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采用微氧水解缺氧/好氧工艺处理石化废水的细菌多样性分析
Qi Yang a, Panpan Xiong a, Pengyuan Ding b, Libing Chu b,c, Jianlong Wang
a中国地质大学水资源与环境学院，北京100083
b协同创新中心先进的核能技术，核能与新能源技术研究院，清华大学，北京
c100084，中国北京重点实验室的放射性废物处理，清华大学，北京100084，中国
亮点
微氧水解酸化（MHA）作为预处理。
MHA–A/O工艺处理石化废水的实际开发。
总的COD去除率为72—79%，MHA占33–42%。
关键词: 微氧水解、石油化工废水、微生物群落、废水处理
摘要：
采用微氧水解酸化（MHA）–缺氧好氧（A/O）过程来处理实际化工废水。结果表明，总COD去除率为72–79%，水力停留时间为20 h，MHA对COD的去除效率为33–42% ，表现出良好的产酸发酵能力。铵去除率为94%。鉴定污水中的主要污染物为苯、酮、醇、胺、腈和酚类化合物。大多数污染物可以通过MHA–A/O处理去除。变形杆菌是系统中最主要的细菌，超过55%的占有率。在MHA缺氧和好氧反应器中的主要菌属有厌氧绳菌科和乳酸菌和、腐螺旋菌科、亚硝化单胞菌科。该处理系统对石化废水中的复合物的降解具有良好的性能。
1 前言
在石油炼制工业和有机众多化学品和原材料的生产过程中产生大量的石化废水，已经成为最严重的污染问题之一。石化行业的废水通常含有害化学物质如石油氢、芳香族化合物、酚醛和重金属，具有很强的毒性和生物顽抗性（Wang，2002；Liu et al.，2014）。
用于石化废水的处理工艺一般包括预处理，以提高生物降解和减少毒性，其次是生物处理的活性污泥法，缺氧好氧（A/O），流化床反应器，膜生物反应器和生物膜工艺（Wang et al，2000；guo et al，2009）。在可用的生物处理过程中，A / O工艺可以非常有效的去除有机物和营养物且运营成本较低，并一直是一个很有前途的替代传统活性污泥法的工艺（wang et al，2002，2004）。预处理过程包括一些物理化学方法，如超声波，絮凝，Fenton法和臭氧氧化以及厌氧水解-酸化（Lin et al，2001）。
厌氧水解酸化是厌氧消化池的前两个阶段，为复杂大分子和特定的有机化合物成小分子和简单的水溶性化合物提供挥发性脂肪酸，例如简单的可溶性化合物的增溶作用。最近的研究发现，水解酸化过程中可能发生在微氧条件下通过添加少量的氧气（空气）进入反应器，即–微氧水解酸化（MHA）（Lin et al，2014）。
研究表明，有限的氧气供应后不影响厌氧消化产甲烷和有机物的去除（迪亚兹et al.，2011）此外，jenicek等人（2008）发现微好氧条件下的应用是有效提高固体废物的生物降解。林和王进行研究（2013）表明，微好氧条件下能提高效率和酸化溶解，和其他的短链脂肪酸的酯转化率在厌氧消化池的褐色的水和食物的浪费。这可能是由于增强代谢活动的兼性水解和产酸菌在微氧条件下。另一个报道效益微曝气是加快进行慢速可生物降解有机物的降解酶的生产（Lim和Wang，2013）。
此外，硫氧化细菌，这是负责氧化硫化物和氧作为电子受体的亚硫酸，在微氧条件下比在厌氧消化池具有较高的活性（jenicek et al.2011）。得到一个结果，硫化氢（H2S）含量的生产可以有效地降低。H2S是一种具有臭鸡蛋气味的有毒气体，溶解性高，造成设备的腐蚀。文献表明，沼气中硫化氢的浓度微氧条件下降低了98%以上（Diaz et al. 2011b）。到目前为止，大多数研究集中在固体废物相关微曝气池，在工业废水处理中关于MHA工艺中的应用，甚至对石化废水相关的研究也较少。陈等人（2011）研究了处理制药废水的厌氧/微需氧和两级好氧工艺。MHA是用来提高医药废水的可生化性，利于后续好氧处理。
