O3-BAC深度处理石化废水厂尾水特性及菌群结构分析

　石油化工废水(石化废水)种类繁多、成分复杂、污染物浓度较高、部分有机物具有生物或环境毒性、可生化性较差且水质水量波动大, 属于较难处理的工业废水, 对环境污染十分严重.石化废水处理厂尾水可生化性较差, 主要为结构复杂、难被生物降解, 且具有一定的生物毒性的有机污染物.目前我国对环境保护日渐重视, 其中天津市《城镇污水处理厂水污染物排放标准》(DB 12599-2015)将COD排放浓度限值定为30 mg ·L-1.由此可见, 亟需开发适当的深度处理技术, 通过提升二级处理工艺的效能以提高出水水质, 来满足排放要求.

　　石化废水处理厂尾水中对COD贡献较大的多为含不饱和键、难被生物降解的有毒有机物以及部分溶解性微生物产物, 这些物质具有很强的环境毒性.直接采用传统的生化深度处理工艺, 如曝气生物滤池等, 很难有效大幅度提高出水水质.目前主要的石化废水深度处理技术包括:超滤-反渗透、混凝-沉淀-过滤[7]、Fenton氧化、O3氧化和活性炭吸附等.采用超滤-反渗透工艺对石化废水进行深度处理, 出水水质好, 但是成本较高; 混凝-沉淀-过滤工艺具有技术成熟、原理简单、可操作性强和成本低, 但工艺对溶解性有机物处理效果有限, 易造成二次污染; Fenton氧化工艺具有反应迅速、氧化彻底、所需构筑物简单和占地面积小等特点, 然而, Fenton工艺在研究过程中通常都需要通过投加化学药剂调节处理废水的pH, 不仅增加了工艺的复杂性, 同时也提高了处理成本. O3具有极强的氧化性能, 既具有将一些小分子有机物直接矿化, 还具有能将环烷烃类、长链醛酮类、长链酯类等难降解大分子物质降解为毒性小的小分子有机物, 从而有效地提高石化尾水的可生化性.虽然O3氧化特性明确、技术成熟, 但是由于O3在水处理中利用率较低, 且其氧化性能有限, 无法将石化废水中难降解有机物完全矿化为CO2和H2O, 致使必须加大用量才能有效降低污染物浓度, 导致处理成本较高, 因此在大多数情况下, O3更适宜与生化处理技术配合使用, 以达到进一步去除石化废水中有机物的目的. O3-BAC工艺是先利用臭氧的氧化作用将难降解有机物氧化成易被微生物利用的有机物, 再利用BAC单元生物活性炭进行吸附及微生物降解, 共同去除有机污染物的物化-生化处理工艺.该工艺具有吸附作用强、去除效率高、成本低及操作简单等优点, 在废水深度处理工艺中已被广泛引用.

　　尽管近年来对于O3-BAC工艺研究已逐渐成熟, 但对于O3-BAC工艺深度处理石化尾水的机制探讨还不够深入, 尤其是对于O3氧化前后对BAC单元的微生态环境的影响研究得还不多.基于以上研究背景, 本实验以华北某石化企业污水处理厂尾水作为研究对象, 采用O3-BAC工艺进行污水处理厂尾水的深度处理.分别从O3氧化前后水质变化特性及分子生物学角度分析O3-BAC工艺深度处理石化尾水机制.同时, 探讨了O3氧化前后水质变化对BAC单元微生态环境影响, 以期为O3-BAC工艺用于石化废水尾水深度处理提供理论依据和技术支持.

　　1 材料与方法
   1.1 中试实验装置及运行参数

　　整体实验装置主要由两个工艺组成, 分别是BAC工艺和O3-BAC工艺, 装置示意图如图 1所示.通过两个工艺对比分别考察了O3氧化对石化尾水中污染物特征及BAC单元中微生态环境的影响.其中, O3发生器选用3S-A10型O3发生器(北京同林科技有限公司), 以氧气作为气源, O3产量很大为10 g ·L-1, 进气流量为1 L ·min-1. O3浓度测定仪选用3S-J5000型气态O3浓度测定仪(北京同林科技有限公司). O3接触柱及O3缓冲柱主体材质均为有机玻璃, 有效高度均为2.5 m, 内径均为200 mm, O3接触柱底部设置钛合金O3曝气盘. O3尾气由内部填充有活性炭的破坏器分解破坏. BAC柱主体材质为有机玻璃, 填料为石油化工专用果壳活性炭(冀北燕山活性炭有限公司), 粒径2~4 mm, 活性炭层有效高度为2.5 m, 内径为200 mm.前期实验优化了O3投加量、停留时间及生物活性炭柱运行条件分别为: O3接触时间为40 min, O3投加量为20 mg ·L-1, BAC单元空床停留时间为1.5 h.

　　图 1

 

1.进水水箱; 2.提升泵; 3.O3浓度测定仪; 4.O3发生器; 5.O3接触柱; 6.O3缓冲柱; 7.流量计; 8.BAC柱; 9.O3尾气破坏器; 10.出水水箱图 1 实验装置示意

　　1.2 实验用水

　　本实验用水为华北某石化综合污水处理厂净化车间生化处理尾水, 该净化车间的设计运行能力为1.32万m3 ·d-1, 进水主要为炼油常减压电脱盐废水, 车间污水处理主要工艺是二级气浮-二级曝气工艺, 出水基本满足《石油化学工业污染物排放标准》(GB 31571-2015)的要求.实验进水水质如表 1所示.

