制藥廢水處理電-生物耦合技術(shù)

中成藥制藥廢水主要來(lái)源于中藥材提取、原料藥提取、水針和固體制劑的生產(chǎn)過(guò)程排水、輔助過(guò)程排水、沖洗水和生活污水。生產(chǎn)過(guò)程排水帶入大量乙醇、乙酸乙酯、四氫呋喃等生產(chǎn)原料，使得制藥廢水具有COD高、難降解、色度高和生物毒性強(qiáng)等特點(diǎn)。制藥廢水可生化性差，直接采用生化處理難以實(shí)現(xiàn)達(dá)標(biāo)排放，而采用Fenton-微電解等預(yù)處理工藝處理制藥廢水，又面臨投資運(yùn)行成本高、管理復(fù)雜等難題。

電-生物耦合技術(shù)可克服上述缺點(diǎn)，通過(guò)電極電化學(xué)氧化使部分難生化物質(zhì)氧化為易生物降解物質(zhì)，被微生物去除。研究表明，適當(dāng)電場(chǎng)電壓可以提高微生物細(xì)胞的新陳代謝過(guò)程、細(xì)胞分裂速度、基因表達(dá)及酶活性，從而提高難生物降解廢水的處理效果。電-生物耦合技術(shù)處理廢水時(shí)工藝占地面積小、操作維護(hù)簡(jiǎn)單、抗負(fù)荷沖擊力強(qiáng)、處理費(fèi)用低，但國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)電-生物耦合技術(shù)處理制藥廢水的降解規(guī)律和微生物群落種群特征的研究較少。

筆者采用電-生物耦合技術(shù)處理制藥廢水，對(duì)門、屬水平的微生物多樣性進(jìn)行研究，對(duì)比最佳工況下電-生物反應(yīng)器陰、陽(yáng)極板兩側(cè)生物膜以及0V時(shí)生物膜之間的微生物種群多樣性差異，分析電場(chǎng)作用對(duì)微生物多樣性的影響，揭示電-生物耦合技術(shù)提高COD去除率的機(jī)理。

1、材料與方法

1.1 試驗(yàn)水質(zhì)

試驗(yàn)所用原水取自蘭州某制藥廠污水調(diào)節(jié)池。不同時(shí)段廢水的水質(zhì)水量變化較大，各車間生產(chǎn)時(shí)調(diào)節(jié)池的COD、BOD5、pH變化情況見(jiàn)表1。

該制藥廠廢水含有四氫呋喃、乙醇、乙酸乙酯、丙酮、甲苯、氯仿、異丁醇、苯乙烯等污染物，各車間廢水B/C約0.3，可生化性差。廠內(nèi)各車間均為間歇式生產(chǎn)，廢水COD大幅度波動(dòng)。

2、試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置如圖1所示，主要由原水水箱、電場(chǎng)反應(yīng)器（極板、球形填料、曝氣頭）、曝氣機(jī)、穩(wěn)壓直流電源、電磁隔膜計(jì)量泵組成。電-生物反應(yīng)器采用PP板焊制，尺寸為300mm×300mm×550mm，內(nèi)部由隔板分為兩級(jí)，一級(jí)與二級(jí)的有效容積為3：2。試驗(yàn)時(shí)原水從一級(jí)段底部進(jìn)水，通過(guò)上端隔板孔溢流至二級(jí)段，二級(jí)段底部排出。裝置底部設(shè)置有曝氣裝置，兩段各設(shè)置1塊陽(yáng)極板和2塊陰極板，單個(gè)極板尺寸300mm×550mm，陽(yáng)極板為鈦基二氧化釕，陰極板為純鈦網(wǎng)，極板間距15cm。極板之間填有D60、90mm的組合球形填料（體積比1：1），電磁隔膜計(jì)量泵型號(hào)WS-09-03-S，直流穩(wěn)壓電源型號(hào)MS303D-30V3A。

