吉芳英,謝志剛,邱雪敏,黃 鶴,張琳苑

(1.重慶大學(xué)三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶 400045;2.重慶文理學(xué)院,重慶 402160）

由于性質(zhì)的復(fù)雜性,垃圾滲濾液的處理成為了世界上較為棘手的科學(xué)難題之一,單一的滲濾液處理技術(shù)并不能滿足人們對滲濾液的處理要求[1]。經(jīng)生化處理后的垃圾滲濾液的深度處理是實(shí)現(xiàn)其達(dá)標(biāo)排放的必要途徑[2],生物活性炭法就是一種較為有效的垃圾滲濾液深度處理技術(shù)[3-5]。有研究表明,向反應(yīng)器中投加具有特殊降解作用的微生物可以改善難降解有機(jī)污染物的效果,不過這方面的研究目前還限于搖瓶實(shí)驗(yàn)[6]。迄今為止,尚未見將功能菌投放到生物活性炭(BAC)反應(yīng)器中進(jìn)行垃圾滲濾液深度處理的研究報(bào)道。課題組以垃圾滲濾液生化處理曝氣池污泥為菌種,用滲濾液生化尾水和瓊脂調(diào)配培養(yǎng)基,采用生物強(qiáng)化技術(shù)進(jìn)行了功能菌的培養(yǎng)與篩選,并將擴(kuò)大培養(yǎng)的功能菌投放到BAC中,形成了功能菌BAC反應(yīng)器。論文對功能菌的馴化、篩選、擴(kuò)大培養(yǎng)以及功能菌BAC反應(yīng)器對垃圾滲濾液生化尾水的進(jìn)一步降解性能進(jìn)行系統(tǒng)研究,以期為功能菌BAC技術(shù)在垃圾滲濾液深度處理方面的實(shí)際應(yīng)用提供理論依據(jù)和實(shí)驗(yàn)支撐。

1 試驗(yàn)裝置和方法

1.1 水質(zhì)分析方法

光密度值由Hitachi U-3010紫外可見分光光度計(jì)測得,TOC(Total Organic Carbon,總有機(jī)碳)用Elementar TOC儀測試。色度采用紫外分光光度法測試[7],以鉻鈷為標(biāo)準(zhǔn)溶液;生物量的測定采用磷脂法[8-9];生物活性采用TTC脫氫酶活性法測定[10-11],無色的氯化三苯基四氮唑(簡稱T TC)為受氫體,受氫后生成紅色三苯基甲膳(TF),采用分光光度法,以TF的生成量表示T TC-脫氫酶活性的大小。

1.2 水樣和污泥采集

菌種分離源采自三峽庫區(qū)某垃圾焚燒廠滲濾液二級生物處理系統(tǒng)的曝氣池;試驗(yàn)用水為該系統(tǒng)的二沉池出水,水質(zhì)特征為:TOC 247 mg/L,UV2543.445 cm-1,NH3-N 20.28 mg/L。

1.3 功能菌培養(yǎng)與篩選

滲濾液生化尾水過濾后的清液以3000 r/min離心10 min,高溫滅菌30 min制成液體培養(yǎng)基;向液體培養(yǎng)基中加入2%瓊脂調(diào)配成水樣固體培養(yǎng)基。

將活性污泥打散,制成10倍遞減稀釋的系列懸濁液。取稀釋度10-4～10-6懸濁液各0.1 ml,分別于水樣固體培養(yǎng)基上涂布接種,重復(fù)3次。置接種后的固體培養(yǎng)基于30℃培養(yǎng)2～3 d。

挑取菌落數(shù)在40個(gè)左右的平皿,在室溫下放置2～3 d,使菌落性狀能較充分的表現(xiàn),挑取單菌落轉(zhuǎn)接于斜面試管上,再將具有不同性狀的菌落在固體培養(yǎng)基平板上劃線純化、培養(yǎng),保存?zhèn)溆谩?/p>

采用微濾膜(0.22μm)將原水中的微生物濾除,排除原水中微生物對實(shí)驗(yàn)的影響。將純化培養(yǎng)的菌種分別接種于水樣,30℃、100 r/min搖床培養(yǎng)24 h,然后3000 r/min離心10 min,濾掉水中菌體,取上清液測試,選擇優(yōu)勢菌株,斜面培養(yǎng)基 4℃保存。

1.4 功能菌的鑒定

使用SDS-酚氯仿抽提法提取菌液的總DNA。菌株的鑒定采用16S rDNA序列分析方法。引物按照文獻(xiàn)[12]設(shè)計(jì),引物由華大中生科技發(fā)展有限公司合成,序列如下:

