多相芬顿催化剂表面生物膜对去除双酚A的影响及其微生物群落表征

张泽宇, 鲁智礼, 张堯, 石宝友, 张丽丽, 徐硕, 胡春, 王海波. 多相芬顿催化剂表面生物膜对去除双酚A的影响及其微生物群落表征[J]. 环境工程学报, 2020, 14(12): 3372-3380. doi: 10.12030/j.cjee.202002093
引用本文: 张泽宇, 鲁智礼, 张堯, 石宝友, 张丽丽, 徐硕, 胡春, 王海波. 多相芬顿催化剂表面生物膜对去除双酚A的影响及其微生物群落表征[J]. 环境工程学报, 2020, 14(12): 3372-3380. doi: 10.12030/j.cjee.202002093
ZHANG Zeyu, LU Zhili, ZHANG Yao, SHI Baoyou, ZHANG Lili, XU Shuo, HU Chun, WANG Haibo. Effects of the surface biofilms of heterogeneous Fenton catalyst on the bisphenol A removal and the characterization of its bacterial community[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2020, 14(12): 3372-3380. doi: 10.12030/j.cjee.202002093
Citation: ZHANG Zeyu, LU Zhili, ZHANG Yao, SHI Baoyou, ZHANG Lili, XU Shuo, HU Chun, WANG Haibo. Effects of the surface biofilms of heterogeneous Fenton catalyst on the bisphenol A removal and the characterization of its bacterial community[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2020, 14(12): 3372-3380. doi: 10.12030/j.cjee.202002093

多相芬顿催化剂表面生物膜对去除双酚A的影响及其微生物群落表征

    作者简介: 张泽宇(1995—),男,硕士研究生。研究方向:水和废水处理技术。E-mail:1185359187@qq.com
    通讯作者: 王海波(1981—),男,博士,副研究员。研究方向:微污染水体控制技术。E-mail:hbwang@rcees.ac.cn
  • 基金项目:
    国家重点研发计划项目(2016YFA0203204);国家自然科学基金资助项目(51878654,51838005);中国科学院前沿科学重点研究项目(QYZDY-SSW-DQC004);国家水体污染控制与治理科技重大专项(2017ZX07108,2017ZX07501-002)
  • 中图分类号: X703.1

Effects of the surface biofilms of heterogeneous Fenton catalyst on the bisphenol A removal and the characterization of its bacterial community

    Corresponding author: WANG Haibo, hbwang@rcees.ac.cn
  • 摘要: 为了分析经长期运行的多相芬顿催化柱上生物膜的群落结构特征及其对双酚A去除的影响,利用中试实验对多相芬顿催化降解天然有机物(NOM)进行了为期200 d的跟踪检测,并利用小试实验对比研究了在有无生物膜以及催化柱不同位置上的生物膜对多相芬顿反应去除双酚A的影响效果。同时采集了多相芬顿催化柱不同位置的催化剂样品,对样品表面的生物膜群落结构、微生物量、代谢活性以及胞外多聚物(EPS)进行了系统的表征。结果表明:多相芬顿对NOM有很好的去除效果,而且生物膜的形成使得对双酚A的去除率可提高到36%~39%;此外,催化柱生物膜上微生物群落存在相似性,其中层和下层相似度更高;上层生物膜中微生物以赫山单胞菌属(Herminiimonas)和慢生根瘤菌属(Bardyrhizobium)为主,而中层和下层生物膜中微生物以Reyranella菌属和生丝微菌属(Hyphomicrobium)为主;随着微生物群落的变化,中试催化柱由上层到下层生物量有所增加,微生物代谢活性增强,可分泌更多的EPS,这可能是生物膜特别是下层生物膜提高对双酚A去除效果的主要原因。以上研究结果证实,多相芬顿技术是一种很有应用前景的去除微量污染物的实用技术。
  • 近年来,集中收集-卫生填埋已成为我国城市生活垃圾的主要处理处置方式[1]。然而,垃圾填埋会产生大量高氨氮、低C/N的垃圾渗滤液,由于其高浓度的氨氮和复杂的有机物组成将对水体环境和人体健康带来严重影响和危害,因此,对于这类废水的处理已成为研究焦点和难点[2]

    目前,短程硝化反硝化耦合厌氧氨氧化(anaerobic ammonia oxidation, ANAMMOX)工艺已成功应用于多种低碳氮比(C/N)的高氨氮废水处理,如垃圾渗滤液、养殖废水及味精加工废水脱氮[3-6]。与常规硝化-反硝化工艺相比,短程硝化反硝化-ANAMMOX工艺可节省60%的需氧量,且ANAMMOX工艺无须外加碳源,是一种高效低耗、运行成本低廉的废水生物脱氮技术[7-8]。但是,理论上,ANAMMOX细菌将1 mol NH+4-N和1.32 mol NO2-N转化为N2的同时,会生成0.26 mol硝态氮,约占反应总氮的10%(如式(1)所示),造成出水中硝态氮浓度较高,总氮超标[9]。因此,使用短程硝化反硝化-ANAMMOX工艺处理垃圾渗滤液,无法达到我国2008年新修订并实施的《生活垃圾填埋场污染控制标准》[10]中规定的垃圾渗滤液处理厂出水排放标准(NH4+-N≤25 mg·L−1、TN≤40 mg·L−1)。

    NH+4+1.32NO2+0.066HCO31.02N2+0.26NO3+0.66CH2O0.5N1.5+2.03H2O (1)

