董 炎，敬雙怡，殷震育，李衛(wèi)平，楊文煥，于玲紅

(內(nèi)蒙古科技大學(xué)，內(nèi)蒙古 包頭 014000)

稀土生產(chǎn)過程中產(chǎn)生大量廢水[1]，其中氨氮質(zhì)量濃度在8～20 g/L之間，若直接排放，不僅造成資源浪費(fèi)，也對(duì)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重威脅[2-3]，需采取有效手段進(jìn)行處理。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)裝置

UASB厭氧氨氧化反應(yīng)器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 UASB厭氧氨氧化反應(yīng)器示意

反應(yīng)區(qū)容積12 L，頂部加蓋密封，預(yù)留有排氣孔。進(jìn)水口和出水口分別設(shè)在底部和距頂部15 cm處。反應(yīng)器中部為懸浮的厭氧氨氧化活性污泥，底部設(shè)有采樣口，外部包裹遮光帶以防止光線抑制細(xì)菌生長(zhǎng)，內(nèi)部安裝攪拌器。為加強(qiáng)反應(yīng)器內(nèi)的泥水混合，防止進(jìn)水端反應(yīng)物濃度過高，采用磁力循環(huán)泵循環(huán)進(jìn)水。進(jìn)水箱安裝加熱器以確保內(nèi)部恒溫。

1.2 試驗(yàn)廢水

試驗(yàn)所用含氨氮稀土廢水取自包鋼某稀土廠，密封保存，pH為7.7～8.4，硬度60～80 mg/L。廢水水質(zhì)見表1。水樣經(jīng)過0.45 μm濾膜抽濾。

表1 含氨氮稀土廢水的組成 mg/L

1.3 試驗(yàn)原理及方法

(1)

廢水溫度、pH、COD均用便攜式溶氧儀測(cè)定。污泥樣品MLSS、MLVSS均按標(biāo)準(zhǔn)法[10]測(cè)定。采用16SrRNA高通量測(cè)序技術(shù)研究厭氧氨氧化系統(tǒng)中微生物的多樣性和群落結(jié)構(gòu)。S1、S2樣品分別為引入稀土廢水前、后反應(yīng)器中的顆粒污泥。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 水力停留時(shí)間對(duì)去除率的影響

圖2 水力停留時(shí)間對(duì)去除率的影響

由此可見，水力停留時(shí)間對(duì)厭氧氨氧化細(xì)菌的脫氮效果有較大影響，水力停留時(shí)間在16 h以上時(shí)，處理效果較好。

2.2 溫度對(duì)去除率的影響

圖3 溫度對(duì)去除率的影響

2.3 La3+質(zhì)量濃度對(duì)去除率的影響

圖4 La3+質(zhì)量濃度對(duì)去除率的影響

2.4 微生物群落結(jié)構(gòu)分析

高通量測(cè)序技術(shù)可同時(shí)獲取上百萬條DNA，是鑒定微生物種屬的有效手段[15]。OTU是經(jīng)高通量測(cè)序后根據(jù)序列之間的相似性分成的不同操作分類單元，通過Venn圖可直觀說明樣品的OTU數(shù)目組成相似性及重疊情況。如圖5所示：廢水被引入反應(yīng)器后，前期運(yùn)行過程中，污泥中已經(jīng)成熟的細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，其中含有1 983條OTU數(shù)；而運(yùn)行至后期，污泥中細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，其所含OTU數(shù)只有970條，且僅有315條出現(xiàn)在兩者重疊區(qū)域，說明反應(yīng)過程中污泥內(nèi)的微生物群落變化很大，所取得兩樣本間的生物多樣性相似水平較低。

圖5 Venn示意

2.4.1 Alpha多樣性分析

Alpha多樣性分析是反映微生物群落豐度和多樣性的重要手段，其中主要運(yùn)用了Shannon指數(shù)和Simpson指數(shù)。Shannon指數(shù)越大，說明群落多樣性越高，群落結(jié)構(gòu)越復(fù)雜；而Simpson指數(shù)則與之相反，Simpson指數(shù)越大，群落多樣性越低。反映群落豐度指數(shù)的主要有Chao指數(shù)，數(shù)值越大，代表微生物群落物種總數(shù)越多。Coverage則是指樣品文庫(kù)的覆蓋率，其數(shù)值越高，越能反映本次測(cè)序結(jié)果，也就越能代表樣本的真實(shí)情況。污泥中Alpha多樣性相關(guān)指數(shù)見表2。

表2 污泥中Alpha多樣性相關(guān)指數(shù)