正向引物8F:AGAGTT TGATCCTGGCTC AG(對應(yīng)于E.coli 16SrRNA基因的8～27個(gè)堿基)。

反向引物 1495R:CTACGGCTACCT TGT TA CGA(對應(yīng)于E.coli 16SrRNA基因的1514～1495個(gè)堿基)。

1.5 試驗(yàn)裝置及運(yùn)行

試驗(yàn)采用柱式生物活性炭反應(yīng)器,炭柱內(nèi)徑10 cm,柱內(nèi)炭層高120 cm,見圖1。活性炭為山西太原新華活性炭廠的ZJ-15型顆?；钚蕴?承托層高40 cm(自上而下是粒徑不同的石英砂和卵石),承托層的底部為有機(jī)玻璃的穿孔板,模擬實(shí)際濾池的小阻力配水系統(tǒng)。BAC1不投加功能菌,采用自然掛膜,進(jìn)水流量7 ml/min;BAC2初始進(jìn)水量為2 ml/min,1 d后采用間歇式循環(huán)物理吸附法投加功能菌生物量為100.6 nmol/mL的菌液6 L,將菌液以1 ml/min的流量掛膜2 h再停止2 h,循環(huán)掛膜2 d;第3 d將菌液放空、開始以3ml/min的流量進(jìn)水并逐漸增加進(jìn)水流量,7 d后進(jìn)水量達(dá)到7 ml/min。

圖1 生物活性炭反應(yīng)器

1.6 分子量分布測定

選用濾膜過濾法測定水中溶解性有機(jī)物DOM分子量分布[13-14],即將已知截留分子量的超濾膜置于SCM系列杯式超濾器中,用純氮?dú)馐┮?.2 MPa的壓力,水中分子量小于膜截留分子量的有機(jī)物透過膜進(jìn)入濾液,而分子量大于膜截留分子量的有機(jī)物被膜截留。超濾膜和0.45μm微濾膜在使用前都用超純水過濾,直至出水的UV254與超純水的一致。膜過濾采用平行法,即水樣用0.45μm微濾膜過濾后,分別通過HM系列平片超濾膜(分子量100 k、30 k 、10 K 、5 k 、1 kDa),測定濾液的 UV254,各分子量分布區(qū)間的有機(jī)物含量用差減法獲得。

2 結(jié)果與討論

2.1 功能菌的鑒定

經(jīng)過分離純化,從滲濾液生物處理系統(tǒng)曝氣池污泥得到11株菌株。為了淘汰一些不適于應(yīng)用的菌株(有可能是致病菌,生長速度慢,或營養(yǎng)要求高的菌株),將11株菌株分別接種于TOC初始濃度為92.8 mg·L-1、UV254為 1.378 cm-1的100 mL 液體培養(yǎng)基中,30℃、100 r/min搖床培養(yǎng)24 h,3000 r/min離心 10 min,取上清液測試,將對 TOC、UV254去除率均大于40%的菌株定義為優(yōu)勢菌。實(shí)驗(yàn)共篩選出3株優(yōu)勢菌,其特性見表1。

表1 優(yōu)勢菌的特征

對分離純化后的3種菌株提取基因組DNA,PCR擴(kuò)增其16S rDNA序列,測序。利用http://www.ncbi.nlm.nih.gov提供的 Blast程序,將測序結(jié)果與GenBank數(shù)據(jù)中的序列數(shù)據(jù)庫中微生物16S rDNA序列進(jìn)行對比分析,獲得最相近菌株的16SrDNA序列,按照參考文獻(xiàn)[15]的最大同源性原則進(jìn)行排序。結(jié)果表明,菌株 Y1與海桿菌屬(Marinobacter)的16SrDNA核苷酸序列同源性達(dá)到99.9%;菌株Y2與不動(dòng)桿菌屬(Acinetobacter)的16S rDNA核苷酸序列同源性達(dá)到99.8%;菌株Y3與埃希式菌屬(Escherichia)的16S rDNA核苷酸序列同源性達(dá)到99.7%。

2.2 生物活性炭反應(yīng)器的啟動(dòng)

試驗(yàn)將保存的純菌種作為菌源,用混合培養(yǎng)基擴(kuò)大培養(yǎng)。培養(yǎng)過程中逐漸提高混合培養(yǎng)基中待處理水樣的比例,增強(qiáng)菌種的適應(yīng)性,并采用間歇式循環(huán)物理吸附法將功能菌固定于BAC2,投加菌液生物量為100.6 nmol/L,循環(huán)掛膜結(jié)束后空菌液的生物量為9.8 nmol/mL,90.3%的功能菌成功接種。BAC1是采用自然掛膜,未投加功能菌。