1.3 活性污泥接種與電場(chǎng)馴化

取某市政污水處理廠二沉池活性污泥進(jìn)行接種，將原水用自來(lái)水稀釋至COD為800mg/L左右注入到反應(yīng)器中，控制溶解氧在3~4.5mg/L、電壓為0，悶曝3d，然后以15L/d的流量每天逐漸增加水力負(fù)荷，直到流量增至50L/d，保持此流量運(yùn)行3周后出水COD穩(wěn)定在460~510mg/L，標(biāo)志著球形填料掛膜完成，取出部分生物膜保存于低溫冰箱中用于后續(xù)高通量測(cè)序；此后調(diào)節(jié)反應(yīng)器電壓由0V增至27V，電壓增量為2V或3V，每次調(diào)整完畢馴化5d后進(jìn)行水質(zhì)測(cè)定。

1.4 測(cè)定方法

1.4.1 水質(zhì)測(cè)定

參照標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)定COD院將樣品搖勻后用0.45μm濾膜過(guò)濾，用COD-571-1型消解儀進(jìn)行消解，隨后用COD-571型化學(xué)需氧量測(cè)定儀測(cè)定COD；用JPBJ608型便攜式溶解氧測(cè)定儀測(cè)定溶解氧；采用pHSJ-3F型酸度計(jì)進(jìn)行pH測(cè)定。

1.4.2 生物多樣性檢測(cè)

將反應(yīng)器中的球形填料取出，放入經(jīng)過(guò)滅菌的一次性塑料離心管中低溫保存。測(cè)試時(shí)將填料取出置于250mL錐形瓶中，注入100mL純凈水，在低溫震蕩箱（10℃）中恒溫震蕩24h后取出，靜沉2h，取出沉淀污泥進(jìn)行基因組DNA抽提，并用1%瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè)抽提的基因組DNA完整性。檢測(cè)合格后，按指定測(cè)序區(qū)域合成帶有barcode的特異引物，采用TransGen TransStart Fastpfu DNA Polymerase AP221-02型聚合酶、ABI GeneAmp9700型PCR儀進(jìn)行PCR擴(kuò)增，每個(gè)樣本3個(gè)重復(fù)，將同一樣本的PCR產(chǎn)物混合后用2%瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè)，用AxyPrepDNA凝膠回收試劑盒（AXYGEN公司）切膠回收PCR產(chǎn)物，Tris_HCl洗脫；參照電泳初步定量結(jié)果，用QuantiFluorTM-ST藍(lán)色熒光定量系統(tǒng)定量檢測(cè)PCR產(chǎn)物，之后按每個(gè)樣本的測(cè)序量要求，進(jìn)行相應(yīng)比例的混合。在相似性97%的標(biāo)準(zhǔn)下獲得操作分類單元，OTU通過(guò)RDP數(shù)據(jù)庫(kù)中的Classifer程序進(jìn)行檢索分類，得出群落的微生物種類組成及相對(duì)豐度；用Mothur軟件計(jì)算菌群Chao、Shannon、Simpson多樣性指數(shù)；將數(shù)據(jù)批量導(dǎo)入Qiime軟件，對(duì)OTUs表進(jìn)行組間差異性分析，生成門、屬分類水平上的物種豐度表。

2、結(jié)果與討論

2.1 電壓對(duì)COD去除效果的影響

在電-生物反應(yīng)器HRT為24h、DO為3.0~4.5mg/L條件下，測(cè)定不同電壓下電-生物反應(yīng)器進(jìn)出水COD，結(jié)果如圖2所示

由圖2可知，當(dāng)反應(yīng)器電壓由0增至10V過(guò)程中，COD平均去除率由63.52%升至83.62%，總體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。這是因?yàn)樵谳^低電壓（0~5V）下電流較小，極板不能有效生成ClO-和?OH等強(qiáng)氧化中間介質(zhì)，電氧化作用不能完全發(fā)揮，廢水中難生化有機(jī)物的電氧化降解效果不足。隨著電壓繼續(xù)增加（5~10V），陽(yáng)極板的電氧化功能提高，難生化降解有機(jī)物被氧化為可生物降解物質(zhì)，同時(shí)因電場(chǎng)可以刺激生物群落中微生物的生長(zhǎng)代謝，提高生物酶活性，微生物對(duì)廢水的降解能力得以提高，從而實(shí)現(xiàn)電氧化與微生物對(duì)COD的協(xié)同降解，提高了電-生物反應(yīng)器對(duì)制藥廢水中難降解有機(jī)物的去除能力。

