高四环素废水的脱氮除硫工艺研究外文翻译资料

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高四环素废水的脱氮除硫工艺研究

作者：Chunshuang Liu，Jian Xu，Duu-Jong Lee

作者单位：中国石油大学（青岛）

摘要

在四环素的生产制备过程中，会产生大量的含抗生素废水，该类含抗生素废水的化学需氧量较高，同时含有较多的铵盐和硫酸盐，每升的含量可达一百毫克以上。本研究将使用脱氮除硫工艺(DSR)对废水中的氨氮、碳、硫等污染物进行无害化处理。本研究将该工艺首次应用于对高四环素废水的处理过程中。虽然在一定浓度的四环素存在的环境下，硝酸盐和乙酸盐的去除率没有较为明显的降低，但当四环素含量达到100毫克/升时，硫化物的去除率和硫单质的积累速率会有一定的降低。在进行DSR工艺时，系统中含有大量微生物菌种，其中的陶厄氏菌和假单胞菌为异养菌，硫化细菌为自养菌。对该复合菌剂的研究发现，该类微生物对高四环素具备耐受性主要是因为细胞外质产生大量的聚合物，此聚合物可与四环素结合，使四环素对微生物的生命活动抑制影响最小化，从而使微生物能够继续进行高效的脱氮除硫生命活动。

关键词：反硝化除硫；四环素；细胞外聚合物质；硫化物

第一章 引言

化工制药企业在进行生产活动的过程中，会不可避免的产生大量含有氨氮化合物和硫化合物的抗生素废水(Degirmentas and Deveci,2004)。而四环素的生产在抗生素行业中占很大比重，四环素废水也相对较多，该类废水的化学需氧量(COD)含量超过15000毫克/升，氨氮含量超过300毫克/升，硫酸盐含量超过2000毫克/升(Li et al.,2004)，该类污水若直接排放将造成严重的生态灾难，所以必须使用一定方法对其进行无害化处理。废水中高含量的四环素会在进行污水处理过程中对处理系统中微生物活性进行抑制，对污染物处理的效率产生不利影响，使污染物的去除率降低，处理周期变长，造成大量不必要的经济损失。例如，在硝化处理过程中，浓度为10毫克/升的四环素将会导致硝化细菌的处理能力被抑制到25.7%(Chen et al.,2015)，处理效果大大降低。该工艺的机理为：在预处理过程中，硫酸盐可在厌氧条件下被微生物还原，产生硫化物。一些具有特异性的化学嗜热厌氧菌，如硫酸芽孢杆菌，可以使用硫化物，硫代硫酸盐或硫作为电子给体，并使用硝酸盐或亚硝酸盐作为电子受体进行完全脱水反应(Lee and Wong,2014)。当自养和异养反硝化菌都有过量的硝酸盐可供使用时，可通过脱氮除硫（DSR）工艺实现同时进行氨氮、硫、碳的去除，将氨氮类有机物转化为氮气，硫化物转化为元素硫（S⁰），COD氧化为CO₂(Lee and Wong, 2014; Juang et al.,2015; Guo et al., 2014, 2015)。目前已有报道称有实验室进行了类似的研究，使用具有活性颗粒污泥的DSR反应器对一定体积的其它类型污水进行处理，污染物的有效去除率非常高(硫化物去除量为6.09 kg硫每立方米、氨氮化合物为3.11 kg氮每立方米、乙酸盐为3.27 kg碳每立方米)(Chen et al.,2008, 2009)。

以本人所掌握的资料来看，目前并没有关于使用DSR工艺来处理高四环素废水的研究。本研究考察了DSR工艺中四环素含量在0-250毫克/升时，通过S⁰的转化率对氨氮、硫化物和乙酸盐的去除率进行研究。得出了DSR工艺系统环境下污泥和相应微生物群落中细胞外聚合物（EPS）的数量。

第二章 实验过程与实验方法

2.1 反应器基本情况和废水的合成

本研究采用一个直径为50毫米、高度为80厘米的膨胀颗粒污泥床（EGSB）反应器，其总体积2.5升，工作体积1.25升；在其中加入含活性污泥的废水0.75升，初始挥发性悬浮固体（VSS）浓度为1.05g/升。反应器内部温度通过连接到反应器的温度控制器控制，保持在30plusmn;1℃。通过使用一软管泵在反应器底部将需要加入的物质引入反应器。在反应器顶部安装三相分离器，以保持反应器中的生物量。反应器中的悬浮液体以6.2:1的比例再循环，以保持2.0m/h的反应混合液上升速度，其氧化还原电位为-400mV。反应器设置的其他细节参考Liu(2015)等的研究。