2.2.1 生物量和生物活性的變化

生物活性炭反應(yīng)器在啟動(dòng)過程中生物量和生物活性的歷時(shí)變化過程見圖2。

圖2 生物活性炭的生物量和生物活性變化

從圖2可以看出BAC1的自生長生物量在16 d的自然掛膜的培養(yǎng)過程中呈現(xiàn)出逐漸增加的趨勢,投加功能菌的BAC2的生物量卻出現(xiàn)了快速積累、下降、再穩(wěn)步增長的態(tài)勢。說明投加到生物活性炭池中的功能菌群依然存在一個(gè)在適應(yīng)環(huán)境的淘洗和優(yōu)化過程。啟動(dòng)運(yùn)行終止時(shí)2套反應(yīng)器的生物量分別為41.8 nmol/g和128.1 nmol/g,生物活性分別為 TF14.9 μ g/g 和 TF 31.2 μ g/g 。

2套反應(yīng)器的比生物活性很接近(BAC1為TF 0.356 μ g/nmol,BAC2 為 TF 0.365 μ g/nmol),即生物活性炭池上單位生物量具有相同的生物活性。這一結(jié)果說明,按照該實(shí)驗(yàn)所示的功能菌培養(yǎng)及篩選方法可以獲得與自然掛膜自生長優(yōu)勢生物菌群一樣的、對目標(biāo)難降解有機(jī)物具有較高降解活性的生物菌群。顯然從圖2可以看出,通過投加功能菌群的人工強(qiáng)化掛膜方式可以快速啟動(dòng)生物活性炭系統(tǒng),使生物活性炭系統(tǒng)具有較高的生物量。在生物活性炭池中,生物量越豐富,附著在活性炭上的難降解有機(jī)物越容易生物降解,進(jìn)而較易實(shí)現(xiàn)活性炭原位再生,使生物活性炭系統(tǒng)對難降解有機(jī)物的去除能力和抗沖擊負(fù)荷潛能得到加強(qiáng)。

2.2.2 出水TOC的變化

生物活性炭反應(yīng)器在啟動(dòng)過程中對 TOC的去除效果歷時(shí)變化過程見圖3。

圖3 生物活性炭對TOC的去除

從圖3可以看出,在啟動(dòng)運(yùn)行階段,2套反應(yīng)器對TOC的去除效果都出現(xiàn)了快速下降到趨于穩(wěn)定的過程。雖然投加功能菌的BAC2初期去除效果低于BAC1,但是,它的下降趨勢相對緩慢,運(yùn)行穩(wěn)定時(shí)去除效果遠(yuǎn)優(yōu)于BAC1。究其原因是因?yàn)樯锘钚蕴糠磻?yīng)器啟動(dòng)初期,自生長生物尚未形成或投加的功能菌活性尚未恢復(fù),活性炭的簡單吸附就成為了有機(jī)物TOC的最主要去除方式。顯然,投加功能菌的BAC2由于功能菌在活性炭表面上的附著,占據(jù)了活性炭吸附位,從而降低了活性炭對有機(jī)物TOC的吸附量,宏觀上表現(xiàn)為BAC2初期 TOC去除率低。然而,伴隨著啟動(dòng)時(shí)間的延長,雖然活性炭吸附容量減少,但自生長生物逐漸形成或投加的功能菌活性逐漸恢復(fù),生物降解能力趨強(qiáng),形成了活性炭吸附與生物降解的協(xié)同作用。從圖3可以看出,啟動(dòng)運(yùn)行穩(wěn)定時(shí)2套BAC對TOC的去除率差異較大,分別為20%和40%,說明投加功能菌的BAC2具有較強(qiáng)的生物降解能力,更容易再生活性炭,獲得優(yōu)異的難降解有機(jī)物去除能力。

2.2.3 出水UV254的變化

光密度值UV254主要反映了一類具有芳香環(huán)結(jié)構(gòu)或者雙鍵結(jié)構(gòu)的有機(jī)污染物,一般包括腐殖質(zhì)和富里酸一類物質(zhì)。生物活性炭反應(yīng)器在啟動(dòng)過程中對UV254的去除見圖4?；钚蕴縿偼度胧褂脮r(shí),主要發(fā)揮活性炭的物理吸附作用,UV254的去除率較高,隨著通水倍數(shù)的增加,活性炭逐漸趨于飽和,活性炭對UV254的去除率逐漸降低。BAC接種微生物后,具有穩(wěn)定的有機(jī)污染物去除效果,BAC1、BAC2的UV254去除率穩(wěn)定在49.0%、54.0%以上。說明投加功能菌的BAC2對難降解有機(jī)物具有較強(qiáng)的生物降解能力。

