活性污泥降解氟化工廢水的影響因素及微生物群落結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變化研究.pdf

1、近幾十年，氟化工行業(yè)迅猛發(fā)展，氟化工廢水的產(chǎn)生量也不斷增加。由于氟化工廢水往往成分復(fù)雜，難降解，并且缺乏氟化工廢水中特征污染物的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，因此，大量氟化工廢水對(duì)水環(huán)境及水生態(tài)構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。盡管關(guān)于微生物降解含氟有機(jī)物的研究已經(jīng)開展多年，但是，微生物對(duì)多種含氟有機(jī)物混合廢水的處理研究還未見報(bào)道。與此同時(shí)，氟化工企業(yè)生產(chǎn)過程中，往往會(huì)添加一些輔助材料當(dāng)做反應(yīng)催化劑，如貴金屬;這也使氟化工廢水具有強(qiáng)毒性、高鹽度、有機(jī)負(fù)荷和重金屬含量高、可生

2、化性差等特征，極大限制了生物法處理技術(shù)的應(yīng)用。為了探究活性污泥在處理氟化工混合有機(jī)廢水時(shí)，其降解性能及微生物群落結(jié)構(gòu)變化情況，本文以某化工企業(yè)污水處理廠的活性污泥作為試驗(yàn)對(duì)象，分別探討了1、原始氟化工廢水對(duì)活性污泥的致毒性以及活性污泥在氟化工有機(jī)廢水中的適應(yīng)情況;2、在鹽度、重金屬、溫度、碳氮比影響下，氟化工混合有機(jī)廢水處理系統(tǒng)中的活性污泥性能及微生物群落結(jié)構(gòu)變化情況;得到結(jié)果如下:
　　(1)經(jīng)原子吸收光譜儀檢測(cè)，測(cè)得原始氟化工

3、廢水中主要含有Cu、Ni、Pb、Cd、Cr、Mn、As等7種重金屬，經(jīng)氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀(GC-MS)和液質(zhì)聯(lián)用-高分辨質(zhì)譜儀檢測(cè)，測(cè)得4-氟-2-硝基苯胺、雙（4-氟苯基）醚等11種主要含氟有機(jī)物;且廢水中鹽度值高達(dá)53400 mg·L-1。污水處理廠二沉池回流污泥在葡萄糖模擬廢水中的最佳呼吸速率為189.2±1.11 mg·L-1·h-1;在氟化工原始廢水中平均呼吸速率僅為5.60±0.70mg·L-1·h-1，說明原始氟化工混合

4、廢水存在抑制微生物正常代謝的有毒有害物質(zhì)。與此同時(shí)，實(shí)驗(yàn)測(cè)得污泥在氟化工有機(jī)混合廢水中的最佳呼吸速率為68.60±0.96 mg·L-1·h-1，與原始廢水中的呼吸狀況相比，污泥的呼吸作用有顯著增強(qiáng)，表明活性污泥對(duì)氟化工有機(jī)混合廢水有較強(qiáng)的適應(yīng)能力。借助變性梯度凝膠電泳技術(shù)(PCR-DGGE)評(píng)價(jià)活性污泥中微生物多樣性，結(jié)果表明，污水處理廠二沉池的活性污泥中微生物多樣性較為豐富。通過進(jìn)一步割膠、克隆測(cè)序，成功鑒定出Kineococcus

5、 gynurae等6種能夠適應(yīng)氟化工有機(jī)混合廢水的優(yōu)勢(shì)菌種。
　　(2)經(jīng)過氟化工有機(jī)物混合廢水70天的馴化，活性污泥能夠適應(yīng)TOC濃度為400mg·L-1的含氟廢水，并且降解率維持在80％以上。馴化結(jié)束后，高通量測(cè)序結(jié)果顯示泥樣中主要細(xì)菌為Proteobacteria(78％～84％)，Chloroflexi(3％～12％)，Bacteroidetes(1％～10％)，與馴化前污泥中微生物結(jié)構(gòu)成分有明顯的差異。比較三種曝氣策略下

