浮污泥從反應(yīng)器A中排出.掛膜完成.

　　(2) 接觸氧化O段掛膜 取3.0 L接種污泥倒入反應(yīng)器O內(nèi), 打開(kāi)曝氣裝置運(yùn)行5 d, 此期間每天投加適量的葡萄糖, 碳酸銨以及磷酸二氫鉀作為營(yíng)養(yǎng)原料, 當(dāng)肉眼可見(jiàn)填料上附著污泥呈黃褐色, 且水洗不易脫落時(shí), 停止曝氣裝置, 將懸浮污泥從反應(yīng)器O中排出.掛膜完成.

　　(3) 將水解酸化段A出水口與接觸氧化段O進(jìn)水口用泵連通, 形成組合工藝.

　　1.4.2 生化系統(tǒng)啟動(dòng)階段

　　(1) 階段 配置模擬生化廢水進(jìn)水COD濃度為450.0~500.0 mg·L-1的模擬廢水, 其主要成分為可溶性淀粉, 葡萄糖, 碳酸銨, 磷酸二氫鉀, 使得BOD5:N:P為100:5:1, 開(kāi)始連續(xù)進(jìn)水, A段和O段的HRT均為12 h, O段DO為2.5~3.5 mg·L-1. 20 d后, 當(dāng)O段出水COD穩(wěn)定小于30.0 mg·L-1、氨氮為0.0 mg·L-1時(shí), 階段完成(該階段僅為啟動(dòng)環(huán)節(jié), 出水水質(zhì)數(shù)據(jù)不作為本實(shí)驗(yàn)的分析內(nèi)容).

　　(2) 第二階段 配置模擬印染廢水進(jìn)水COD濃度按梯度分別為200.0、300.0、500.0和800.0 mg·L-1的含PVA印染廢水, 其主要成分為PVA, 可溶性淀粉, 葡萄糖, 碳酸銨, 磷酸二氫鉀, 染料活性150(主要成分Black KN-B), B/C比為0.23, 其中PVA所貢獻(xiàn)的COD占比為60.0%, 色度300.0~400.0倍.系統(tǒng)連續(xù)進(jìn)水, A段和O段的水溫均控制在30~32℃, HRT均為18~20 h, O段DO為5.0~6.0 mg·L-1.當(dāng)O段出水COD基本穩(wěn)定在400.0~450.0 mg·L-1時(shí), 第二階段完成.該階段出水水質(zhì)進(jìn)行各指標(biāo)檢測(cè).

　　(3) 第三階段 調(diào)整模擬含PVA印染廢水中成分配比, 使PVA所貢獻(xiàn)COD占比降低至50.0%, 水質(zhì)B/C比調(diào)整至0.26, 水質(zhì)總COD維持800.0 mg·L-1, 色度維持300.0~400.0倍.系統(tǒng)連續(xù)進(jìn)水, A段和O段的水溫均控制在30~32℃, 水力停留時(shí)間均為18~20 h, 待生化系統(tǒng)去除效果穩(wěn)定時(shí), 即COD去除率70.0%~74.0%, PVA去除率51.0%~54.0%, 氨氮去除率98.0%~100.0%, 色度總?cè)コ始s86.0%~91.0%時(shí), 完成第三階段.該階段出水水質(zhì)進(jìn)行各指標(biāo)檢測(cè).

　　1.4.3 雙氧水投加依據(jù)

　　由于目前暫未找到雙氧水協(xié)同水解酸化-接觸氧化處理印染廢水相關(guān)方面的文獻(xiàn), 因此本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)以前期探索工作為依據(jù).

　　在水解酸化-接觸氧化生化系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定后, 于當(dāng)天下午16:00開(kāi)始在水解酸化段投加了20.0 mL體積分?jǐn)?shù)為150.0 mL·L-1的雙氧水(15.0%的雙氧水), 流速為0.67 mL·min-1, 投加時(shí)間約2.5 h.第二天早上09:00取樣前, 發(fā)現(xiàn)水解酸化反應(yīng)器存在嚴(yán)重污泥上浮現(xiàn)象, 且體系局部DO濃度高達(dá)30.0 mg·L-1, 當(dāng)即采取了緊急措施, 關(guān)閉了所有進(jìn)水閥, 將水解酸化體系的污水全部排出, 換成自來(lái)水, 之后按正常模擬廢水進(jìn)水, 該生化系統(tǒng)經(jīng)過(guò)7 d后得到恢復(fù)(恢復(fù)依據(jù)為達(dá)到1.4.2節(jié)中生化系統(tǒng)啟動(dòng)階段的第三階段特征污染物去除情況).

　　當(dāng)生化系統(tǒng)恢復(fù)穩(wěn)定后, 于當(dāng)天下午16:00開(kāi)始在水解酸化段投加20.0 mL體積分?jǐn)?shù)為15.0 mL·L-1的雙氧水(1.5%的雙氧水), 流量為0.67 mL·min-1, 投加時(shí)間約2.5 h.第二天早上09:00取樣前, 發(fā)現(xiàn)水解酸化反應(yīng)器內(nèi)存在少量污泥上浮現(xiàn)象, 且體系DO大于2.0 mg·L-1, 隨即停止投加雙氧水, 關(guān)閉所有進(jìn)水閥, 將水解酸化體系的污水全部排出, 換成自來(lái)水, 之后按正常模擬廢水進(jìn)水, 該節(jié)生化系統(tǒng)經(jīng)過(guò)7 d后得到恢復(fù)(恢復(fù)依據(jù)為達(dá)到1.4.2節(jié)中生化系統(tǒng)啟動(dòng)階段的第三階段特征污染物去除情況).