本研究所使用的污泥由中国青岛尼布湾污水处理厂的厌氧污泥浓缩器中取得。在污泥进入前使用泰勒标准筛号为0.22mm的网格进行筛选，以去除大部分杂质。每升的合成废水含有200毫克的硫离子，87.5毫克的硝酸根，75毫克的乙酸，1500毫克的碳酸氢钠。合成废水的pH值调至7.5。在整个过程中水力停留时间（HRT）保持在10小时。本研究经过140天的操作，最终得到了平均粒径为3mm的颗粒状活性污泥。

2.2 微生物的获取

参考产品的说明书，使用PowerSoil DNA隔离试剂盒(Mobio，Carlsbad，CA，USA)从每个样品中提取两份污泥样品的总基因组DNA。使用1％(w/v)琼脂糖凝胶，利用电泳法检测提取的DNA的质量，并用NanoDrop 2000型UV-Vis分光光度计（Thermo Fisher Scientific,Waltham,MA,USA）测量其浓度。使用细菌引物338F（50-ACT CCT ACG GGA GGC AGC AG-30）和806R（50-GGA CTA CHV GGG TWT CTA AT-30）扩增16S rRNA基因的V3-V4区，反向引物含有用于标记每个样品的6bp特征码。使用反应混合物（20微升）对每个样品进行三组平行的PCR扩增，其中含有4微升5times;PCR缓冲液，10ng模板DNA，每个引物0.2微升，每个dNTP 0.25mM，和1U Fast Pfu聚合酶(Trans Gen,China)。PCR步骤包括先在95℃下进行2分钟的初始变性；随后按95℃，55℃，72℃三个温度梯度进行30次循环，每次30秒；最后在72℃下，于GeneAmp 9700热循环仪（Thermo Fisher Scientific,Waltham,MA,USA）中进行延伸5分钟的延伸步骤。将三份扩增子汇集在一起，在2％(w/v)琼脂糖凝胶上电泳，并使用AxyPrep DNA凝胶提取试剂盒（Axygen,Corning,NY,USA）回收。

使用QuantiFluor-ST荧光计(Promega,Madison,WI,USA)对纯化的扩增子做定量分析，然后对来自所有样品的扩增子进行等摩尔比例的组合，以此构建复合测序文库。在Illumina Miseq平台(Major Bio Bio-Pharm Technology,Shanghai,China)上分析得到的用于配对末端测序的文库(2*250bp)。

2.3化学分析

液体样品用PTFE膜过滤器以0.45米/升的速度过滤后，使用离子色谱(ICS-3000；Dionex,Thermo Fisher Scientific,Waltham,MA,USA)测定样品中的硝酸盐，亚硝酸盐，硫酸盐和硫代硫酸盐的浓度；其配备有碳酸盐/碳酸氢盐的IonOac AG4AAS4A-SC4mm型分析柱、洗脱液(1.8mmo升/dm³，Na₂CO₃；1.7mmol/升 NaHCO₃，1cm/3min)、再生硫酸(H₂SO₄，25mmol/升，5cm/3min)。使用亚甲蓝法测定硫化物浓度(Truper和Schlegel,1964)。本研究中测定的硫化物包括液体样品中的所有物质，即溶解的H₂S、HS^-、S^2-。除硫化物，硫酸盐和硫代硫酸盐之外的其它含硫化合物通常是不稳定的，可在本研究中被忽略。通过质量平衡估算元素硫含量。使用6890气相色谱(Agilent,Santa Clara,CA,USA)测定乙酸盐浓度。使用pHS-25m型pH计(Bante Instruments,Shanghai,China)测量pH。

根据标准方法(APHA，1998)测量悬浮固体(SS)和VSS的浓度。取25ml来自反应器的污泥以3200rpm离心30分钟。上清液含有可溶性EPS。可溶性EPS中的蛋白质和碳水化合物量分别使用以牛血清白蛋白为标准的Lowry法（改良）和以葡萄糖为标准的蒽酮-硫酸法（Frolund,1996;Lowry,1951;Annaduraiet ,2002）分别进行测定。

以5.0nm的增量梯度(F-4600分光荧光计,Itachi,Tokyo,Japan)将激发波长从220nm增加到400nm，以5.0nm增量从300到550nm的扫描发射光谱，并收集三维激发的发射光谱。使用去离子水以10nm的间隔进行空白扫描(Sheng Yu,2006)。

