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HRT对厌氧膜生物反应器处理含硒废水效能的影响研究

张高荣 ,  刘爽 ,  蒙智健 ,  彭逸香 ,  李茂炎 ,  蒋敏敏 ,  张媛媛

现代化工 ›› 2025, Vol. 45 ›› Issue (4) : 190 -196.

PDF (4481KB)
现代化工 ›› 2025, Vol. 45 ›› Issue (4) : 190-196. DOI: 10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2025.04.032
科研与开发

HRT对厌氧膜生物反应器处理含硒废水效能的影响研究

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Effects of HRT on performance of anaerobic membrane bioreactor in dealing with selenium-containing wastewater

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摘要

采用厌氧膜生物反应器(AnMBR)进行含硒废水处理,考察水力停留时间(HRT)对反应器处理效能和膜污染特征的影响及其作用机制。结果表明,该反应器在处理15.8 mg Se/L亚硒酸盐时的最佳水力停留时间为36 h,稳定后去除率可达99%以上。SEM-EDS及XRD分析结果表明,还原产物硒单质呈球状或棒状,微观结构呈不易被生物利用的六角形。微生物分析结果表明,反应后的主要优势菌为Acinetobacter、Brevundimonas、Rhizobium及Acidovorax,参与亚硒酸盐还原的主要功能酶包括DMSO还原酶、富马酸还原酶、亚硫酸盐还原酶、硝酸盐还原酶及谷胱甘肽还原酶。

Abstract

In this study,an anaerobic membrane bioreactor (AnMBR) is used for the treatment of selenium-containing wastewater.The impact of hydraulic retention time (HRT) on the treatment performance of AnMBR and membrane fouling characteristics as well as their underlying mechanism are investigated.It is found that the optimal HRT is 36 h for the reactor in treating with 15.8 mg Se/L selenite,in which the removal efficiency of selenite can exceed 99% after it runs stably.SEM-EDS and XRD analysis indicate that the bio-reduction product,Se0 particles,are in spherical or rod-like shapes with a hexagon micro-structure which is biologically stable.Microbiological analysis manifests that Acinetobacter,Brevundimonas,Rhizobium,and Acidovorax play a dominant role after treating with selenium-containing wastewater.Main functional reductases potentially involved in the reduction of selenite are those encoding DMSO reductase,fumarate reductase,sulfite reductase,nitrate reductase and glutathione reductase.

Graphical abstract

关键词

厌氧膜生物反应器(AnMBR) / 膜污染 / 水力停留时间(HRT) / 亚硒酸盐 / 含硒废水

Key words

anaerobic membrane bioreactor (AnMBR) / membrane fouling / hydraulic retention time (HRT) / selenite / selenium-containing wastewater

Author summay

张高荣(1998-),男,硕士生,研究方向为环境工程,。

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张高荣,刘爽,蒙智健,彭逸香,李茂炎,蒋敏敏,张媛媛. HRT对厌氧膜生物反应器处理含硒废水效能的影响研究[J]. 现代化工, 2025, 45(4): 190-196 DOI:10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2025.04.032