當(dāng)反應(yīng)器電壓由10V增至27V，COD去除率呈下降趨勢(shì)，平均去除率由83.62%降至35.69%。在較高電壓下?OH生成量雖然不斷增加，電氧化反應(yīng)程度增大，但過(guò)高的電壓會(huì)誘發(fā)微生物代謝失調(diào)，導(dǎo)致微生物降解COD功能受限。尤其當(dāng)電壓躍18V后，COD去除率下降趨勢(shì)更加明顯，可能是電壓升高導(dǎo)致微生物失活或死亡。電氧化增速明顯低于微生物處理降低速率，總體上導(dǎo)致處理效率急劇下降。電生物反應(yīng)器電壓為27V時(shí)，填料上的生物膜已嚴(yán)重流失，此時(shí)電化學(xué)氧化對(duì)COD的去除起主要作用。

上述分析表明，電壓為10V時(shí)電氧化反應(yīng)器處理效率最高，進(jìn)水COD平均值為1588mg/L，COD平均去除率達(dá)83.62%，相對(duì)于僅微生物作用（電壓為0）和電化學(xué)為主要作用（電壓為27V），COD去除率分別提高了20%、47.93%。

2.2 微生物菌群多樣性分析

在電-生物反應(yīng)器電壓為10V條件下，分別對(duì)陰極板（MY1）、陽(yáng)極板（MY2）兩側(cè)生物膜進(jìn)行樣品采集，與0V時(shí)的生物膜（AC）共同進(jìn)行高通量測(cè)序。細(xì)菌群落指數(shù)如表2所示。

如表2所示，經(jīng)PCR擴(kuò)增和高通量測(cè)序后，3個(gè)微生物樣品獲得的有效序列數(shù)在35136~54895，在97%的相似度水平上對(duì)生物膜的有效序列進(jìn)行多樣性分析，各樣本OUT分別為1274、1061、452。圖3、圖4分別為細(xì)菌群落豐富度稀疏曲線及Shannon指數(shù)稀釋曲線。

由圖3、圖4可知，OUTs和Shannon指數(shù)隨著序列數(shù)的增加而迅速上升，測(cè)序條帶數(shù)量躍30000時(shí)，OUTs曲線末端趨于平緩，測(cè)序條帶數(shù)量躍5000時(shí)，Shannon指數(shù)稀釋曲線趨于飽和，說(shuō)明測(cè)序深度能夠覆蓋細(xì)菌群落的多樣性。OUTs曲線表現(xiàn)出3個(gè)樣本之間物種差異性較大。MY1和MY2的Simpson指數(shù)大于AC，而AC的Chao指數(shù)和Shannon指數(shù)均大于MY1和MY2，說(shuō)明電場(chǎng)作用會(huì)導(dǎo)致微生物物種多樣性降低，但生物種群分布更加集中，優(yōu)勢(shì)種群集中可以提高制藥廢水的處理效率。