    垃圾填埋场填埋气中含有大量硫化氢气体,垃圾渗滤液中硫化物含量也会随着垃圾填埋时间的增加而增加[11]。以深圳某垃圾填埋场为例,填埋场产气量为35 000 m3·h−1,其中,硫化氢气体浓度为150~300 mg·L−1。近年来,以硫化物(H2S/HS/S2−)作为电子供体的硫自养反硝化(sulfur-driven autotrophic denitrification, SAD)脱氮技术受到广泛关注,SAD生物脱氮过程无需外加碳源,可以有效去除水中NOx-N污染物,同时硫化物被转化为氧化态硫酸盐,且对下游水厂或水环境不会造成不良影响[12-13]。SAD技术已逐步开始应用于低负荷的水体环境修复[14]、生活污水深度处理[15]、水产养殖废水处理[16]和海水冲厕水处理[17]等。目前,对硫自养反硝化的研究比较深入,已具备一定的理论基础[18-20]。因此,利用SAD技术应用于垃圾渗滤液处理,既能解决异养反硝化脱氮中有机碳源(电子供体)不足的问题,又能实现对垃圾填埋气中硫化氢气体无害化处理并回收电子,避免空气污染的同时又节省了填埋气脱硫成本。本研究在实现短程硝化反硝化-ANAMMOX工艺处理垃圾渗滤液稳定运行的基础上,进一步耦合SAD反应器,构建了两级自养脱氮深度处理工艺,并探究了其工艺效能。

    本研究实验装置和反应器照片见图1,反应器均由有机玻璃制成。短程硝化反硝化反应器(SBR)内径18 cm、有效高度33 cm、有效容积3 L。ANAMMOX反应器为向上流厌氧污泥床反应器(UASB),内径6 cm、有效高度40 cm、有效容积1 L。SAD反应器为向上流厌氧污泥床反应器(UASB),内径6 cm、有效高度80 cm、有效容积2 L。

    图 1  实验装置示意图及反应器照片
    Figure 1.  Schematic diagram and pictures of experimental equipment

    本研究所用垃圾渗滤液取自深圳市某垃圾填埋场,水质见表1。在SAD反应器启动阶段,进水为人工模拟废水,主要试剂为九水合硫化钠(Na2S·9H2O)、硝酸钾(KNO3)、磷酸二氢钾(KH2PO4)、碳酸氢钠(NaHCO3)、氯化镁(MgCl2),均为分析纯。在SAD反应器运行阶段,进水为ANAMMOX反应器处理垃圾渗滤液的出水。

    表 1  垃圾渗滤液水质
    Table 1.  Characteristic of landfill leachate
    pH COD/(mg·L−1) -N/(mg·L−1) -N/(mg·L−1) -N/(mg·L−1) 碱度/(mg·L−1)
    8.3~8.8 4 000~5 000 2 300~2 700 <5 <50 10 000~13 000
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    短程硝化反硝化反应器接种污泥取自深圳市某垃圾渗滤液处理厂AO工艺曝气池;ANAMMOX反应器污泥为本实验室培养驯化好的污泥;SAD反应器接种污泥取自广州市某生活污水处理厂二次沉淀池。SAD反应器启动阶段,逐步提高反应器进水中硝态氮的负荷,启动过程中运行条件见表2。SAD反应器成功启动后串联至短程硝化反硝化-厌氧氨氧化工艺(见图1),实现对垃圾渗滤液的深度脱氮。3个反应均在室温下运行,短程硝化反硝化反应器以进水-搅拌-沉淀-出水-静置的方式运行,处理垃圾渗滤液的负荷为2 L·d−1;ANAMMOX与SAD反应器均以连续流进水方式运行(外回流比均为3),水力停留时间(hydraulic retention time, HRT)分别为3 h和6 h,垃圾渗滤液(调节后)处理负荷均为8 L·d−1

    表 2  SAD反应器启动过程中运行条件
    Table 2.  Operation conditions during start-up of SAD reactor
    阶段 运行时间/d HRT/h 进水流量/(L·d−1) 氮负荷/(kg·(m3·d)−1) 硫负荷/(kg·(m3·d)−1)
    I 0~30 24 2 0.07 0.14
    II 31~70 12 4 0.14~0.18 0.28~0.36
    III 71~115 5 9.6 0.43~0.56 0.86~1.12
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    各项指标测定方法均按照已有的方法[21]。采集进出水水样经0.45 μm滤膜过滤后,分别采用纳氏试剂法、N-(1-萘基)乙二胺分光光度法和紫外分光光度法测定样品中的NH+4-N、NO2-N和NO3-N;水中SO24SO23S2O23离子浓度采用离子色谱仪(IC-AS23阴离子检测器,DIONEX ICS-900)检测;溶解性硫化物H2S/HS/S2−采用亚甲基兰分光光度法检测;COD采用哈希DRB200快速消解仪测定;碱度采用五点滴定法;实验过程中,定期取反应器中均匀混合的污泥,测定MLSS、MLVSS;pH、温度采用便携式pH计(FG2-FK,METTLER TOLEDO)进行测定。