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硒是一种类金属硫族元素,广泛应用于冶金、玻璃、陶瓷、电子等工业制造以及药品、保健品等医疗食品领域[1]。近年来,伴随着我国相关产业的发展,含硒废水的排放量也在逐年增加,水体中的硒主要以硒酸盐($\mathrm{SeO}_4^{2-}$)和亚硒酸盐($\mathrm{SeO}_3^{2-}$)2种氧化态形式存在,总质量浓度高达13 200~74 000 μg Se/L,其中以$\mathrm{SeO}_3^{2-}$为主且毒性更高[2-3]。硒因其高毒性和强生物富集性,极易通过食物链累积,给包括人类在内的多种生物带来威胁,过量的硒可引发呼吸、胃肠道、心血管疾病和高血压[4]。因此,我国《污水排放标准(GB 8978—1996)》中规定城镇污水三级排放限值为0.5 mg Se/L。
与物理和化学方法相比,生物法除硒具有成本低、占地面积小、处理效率高等优点,使其更易推广应用[5⇓-7]。部分微生物可以通过同化或异化作用将氧化态硒还原,其主要还原产物为单质硒(Se0),Se0具有低毒性、不被生物利用且易于分离的特点[8]。目前,升流式厌氧污泥床(UASB)、流化床生物反应器(FBR)、逆流化床反应器(IFBR)、膜生物反应器(MBfR)及序批式反应器(SBR)等一系列反应器成功应用于含硒废水的处理[9]。然而,在这些生物反应器中,出水易伴随一定量的胶体或悬浮Se0,一方面导致出水质量下降、无法达标;另一方面由于氧化作用造成二次污染,威胁生态健康[2-3,10]。
厌氧膜生物反应器(AnMBR)因其高效的截留作用,可保留世代周期较长的微生物并截流出水中的悬浮Se0,在处理含硒废水方面应用潜力较大。然而目前相关研究较少,据报道,使用搭载PVDF平板膜组件的AnMBR,在固定水力停留时间(HRT)为24 h的条件下处理高盐度含硒废水(15.8 mg Se/L)时,$\mathrm{SeO}_3^{2-}$几乎被完全还原,但膜污染速率高达 1.72 kPa/d,PVDF膜组件在18 d内便达到膜污染终点(30 kPa),不利于反应器的长期稳定运行[11]。研究表明,适当的HRT是保证AnMBR持续稳定运行的关键[12]。其范围通常为2~48 h,较长的HRT有利于去除污染物并缓解膜污染,但会增加反应器的占地面积;较短的HRT会导致处理性能降低以及微生物代谢产物的积累,增加膜清洗频率[12⇓⇓-15]。因此,采用适当合理的HRT,对提高AnMBR反应器处理含硒废水效率、节约运行成本具有重要意义。
为此,笔者采用AnMBR进行模拟含硒废水处理,考察了不同HRT对反应器处理效能的影响,评价了不同阶段的膜污染情况,表征了微生物还原产物Se0的表观形貌及晶形结构,并分析了反应前后微生物群落结构及演替规律,为AnMBR处理含硒废水的实际应用提供了理论依据及技术支持。

1 材料与方法

1.1 材料

厌氧膜生物反应器(AnMBR)由方形有机玻璃制成,尺寸(长×宽×高)为5 cm×12 cm×21 cm,总容积为3.78 L,有效容积为3 L,反应器中搭载2个双面PVDF膜组件,总有效膜面积为0.048 m2,平均孔径为0.1 μm。
接种污泥取自广西桂林市某污水处理厂A2O工艺厌氧段,初始悬浮固体(MLSS)质量浓度为 10 g/L,反应器内设置机械搅拌桨使泥水混合均匀,污泥龄设为60 d,每天排放50 mL泥水混合液,整个实验过程中挥发性悬浮固体(MLVSS)质量浓度保持在6 g/L左右。模拟废水泵入反应器前通入氮气排氧10 min。反应器进水流量设置为1.04 mL/min。使用蠕动泵(BT101L,雷弗,中国)调节出水流速,保持每个阶段HRT恒定。反应器在室温下运行。

1.2 实验设计

本实验采用模拟废水,具体组成为(mg/L):Na2HPO4·2H2O(53)、KH2PO4(41)、NH4Cl(300)、CaCl2·2H2O(10)、MgCl2·6H2O(10)、NaHCO3(40)。目标污染物浓度为0.2 mmol/L Na2SeO3(15.8 mg Se/L),添加12 mmol/L乳酸钠(对应COD为1 049 mg/L)作为碳源及电子供体。微量元素添加体积分数为0.1 mL/L,具体组分见文献[16]。采用HCl或NaOH将进水pH调节至(7.0±0.1)。
采用长期实验探究不同HRT对反应器处理性能的影响,反应器运行分为I~Ⅳ四个阶段,HRT分别设置为48、36、24 h及12 h,对应膜通量分别为1.32、1.76、2.65 LMH及5.30 LMH,出水泵抽停比为10∶2,每个阶段均运行至反应器去除效果稳定或跨膜压差(TMP)达到30 kPa。短期实验探究了不同HRT对膜污染特征的影响,每个阶段的HRT与长期实验一致,不设置抽停比,运行至TMP达到30 kPa。

1.3 分析及测试方法

根据APHA标准方法测定MLSS、MLVSS浓度[17]。每天收集反应器的进出水,离心(10 000 r/min,10 min,4℃)、经0.22 μm膜滤过滤后保存样品。分别采用电感耦合等离子体原子发射光谱(ICAP RQ,ThermoScientific,美国)和总有机碳分析仪(TOC-l,Shimadz,日本)测定上清液中$\mathrm{SeO}_3^{2-}$和TOC浓度,并折算为相应COD浓度。长期实验的每个阶段结束后收集反应器内活性污泥,采用扫描电镜(SEM,Quanta450FEG,FEI,美国)和能谱仪(EDS,X-Max20,英国)检测污泥中Se0的形态特征和元素组成,利用X射线衍射(XRD,SmartLabSE,Rigaku,日本)分析Se0晶型。批次实验每个阶段结束后收集膜面污染物,根据文献[18]中所述方法提取可溶性微生物产物(SMP)和细胞外聚合物(EPS)。多糖采用蒽酮-硫酸法测定[19],蛋白质和腐殖酸采用修正的Folin-Lowry法测定[20]。