在这项研究中，MHA和A/O工艺处理石化废水的开发，是在中国东北的一个大型石化公司进行的。主要进行的实验有：（1）评估系统的性能，在去除有机物、氮和磷的化合物；（2）对进水和出水的有机物组成；（3）确定每一池污泥中细菌群落。了解微生物群落结构有助于更好地控制生物过程。这利用这个信息，旨在加深我们对MBA的理解和工业废水处理提供了新的选择。
2 方法
2.1 实验装置
实验装置是建立在一个集成的石化污水处理厂（ipwwtp）在中国东北部。它包括一个MHA反应器，一个A / O反应器和一个设置沉降罐的，分别具有33升，43 L和28 L的有效容积。该反应器MHA分为四个组件，空气被供给到前三个组件的通过水族馆型扩散底部具有0.3升/ h的流速。从第四腔室中的污泥被回收到第一腔室。该A/O反应器由缺氧和两个好氧舱室，以1:1的体积比：2：2。好氧箱溶解氧（DO）的浓度通过调节输入曝气流速保持在4-6毫克/升（Wang and Yang, 2004）。一个电动搅拌器装配在缺氧罐提供污泥和废水的混合物。将沉淀池中的污泥回收到缺氧池中，其比例为100%。
2.2 废水的特点
窗体顶端
在此研究中使用的废水是IP污水处理厂的入水，由石化工业废水和生活污水3:1的比例组成。工业废水来自涉及化肥厂，石油精炼厂，树脂厂，丙烯腈 - 丁二烯 - 苯乙烯（ABS）植物等而预处理的植物和流出物排入污水处理厂超过70源。生活污水是从污水处理厂周围的住宅，商业和学校该地区使用的水。
实验被分成两个工作周期。将反应器通过在第一周期和工业废水单独在第二周期馈送污水处理厂的流入操作。表1给出的废水的特征。在进水COD和硫酸盐（SO42-）的浓度，系统蒸发波动显着。挥发性酚类化合物和苯化合物（BCS）主要来自工业废水。在两个阶段的废水中总氮（TN）和总磷（TP）的浓度没有很大的差别。
窗体底端
2.3 MHA-A / O反应堆启动和操作
MHA-A/O反应堆被启动回收污泥取自IP污水厂的再循环线的初始水力停留时间(HRT)为48 h ，HRT采用COD去除率逐渐下降（15–30% MHA和65–70% A/O反应器）作为参考直到达到稳定运行条件。一个月后系统成功启动，运行近半年，从2014年8月至2015年1月，在HRT为20 h（分别为12 h和8 h的MHA和A/O反应器）污泥停留时间为30 d， MHA和A/O反应器的加载速率，分别在0.2–0.7和0.1–0.4克化学需氧量/ L。系统的温度范围为22～28。
图1 试验装置的原理图
在稳态运行，在进水和出水定期以下参数测量系统的性能进行了评价：COD、TN、氨氮（NH4-N）、硝酸盐（NO3-N）、亚硝酸盐氮（NO2-N）、TP、UV254、VFA、硫酸盐和硫化物。所有的样品都是在分析解决使用0.45毫米注射器滤波器滤波。在每个罐的反应堆，BOD，COD和NH4-N分布、总悬浮固体（TSS）和挥发性悬浮固体（VSS）检测2–每月3倍的浓度。在100天，污泥取自MHA、缺氧—好氧池进行微生物群落分析，出水进行鉴定。
表1：
|
进水特性 |
||||||||
|
阶段 |
COD (mg/L) |
NH4 -N (mg/L) |
TP (mg/L) |
TN (mg/L) |
UV254 |
SO42 (mg/L) |
VPC (mg/L) |
BCs (mg/L) |
|
I |
348 plusmn; 59 |
25.8 plusmn; 5.8 |
1.3 plusmn; 0.6 |
30.5 plusmn; 9.3 |
1.4 plusmn; 0.3 |
380 plusmn; 115 |
13.0 plusmn; 2.5 |
16.9 plusmn; 4.7 |
|
II |
529 plusmn; 30 |