    本研究中使用了已经稳定运行的短程硝化反硝化-ANAMMOX反应器,并对其进行了参数优化[22];短程硝化反硝化反应器中参与硝化反应的菌属Nitrosomonas(AOB)得到富集,Nitrospira(NOB)的丰度下降至<0.01%,保证了反应器中高效的亚硝化率[22-23]。如图2(a)所示,通过控制曝气时间(22.7 h)和DO浓度(≤0.5 mg·L−1)实现垃圾渗滤液短程硝化,同时消耗垃圾渗滤液中可生物降解的有机碳,为后续厌氧氨氧化脱氮提供了保障。在进水垃圾渗滤液TN为2 560 mg·L−1时,50%~60%的NH+4-N被转化为NO2-N,短程硝化反硝化反应器出水NH+4-N为1 013.6 mg·L−1NO2-N为1 206.3 mg·L−1NH+4-N与NO2-N的平均浓度比例为1∶1.21,说明短程硝化反硝化反应器中AOB为优势菌属 [22-23]。短程硝化反硝化反应器出水NO3-N基本维持稳定,平均浓度为247.8 mg·L−1,反硝化脱氮92.2 mg·L−1。短程硝化反硝化反应器出水符合厌氧氨氧化反应对NH+4-N与NO2-N比例的要求[24]。本研究通过人工配水培养驯化的ANAMMOX颗粒污泥呈橙红色,平均粒径为762 μm(如图1所示)。由图2(b)可知,厌氧氨氧化反应器进水中NH+4-N与NO2-N平均浓度分别为259.2 mg·L−1和275.1 mg·L−1,进水总氮为500~600 mg·L−1;通过厌氧氨氧化反应,NH+4-N与NO2-N的去除率为91.6%和94.9%,ANAMMOX反应器出水NH+4-N和NO2-N平均浓度分别21.9 mg·L−1和14.0 mg·L−1。短程硝化反硝化-ANAMMOX系统TN的平均去除率为93.1%,出水TN=176.3 mg·L−1。但是,由于厌氧氨氧化反应本身会将约10%的进水TN生成NO3-N,使得ANAMMOX出水TN>170 mg·L−1。其中,NOx-N=154.5 mg·L−1,造成短程硝化反硝化-ANAMMOX工艺处理垃圾渗滤液出水未能达到国家规定的排放标准(GB 16889-2008)(TN≤40 mg·L−1)。因此,本研究采用硫化物作为电子供体,通过SAD脱氮技术,对短程硝化反硝化-ANAMMOX工艺出水进行深度脱氮。

    图 2  短程硝化反硝化-ANAMMOX反应器脱氮效果
    Figure 2.  Performance of the partial nitrification-denitrification-ANAMMOX reactor on nitrogen removal

    本研究采用人工配水启动SAD反应器,通过逐步提高SAD反应器进水中NO3-N的负荷,使反应器内微生物能适应高负荷的含氮废水。为了探究SAD反应器的脱氮能力,启动期间,将进水pH控制在7.6~7.8之间,实验启动过程根据HRT的不同分为为3个阶段(表2)。阶段I(0~30 d)是污泥筛选的重要阶段,如图3所示,通过提高进水硫化物浓度,氮去除率达99%。该阶段使反应器中异养菌减少,硫自养菌进一步富集。在阶段II(31~70 d)中,将HRT缩短至12 h,当SAD反应器氮去除率稳定在90%以上时,将进水NO3-N浓度由70 mg·L−1逐步提升至90 mg·L−1,避免了高浓度NO3-N对反应器的冲击,反应器进水氮负荷由0.14 kg·(m3·d)−1提升至0.18 kg·(m3·d)−1。在第71天,将进水NO3-N浓度提升到100 mg·L−1,并且HRT由12 h缩短至5 h,氮负荷提升至0.43 kg·(m3·d)−1,出水中NO3-N和NO2-N平均浓度分别保持在1.5 mg·L−1和4.2 mg·L−1,TN去除率保持在94%左右。在100~115 d内,进水NO3-N浓度由100 mg·L−1提升至130 mg·L−1, 反硝化率略有降低。研究中发现,SAD反应器经过115 d的启动和运行,当HRT为5 h、进水NO3-N浓度为100 mg·L−1、S/N质量比率为2时,氮去除率为94%;同时,SAD反应器中出水中的硫代硫酸盐和硫化物浓度均在0.1 mg·L−1以下,出水硫酸盐浓度会随着不同阶段进水硫化物浓度的改变而变化,其中约64.2%的硫化物转化为硫酸盐(部分生成硫单质),硫化物去除率为100%。

    图 3  硫自养反硝化反应器启动及运行
    Figure 3.  Start-up and operation of SAD reactor

    将短程硝化反硝化-ANAMMOX与SAD反应器进行耦合,形成短程硝化反硝化-ANAMMOX-SAD两级自养深度脱氮反应系统(图1),其脱氮效果如图4所示。SAD反应器通过调节池调节ANAMMOX出水pH为7.6~7.8,利用ANAMMOX反应器出水提供的NO3-N与NO2-N作为电子受体、投加的硫化物作为电子供体进行硫自养反硝化反应。根据启动期间SAD反应器的氮去除负荷,设置HRT为6 h,设置S/N质量比率为2。由图4(a)图4(d)图4(g)可知,通过控制短程硝化反硝化反应器的曝气时间和DO浓度,使进水中50%~60%的NH+4-N被转化为NO2-N,NH+4-N与NO2-N的浓度比例为(1∶1)~(1∶1.4)。由图4(c)图4(f)图4(i)可知,在进水NH+4-N、NO2-N、NO3-N平均浓度分别为4.2、3.6、88.5 mg·L−1时,SAD反应器出水NO3-N平均浓度为9.7 mg·L−1NO3-N平均去除率为89.3%,出水NO2-N平均浓度为0.6 mg·L−1。短程硝化反硝化-ANAMMOX耦合SAD反应器在连续64 d处理垃圾渗滤液的过程中,SAD反应器稳定运行,出水水质稳定。由图4(b)图4(e)图4(h)可知,ANAMMOX反应器运行过程中,进水NO3-N平均浓度为97.8 mg·L−1,出水NO3-N增加为140.5 mg·L−1。ANAMMOX进出水NH+4-N、NO2-N浓度会有些许波动,主要是由于短程硝化反硝化反应器溶解氧浓度波动导致,溶解氧会促进亚硝化细菌(NOB)的生长,导致厌氧氨氧化反应底物的不足(NO2-N不足),从而影响脱氮效率[25]

    图 4  短程硝化反硝化-ANAMMOX-SAD工艺进出水中NH+4-N、NO2-N、NO3-N浓度的变化
    Figure 4.  Change of NH+4-N, NO2-N, NO3-N concentrations in influent and effluent along the partial nitrification-denitrification-ANAMMOX-SAD process