1.4 微生物分析

收集原始污泥与长期实验第Ⅱ阶段结束后的污泥样本,委托生工生物工程(上海)股份有限公司进行高通量测序分析。利用E.Z.N.A.土壤DNA试剂盒(Omega,M5635-02,美国)提取样品中总基因组DNA。利用Fastp(0.36版)评估测序数据的质量,使用DIAMOND(0.8.20版本)将基因集与KEGG数据库进行比较,获得基因的物种注释信息和功能注释信息。

2 结果与讨论

2.1 AnMBR运行效果

在长期实验中,AnMBR对$\mathrm{SeO}_3^{2-}$和COD的去除效果如图1所示。从图1中可以看出,在第Ⅰ阶段(HRT=48 h),污泥接种后即获得较高的$\mathrm{SeO}_3^{2-}$去除率(约为97%),表明接种污泥中有部分亚硒酸盐还原菌的存在;运行10 d后,出水$\mathrm{SeO}_3^{2-}$降至0.14~0.26 mg/L,去除率达99%左右,COD去除率从43%逐渐提升至75%。在第Ⅱ阶段(HRT=36 h),$\mathrm{SeO}_3^{2-}$去除率为96%~99%,COD平均去除率为52%。在第Ⅲ阶段,HRT从36 h下降至24 h,系统负荷也相应由0.44 mg Se/(L·h)提升至0.66 mg Se/(L·h),$\mathrm{SeO}_3^{2-}$的去除率先下降至79%,随后稳定在99%,COD平均去除率较上一阶段略微下降(49%)。在第Ⅳ阶段,由于反应器中硒还原微生物的富集,$\mathrm{SeO}_3^{2-}$的去除率保持在100%,然而该阶段跨膜压差迅速升高,在第5 d即达到了30 kPa以上,因此该阶段在运行5 d后结束。在HRT逐渐从48 h缩短至12 h的过程中,反应器$\mathrm{SeO}_3^{2-}$去除率虽出现短暂的波动,但可在几天内迅速恢复,表明该反应器具有良好的抗冲击性能;在每个阶段稳定后,出水中硒质量浓度均小于0.3 mg/L,符合我国《污水综合排放标准(GB 8978—1996)》三级出水标准(0.5 mg/L)。

2.2 膜污染评价

前述长期实验中,AnMBR运行15 d后只有第Ⅳ阶段达到膜污染终点,I~Ⅲ阶段TMP分别为6.54、9.36 kPa及11.36 kPa。因此,为了比较组间膜污染速率并分析滤饼层组分及含量,进一步设计了不设置抽停比的短期实验。短期实验中,TMP变化情况如图2所示,膜污染速率如表1所示。从图2、表1中可以看出,HRT越短,膜组件达到膜污染终点的时间越快,这与先前的研究结果一致[21]。当HRT为48 h时(对应膜通量为1.32 LMH),膜污染速率最低(2.52 kPa/d),随着HRT的降低膜污染速率逐渐增快;当HRT为12 h时(对应膜通量为5.30 LMH),跨膜压差在24 h内就达到了30 kPa,此时膜通量已经接近或者大于膜的临界通量,因而膜污染加剧,快速达到污染终点[22]。
短期实验每阶段结束时,提取膜面滤饼层中SMP及EPS,测定蛋白质、多糖及腐殖酸的质量浓度,结果如表2所示。从表2中可以看出,SMP中主要成分为蛋白质和多糖,而EPS以蛋白质和腐殖酸为主,且腐殖酸质量浓度显著高于SMP。当HRT由36 h缩短至12 h时,SMP、EPS总质量浓度及其中蛋白质质量浓度均呈现出下降趋势。当HRT缩短时,活性污泥中的粒子受到趋向于膜表面的拖曳力增加[23],导致膜孔快速堵塞。而当HRT延长至 48 h时,SMP及EPS中蛋白质质量浓度相较于36 h有所降低,此时由于有机物负荷过低,反应器内微生物生长需要消耗大量碳源,EPS发生水解作用转换为SMP,而SMP中的蛋白质被进一步水解为氨基酸及多肽,供异养微生物利用。目前普遍认为膜污染与SMP、EPS中的蛋白质及多糖质量浓度有关,但在本研究中,SMP及EPS并不是导致膜污染的决定性因素,其他因素如MLSS、絮体粒径以及微生物还原产物Se0都与膜污染密切相关,其内在机理还需进一步探索[24-25]。

