制藥廢水處理電-生物耦合技術(shù)

中成藥制藥廢水主要來源于中藥材提取、原料藥提取、水針和固體制劑的生產(chǎn)過程排水、輔助過程排水、沖洗水和生活污水。生產(chǎn)過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等特點。制藥廢水可生化性差，直接采用生化處理難以實現(xiàn)達標排放，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，通過電極電化學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，適當電場電壓可以提高微生物細胞的新陳代謝過程、細胞分裂速度、基因表達及酶活性，從而提高難生物降解廢水的處理效果。電-生物耦合技術(shù)處理廢水時工藝占地面積小、操作維護簡單、抗負荷沖擊力強、處理費用低，但國內(nèi)外學者對電-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，對門、屬水平的微生物多樣性進行研究，對比最佳工況下電-生物反應(yīng)器陰、陽極板兩側(cè)生物膜以及0V時生物膜之間的微生物種群多樣性差異，分析電場作用對微生物多樣性的影響，揭示電-生物耦合技術(shù)提高COD去除率的機理。

1、材料與方法

1.1 試驗水質(zhì)

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

2、試驗裝置

試驗裝置如圖1所示，主要由原水水箱、電場反應(yīng)器（極板、球形填料、曝氣頭）、曝氣機、穩(wěn)壓直流電源、電磁隔膜計量泵組成。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，一級與二級的有效容積為3：2。試驗時原水從一級段底部進水，通過上端隔板孔溢流至二級段，二級段底部排出。裝置底部設(shè)置有曝氣裝置，兩段各設(shè)置1塊陽極板和2塊陰極板，單個極板尺寸300mm×550mm，陽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），電磁隔膜計量泵型號WS-09-03-S，直流穩(wěn)壓電源型號MS303D-30V3A。

1.3 活性污泥接種與電場馴化

取某市政污水處理廠二沉池活性污泥進行接種，將原水用自來水稀釋至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荷，直到流量增至50L/d，保持此流量運行3周后出水COD穩(wěn)定在460~510mg/L，標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后進行水質(zhì)測定。

1.4 測定方法

1.4.1 水質(zhì)測定

參照標準方法測定COD院將樣品搖勻后用0.45μm濾膜過濾，用COD-571-1型消解儀進行消解，隨后用COD-571型化學需氧量測定儀測定COD；用JPBJ608型便攜式溶解氧測定儀測定溶解氧；采用pHSJ-3F型酸度計進行pH測定。

1.4.2 生物多樣性檢測

將反應(yīng)器中的球形填料取出，放入經(jīng)過滅菌的一次性塑料離心管中低溫保存。測試時將填料取出置于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，取出沉淀污泥進行基因組DNA抽提，并用1%瓊脂糖凝膠電泳檢測抽提的基因組DNA完整性。檢測合格后，按指定測序區(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儀進行PCR擴增，每個樣本3個重復(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，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藍色熒光定量系統(tǒng)定量檢測PCR產(chǎn)物，之后按每個樣本的測序量要求，進行相應(yīng)比例的混合。在相似性97%的標準下獲得操作分類單元，OTU通過RDP數(shù)據(jù)庫中的Classifer程序進行檢索分類，得出群落的微生物種類組成及相對豐度；用Mothur軟件計算菌群Chao、Shannon、Simpson多樣性指數(shù)；將數(shù)據(jù)批量導入Qiime軟件，對OTUs表進行組間差異性分析，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，測定不同電壓下電-生物反應(yīng)器進出水COD，結(jié)果如圖2所示

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

當反應(yīng)器電壓由10V增至27V，COD去除率呈下降趨勢，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，但過高的電壓會誘發(fā)微生物代謝失調(diào)，導致微生物降解COD功能受限。尤其當電壓躍18V后，COD去除率下降趨勢更加明顯，可能是電壓升高導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，總體上導致處理效率急劇下降。電生物反應(yīng)器電壓為27V時，填料上的生物膜已嚴重流失，此時電化學氧化對COD的去除起主要作用。