    本研究采用了短程硝化反硝化-厌氧氨氧化(ANAMMOX)-硫自养反硝化(SAD)工艺,通过两级自养反硝化实现了垃圾渗滤液深度脱氮。将启动成功的SAD反应器与短程硝化反硝化-ANAMMOX反应器串联,通过基于硫化物的自养反硝化去除了ANAMMOX产生的NOx-N,提高了整体工艺的总氮去除率,出水水质达到《生活垃圾填埋场污染控制标准》氮排放标准(TN≤40 mg·L−1)。在目前处理垃圾渗滤液脱氮的同类研究中,普遍难以实现垃圾渗滤液的深度脱氮[26-27],而本研究在无需投加高成本碳源的情况下,实现了垃圾渗滤液的高效、深度脱氮处理。

    1)短程硝化反硝化-ANAMMOX工艺处理垃圾渗滤液脱氮效果较好,总氮去除负荷可达1.19 kg·(m3·d)−1,总氮去除率可达93.1%。但工艺出水中NO3-N浓度为140.5 mg·L−1(TN=176.3 mg·L−1),无法达到(GB 16889-2008)中规定的垃圾渗滤液处理厂出水排放标准。

    2)SAD反应器成功启动,反应器进水氮负荷为0.43 kg·(m3·d)−1,氮去除率为94%,硫化物去除率为100%,实现了反应器中硫自养反硝化菌的富集。

    3)短程硝化反硝化-ANAMMOX-SAD工艺出水TN均值<12 mg·L−1、TN去除率达到99.5%、总氮去除负荷达到0.85 kg·(m3·d)−1,实现了处理垃圾渗滤液的深度脱氮。同时,垃圾填埋场中的硫化氢气体以回收与再循环的方式为本工艺提供硫源,这为硫化氢气体的去除提供了新思路。

  • 图 1  中试装置流程图

    Figure 1.  Schematic of pilot equipment

    图 2  多相芬顿催化柱运行期间进出水DOC的变化

    Figure 2.  Changes of DOC in influents and effluents during the running process of the heterogeneous Fenton column

    图 3  不同起始浓度下双酚A的去除率

    Figure 3.  Removal rate of bisphenol A at different initial concentrations

    图 4  基于Unweighted Unifrac距离的UPGMA聚类树

    Figure 4.  UPGMA cluster tree based on Unweighted Unifrac distance matrix

    图 5  不同微生物在属水平上相对丰度

    Figure 5.  Relative abundance of different bacteria at genus level

    图 6  生物膜总细菌基因拷贝数和EPS中多糖及蛋白质含量

    Figure 6.  Gene copies of total bacteria and concentration of polycarbonate and proteins in EPS of biofilm