2.3 微生物还原产物

长期实验每个阶段结束时,收集反应器中的污泥进行SEM-EDS表征,结果如图3所示。从图3中可以看出,第Ⅰ及第Ⅱ阶段结束时,还原产物硒单质呈球状,粒径分别约为0.55、1.30 μm。第Ⅲ及第Ⅳ阶段后呈棒状,长度分别约为1.22、2.06 μm。硒单质的形状变化在先前的研究中已有描述,随着时间变化硒纳米球会逐渐生长为硒纳米棒[26];粒径、长度的增长与硒单质的聚集和被微生物代谢物如SMP、EPS包裹有关[27-28],在EDS光谱图中,与第Ⅰ阶段相比,第Ⅱ阶段中Se0颗粒的Se原子质量分数升高;第Ⅲ及第Ⅳ阶段后,Se原子质量分数下降,C、O原子质量分数逐渐升高。同时产生的硒单质尺寸较常见生物源硒纳米颗粒(<500 nm)要大[29],这使其沉降性能更好,有利于从污泥中回收硒资源[7]。
分析了原始污泥及各阶段结束时污泥混合液的XRD谱图,探究微生物还原生成Se0的晶形结构,如图4所示。从图4可知,在原始污泥中未检出Se0,其衍射峰与SiO2(20.8、26.6、36.5、50.1、59.9°)对应[30],这是由于研磨过程中引入了SiO2颗粒。随着反应的进行,出现了Se0特征峰(23.5、29.7、41.3、43.6、48.0°),与XRD标准卡片对照发现,这种Se0为六方晶体结构(PDF#73-0465)[31]。此外,该特征峰在各阶段逐渐增强,在Ⅳ阶段结束时达到最高,表明Se0在反应器中逐渐积累。与非晶态Se0相比,这种六方晶体结构具有更强的热力学稳定性[32],有效避免在环境领域中被氧化为$\mathrm{SeO}_3^{2-}$,造成二次污染;另一方面,六方晶体结构具有密度高、生物质附着少、尺寸较等特性,有利于反应器中硒单质的回收再利用[33]。

2.4 微生物群落结构分析

通过宏基因组测序技术对原始污泥和第Ⅱ阶段污泥样品进行检测。利用Chao1、ACE、香农等指数对微生物群落丰富度和多样性进行评估,结果如表3所示。从表3中可以看出,样本覆盖率均大于0.99,表明测序结果可以反映样本的真实情况。Chao1和ACE指数代表微生物丰富度,香农指数和逆辛普森指数分别代表微生物多样性和群落多样性,在Ⅱ阶段末,微生物丰富度和多样性指数相较于原始污泥均有所下降,表明随着$\mathrm{SeO}_3^{2-}$的添加,对硒不耐受的微生物逐渐死亡,而耐受菌及功能菌逐渐增加富集。
对原始污泥和Ⅱ阶段结束后的活性污泥进行宏基因组序列分析,结果如图5所示。由图5(a)可知,在原始污泥中,Pseudomonadota(37.9%)、Bacteroidota(18.9%)、Chloroflexota(11.3%)、Actinomycetota(4.9%)、Nitrospirota(10.6%)、Acidobacteriota(7.7%)这6种细菌丰度较高,这些优势菌属均是污水处理厂生物处理系统中的常见菌属[34]。在处理含硒废水后,Bacteroidota相对丰度由18.9%下降至10.1%;Chloroflexota相对丰度由11.3%下降至8.6%;Nitrospirota相对丰度由10.6%下降至0.3%;Acidobacteriota相对丰度由7.7%下降至2.4%。Pseudomonadota由37.9%上升至56.1%;Actinomycetota相对丰度由4.9%上升至7.1%;此外Bacillota相对丰度由0.2%上升至9.2%,Pseudomonadota、Actinomycetota、Bacillota都是常见的硒还原菌门[2-3]。
从图5(b)中可以看出,微生物群落在属水平上的演化过程中,微生物群落结构发生了显著变化。原始污泥以Nitrospira(10.5%)、unclassified-Saprospiraceae(6.8%)、unclassified-Bacteroidota(4.9%)、unclassified-Dehalococcoidia(4.3%)和unclassified-Betaproteobacteria(3.9%)为主,处理含硒废水后以Acinetobacter(13.7%)、Brevundimonas(4.9%)、Rhizobium(3.6%)、unclassified-Chloroflexota-genus(3.3%)、unclassified-Bacteroidia-genus(3.3%)为主。Acinetobacter、Brevundimonas、Rhizobium、Acidovorax为反应后新增优势菌属,在先前的研究都曾报道过这4种菌属的除硒性能,其中Acinetobacter属的Acinetobacter sp.sW30细胞悬液和细胞蛋白可以将Se(Ⅳ)转化为Se0颗粒[35],Rhizobium sullae HCNT1能够在 50 mmol/L的亚硒酸盐环境中生存,并将亚硒酸盐还原为元素硒[36];目前尚无关于Brevundimonas与Acidovorax还原Se(Ⅳ)报道,但研究发现,Brevundimonas与Acidovorax在厌氧环境中具有利用铁载体代谢Se(Ⅵ)的能力[37],而含铁载体的细菌可降解四价硒[1],推测这2种菌属有降解Se(Ⅳ)的能力。而Nitrospira、unclassified-Saprospiraceae、unclassified-Bacteroidota、unclassified-Betaproteobacteria在反应后相对丰度明显下降(<1%),表明这4种菌属对氧化态硒耐受较低。