上述分析表明，電壓為10V時電氧化反應(yīng)器處理效率最高，進水COD平均值為1588mg/L，COD平均去除率達83.62%，相對于僅微生物作用（電壓為0）和電化學為主要作用（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，分別對陰極板（MY1）、陽極板（MY2）兩側(cè)生物膜進行樣品采集，與0V時的生物膜（AC）共同進行高通量測序。細菌群落指數(shù)如表2所示。

如表2所示，經(jīng)PCR擴增和高通量測序后，3個微生物樣品獲得的有效序列數(shù)在35136~54895，在97%的相似度水平上對生物膜的有效序列進行多樣性分析，各樣本OUT分別為1274、1061、452。圖3、圖4分別為細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，測序條帶數(shù)量躍30000時，OUTs曲線末端趨于平緩，測序條帶數(shù)量躍5000時，Shannon指數(shù)稀釋曲線趨于飽和，說明測序深度能夠覆蓋細菌群落的多樣性。OUTs曲線表現(xiàn)出3個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，說明電場作用會導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個樣本在門水平上的分類學比對情況如圖5所示。

在門水平上，3個樣本共檢測出36個菌門。AC、MY1和MY2樣品中變形菌門（Proteobacteria）均為優(yōu)勢菌，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是化能有機營養(yǎng)菌門，可降解復(fù)雜有機物（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)雜有機污染物氧化為可被Bacteroidetes利用的中間產(chǎn)物，可能導致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)勢菌門，因此電-生物反應(yīng)器對處理含抗生素的廢水具有優(yōu)勢。

反應(yīng)器生物膜中Proteobacteria、Bacteroidetes和Firmicutes具有相對較高的豐度，對難降解有機物和抗生素可發(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%，這是因為Chloroflexi為厭氧生物，陽極電解水產(chǎn)生的O2抑制了Chloroflexi的生長和繁殖。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個樣品共檢測出601個菌屬，相對豐度如圖6所示。

由圖6可知，AC樣品中的主要優(yōu)勢菌屬為腐螺旋菌屬（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膠菌屬（Zoogloea）、弓形桿菌屬（Arcobacter）、Rivicola、不動桿菌屬（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時的微生物菌屬與電壓為0時的差異明顯，10V時陰陽極板兩側(cè)微生物菌屬發(fā)現(xiàn)Zoogloea對甲苯、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，由此可推測出Zoogloea；Sphaerotilus嚴格好氧，能利用多種有機物如醇、有機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可通過氧化作用將芳香烴開環(huán)裂解并利用。

電場和不同中間產(chǎn)物共同導致電-生物反應(yīng)器在10V時的微生物菌屬與0V時差異明顯，，同時陽極表面形成的高價態(tài)氧化物MOx+1會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來氧化有機物，因此產(chǎn)生不同中間產(chǎn)物，使微生物的營養(yǎng)源成分存在差異，而不同菌屬對營養(yǎng)源的攝取能力[不同，導致不同電壓下電-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COD去除率的影響。結(jié)果表明，電壓為10V時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83.62%，較電壓為0時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，可能是電場強化了微生物功能，同時電氧化的協(xié)助作用促進了污染物降解；電壓在10~27V，處理效率與電壓呈負相關(guān)關(guān)系，可能是過高的電壓降低了微生物活性，導致處理效率下降。

（3）電-生物反應(yīng)器為10V時陰、陽極板兩側(cè)生物膜和0V時生物膜的菌落多樣性呈現(xiàn)較大差異。陰陽極板周邊生物膜中的優(yōu)勢菌門為Proteobacte-ria、Bacteroidetes和Firmicutes，其對復(fù)雜有機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在極板周邊的相對豐度顯著提高，其對制藥廢水中醇類、甲苯、長鏈烴等物質(zhì)的去除起到重要作用，同時電-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單有機物和芳香烴。

（4）電氧化與生物降解的協(xié)同作用是提高對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，其對芳香烴、長鏈烴等物質(zhì)的降解，提高了對制藥廢水的降解效率，同時電化學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)對制藥廢水的處理效率更高。（來源：甘肅省黃河水環(huán)境重點實驗室，蘭州交通大學環(huán)境與市政工程學院）