1、第 41 卷 第 3 期2023 年 5 月 广西师范大学学报(自然科学版)Journal of Guangxi Normal University(Natural Science Edition)Vol.41 No.3May 2023DOI:10.16088/j.issn.1001-6600.2022040403http:覃容华,宿程远,陆欣雅,等.Cr()浓度对 MFC-颗粒污泥耦合体系运行效能及微生态的影响J.广西师范大学学报(自然科学版),2023,41(3):242-254.QIN R H,SU C Y,LU X Y,et al.Effects of Cr()concentratio
2、n on the performance and microecology of MFC-granularsludge coupling systemJ.Journal of Guangxi Normal University(Natural Science Edition),2023,41(3):242-254.Cr()浓度对 MFC-颗粒污泥耦合体系运行效能及微生态的影响覃容华1,2,宿程远1,2,陆欣雅2,陈政鹏2,周一杰2,先云川2(1.珍稀濒危动植物生态与环境保护教育部重点实验室(广西师范大学),广西 桂林 541006;2.广西师范大学 环境与资源学院,广西 桂林 541006)摘
3、 要:Cr()在水体环境中的污染不容忽视,探讨高效处理含 Cr()废水具有重要意义。本文建立了微生物燃料电池(MFC)-颗粒污泥耦合处理含 Cr()废水体系,考察了 Cr()浓度变化对该体系运行效能及微生态的影响。实验结果表明:当进水 Cr()浓度达到 80 mg/L 时,该体系对 COD 的去除率与 Cr()生物还原率分别达到 92.71%和99.70%;循环伏安法(CV)显示其具有明显的还原峰,电化学阻抗谱(EIS)表明随着进水 Cr()浓度的增加,电荷转移内阻逐渐减小;进水 Cr()浓度增大到 100 mg/L 时,辅酶 F420活性最低为 0.026 20.000 2 mmol/g,I
4、NT-ETS 活性明显下降,仅为5.200.23 g/(mgh);X 射线光电子能谱特征峰结合能表明其主要由 Cr2O3和Cr(OH)3组成;高通量测序分析表明,该体系中的优势菌群为 Chloroflexi 和 Proteobacteria,进水 Cr()浓度增大至 100 mg/L,属水平的优势菌群由以Methanothrix、Methanobacterium 等产甲烷菌为主转变为以电活性细菌 Geobacter 和共养菌属 Syntrophobacter 为主,其最大相对丰度分别为 21.24%、4.28%、5.60%和 6.22%,表明增大 Cr()浓度会改变 MFC-颗粒污泥耦合体系中
5、的微生物群落结构,Cr()可通过微生物菌群之间的联营机制进行还原。关键词:铬酸盐还原;MFC-颗粒污泥耦合体系;电化学性能;微生物群落中图分类号:X703.1 文献标志码:A 文章编号:1001-6600(2023)03-0242-13铬及其化合物作为工业生产中重要的原材料,在电镀、冶炼、毛皮与制革、金属加工等行业有广泛应用,造成大量的含铬废水进入到生态系统中1。Cr()是国际公认的致癌重金属之一,也被我国列为严格控制的第一类污染物2。Cr()容易通过食物链进行生物蓄积富集,对人体健康和生态环境造成严重危害1,3。含铬废水由于具有高毒性、难生物降解性、强生物迁移性、对人体危害大等特性,因此,其
6、有效处理一直受到人们的广泛关注。含铬废水常规处理方法有吸附法、膜分离法、离子交换法、化学沉淀法、电化学还原法等4,主要通过固定 Cr()或将有毒的 Cr()还原成毒性、流动性和溶解性更低的 Cr()的方式,达到处理含铬废水的目的5。生物处理技术是依靠植物和微生物(如细菌、真菌)之间的相互协同,采用不同生物方式(生物吸附、生物富集、生物还原等)处理含铬废水的方法。与传统含铬废水处理技术相比,生物处理技术具有经济、安全和环保的优点。微生物燃料电池(MFC)是一种生物电化学系统,可同时用于废水处理与生物发电。在相关研究中,MFC 还原 Cr()大多发生在阴极,即利用阳极产生的质子和从外电路传递过来的
