紡織印染廢水一直以排放量大、水質復雜、色度高、處理難度大等特點而成為廢水治理工藝研究的重點和難點。目前印染廢水的處理方法通常是生物法和物化法結合，單獨使用任何傳統處理方法都不能有效地去除紡織廢水中存在的各種污染物。好氧顆粒污泥是一種微生物自凝聚形成的特殊生物膜，由外向內延伸依次聚集生長好氧、兼性厭氧、厭氧微生物，特殊的層狀分布能使好氧顆粒污泥在一個生物池中同時對廢水中各類特征污染物進行去除，生物量高，剩余污泥量少，且對有毒有害物質和高負荷廢水的沖擊耐受力強。因此，好氧顆粒污泥技術是一種潛在的高效廢水生物處理技術。由于好氧顆粒污泥技術應用于印染廢水處理方面的研究較少，因此在單獨的好氧條件下，采用低高徑比(3.9)的SBR反應器，接種剩余污泥，在有機負荷(OLR)為3kg/(m3d)的模擬印染廢水中馴化好氧顆粒污泥，通過測定COD、氨氮(NH4+-N)、總磷(TP)、色度及顆粒特性等指標，評估好氧顆粒污泥對印染廢水的處理效能，同時對系統中不同時期的微生物菌群結構進行分析，探究生物轉化機理，通過試驗進一步論證好氧顆粒污泥技術應用到印染廢水處理中的可行性。
一、材料與方法
1.1 實驗裝置
試驗反應器采用SBR的運行方式，主體由圓柱形有機玻璃制成，內徑100mm，有效高度為390mm，總有效容積為3.0L，排水率為50%，即每周期進水1.5L。每天3個運行周期，每周期8h，HRT為16h，水力負荷為0.57m3/(m2·d)。其中進水5min，曝氣450min，沉淀時間8min，排水2min，靜置時間15min。進水泵為蠕動泵(BT100-2J)，轉速為93.5r/min，曝氣采用鼓風曝氣，曝氣量為60L/h，由氣體流量計控制，有1#、2#、3#共3個排水口，出水按照順序依次排出，反應溫度為室溫。試驗裝置采用PLC自動控制。
1.2 接種污泥
實驗接種污泥取自廣州市某污水處理廠二沉池的普通活性污泥。接種前去除污泥表面雜質，將污泥靜置倒掉上清液后，剩下的濃縮污泥悶曝48h，消耗污泥中的有機物，接種污泥的MLSS為8973mg/L，SVI為83%，取1.5L接種污泥倒入SBR反應器中，加入模擬廢水至3L，反應器中的MLSS為4487mg/L。
1.3 模擬廢水組分
實驗用水采用人工配水(各成分單位以mg/L計)，以乙酸鈉和葡萄糖作為碳源，氯化銨作為氮源，磷酸二氫鉀為磷源，根據COD：N：P=100：5：1進行配比。進水基質分為兩個階段，第一階段(第1天要第23天)，以葡萄糖為單一碳源，葡萄糖2000，第二階段(第24天要實驗結束)，以乙酸鈉和葡萄糖作為碳源，其中乙酸鈉1280，葡萄糖1000。其他成分都相同，包括NH4Cl382，K2HPO448，MgSO4-7H2O120，CaCl-2H2O160，FeSO4-7H2O80，NaHCO3400，活性黑KN-B染料20。每升水中加入0.8mL的微量元素溶液，微量元素成分為院ZnSO4-7H2O120，CuSO4-5H2O30，KI180，MnCl2-4H2O120，CoCl2-6H2O150，H3BO4150。進水COD1704~2310mg/L、NH4+-N85.2~114.8mg/L、TP12.94~16.3mg/L、pH7.0~7.5。
1.4 分析項目與檢測方法
實驗中水質測定均采用國家標準方法，其中NH4+-N測定采用水楊酸試劑法，COD測定采用重鉻酸鉀法，TP用哈希分光光度法，pH采用便攜式pH計(PJBJ-260，上海雷磁公司)測定，污泥微觀結構采用掃描電子顯微鏡觀測(S-3000N，Hitachi公司)。
1.5 基于Illumina平臺的16SrDNA宏基因組測序
1.5.1 污泥微生物選取與制備
分別選取系統中好氧顆粒污泥部分解體期(第115天)和顆粒修復后期(第128天以后)的污泥進行研究，污泥樣品的制備方法為院兩個樣品均選自系統中的混合污泥，在3000r/min條件下離心3min，去除上清液，取濃縮污泥50mL，備用。
1.5.2 高通量測序方法
將采集的微生物樣品，送至檢測機構(廣州銳博生物科技有限公司)進行16SrDNA宏基因組測序。
二、結果和討論
2.1 好氧顆粒污泥顆粒化
本實驗在模擬廢水中共運行144d，整個實驗過程分為第玉階段馴化期(第1天要第48天)，第域階段穩定期(第49天要第113天)，第芋階段解體期(第114天要第125天)與第郁階段修復期(第126天要第144天)4個階段。圖1是用數碼相機拍攝的顆粒污泥不同時期的形態特征。