2.3 微生物菌群門水平上的組成和豐度

3個(gè)樣本在門水平上的分類學(xué)比對(duì)情況如圖5所示。

在門水平上，3個(gè)樣本共檢測(cè)出36個(gè)菌門。AC、MY1和MY2樣品中變形菌門（Proteobacteria）均為優(yōu)勢(shì)菌，豐度分別為46.88%、50.28%、72.19%。Pro-teobacteria為革蘭氏陰性菌，大部分為兼性或?qū)Ｐ詤捬跫爱愷B(yǎng)，Y.J.Liu等研究發(fā)現(xiàn)Proteobacteria是制藥廢水處理系統(tǒng)中COD降解的主要菌門。其次為擬桿菌門（Bacteroidetes），豐度分別為31.20%、32.87%、9.58%。Bacteroidetes是化能有機(jī)營(yíng)養(yǎng)菌門，可降解復(fù)雜有機(jī)物（纖維素和淀粉）、脂類和蛋白質(zhì)；中藥提取車間廢水含有纖維素，陰極發(fā)生的還原反應(yīng)使O2在新生態(tài)氫存在下還原為具有氧化活性的H2O2，將復(fù)雜有機(jī)污染物氧化為可被Bacteroidetes利用的中間產(chǎn)物，可能導(dǎo)致MY1中Bacteroidetes豐度較高。再次為厚壁菌門（Firmicutes），豐度分別為1.41%、9.19%、4.20%，Firmicutes在MY1中的豐度明顯高于AC的豐度，M.E.Casas等和WeichengLi等研究發(fā)現(xiàn)Firmicutes在抗生素廢水處理中為主要優(yōu)勢(shì)菌門，因此電-生物反應(yīng)器對(duì)處理含抗生素的廢水具有優(yōu)勢(shì)。

反應(yīng)器生物膜中Proteobacteria、Bacteroidetes和Firmicutes具有相對(duì)較高的豐度，對(duì)難降解有機(jī)物和抗生素可發(fā)揮更好的去除效果，可能是電-生物耦合技術(shù)處理制藥廢水效率提高的原因之一。

此外，綠彎菌門（Chloroflexi）在AC和MY1中的豐度為6.78%、2.26%，在MY2中的豐度僅為0.13%，這是因?yàn)?/span>Chloroflexi為厭氧生物，陽(yáng)極電解水產(chǎn)生的O2抑制了Chloroflexi的生長(zhǎng)和繁殖。Epsi-lonbacteraeota在MY2中的豐度為13.43%，在AC和MY1中的豐度約1%，Epsilonbacteraeota為之前的著變形菌綱，后被劃分為新門，可利用H2作為電子供體，陽(yáng)極產(chǎn)生H2是其豐度較高的主要原因。

2.4 微生物菌群屬水平上的組成和豐度

屬水平上3個(gè)樣品共檢測(cè)出601個(gè)菌屬，相對(duì)豐度如圖6所示。

由圖6可知，AC樣品中的主要優(yōu)勢(shì)菌屬為腐螺旋菌屬（Saprospiraceae）、SJA-28、OM27clade、厭氧繩蠅屬（Anaerolineaceae）、Chitinophagales、Sulfurita-lea、陶厄氏菌屬（Thauera）、PHOS-HE36、Limnohabi-tans和Dokdonella，其豐度分別為6.57%、5.79%、4.65%、3.02%、2.69%、2.52%、2.34%、2.29%、2.27%、2.26%。MY1樣品中的主要菌屬為Rivicola、動(dòng)膠菌屬（Zoogloea）、Paludibacter、脫硫葉菌屬（Desulfo-bulbus）、Lentimicrobiaceae、球衣菌屬（Sphaerotilus）、M2PB4-65termitegroup、Methyloversatilis和噬氫菌屬（Hydrogenophaga），其豐度分別為13.16%、10.03%、6.30%、4.88%、4.48%、2.51%、2.47%、1.99%、1.57%。MY2樣品中的主要菌屬為動(dòng)膠菌屬（Zoogloea）、弓形桿菌屬（Arcobacter）、Rivicola、不動(dòng)桿菌屬（Acine-tobacter）、Paludibacter、噬氫菌屬（Hydrogenophaga）、Fusibacter和Cloacibacterium，其豐度分別為52.55%、12.99%、7.98%、2.96%、2.84%、1.92%、1.69%、1.33%。