　　當(dāng)生化系統(tǒng)再次恢復(fù)穩(wěn)定后, 于每天下午16:00開(kāi)始在水解酸化段投加100.0 mL體積分?jǐn)?shù)為3.0 mL·L-1雙氧水(0.3%的雙氧水), 流量為0.67 mL·min-1, 投加時(shí)間約2.5 h.第二天早上09:00取樣前, 反應(yīng)器內(nèi)沒(méi)有出現(xiàn)污泥上浮現(xiàn)象, DO穩(wěn)定在0.1~0.4 mg·L-1, 體系運(yùn)行正常.

　　因此, 經(jīng)過(guò)前期實(shí)驗(yàn)探索, 雙氧水的投加條件選取為：體積分?jǐn)?shù)為3.0 mL·L-1, 投加量為100.0 mL, 流速0.67 mL·min-1, 投加時(shí)間每天下午16:00, 持續(xù)約為2.5 h, 投加頻率為1次·d-1.

　　1.4.4 雙氧水協(xié)同生化系統(tǒng)啟動(dòng)及運(yùn)行階段

　　(1) 此階段中, 體系模擬進(jìn)水成分和濃度, 與1.4.2節(jié)中(3) 一致, A段和O段的HRT均維持在18~20 h.

　　(2) 每個(gè)HRT階段內(nèi), 用蠕動(dòng)泵向A段注入雙氧水溶液, 投加條件參見(jiàn)1.4.3節(jié).于每天早上09:00取出水水樣, 并對(duì)水質(zhì)的各指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè).

　　(3) 體系持續(xù)運(yùn)行.系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定后, 分別在A(yíng)段和O段的生物膜上各采集一個(gè)污泥樣本, 送至檢測(cè)機(jī)構(gòu)(銳博生物科技有限公司, 廣州)進(jìn)行16S rDNA宏基因組測(cè)序.

　　1.5 水質(zhì)檢測(cè)方法

　　本實(shí)驗(yàn)水質(zhì)均采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)方法.其中, COD采用重鉻酸鉀法測(cè)定; NH4+-N采用水楊酸法測(cè)定; 色度采用稀釋法測(cè)定; PVA采用分光光度法測(cè)定; pH值和溫度采用便攜式pH計(jì)(PJBJ-260, 上海雷磁)測(cè)定; DO采用便攜式溶解氧分析儀(JPB-607A, 上海雷磁)測(cè)定.染料吸光度采用分光光度法測(cè)定.

　　1.6 基于Illumina平臺(tái)的16S rDNA宏基因組測(cè)序

　　分別取反應(yīng)器A和反應(yīng)器O中的污泥, 經(jīng)濃縮后, 冷凍干燥機(jī)冷凍干燥, 進(jìn)行16S rDNA宏基因組測(cè)序[19], 其流程如下.

　　1.6.1 樣品抽提與質(zhì)檢

　　采用離心吸附柱法進(jìn)行樣品DNA抽提, 并用Agarose Gel Electrophoresis和ND-1000Nanodrop進(jìn)行樣品質(zhì)檢.

　　1.6.2 文庫(kù)構(gòu)建與質(zhì)檢

　　通過(guò)質(zhì)檢的樣品, 用TruSeq® Custom Amplicon Sample Prep Kit進(jìn)行文庫(kù)構(gòu)建, 主要包括內(nèi)側(cè)特異性引物PCR擴(kuò)增、外側(cè)接頭特異性引物PCR擴(kuò)增及純化, 并用Agilent2200TapeStation和Qubit2.0進(jìn)行文庫(kù)質(zhì)檢.

　　1.6.3 樣本制備

　　(1) 通過(guò)質(zhì)檢的文庫(kù), 按照pooling比例進(jìn)行混合, pooling后的濃度為2.1 nmol·L-1.

　　(2) 將pooling樣品與2.1 nmol·L-1 Phix Control按照19:1比例進(jìn)行混合.

　　(3) 將2.0 mol·L-1 NaOH稀釋為0.2 mol·L-1 NaOH.

　　(4) 將(2) 和(3) 處理結(jié)果按照1:1比例進(jìn)行混合, 室溫孵育5 min.

　　(5) 用HT1將(4) 中混合物稀釋100倍, 取420 μL作為測(cè)序樣本.

　　1.6.4 上機(jī)測(cè)序

　　使用Pair End Flow Cell, 進(jìn)行MiSeq 2500上機(jī)操作, 并運(yùn)行Pair End(2×100) 標(biāo)準(zhǔn)測(cè)序程序.

　　1.6.5 數(shù)據(jù)分析

　　測(cè)序程序運(yùn)行完畢, 對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行生物信息學(xué)分析.首先對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行過(guò)濾, 去除低質(zhì)量數(shù)據(jù), 得到干凈數(shù)據(jù)(clean data)后進(jìn)行后續(xù)分析; 其次將Paired-end reads拼接為T(mén)ags, 并且去冗余, 獲取Unique Tags; 然后對(duì)Unique Tags進(jìn)行聚類(lèi), 生成OTU(operational taxonomic units); 利用生成的OTU進(jìn)行物種注釋、分類(lèi)統(tǒng)計(jì)及Alpha多樣性分析.