在馴化期的第1天要第23天，采用葡萄糖為單一碳源，系統中有大量的絲狀菌繁殖，并且產生部分大而疏松的顆粒污泥，但該污泥結構不穩定，在高剪切力作用下被破碎成絮狀，而后絲狀菌以顆粒碎片方式黏附形成沉降性差的菌膠團。此時，系統排泥量大，導致污泥濃度下降，為保證系統的運行穩定，將部分排出的污泥進行回流。第24天要實驗結束，進水基質改為混合碳源，據J.H.Tay等研究，由葡萄糖培養的顆粒污泥以絲狀菌為主，由乙酸鈉培養的顆粒污泥以桿菌為主。為使顆粒污泥變得密實，第24天要實驗結束采用乙酸鈉和葡萄糖聯合培養，引起體系中的絲狀菌減少，顆粒污泥逐漸變得密實。從第49天開始，系統中開始出現黑色、粒徑2~5mm的規則密實顆粒，水質處理效果穩定，即認為好氧顆粒污泥進入穩定培養期。經穩定運行113d后，部分顆粒有解體現象，通過逐步排出解體污泥，微生物又以破碎顆粒為核心聚集生成新顆粒(第郁階段修復期)，表明好氧顆粒污泥有自修復潛力。
2.2 好氧顆粒污泥的微觀結構
還對好氧顆粒污泥的微觀結構進行了觀察。可以看到，穩定期的顆粒污泥輪廓清晰，結構完整但較為疏松，另外顆粒污泥表面空隙較大，有機物和染料可通過這些孔洞進入AGS內部，通過孔隙進行物質交換，從而維持好氧顆粒污泥的穩定結構。同時在高倍的掃描電鏡下，觀察到微生物的聚集狀態，主要以桿菌為主，絲狀菌纏繞在顆粒中構成骨架。實驗證明，用乙酸鈉和葡萄糖聯合培養的好氧顆粒污泥，避免了絲狀菌的大量繁殖，從而使顆粒結構更穩定。
2.3 印染廢水中水質處理效果
印染廢水中水質運行情況如圖2所示，整個過程分為4個階段。
由圖2可看出，第玉階段水質波動較大。污泥處于接種初期，微生物量較高，對COD的去除效果明顯，第18天時，由于絲狀顆粒增大后破碎，導致系統出水SS增高，COD去除率下降，系統中NH4+-N的去除能力有限，在第1天要第18天，由于自養菌與異養菌存在基質競爭關系，異養菌在基質充足的條件下占據優勢，自養菌對氨氮的降解逐漸減小，NH4+-N的去除率逐漸下降，出水中TP質量濃度由3.548mg/L逐漸下降到0.541mg/L，馴化期的顆粒結構不穩定，因此印染廢水中色度的去除波動較大。第42天要第44天時，系統中pH升高到8.74，且有許多小泡沫浮在表面，導致出水COD由170.67mg/L上升到621.5mg/L，可能由于曝氣過大破壞了系統中CO2-CO32-緩沖平衡體系，CO2逸出使得pH升高，對COD的降解造成沖擊，而對NH4+-N和TP的影響較小。
第域階段好氧顆粒污泥形態結構完整，水質處理效果比較穩定。顆粒表面聚集生長好氧微生物，顆粒內部的缺氧/厭氧環境為脫氮除磷提供有利條件，COD的平均去除率為92.53%，NH4+-N的平均去除率達到56.65%，TP的最高去除率達到98.62%，平均去除率為95.12%，色度最大的去除率達到82.92%，平均去除率為69.03%。本研究中COD的去除率高于R.D.G.Franca等的研究結果，該研究在6h的厭氧-好氧循環下，COD的去除率為80%~90%，且證明了染料的存在及其潛在的有毒的中間產物，不會對碳底物的攝取產生負面影響。M.Sarvajith等也得出類似的結論，好氧顆粒污泥上的生物過程(C，N和P的去除)不受偶氮染料負荷的影響。好氧顆粒污泥存在好氧、缺氧、厭氧區，可以在一個系統中對印染廢水進行有效降解。本試驗中反應器的曝氣系統屬于上向流，顆粒在反應器底部會逐漸沉積，形成局部厭氧區使污泥老化，在第75天要第80天這段時間，通過排出反應器底部沉積污泥，系統中微生物量減少，COD、NH4+-N和TP的去除受到一定的影響，其中TP的去除率波動最大，最低為82.26%，可能由于排出的污泥中帶走部分聚磷菌，使出水TP的濃度變高，去除率下降。
第芋階段，由于顆粒粒徑增大，顆粒內部會由于傳質受阻產生一個厭氧的核心，從而導致顆粒污泥解體。從整體運行趨勢上看，解體期系統對COD和NH4+-N的降解影響較小，出水COD維持在106.33~212.67mg/L，出水中NH4+-N從40mg/L升高到46.25mg/L，而在好氧的反應系統中，顆粒內部的厭氧環境被破壞，TP和染料的色度脫除情況明顯受到沖擊，TP去除率從97.08%下降到90.73%，色度的去除率由82.92%降為60.80%。
第Ⅳ階段，微生物以解體污泥為支架，重新聚合生成了新顆粒。系統對COD、NH4+-N、TP、色度的平均去除率分別為院92.59%、61.58%、96.77%、74.49%。這一結果體現好氧顆粒污泥法對染料廢水穩定去除的技術優勢。
2.4 微生物菌群的宏基因組16SrDNA測序分析
2.4.1 微生物Alpha多樣性分析