7、电子与作为电子受体的 Cr()进行还原反应6,而研究在阳极上进行 Cr()还原的较少。在 Mu 等7进行人工湿地结合 MFC 去除 Cr()和产电的研究中,显示大多数 Cr()离子转化为 Cr()沉淀并固定在阳极层中,进一步证明 Cr()也可在阳极电化学与微生物作用下还原为 Cr()。同时有研究 MFC 与厌氧颗收稿日期:2022-04-04 修回日期:2022-05-05基金项目:国家自然科学基金(52060003);广西师范大学交叉培育项目(2021JC009)通信作者:宿程远(1981),男,广西师范大学教授,博士。E-mail:http:粒污泥耦合,厌氧颗粒污泥具有丰富的微生物群落,可
8、用作 MFC 阳极“生物催化剂”,从而提高 MFC 的性能;此外,废水经厌氧生物处理后其出水中含有溶解性甲烷,甲烷可充当电子供体与碳源被微生物利用来驱动 Cr()的生物还原8-9,为实现溶解性甲烷的利用和 Cr()的生物还原创造了条件。当前 MFC 与厌氧颗粒污泥耦合多用于探索强化生物脱氮等10-11,而对于 MFC 与厌氧颗粒污泥耦合体系去除 Cr()的过程及微生物群落代谢机制仍缺乏系统研究。鉴于此,本文通过构建 MFC-颗粒污泥耦合体系,探讨不同进水 Cr()浓度对该耦合体系中有机物去除效能、生物还原 Cr()去除效率和电化学性能的影响,并对该体系中污泥的理化性质与微生物群落结构进行研究,
9、从而为含 Cr()废水的高效处理提供新思路。1 材料与方法1.1 实验装置与过程实验装置如图 1 所示,该耦合体系由厌氧阳极室、好氧阴极室、外电阻和质子交换膜(PEM)等组成,总容积为 7.00 L,厌氧阳极室为厌氧折流板(ABR)反应器改良,由 4 个格室组成,每个格室中均置入碳刷作为阳极;好氧阴极室则为一组好氧生物槽(5 号格室),置入与阳极碳刷对应的 4 个碳布作为阴极,并配备用于阴极曝气的气泵。厌氧阳极室和好氧阴极室通过质子交换膜分隔,并通过金属钛丝连接,反应器的每个格室在外部电路中均以 1 000 电阻运行,形成电流回路10。废水处理过程为:人工模拟废水经蠕动泵由反应器下部进水口进入
10、厌氧阳极室,依次经过厌氧段各格室处理后由 4 号格室出水口流出并进入好氧阴极室继续处理,最终由阴极室上部出水口排出。实验根据进水 Cr()浓度的不同分为 5 个阶段,分别设置进水 Cr()浓度为 10、20、50、80 和 100 mg/L,水力停留时间为 24 h。图 1 实验装置示意Fig.1 Schematic diagram of experimental equipment1.2 接种污泥与进水水质本实验中厌氧阳极室接种污泥取自桂林市某啤酒厂厌氧发酵罐中的厌氧颗粒污泥和桂林某湿地深层的底泥(接种混合比例为 5 1),混合污泥的混合液悬浮固体(MLSS)浓度为 32 g/L,混合液挥发
11、性悬浮固体(MLVSS)与 MLSS 比值为 0.75,接种量为各格室有效容积的 2/3。阴极室的好氧污泥取自桂林市某污水处理厂循环式活性污泥工艺(CASS)池,接种量约占阴极室有效容积的 1/3,挥发性悬浮固体(VSS)浓度为 0.40 g/L。实验过程中,配制不同浓度的含 Cr()废水作为反应器的进水,采用 CH3COONa 作为外加碳源,COD浓度保持在 9001 200 mg/L,进水中的 Cr()以 K2Cr2O7的形式添加。1.3 分析方法COD 采用快速消解分光光度法测定,Cr()则采用二苯碳酰二肼分光光度法测定。循环伏安法(CV)和电化学阻抗谱(EIS)均采用电化学工作站(CH