2.2.4 出水色度的變化

生物活性炭對廢水色度的去除很明顯,見圖5。在掛膜初期,活性炭的物理吸附占廢水凈化的主要作用,BAC1、BAC2對色度的去除率均較高。掛膜后期,活性炭的吸附空位很少,BAC主要依賴微生物的降解作用,色度去除率基本穩(wěn)定在55%以上,而BAC2的色度去除率高于BAC1。

圖4 生物活性炭對UV254的去除

圖5 生物活性炭對色度的去除

掛膜后 BAC1、BAC2對的色度去除規(guī)律與UV254的去除相似,且色度、UV254的去除率明顯高于TOC去除率,說明生物活性炭具有對難生物降解有機(jī)物的去除優(yōu)越性。

2.3 BAC對難生物降解有機(jī)物的去除特性分析

采用HM系列平片超濾膜按照分子量大小對水樣有機(jī)物進(jìn)行分離,不同分子量范圍的有機(jī)物在BAC中的去除效果見表2和圖6。

表2 BAC反應(yīng)器對水中UV254的去除

圖6 水樣的分子量分布

從表2可以看出,未投加功能菌的BAC1對水樣中分子量M為10～5 kDa的有機(jī)污染物去除很明顯;而BAC2對分子量M＞100 kDa的有機(jī)污染物去除率最大,其次是分子量M 為100～30 kDa的有機(jī)污染物,分別達(dá)到80.9%、76.1%,說明該實(shí)驗(yàn)篩選的功能菌群更易于降解大分子有機(jī)物。BAC2出水中,分子量M 為5～1 kDa和＜1 kDa的有機(jī)物的UV254光密度值比BAC1略高,其原因在于BAC2中的功能菌使更多的高分子量有機(jī)污染物降解成了分子量更小的有機(jī)物,使得出水中小分子量組分的含量反而更高。測試結(jié)果表明,BAC2的總UV254去除率達(dá)到 66.2%,而 BAC1的總 UV254去除率為54.1%。

從圖6可以看出,就 UV254分布而言,試驗(yàn)進(jìn)水的分子量M主要以＞5 kDa為主,M＜5 kDa的有機(jī)污染物只占14.9%。經(jīng)自然掛膜的BAC1降解后,出水中分子量M 在10～5 kDa的有機(jī)物明顯減少,組合含量從19.0%降至4.7%,說明BAC1對于分子量M＜10 kDa的有機(jī)物具有更顯著的降解性能。BAC2出水中,分子量M＜10 kDa的有機(jī)物含量明顯增加,尤其是分子量M＜5 kDa的有機(jī)物含量從14.9%提高到27%;而大分子量有機(jī)物含量明顯降低,M＞100 kDa的有機(jī)物含量從26.7%降至14.8%,M為100～30 kDa的有機(jī)物含量也從30.4%降至14.%。兩種BAC處理系統(tǒng)出水的分子量分布差異表明,功能菌更容易將大分子有機(jī)污染物降解為小分子有機(jī)物,改善了BAC處理系統(tǒng)的降解性能。

3 結(jié)論

以三峽庫區(qū)某滲濾液二級生物處理系統(tǒng)的曝氣池污泥作為菌種分離源,采用生物強(qiáng)化技術(shù)馴化和篩選了深度處理滲濾液生化尾水的3種優(yōu)勢菌。經(jīng)16SrDNA鑒定表明,3株功能菌分別為海桿菌屬(Marinobacter)、不動(dòng)桿菌屬(Acinetobacter)和埃希式菌屬(Escherichia)。

功能菌都對滲濾液生化尾水中的有機(jī)污染物都具很強(qiáng)的降解能力。靜態(tài)實(shí)驗(yàn)中,海桿菌屬、不動(dòng)桿菌和埃希式菌屬屬對水樣 TOC的去除率分別為61.3%、52.4%、49.1%,UV254去除率分別為59.0%、53.6%、48.7%。

功能菌接種于生物活性炭后,BAC生物量和生物活性隨著通水倍數(shù)的增加而增加,并在掛膜后期基本穩(wěn)定。投加功能菌的BAC2比自然掛膜的BAC1具有更高的生物量和生物活性,具有更好的TOC、UV254和色度去除效果,這表明功能菌對滲濾液生化出水具有良好的降解能力。

功能菌易于將大分子有機(jī)物降解為小分子有機(jī)物,改善了BAC處理系統(tǒng)的降解性能。投加功能菌的BAC2反應(yīng)器對分子量M為100～30 kDa的有機(jī)物去除率為76.1%,分子量M＞100 kDa的有機(jī)物去除率達(dá)到80.9%。采用自然掛膜的BAC1反應(yīng)器對水樣中分子量M為10～5 kDa的有機(jī)物具有良好的降解能力。BAC2的總 UV254去除率達(dá)到66.2%,而BAC1的總 UV254去除率為54.1%。

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