電-生物反應(yīng)器中，電壓為10V時(shí)的微生物菌屬與電壓為0時(shí)的差異明顯，10V時(shí)陰陽(yáng)極板兩側(cè)微生物菌屬發(fā)現(xiàn)Zoogloea對(duì)甲苯、石油廢水等難降解廢水的降解效率。造紙廢水、石油廢水與制藥廢水的污染物類別相近，由此可推測(cè)出Zoogloea；Sphaerotilus嚴(yán)格好氧，能利用多種有機(jī)物如醇、有機(jī)酸和糖類等作為碳源和能源，制藥廢水中的乙醇和甲醇為Sphaerotilus提供了碳源；Acinetobacter可通過(guò)氧化作用將芳香烴開(kāi)環(huán)裂解并利用。

電場(chǎng)和不同中間產(chǎn)物共同導(dǎo)致電-生物反應(yīng)器在10V時(shí)的微生物菌屬與0V時(shí)差異明顯，，同時(shí)陽(yáng)極表面形成的高價(jià)態(tài)氧化物MOx+1會(huì)去除部分難降解物質(zhì)；陰極附近O2與新生態(tài)氫生成具有氧化活性的H2O2來(lái)氧化有機(jī)物，因此產(chǎn)生不同中間產(chǎn)物，使微生物的營(yíng)養(yǎng)源成分存在差異，而不同菌屬對(duì)營(yíng)養(yǎng)源的攝取能力[不同，導(dǎo)致不同電壓下電-生物反應(yīng)器的微生物菌屬呈現(xiàn)差異性。

3、結(jié)論

（1）固定電-生物反應(yīng)器極板間距為15cm、HRT為24h，DO為3~4.5mg/L，考察電壓對(duì)COD去除率的影響。結(jié)果表明，電壓為10V時(shí)COD去除率最高，初始COD為1473.45mg/L的原水經(jīng)處理后COD去除率可達(dá)83.62%，較電壓為0時(shí)COD去除率提高了20.1%。

（2）電壓在0~10V，電-生物反應(yīng)器的處理效率與電壓呈正相關(guān)關(guān)系，可能是電場(chǎng)強(qiáng)化了微生物功能，同時(shí)電氧化的協(xié)助作用促進(jìn)了污染物降解；電壓在10~27V，處理效率與電壓呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，可能是過(guò)高的電壓降低了微生物活性，導(dǎo)致處理效率下降。

（3）電-生物反應(yīng)器為10V時(shí)陰、陽(yáng)極板兩側(cè)生物膜和0V時(shí)生物膜的菌落多樣性呈現(xiàn)較大差異。陰陽(yáng)極板周邊生物膜中的優(yōu)勢(shì)菌門為Proteobacte-ria、Bacteroidetes和Firmicutes，其對(duì)復(fù)雜有機(jī)物和抗生素等難降解物質(zhì)有較好的去除作用；屬水平上，Zoogloea在極板周邊的相對(duì)豐度顯著提高，其對(duì)制藥廢水中醇類、甲苯、長(zhǎng)鏈烴等物質(zhì)的去除起到重要作用，同時(shí)電-生物反應(yīng)器生物膜中的Desulfobul-bus、Sphaerotilus和Acinetobacter可以降解制藥廢水中的簡(jiǎn)單有機(jī)物和芳香烴。

（4）電氧化與生物降解的協(xié)同作用是提高對(duì)制藥廢水處理效率的主要原因之一。門水平和屬水平上存在大量可以利用難生物降解物質(zhì)的菌種，其對(duì)芳香烴、長(zhǎng)鏈烴等物質(zhì)的降解，提高了對(duì)制藥廢水的降解效率，同時(shí)電化學(xué)作用可將難生物降解物質(zhì)轉(zhuǎn)化為可被微生物利用的中間產(chǎn)物，提高微生物降解制藥廢水的效率。電氧化和生物降解之間的協(xié)同作用導(dǎo)致菌落結(jié)構(gòu)發(fā)生較大變化，最佳電壓下的菌落結(jié)構(gòu)對(duì)制藥廢水的處理效率更高。（來(lái)源：甘肅省黃河水環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州交通大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院）