28.5 plusmn; 5.4 |
1.4 plusmn; 0.6 |
35.2 plusmn; 6.2 |
2.2 plusmn; 0.3 |
552 plusmn; 162 |
17.5 plusmn; 3.6 |
22.5 plusmn; 6.9 |
2.4 分析方法
对进水浓度COD、BOD5、氨氮、NO3-N、NO2-N有机污染物的组成、TN和TP进行分析的标准方法。使用铬酸钡光度法，亚甲蓝法，滴定法，4-AAP分光光度法和气相色谱法，分别测定SO42-、S2- 、VFA，和BCs 的内容。 DO和还原氧化电位（ORP）用便携式DO计（WTW340 1）进行测定。 pH通过SX721 pH计测定。
毛细管气相色谱柱的固定相（50米0.25毫米0.25米）是101。分析进行在1:25和入口温度280 ℃分流比。氦气作为载气的流速为0.6毫升/分钟。应用程序升温的载气流速后保持在55 ℃4 min后增加到280 ℃，MS检测器的增量操作电子电离（70 eV）使用扫描模式29–350米/Z的质谱离子源温度200 ℃。
Illumina公司使用MiSeq测序分别分析在MHA，缺氧和好氧箱中的微生物聚生体。程序如下：
（1）使用ezna土壤DNA提取试剂盒提取DNA的污泥样品，用1%琼脂糖凝胶电泳检测；
（２）使用特异性引物与条形码进行扩增。使用axypreptrade;DNA凝胶回收试剂盒纯化扩增产物。复制扩增产物在2%的琼脂糖凝胶的汇总和可视化使用试剂盒安全DNA凝胶染色的0.5；
（3）通过quantifluortrade;ST蓝色荧光定量系统定量扩增和均质化。然后扩增测序使用Illumina Miseq PE250系统由上海majorbio生物制药生物技术进行（上海，中国）；
（4）结果进行了优化和业务分类单位在97％的相似性进行了聚类和分类分析水平。
3 结果与讨论
3.1. MHA–A/O的性能
在稳态条件下，MHA的进水和出水以及A/ O反应器中的pH值平均为7.96，分别为7.71和7.48。MHA和A/O反应器中污泥浓度分别为5300–TSS 6500毫克/升和4400–TSS 5000毫克/升，VSS/TSS比值为42.7%和46.7% 。用氧化还原电位施加到监测MHA罐氧化剂，因为它可以灵敏地反映溶解氧的低含量的变化。 MHA反应器的电位180和300毫伏之间变化，这有利于乳酸发酵。
图2示出了系统的进水和出水化学需氧量和氨氮的浓度去除效率的性能。尽管进水COD浓度忽高忽低，出水COD基本保持稳定，说明系统承受进水底物浓度波动能力强。I和II出水COD达到在相97plusmn;19毫克/升和109plusmn;22毫克/升，COD去除率分别为72plusmn;6％和79plusmn;4％。其中，MHA反应堆贡献42-33％的COD去除。
图2.进水的COD和NH 4-N浓度和流出物和它们的去除效率的时间过程
图3示出的COD和NH4-N的在系统率。总的COD去除率在第二阶段甚至略高于阶段一。去除氨比COD去除率高。出水NH4-N浓度维持在较低水平（1.2plusmn;1.0毫克/升），且具有94.6plusmn;0.6％的去除率，表明A / O工艺氨氧化菌的活性是在整体作战时期高，甚至在单独第二阶段饲养石化废水。增加的NH 4 -N浓度在MHA流出物可能是由于有机氮化合物，这是由气相色谱/质谱分析鉴定。在流出物中的N-化合物主要存在于硝酸（13.6plusmn;4.5毫克/升）和小于0.05毫克的形式/检测亚硝酸盐的L时，指示硝化发生完全。出水总氮和总磷的浓度分别为17.5plusmn;5.2毫克/升和0.8plusmn;0.4毫克/升，分别为55%和48%的平均去除率。流出物的UV 254 I在第一阶段为0.8，第
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