  • [1] JOHNSON A C, KELLER V, DUMONT E, et al. Assessing the concentration and risks of toxicity from the antibiotics ciprofloxacin, sulfamethoxazole, trimethoprim and erythromycin in european rivers[J]. Science of the Total Environment, 2015, 511: 747-755. doi: 10.1016/j.scitotenv.2014.12.055
    [2] WANG H, HU C, LIU L, et al. Interaction of ciprofloxacin chlorination products with bacteria in drinking water distribution systems[J]. Journal of Hazardous Materials, 2017, 339: 174-181. doi: 10.1016/j.jhazmat.2017.06.033
    [3] YE Z, WEINBERG H S, MEYER M T. Trace analysis of trimethoprim and sulfonamide, macrolide, quinolone, and tetracycline antibiotics in chlorinated drinking water using liquid chromatography electrospray tandem mass spectrometry[J]. Chemosphere, 2007, 79(3): 1135-1144.
    [4] JIA S, SHI P, HU Q, et al. Bacterial community shift drives antibiotic resistance promotion during drinking water chlorination[J]. Environmental Science & Technology, 2015, 49(20): 12271-12279.
    [5] GUO Y, WANG H, WANG B, et al. Prediction of micropollutant abatement during homogeneous catalytic ozonation by a chemical kinetic model[J]. Water Research, 2018, 142: 383-395. doi: 10.1016/j.watres.2018.06.019
    [6] IKE I A, LEE Y, HUR J. Impacts of advanced oxidation processes on disinfection byproducts from dissolved organic matter upon post-chlor(am)ination: A critical review[J]. Chemical Engineering Journal, 2019, 375: 121929. doi: 10.1016/j.cej.2019.121929
    [7] FAN C, HORNG C Y, LI S J. Structural characterization of natural organic matter and its impact on methomyl removal efficiency in Fenton process[J]. Chemosphere, 2013, 93: 178-183. doi: 10.1016/j.chemosphere.2013.05.027
    [8] WANG W, ZHANG X, WU Q, et al. Degradation of natural organic matter by UV/chlorine oxidation: Molecular decomposition, formation of oxidation byproducts and cytotoxicity[J]. Water Research, 2017, 124: 251-258. doi: 10.1016/j.watres.2017.07.029
    [9] ZHAO L, CHEN Y, LIU Y, et al. Enhanced degradation of chloramphenicol at alkaline conditions by S(II) assisted heterogeneous Fenton-like reactions using pyrite[J]. Chemosphere, 2017, 188: 557-566. doi: 10.1016/j.chemosphere.2017.09.019
    [10] ZHANG Y, CHEN Z, ZHOU L, et al. Heterogeneous Fenton degradation of bisphenol A using Fe3O4@β-CD/rGO composite: Synergistic effect, principle and way of degradation[J]. Environmental Pollution, 2019, 244: 93-101. doi: 10.1016/j.envpol.2018.10.028
    [11] HOU X J, HUANG X P, JIA F, et al. Hydroxylamine promoted goethite surface Fenton degradation of organic pollutants[J]. Environmental Science & Technology, 2017, 51(9): 5118-5126.
    [12] XIE Z R, WANG C X, YIN L W. Nickel-assisted iron oxide catalysts for the enhanced degradation of refractory DDT in heterogeneous Fenton-like system[J]. Journal of Catalysis, 2017, 353: 11-18. doi: 10.1016/j.jcat.2017.03.024
    [13] 吕来, 胡春. 多相芬顿催化水处理技术与原理[J]. 化学进展, 2017, 29(9): 981-999. doi: 10.7536/PC170552
    [14] YAO J Y, QU R J, WANG X H, et al. Visible light and fulvic acid assisted generation of Mn(III) to oxidize bisphenol A: The effect of tetrabromobisphenol A[J]. Water Research, 2020, 169: 115273. doi: 10.1016/j.watres.2019.115273
    [15] TAGHIZADEH T, TA0LEBIAN-KIAKALAIEH A, JAHANDAR H, et al. Biodegradation of bisphenol A by the immobilized laccase on some synthesized and modified forms of zeolite Y[J]. Journal of Hazardous Materials, 2020, 386: 121950. doi: 10.1016/j.jhazmat.2019.121950
    [16] LYU L, ZHANG L L, WANG Q Y, et al. Enhanced fenton catalytic efficiency of γ-Cu-Al2O3 by σ-Cu2+-ligand complexes from aromatic pollutant degradation[J]. Environmental Science & Technology, 2015, 49: 8639-8647.
    [17] 刘小琳, 刘文君, 金丽燕, 等. 北京市给水管网管壁微生物膜群落[J]. 自然科学版, 2008, 48(9): 78-81.
    [18] 鲁智礼, 张堯, 黄俊亮, 等. 多相芬顿-活性炭工艺强化饮用水消毒效果[J]. 环境工程学报, 2019, 13(4): 792-799. doi: 10.12030/j.cjee.201812123
    [19] MA X, VIKRAM A, CASSON L, et al. Centralized drinking water treatment operations shape bacterial and fungal community structure[J]. Environmental Science & Technology, 2017, 51(13): 7648-7657.
    [20] WANG H B, HU X X, HU C. Effects of chlorine and pipe material on biofilm development and structure in a reclaimed water distribution system[J]. Water Science and Technology: Water Supply, 2012, 12(3): 362-371. doi: 10.2166/ws.2012.005
    [21] XING X C, WANG H B, HU C, et al. Effects of phosphate-enhanced ozone/biofiltration on formation of disinfection byproducts and occurrence of opportunistic pathogens in drinking water distribution systems[J]. Water Research, 2018, 139: 168-176. doi: 10.1016/j.watres.2018.03.073
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-02-18
  • 录用日期:  2020-05-19
  • 刊出日期:  2020-12-10
张泽宇, 鲁智礼, 张堯, 石宝友, 张丽丽, 徐硕, 胡春, 王海波. 多相芬顿催化剂表面生物膜对去除双酚A的影响及其微生物群落表征[J]. 环境工程学报, 2020, 14(12): 3372-3380. doi: 10.12030/j.cjee.202002093
引用本文: 张泽宇, 鲁智礼, 张堯, 石宝友, 张丽丽, 徐硕, 胡春, 王海波. 多相芬顿催化剂表面生物膜对去除双酚A的影响及其微生物群落表征[J]. 环境工程学报, 2020, 14(12): 3372-3380. doi: 10.12030/j.cjee.202002093
ZHANG Zeyu, LU Zhili, ZHANG Yao, SHI Baoyou, ZHANG Lili, XU Shuo, HU Chun, WANG Haibo. Effects of the surface biofilms of heterogeneous Fenton catalyst on the bisphenol A removal and the characterization of its bacterial community[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2020, 14(12): 3372-3380. doi: 10.12030/j.cjee.202002093
Citation: ZHANG Zeyu, LU Zhili, ZHANG Yao, SHI Baoyou, ZHANG Lili, XU Shuo, HU Chun, WANG Haibo. Effects of the surface biofilms of heterogeneous Fenton catalyst on the bisphenol A removal and the characterization of its bacterial community[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2020, 14(12): 3372-3380. doi: 10.12030/j.cjee.202002093

多相芬顿催化剂表面生物膜对去除双酚A的影响及其微生物群落表征

    通讯作者: 王海波(1981—),男,博士,副研究员。研究方向:微污染水体控制技术。E-mail:hbwang@rcees.ac.cn
    作者简介: 张泽宇(1995—),男,硕士研究生。研究方向:水和废水处理技术。E-mail:1185359187@qq.com
  • 1. 华北水利水电大学环境与市政工程学院,郑州 450045
  • 2. 中国科学院生态环境研究中心,中国科学院饮用水科学与技术重点实验室,北京 100085
  • 3. 中国科学院大学,北京 100049
  • 4. 广州大学环境研究院,广州 510006
基金项目:
国家重点研发计划项目(2016YFA0203204);国家自然科学基金资助项目(51878654,51838005);中国科学院前沿科学重点研究项目(QYZDY-SSW-DQC004);国家水体污染控制与治理科技重大专项(2017ZX07108,2017ZX07501-002)