由表2看出：隨反應(yīng)時(shí)間延長(zhǎng)，反應(yīng)程度加深；污泥中Shannon指數(shù)從3.12降低至1.86，而Simposon指數(shù)則從0.19上升至0.39。這表明：隨反應(yīng)進(jìn)行，廢水中所含的稀土元素、有毒有害物質(zhì)對(duì)細(xì)菌有毒害作用；加之系統(tǒng)須滿足厭氧氨氧化細(xì)菌維持生命活動(dòng)所需的獨(dú)特環(huán)境條件，使大量細(xì)菌逐漸被淘汰，微生物群落數(shù)量急劇下降的同時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)微生物群落結(jié)構(gòu)的豐度及多樣性也在逐漸下降[16]。

2.4.2 門水平微生物多樣性分析

反應(yīng)器運(yùn)行前、后，污泥S1、S2在門分類上的群落結(jié)構(gòu)如圖6所示。可以看出：污泥中主要含變形菌門(Proteobacteria)、厚壁菌門(Firmicutes)、綠彎菌門(Chloroflexi)、浮霉菌門(Planctomycetes)、放線菌門(Actincbacteria)擬桿菌門(Bacteroidetes)。無論是在廢水處理、厭氧硝化或是在土壤中，變形菌門和浮霉菌門均為最常見的優(yōu)勢(shì)菌群，也是主要的脫氮菌群。本研究中，隨反應(yīng)進(jìn)行，變形菌門和浮霉菌門比例明顯降低，因?yàn)閺U水中的有毒物質(zhì)對(duì)其有一定毒害作用；同時(shí)系統(tǒng)中的異養(yǎng)菌利用廢水中的有機(jī)物進(jìn)行增殖，與其產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)，抑制了其生長(zhǎng)。

圖6 門水平樣本的群落結(jié)構(gòu)變化

2.4.3 屬水平微生物多樣性分析

屬水平樣本的群落結(jié)構(gòu)分布如圖7所示。在處理稀土氨氮廢水之后，反應(yīng)器中的微生物群落中主要存在Thauera、Nitrospira、Thermomarinilinea、Candidatuskuenenia、CandidatusAnammoximicrobium菌屬。

圖7 屬水平樣本的群落結(jié)構(gòu)分布

Thauera和Thermomarinilnea為兼性厭氧反硝化細(xì)菌屬，具有降解多種芳香族污染物的能力。Nitrospira為硝化螺旋均屬，可維持自然水體中氮循環(huán)體系平衡，對(duì)水生植物非常重要。因不適應(yīng)系統(tǒng)為厭氧氨氧化菌提供的獨(dú)特環(huán)境，多數(shù)細(xì)菌隨反應(yīng)器運(yùn)行及La3+的添加而被淘汰出系統(tǒng)?，F(xiàn)存少數(shù)硝化反硝化菌主要通過分解稀土氨氮廢水中有機(jī)物進(jìn)行增殖。在已知的具有厭氧氨氧化能力的6個(gè)菌屬[17]中，反應(yīng)器中檢測(cè)到2個(gè)，分別是CandidatusKuenenia和CandidatusAnammoximicrobium。劉哲等[18]在EGSB反應(yīng)器中培養(yǎng)厭氧氨氧化細(xì)菌研究中，只檢測(cè)到了CandidatusArocadia菌屬。這說明，高氨氮廢水及高濃度La3+對(duì)其他厭氧氨氧化菌屬有較大影響，同時(shí)不同類型反應(yīng)器培養(yǎng)出的厭氧氨氧化菌屬也有相對(duì)明顯的差異。

3 結(jié)論

采用厭氧氨氧化工藝處理含氨氮稀土廢水是可行的。用循環(huán)上流式厭氧污泥床反應(yīng)器，當(dāng)進(jìn)水溫度在33～36 ℃、pH=7.5、保持16 h以上水力停留時(shí)間條件下，NH4-N去除率可達(dá)85%。廢水中La3+質(zhì)量濃度低于1 mg/L對(duì)anammox菌有可恢復(fù)的短期抑制作用；La3+質(zhì)量濃度大于1 mg/L，其抑制效果十分明顯。

系統(tǒng)運(yùn)行過程中，微生物群落結(jié)構(gòu)豐度及多樣性逐漸下降。反應(yīng)后期，反應(yīng)器中主要存在浮霉菌門和變形菌門細(xì)菌，CandidatusKuenenia和CandidatusAnammoxoglobus兩種細(xì)菌為系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)菌屬；同時(shí)存在少量兼性反硝化細(xì)菌Thauera和Thermomarinilnea，整個(gè)系統(tǒng)以厭氧氨氧化菌為主體，各類菌群之間協(xié)同合作，使系統(tǒng)對(duì)含氨氮稀土廢水有較好的脫氮性能。