2.5 微生物硒代谢分析

$\mathrm{SeO}_3^{2-}$的还原是一个较为复杂的过程,可能有多种酶的参与,包括DMSO还原酶(SerA/PHGDH)、富马酸还原酶(Frd)、亚硫酸盐还原酶(Cys)、硝酸盐还原酶(Nir)和硫氧还蛋白还原酶(Trx)及谷胱甘肽还原酶(Gor)等[3,38]。其中,DMSO还原酶是典型的$\mathrm{SeO}_4^{2-}$还原酶,该还原酶在添加$\mathrm{SeO}_3^{2-}$时高度表达,在$\mathrm{SeO}_3^{2-}$还原中起关键作用,催化电子向$\mathrm{SeO}_3^{2-}$的运输[38-39];Enterobacter cloacae Z0206可以利用Frd将亚硒酸盐还原为Se0[40];Huang等[41]在以NADPH或NADH为电子供体的细胞质蛋白组分中检测到体外亚硒酸盐还原活性,利用蛋白质组学分析和关键酶活性测试证明了Cys介导的亚硒酸盐还原途径的存在;Thauera selenatis能够通过Nir同时还原亚硒酸盐和硝酸盐[42];当谷胱甘肽还原酶基因GorA被破坏时,Stutzeri TS44对Se(Ⅳ)的去除率显著降低,证实了GorA在$\mathrm{SeO}_3^{2-}$还原中起到的重要作用[43]。为了进一步探索AnMBR中参与$\mathrm{SeO}_3^{2-}$还原过程的酶,将原始污泥及第Ⅱ阶段结束后相关酶的相对丰度进行了分析,结果如图6所示。从图6中可以看出,进行含硒废水处理后,除TrxA的相对丰度有所降低外,SerA/PHGDH、FrdC、FrdD、CysI、CysJ、NirB及Gor的相对丰度均显著增加,与接种污泥相比分别提升了0.7‰、0.8‰、0.5‰、0.2‰、0.4‰、0.4‰,表明这几种酶在厌氧$\mathrm{SeO}_3^{2-}$还原中发挥了关键作用。

3 结论

(1)AnMBR对含硒废水(15.8 mg Se/L)具有良好的处理效果,当HRT在48~12 h范围内时,反应器运行稳定后出水中硒质量浓度均小于0.3 mg/L;最佳HRT为36 h,此时既能保证良好的除硒效率,又能保证相对较慢的膜污染速率,当HRT进一步缩短至24 h及12 h时,膜污染速率迅速增加,膜组件快速到达污染终点。
(2)微生物还原$\mathrm{SeO}_3^{2-}$的产物硒单质主要为球状或棒状,微观结构呈不易被生物利用的六方晶体结构,能有效防止被再次氧化为溶解态硒,避免造成二次污染。
(3)微生物分析表明,进行含硒废水的处理后主要优势菌为Acinetobacter(13.7%)、Brevundimonas(4.9%)、Rhizobium(3.6%)及Acidovorax(2.9%),参与硒还原的功能酶主要包括DMSO还原酶、富马酸还原酶、亚硫酸盐还原酶、硝酸盐还原酶及谷胱甘肽还原酶。

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基金资助

广西自然科学基金项目(2024GXNSFBA010299)

广西科技基地和人才专项(桂科AD20297007)

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