摘要: 为了分析经长期运行的多相芬顿催化柱上生物膜的群落结构特征及其对双酚A去除的影响,利用中试实验对多相芬顿催化降解天然有机物(NOM)进行了为期200 d的跟踪检测,并利用小试实验对比研究了在有无生物膜以及催化柱不同位置上的生物膜对多相芬顿反应去除双酚A的影响效果。同时采集了多相芬顿催化柱不同位置的催化剂样品,对样品表面的生物膜群落结构、微生物量、代谢活性以及胞外多聚物(EPS)进行了系统的表征。结果表明:多相芬顿对NOM有很好的去除效果,而且生物膜的形成使得对双酚A的去除率可提高到36%~39%;此外,催化柱生物膜上微生物群落存在相似性,其中层和下层相似度更高;上层生物膜中微生物以赫山单胞菌属(Herminiimonas)和慢生根瘤菌属(Bardyrhizobium)为主,而中层和下层生物膜中微生物以Reyranella菌属和生丝微菌属(Hyphomicrobium)为主;随着微生物群落的变化,中试催化柱由上层到下层生物量有所增加,微生物代谢活性增强,可分泌更多的EPS,这可能是生物膜特别是下层生物膜提高对双酚A去除效果的主要原因。以上研究结果证实,多相芬顿技术是一种很有应用前景的去除微量污染物的实用技术。

English Abstract

  • 目前,国内外普遍在水源水体中检测到了不同种类的微量污染物[1-2]。这些微量污染物经过传统水处理工艺包括混凝、沉淀、过滤很难有效去除[3-4]。因此,高级氧化工艺如催化臭氧、紫外过氧化氢、紫外氯联合、芬顿等对微量污染物的强化去除方面的研究成为热点[5-8]

    多相芬顿技术作为高级氧化技术的一种,与活性炭工艺联用不仅可以去除水中天然有机物,还可以去除水中的有机农药、抗生素、内分泌干扰物等难降解的微量污染物,降低由微量污染物导致的水体毒性[9-12]。与其他深度处理技术相比,其不需要增加光、声、电等辅助设施,通常对温度和压力无要求,故具有非常广阔的应用前景[13]

    双酚A作为一种微量污染物,会影响人的内分泌系统,目前,对其降解的相关研究较多,除了化学法之外,也有采用微生物方法对其进行降解的研究[14-15]。在本研究中,首先以工业化合成的多相芬顿催化剂建立了多相芬顿催化柱,在北京某水厂进行了多相芬顿催化对天然有机物(NOM)的降解去除研究。在经过200 d运行后,通过对催化柱不同位置的催化剂进行取样,利用小试实验考察了生物膜对不同浓度双酚A去除效果的影响,最后为了分析生物膜的作用,对催化剂表面生物膜群落结构等进行了表征。本研究结果表明多相芬顿技术是一种很有应用前景的去除微量污染物的实用技术。

    • 中试装置建在北京市某自来水厂实验基地内,装置采用的水处理工艺流程包括混凝-沉淀-砂滤-多相芬顿催化氧化-活性炭过滤,装置流程如图1所示。本研究所使用的多相芬顿催化剂以氧化铝小球为载体,以铜、钴等化合物为主要成分,并以吨级规模工业合成(目前尚未商品化生产),LYU等[16]对该类催化剂已有较多的研究报道。多相芬顿催化柱流量30 L·min−1、水力停留时间为15 min、投加过氧化氢量为0.15 mmol·L−1、活性炭柱流量为30 L·min−1、水力停留时间为15 min、反冲周期为7 d。

    • 由于该水厂原水中没有检测到双酚A的存在,而且考虑到在水厂中人为添加微量污染物实验排水会影响环境,因此,在中试现场对水体中NOM进行了为期200 d的去除研究,同时考察了对消毒副产物和致病微生物控制效果,相关的研究结果[17]已发表。芬顿催化柱高度为4.0 m,经过长时间运行之后,在芬顿催化柱上、中、下层(柱高分别为3.6、1.8和0.5 m处)分别取适量材料,之后在实验室进行双酚A去除的小试研究。把上、中、下3层催化剂材料分别填装,共填装6根小柱(柱子尺寸40 mm×30 cm):3根小柱分别装填上、中、下3层的多相芬顿催化剂,另外3根小柱装填上、中、下3层经过超声振荡并清洗后无生物膜的多相芬顿催化剂。

      实验分别在2种条件下运行,一种配制进水双酚A浓度为10 μg·L−1,运行条件与中试相同,停留时间为15 min;另一种条件配制进水双酚A浓度为5 mg·L−1、停留时间为40 min。2种实验条件分别连续运行7 d,并于第2、4和6天取样,分析2种条件下双酚A的去除率,且考察了生物膜对双酚A去除效果的影响。

    • 中试实验流程进水采用水厂水源水经预氯化后水,经检测水质如下:温度为(20±2) ℃、浊度为3.0 NTU、DOC为(3.5±0.6) mg·L−1、pH=7.6~8.6、硬度为80~126 mg·L−1(以CaCO3计)、碱度为75~126 mg·L−1(以CaCO3计)、其他各种离子(2~3 mg·L−1 NO3-N、4~8 mg·L−1 Cl、0.2~0.5 mg·L−1 F、21~36 mg·L−1SO24)。

    • 水中溶解性有机碳 (DOC) 采用TOC分析仪(TOC-VCPH,SHIMADZU, Japan)。H2O2浓度利用辣根过氧化氢酶采用分光光度法分析。

      在进行催化剂上生物膜采样时,首先把催化剂进行冷冻干燥然后称取一定量的催化剂利用灭菌棉签擦拭催化剂表面,并用磷酸盐缓冲溶液(PBS)进行冲洗,然后把棉签和磷酸盐缓冲溶液一起进行超声震荡,收集PBS溶液[17]。催化柱上中下层出水各采集1 L溶液。上、中、下3层出水及生物膜各取样3个,分别标记为生物膜上层(RS1.1、RS1.2、RS1.3),生物膜中层(RS2.1、RS2.2、RS2.3),生物膜下层(RS3.1、RS3.2、RS3.3),上层出水(RS4.1、RS4.2、RS4.3),中层出水(RS5.1、RS5.2、RS5.3)和下层出水(RS6.1、RS6.2、RS6.3)。