第三章 结果与讨论

3.1 四环素对DSR性能的影响

反应器在没有四环素的情况下启动21天，然后逐渐将四环素从1毫克/升增加至250毫克/升进行操作。最后，停止添加四环素来研究DSR性能的恢复情况(表1)。硝酸盐，硫化物和乙酸盐的去除率分别达到93.2％，100％和100％，在第2天及以后，悬浮液中没有形成黄色沉积物及亚硝酸盐积累。在流出物中检测出浓度约为34毫克/升的硫酸盐(图1b)，分析可知，83％的硫化物转化为S⁰(图1c)。

在四环素含量从1毫克/升逐渐增加的第二阶段，硫化物、乙酸盐和硝酸盐的去除效率均维持在93％以上，S⁰转化量约为83％。在这一阶段可以检测到亚硝酸盐积累量很少。当四环素含量提升至5毫克/升(第三阶段)时，流出的硫酸盐增加至48毫克/升。同时，相应的硝酸盐去除效率下降到87.4％，虽然此时硫化物和乙酸盐的去除效率都上升到为100％，但S⁰转换效率降至76％。在第四阶段、第五阶段和第六阶段分别将四环素浓度进一步提高到10、20和50 毫克 /升，硫酸盐增加到60 毫克/升。硫化物、硝酸盐和乙酸盐的相应去除率分别为100％，87.4％和100％。亚硝酸盐的相应积累量可以忽略不计，S⁰的转化效率降低到70％。当流入的四环素浓度从0增加到10毫克/升（第一阶段到第四阶段）时，流出物硫酸盐浓度从34毫克/升增加到60毫克/升。这可能是由于四环素浓度在低于10 毫克/升时对自养反硝化菌几乎没有抑制作用，反而增强了具备将S⁰进一步氧化成硫酸盐的酶的活性。其具体的机理仍需要进一步的研究进行探讨。在四环素浓度为100毫克/升 的第七阶段中，乙酸盐的去除率保持在100％；而硫化物和硝酸盐的相应去除率分别略有下降到95.1％和85.2％。硫酸盐的积累维持在60 毫克/升，S⁰转化效率降低到65％。亚硝酸盐的相应积累可以忽略不计。

将四环素浓度提升到250毫克/升（第八阶段）时，硫化物的去除率降至65％，硝酸盐去除率为83.5％。乙酸酯的相应去除效率保持在100％。硫酸盐的积累量降低到10 毫克/升，S⁰转化率降低到60％。亚硝酸盐的积累量较低，可不计。

在第八阶段结束后停止添加四环素，硫化物和硝酸盐的去除率分别提高到100％和90％。相应的硫酸盐为40毫克/升，S⁰转化效率提高至80％。乙酸盐的去除率保持在100％。亚硝酸盐的相应积累可以忽略不计。这种现象表明，DSR系统可以从高四环素浓度的胁迫环境中迅速恢复其功效。

3.2 不同的四环素浓度对EPS的影响

不同四环素浓度下DSR污泥的可溶性EPS（PN和PS）的组成见表1。可溶性EPS的含量随着四环素浓度的增加而有明显的增加，在四环素浓度为250 毫克/升时，EPS中的PN由0.57毫克/g VSS增加至18.06毫克/g VSS；而EPS中的PS数值从0.006毫克/gVSS略微增加至0.025毫克/gVSS，远低于PN的增量。这与Priester等人的结果一致。

在实验的前期(第21天)和后期(第126天)四环素胁迫下的活性污泥的三维EEM光谱显示出两个荧光峰A(Ex / Em为285/359nm)和B(Ex / Em为350/440nm)(补充材料)。

四环素胁迫使峰A的强度从1527降低到620，峰B的强度从962降低到412，表明四环素的存在淬灭了类蛋白质物质和腐殖酸样物质的荧光(Sheng和Yu,2006)。

3.3不同四环素浓度下的微生物群落分布及种类

有研究指出了距离截止水平为0.03的每个样品的微生物群落的alpha;多样性参数(补充材料)。在0-250 毫克/升四环素的污泥样品中细菌16S rRNA序列的系统发育分类显示在门和属上(补充材料)。附属于Proteobacteria的细菌序列最丰富，其次是与Firmicutes，Actinobacteria和Chloroflex相关的序列。在进水四环素从0增加到250 毫克/升过程中，变形菌的丰度从25.7％逐渐上升到58.2％，然后在没有四环素(第八阶段)的恢复期减少到42.1％。相反，在四环素含量从0毫克 /升增加到250毫克/升过程中，强直菌、放线菌和Chloroflexi类菌的相应丰度分别从25.0％，19.0％和12.4

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