6、的污泥馴化效果，發(fā)現(xiàn)在曝氣機(jī)開/關(guān)=3/3 h時(shí)，順著馴化梯度，污泥樣本中Chao1和Shannon指數(shù)穩(wěn)步上升（分別由3676提高到3879;3.99提高到4.05），說明該曝氣條件更有利于污泥中菌群微生態(tài)的穩(wěn)定演替和抗環(huán)境壓力。在經(jīng)過氟化工有機(jī)混合廢水馴化后，所有實(shí)驗(yàn)組微生物比對(duì)照組微生物多了一種mdh2基因（能夠編碼菌體內(nèi)脫氫酶）;并且在曝氣策略為開/關(guān)=2/4 h的曝氣條件下，反應(yīng)器R1-1，R1-2兩組污泥樣本中比其他實(shí)驗(yàn)組多

7、了amo基因（調(diào)控菌體內(nèi)單加氧酶，降解有機(jī)物）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明不同的曝氣周期和曝氣量對(duì)菌屬基因遺傳和變異產(chǎn)生影響，進(jìn)而改變微生物群落結(jié)構(gòu)。
　　(3)鹽度的增加直接影響了反應(yīng)器內(nèi)活性污泥的降解性能，高鹽度時(shí)(10000 mg·L-1)微生物的正常代謝受到抑制，TOC降解率僅為50％。鹽度的提升使得微生物多樣性降低以及群落結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，Shannon指數(shù)從3.85下降到2.51。高通量測(cè)序結(jié)果表明，隨著鹽度的提升，耐鹽菌(Xantho

8、bacter)逐漸替代了不耐鹽菌，成為優(yōu)勢(shì)菌屬。
　　(4)當(dāng)Cu2+，Zn2+，Mn2+，Ni2+這些離子濃度超過20 mg·L-1時(shí)，金屬離子對(duì)微生物活性產(chǎn)生了一定的抑制。各種金屬離子濃度的提升（從0.5 mg·L-1逐漸提升到20 mg·L-1）使得微生物多樣性降低以及群落結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，Shannon指數(shù)在2.77～3.97之間變化。隨著金屬離子濃度的提升，Xanthobacter逐漸成為優(yōu)勢(shì)菌，且Sphingomonas，

9、Desulfovibrio，Cupriavidus，Rhodopseudomonas菌屬只在投加金屬離子的反應(yīng)器內(nèi)存在，這表明，金屬離子的生物刺激引導(dǎo)基因重組沿著有利于微生物適應(yīng)環(huán)境的方向進(jìn)化。
　　(5)在25℃時(shí)，活性污泥對(duì)含氟有機(jī)物的降解效果最好，進(jìn)水TOC濃度為400mg·L-1時(shí)，其去除率高達(dá)90％。此外，Xanthobacter和未識(shí)別的菌屬構(gòu)成了活性污泥菌群的主要菌屬，其次是Prosthecomicrob ium、P

10、rosthecobacter。Xanthobacter在溫度為10℃的時(shí)候，相對(duì)豐度最高;且隨著溫度的上升，該菌屬在各自反應(yīng)器內(nèi)的豐富度逐漸降低，說明Xanthobacter更適合在低溫環(huán)境生存。
　　(6)反應(yīng)器在C∶ N∶P分別為100∶1∶1，100∶5∶1，100∶10∶1，100∶15∶1，100∶20∶1，100∶25∶1的條件下，對(duì)廢水TOC去除效果差異不大（基本維持在90～95％之間）。在C∶N∶P=100∶10∶

11、01，100∶15∶01，100∶25∶01時(shí)，新出現(xiàn)了Sphingomonadales、Flaobacterales、Caulobacterales、Desufovibrionales等菌目，說明氮源的增加，有利于phingomonadales、Flaobacterales、Caulobacterales、Desufovibrionales的生長(zhǎng)繁殖。
　　(7) PCR檢測(cè)分析表明，在氟化工廢水生物處理過程中，具有編碼單加氧酶