      把溶液过0.45 µm聚碳酸酯膜,然后用Fast DNA spin kit for soil(Qbiogene,Solon,OH)试剂盒进行DNA基因提取。利用7300实时荧光定量聚合酶链式反应系统仪器(7300 Real Time PCR System)分析检测总细菌(16S rRNA),用于表征催化剂表面的微生物量。同时基于IonS5TMXL测序平台,利用单端测序方法构建小片段文库进行单端测序。通过对Reads剪切过滤,OTU(operational taxonomic units)聚类,β多样性分析采用算术均值的非加权配对平均法(unweighted pair-group method with arithmetic mean, UPGMA)聚类分析。最后根据16S测序数据进行基于KEGG数据库的功能预测。

      对传统的热提取方法进行了优化,以提取生物膜中微生物的胞外多聚物(EPS),具体步骤参照文献中的方法[18]。然后用Folin苯酚比色法测定EPS中的蛋白质,以牛血清白蛋白为标准物质。用苯酚硫酸比色法测定EPS中的多糖,以葡萄糖为标准物质,并使用三维荧光(EEM)对EPS进行成分分析。

      低浓度双酚A首先利用固相萃取柱进行浓缩,然后利用超高效液相色谱四极杆-飞行时间质谱联用仪(UPLC-Q-TOF-MS,ACQUITY UPLC/Xevo G2 Q-TOF,Waters)。

    • 多相芬顿催化柱中试实验连续运行200 d,运行周期内多相芬顿催化柱进出水溶解性有机碳(DOC)变化如图2所示。砂滤出水(多相芬顿催化柱进水)的DOC为(3.12±0.51) mg·L−1,经过多相芬顿催化剂处理后DOC值降低至(1.96±0.49) mg·L−1,在相同运行时间条件下比砂滤出水降低了42%~63%。由图2可以看出,多相芬顿催化柱对NOM有很好的去除效果。另外,在中试运行120 d以后,多相芬顿出水DOC出现稳中有降的趋势,这可能与生物膜的形成有关。

    • 为了分析生物膜对芬顿催化剂去除双酚A的影响,我们对上、中、下3层具有不同生物膜的催化剂材料分别进行了小试实验。根据国家标准《生活饮用水卫生标准》(GB 5749-2006)中生活饮用水水质参考指标及限值规定,饮用水中双酚A浓度不得高于10 µg·L−1,因此,我们选择此浓度为低浓度进行研究。图3反映了不同起始浓度下双酚A的降解率。如图3(a)所示,在停留时间仍然为15 min且在不加H2O2的条件下,低浓度(10 µg·L−1)双酚A在无生物膜的上、中、下3层催化剂中的去除率分别为24.9%、27.6%和28.3%,而在有生物膜的上、中、下3层催化剂上去除率分别为36.0%、37.4%和37.8%。该结果说明,上、中、下3层催化剂洗去生物膜后,对双酚A去除效果基本相同,而具有不同生物膜群落组成的上、中、下3层催化剂对其去除效果也基本相同。但是,有生物膜的催化剂明显比没有生物膜的催化剂去除效果更好。

      除了低浓度双酚A,本研究还进行了高浓度5 mg·L−1双酚A的去除实验,由于其浓度较高,控制停留时间为40 min,结果如图3(b)所示。与低浓度双酚A的实验结果类似,有生物膜的催化剂比没有生物膜催化剂对双酚A的去除率较高,而且有生物膜的催化剂从上层到下层其对双酚A的去除能力有逐渐增强趋势,在下层中对双酚A的去除率达到了39%。

      因此,在中试条件下,控制多相芬顿催化柱流量30 L·min−1,水力停留时间为15 min,投加过氧化氢量为0.15 mmol·L−1,冲洗周期为7 d的条件下,多相芬顿催化柱表面形成的生物膜影响了小试过程中双酚A的去除,使得双酚A去除率有所提高,同时发现,随着停留时间的延长,下层生物膜影响较大。

    • 1)微生物群落多样性。根据实验分析方法描述,对催化柱上中下3层进行生物膜和出水中微生物采样分析,图4为6组样品的所有平行样,共18个,在微生物门水平(phylum level)上对其多样性基于进化序列差异(unweighted unifrac)距离矩阵进行的UPGMA聚类树分析。由图4可以看出,生物膜和水中微生物各自聚类在一起,这说明生物膜和水中微生物存在差别。有研究[19]表明,过滤过程中生物膜对其出水中微生物存在决定作用,该结果上层出水与生物膜相似性高,中下层出水与生物膜差别大,这可能是由于H2O2从催化剂底部投加,中、下层为H2O2初始反应阶段,产生的羟基自由基对水体中微生物生长影响较大。另外,中层生物膜RS2.1、RS2.2、RS2.3和下层生物膜RS3.1、RS3.2、RS3.3聚类在一起,相似度较高,与上层生物膜有一定差别,该结果同样说明,随着反应不断进行,H2O2浓度有搜降低,从而影响了生物膜群落组成。有研究[20]表明,加氯消毒过程对微生物群落结构影响较大,该结果也说明,多相芬顿反应投加H2O2能够影响微生物群落结构组成。