12、I660E,上海辰华)的三电极工作体系测定。采用Agilent 7890A 气相色谱仪(HP-PLOT/Q 气相色谱柱,火焰离子化检测仪)测定液相中的溶解性甲烷浓342广西师范大学学报(自然科学版),2023,41(3)度9。辅酶 F420活性采用紫外-可见分光光度法测定,每个格室取样 20 mL 混合污泥并用生理盐水洗涤 3次,即反复在 6 000 r/min 的状态下离心 10 min,弃去上清液;随后向污泥中加入 30 mL 生理盐水,将混合液置于 90 水浴加热 20 min,离心弃去上清液;进而将污泥与乙醇充分混合(体积比为 1 2.5)并于6 000 r/min离心 10 min,
13、取上清液用 4 mol/L NaOH 将 pH 值调至 13.5,最后于 420 nm 处测定上清液的吸光度12。采用 INT(2-(对碘苯基)-3-(对硝基苯基)-5-苯基四唑氯)测定污泥微生物的电子传递体系(ETS)活性,相关测定方法参看文献13。将收集的各格室污泥样品使用 EscaLab 250Xi X 射线光电子能谱仪表征分析 Cr()生物还原后的价态。实验周期结束后对从反应器各格室中收集到的污泥样品进行预处理,以 E.Z.N.ATMMag-Bind Soil DNA Kit 提取试剂盒提取 DNA,而后对提取样本 DNA 的 16S rRNA 基因目标区域进行聚合酶链式反应(PCR)
14、扩增。PCR 扩增分为两轮,第一轮使用 Miseq 2300 bp 测序平台扩增 区 域 V3-V4 中 的 常 用 引 物 341F(序 列 F:CCTACGGGNGGCWGCAG)和 805R(序 列 R:GACTACHVGGGTATCTAATCC)来扩增细菌;第二轮则引入 Illumina 桥式 PCR 兼容引物进行扩增14。随后使用 MiSeq Illumina 测序平台测序,所得测序结果用于分析 Cr()浓度对该体系中微生物物种组成和相对丰度的影响,最后利用 PICRUSt 预测微生物的代谢功能。2 结果与讨论2.1 污染物去除效果分析2.1.1 Cr()浓度对 COD 去除效能的影
15、响首先分析 Cr()浓度对该体系去除 COD 的影响,结果如图 2 所示。2040608010000.20.40.60.81.01.21.4E!K(!K(tdCOD gL 110 mg/L Cr()20 mg/L Cr()50 mg/L Cr()80 mg/L Cr()100 mg/L Cr()0306090120CODK(/%图 2 不同 Cr()浓度对体系中 COD 去除效能的影响Fig.2 Effects of different Cr()concentrations on COD removal efficiency in the system由图 2 可知,进水 Cr()浓度为 10
16、 mg/L 和 20 mg/L 时,体系对 COD 的去除保持较高效率,厌氧段COD 平均去除率分别达到 95.48%和 98.17%,厌氧段的出水再经好氧段进一步处理,其 COD 去除率提高到 96.96%和 99.00%。随着 Cr()浓度的增大,COD 的去除效率出现下降,80 mg/L Cr()时,厌氧段COD 去除率为 76.67%,好氧段 COD 去除率为 92.71%;进水 Cr()浓度增大至 100 mg/L 时,COD 去除率出现严重抑制,厌氧段去除率仅为 34.57%,好氧段去除率则为 46.00%。这说明随着 Cr()浓度的增大,开始抑制微生物的活性并对其产生毒害作用,因此反应器对 COD 去除效率呈现下降。Cheng 等15通过序批式反应器(SBR)研究 Cr()对 COD 去除性能的影响,当 Cr()进水浓度达到 25 mg/L 时,COD 去除率由 93.6%降低到 59.1%。本研究中 MFC-颗粒污泥耦合体系在 Cr()进水浓度达到 80 mg/L 时,COD的去除效果依然明显,表明该体系在去除有机物方面显示出一定的良好性能。2.1.2 Cr()浓度对