Alpha多樣性是用于分析樣品內的微生物群落多樣性。Alpha多樣性有多種衡量指標，如Chao1、Shannon、Simpson等，這些指數數值越大，表明物種豐度越大。通常用稀釋曲線來評價測序量是否足以覆蓋所有類群，并間接反映樣品中物種的豐富程度。當曲線趨于平緩或者達到平臺期時則認為測序深度已基本覆蓋樣品中的所有物種。
本研究選取2個污泥樣品，分別為系統運行第115天(1號)和第128天(2號)的污泥，代表著解體期與顆粒修復期。微生物Alpha多樣性相關的各項指標如表1所示。
結果顯示本研究中樣品曲線基本趨于平緩，測序結果占整個基因組的99%，樣品覆蓋度高，證明樣品測序量基本能夠反映出樣品的物種豐度。樣品2即修復期顆粒的各項指數都低于解體期的樣品1，說明好氧顆粒污泥經解體修復后，物種的多樣性減少。
2.4.2 微生物群落結構特征
對宏基因組16SrDNA序列在微生物門分類層面上的比對分析，發現在模擬印染廢水培養的好氧顆粒污泥系統中，微生物菌群結構比較單一，但各物種的豐度較高，富集的優勢菌群對系統運行起到了重要的作用。在兩個污泥樣品中，除2.5%的未識別菌種外，微生物共檢測出19種菌門，解體期時物種豐度大于1%的菌門有7種，包括變形菌門Proteobacteria(81.19%)、擬桿菌門Bacteroidetes(9.63%)、厚壁菌門Firmicutes(2.08%)、疣微菌門Verrucomicrobia(1.98%)、TM7(1.31%)、放線菌門Actinobacteria(1.18%)、綠彎菌門Chloroflexi(1%)。其中變形桿菌Proteobacteria、擬桿菌Bacteroidetes和厚壁菌門Firmicutes，是偶氮染料中常見的微生物。變形桿菌門Proteobacteria為系統中的絕對優勢菌門，Y.M.Kolekar等研究顯示α-，β-和γ-proteobacterial菌群參與偶氮染料脫色。顆粒污泥修復后，微生物菌群發生較大的變化，物種豐度大于1%的菌門有2種，變形桿菌Proteo-bacteria(90.83%)豐度比解體時期提高了9.64%，而擬桿菌Bacteroidetes(5.99%)相對解體期下降了3.64%，表明變形菌門Proteobacteria對顆粒穩定性有重要意義。其次，TM7在污泥解體時豐度為1.31%，而在顆粒修復后這個菌門消失，P.Hugenholtz等研究發現，TM7會引起污泥膨脹，因此本研究中顆粒污泥解體可能與TM7菌門有關。
從微生物的屬分類水平進行分析，結果如表2所示。在屬分類水平上解體期污泥與顆粒修復后期的污泥存在顯著差異，變形菌門Proteobacteria的琢proteobacteria綱下屬紅螺菌科Rhodospirillaceae的Magnetospirillum菌屬為系統的絕對優勢菌屬。BinHou等研究顯示，紅螺菌科Rhodospirillaceae參與偶氮染料的脫色與生物轉化，在本研究中，紅螺菌科的相對豐度遠高于研究中的數量，相對豐度從46.36%提升到72.92%，說明解體顆粒修復后，對印染廢水中有機物和色度的去除有良好的效果，COD和色度的平均去除率分別為92.59%和74.49%。在解體期系統中的脫氮除磷功能主要由Dechloromonas和Acinetobacter完成，這兩種菌的相對豐度分別為9.59%和2.37%，王啟鑌等研究表明，在較高的有機負荷[>0.91kg/(m3?d)]條件下有利于絲狀細菌Acinetobacter的生長。隨著顆粒逐漸修復，Dechloromonas和Acinetobacter菌群減少，而β-proteobacteria綱中的紅環菌科Rhodocyclaceae的KD1-23型菌屬在顆粒修復后相對豐度從0.06%提升到2.69%，菌群結構發生了變化。
三、結論
(1)好氧顆粒污泥于第49天在模擬印染廢水中馴化成功，3kg/(m3?d)條件下培養的顆粒污泥粒徑較大(2~5mm)，長時間運行會使顆粒發生解體，但好氧顆粒污泥表現出自修復潛力。
(2)該體系的COD、氨氮、總磷、色度的平均去除率分別為92.53%、56.65%、95.12%、69.03%，好氧顆粒污泥能在一個污泥系統中，對印染廢水進行有效降解。
(3)本研究中的微生物優勢菌門是變形菌門Proteobacteria，其中α-Proteobacteria綱中的磁螺菌屬Magnetospirillum對染料降解和COD去除起到了重要的作用。
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