      2)微生物群落组成。为了进一步分析生物膜及出水中微生物群落组成,对生物膜及出水微生物在属水平上相对丰度在前10的微生物进行作图分析(每组样品3个平行样取平均值作图),如图5所示。通过对比分析发现,上层生物膜RS1中赫山单胞菌属(Herminiimonas)、慢生根瘤菌属(Bardyrhizobium)、鞘氨醇盒菌属(Sphingopyxis)和旱杆菌属(Aridibacter)4种微生物菌属较多,其对应的相对丰度分别为23.9%、20.5%、8.5%和7.3%。中层生物膜RS2中这4种菌属分别降低至2.1%、5.6%、0.3%和0.06%,下层生物膜RS3这4种微生物菌种降低至2.2%、6.3%、0.3%和0.2%。但是在中层RS2和下层RS3生物膜中Reyranella菌属和生丝微菌属(Hyphomicrobium)含量明显升高。RS2中相对丰度分别为12.2%和3.1%,RS3中分别为19.4%和4.7%。另外,催化柱上、中、下3层出水微生物变化较大,在上层出水RS4中鞘氨醇单胞菌属(Sphingomonas)、水杆菌属(Aquabacterium)、赫山单胞菌属(Herminiimonas)和慢生根瘤菌属(Bardyrhizobium)相对丰度较高。中层出水RS5中Aquicella和生丝微菌属(Hyphomicrobium)相对丰度较高。下层出水RS6中赫山单胞菌属(Herminiimonas)、慢生根瘤菌属(Bardyrhizobium)、柄杆菌属(Caulobacter)相对丰度高。结果表明,相比于生物膜,不同层出水中微生物群落组成变化较大。另外,投加H2O2是从催化柱下面投加,H2O2接触到催化剂表面生成羟基自由基(∙OH)对有机物进行降解并灭活微生物,随着反应进行从下层到上层H2O2浓度逐渐降低。因此,生物膜中赫山单胞菌属(Herminiimonas)、慢生根瘤菌属(Bardyrhizobium)、鞘氨醇盒菌属(Sphingopyxis)和旱杆菌属(Aridibacter)相对丰度从下层到上层逐渐增加,但是芬顿催化柱中层和下层生物膜群落组成相似,其中,Reyranella菌属和生丝微菌属(Hyphomicrobium)含量明显比上层高。

      3)微生物功能分析。根据测序样品在数据库中的功能注释及丰度信息,从功能查阅层面进行聚类分析。其中,微生物功能分析包括细胞过程、环境信息处理、遗传信息处理、关于人类疾病、新陈代谢、有机系统、无法归类和无功能共8种。在环境信息处理和新陈代谢方面,中层和下层催化剂生物膜的微生物功能更强。以上结果说明,受周围环境H2O2和有机物浓度的影响,中层和下层催化剂生物膜的微生物表现出更强的代谢能力。

      通过对生物膜上微生物16S rRNA进行定量分析,发现下层微生物总细菌含量最多,微生物基因拷贝数高达8个对数量级;中层其次,上层最少,分别为7.8个和7.7个对数量级(图6(a))。由对催化剂表面生物膜上胞外多聚物EPS表征结果可以看出,在中、下层的生物膜上微生物EPS中蛋白质含量较高,分别高达624.3 ng·g−1和642.8 ng·g−1(图6(b))。

      因此,中试过程中从催化柱下部投加H2O2溶液,起始投加量为5 mg·L−1,随着反应的进行,从下到上的H2O2浓度逐渐降低,出水H2O2浓度为0.45 mg·L−1。随着催化柱从下到上H2O2浓度变化及其对有机物的降解,多相芬顿催化柱上、中、下3层出水中微生物群落组成变化较大,但是生物膜上微生物群落存在相似性,其中,中层和下层相似度高。上层生物膜中微生物以赫山单胞菌属(Herminiimonas)和慢生根瘤菌属(Bardyrhizobium)为主,而中层和下层生物膜中微生物以Reyranella菌属和生丝微菌属(Hyphomicrobium)为主。另外,中层和下层生物膜中微生物量相比上层多,代谢能力强,生物膜上微生物分泌的EPS多,蛋白质含量高,微生物吸附性能有所增强[21],这可能会影响催化柱对天然有机物和微量污染物的去除。小试实验结果证明,生物膜的形成影响了对双酚A的去除。在停留时间为15 min时,有生物膜的催化柱明显比没有生物膜的催化柱对10 µg·L−1双酚A的去除率高,但对于有生物膜的上、中、下层,其对双酚A的去除率差别不大。当停留时间在40 min后,有生物膜的催化柱比没有生物膜的催化柱对5 mg·L−1双酚A去除率要高,而且下层对双酚A的去除率最高,可能与下层生物膜中Reyranella菌属和生丝微菌属(Hyphomicrobium)含量较高有关。

      在多相芬顿催化体系中,H2O2除了与释放到溶液中的少量金属离子发生链反应外,主要与催化剂发生界面反应,多相芬顿反应需要高活性的催化剂,其可提高H2O2的利用率[13]。本研究结果表明,在多相芬顿催化柱运行过程中,很难避免生物膜的形成,而对于微量污染物双酚A,生物膜可以提高对其的去除效果。但是,生物膜对不同种类和浓度的污染物去除的影响还需要进行深入的研究和探索,从而更好的优化运行多相芬顿催化柱,以便能尽早的解决实际问题。另外,建议今后要深入开展生物膜对芬顿反应去除不同微量污染物的影响研究。

    • 1)多相芬顿催化柱在中试运行过程中对天然有机物表现出良好的去除效果,而实验过程中形成的生物膜可提高对双酚A的去除率。在无生物膜条件下,多相芬顿反应对双酚A的去除率低于30%,而在生物膜形成后,对双酚A的去除率可提高到36%~39%。

      2)通过对催化柱上生物膜进行表征,发现催化柱生物膜上微生物群落存在相似性,其中,中层和下层相似度高。上层生物膜中微生物以赫山单胞菌属(Herminiimonas)和慢生根瘤菌属(Bardyrhizobium)为主,而中层和下层生物膜中微生物以Reyranella菌属和生丝微菌属(Hyphomicrobium)为主。

      3)随着生物膜上微生物群落组成的变化,多相芬顿催化柱由上层到下层生物膜上生物量有所增加,微生物代谢活性增强,从而分泌更多的胞外多聚物,这可能是有生物膜的催化柱特别是下层催化柱可更好地去除双酚A的主要原因。

    参考文献 (21)

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