　　表 1 实验装置进水水质

 

　　1.3 分析方法

　　GC-MS测试方法:水样预处理采用李文锦的研究方法, 之后经GC-MS联用仪定性分析(Agilent 7890A-5975C, 美国安捷伦科技有限公司), 所测得图谱与NIST质谱图数据库进行对比获得样品信息.毛细色谱柱采用HP-5 MS型.升温程序为:初始温度60℃保持3 min, 以8℃ ·min-1的速率升温至300℃, 保持3 min, 共计36 min; 溶剂延迟时间: 6 min; 进样口温度: 260℃; 载气:高纯氦气(>99.999%); 载气流速: 0.7 mL ·min-1, 分流比1 :1;进样量: 1 μL; 检测器温度:300℃; 质谱电离方式为电子轰击源; 离子源温度: 230℃, 四级杆温度: 150℃, EI源为70 eV, 扫描所示.此外, 经GC-MS分析, 水中含有烃类和脂肪酸类等物质22种.

　　溶解性有机物相对分子量截留分布:采用Models 8050超滤杯(美国Millipore公司), 超滤杯有效容积50 mL, 有效过滤面积1.77×10-3 m2, 内置磁力搅拌装置, 采用压力为0.1 MPa高纯氮气加压.将水样调至中性, 经0.45 μm滤膜过滤, 滤后水样依次经截留相对分子量分别为100×103、30×103、10×103、5×103和1×103的Millipore新型再生纤维素膜, 采用并联方式超滤.分别测定各组分的NPOC, 以各组分NPOC占未超滤组分NPOC的百分比确定各组分的质量分数.

　　菌群结构分析: BAC填料上生物膜(0.5 g)的菌群结构基于16S rDNA基因的V3~V4区DNA序列PCR扩增与高通量测序技术进行分析, 所用扩增引物分别为338F(ACTCCTACGGGAGGCAGCAG)和806R(GGACTACHVGGGTWTCTAAT)(北京奥维森基因科技有限公司)[12].使用Usearch软件(版本8.1.1831)进行OTU聚类, 聚类标准为97%相似, 基于前述OTU聚类结果, 调用Mothur软件(版本1.30.1), 计算各个样品Shannon指数、Chao1指数、ACE指数、Simpson指数、盖度.采用RDPclassifier软件(版本2.12)将前述各样品合格序列进行物种分类操作, 阈值设置为0.8, 低于该阈值的分类结果被划归为unclassified一类.分类完成后采用自写perl脚本统计各物种门和属比例并绘制柱状图.

　　其他分析方法: O3发生器产气及O3尾气的浓度利用3S-J5000型气相O3浓度检测仪在线测定(测量范围0.001~800 mg ·L-1, 精度0.001 mg ·L-1), O3柱出水中的O3浓度采用FIX550-DO3-W型液相O3浓度检测仪测定(测量范围0.5~20 mg ·L-1, 精度0.01 mg ·L-1), 两种仪器在测试前先通过碘量法[13]进行校准; COD采用重铬酸钾法测定(HJ 828-2017); UV254采用分光光度法测定(GB/T 5750.11-2006); NPOC采用TOC-L分析仪测定(HJ 501-2009); TN采用凯氏定氮法(HJ 717-2014); NH4+-N采用纳氏试剂分光光度法(GB 7479-87); BOD5采用稀释接种法(GB 7488-1987); pH采用玻璃电极检测法(GB/T 6920-1986).

　　2 结果与讨论2.1 COD及UV254的去除

　　为解决单纯O3氧化矿化度不高, 中间产物致使出水COD浓度较高的问题, 在O3氧化预处理单元后连接BAC单元. O3氧化后生成的小分子更易被活性炭吸附, 并很终由附着在其上的微生物所降解, 此外活性炭层还具有一定的过滤作用, 既具备化学氧化的有效性, 又有生物处理的经济性. O3-BAC工艺对石化污水处理厂尾水COD及UV254去除的影响如图 2所示.

　　图 2

 

图 2 O3-BAC工艺对COD及UV254的去除情况

　　由图 2(a)可知, 进水COD浓度在40 mg ·L-1左右, O3预处理单元出水COD浓度约32 mg ·L-1, 经过O3处理单元的处理, COD约去除8 mg ·L-1, 水质可生化性由0.09提高到了0.28. Schepper等的研究表明O3不仅可以将难降解、大分子有机物氧化为易降解、小分子有机物, 同时还可以通过化学氧化的方式氧化部分COD.尾水经O3氧化后, 通过BAC单元, 前13d由于反应器活性炭的吸附作用, 去除了大量的COD, 出水稳定在17 mg ·L-1左右, 而随着活性炭吸附能力下降, BAC单元的出水COD增加到24 mg ·L-1左右, 并趋于稳定.相对于单独BAC单元出水COD下降了4.6 mg ·L-1, 由此证明O3氧化可发挥预处理的作用, 有效改善废水的可生化性, 提高后续BAC处理单元对COD的去除效率.装置稳定后O3-BAC工艺对COD的去除率为40.4%, 相对于单独BAC工艺去除率提高10.0%, 其中O3氧化对COD去除的贡献率为49.0%, BAC处理单元对COD去除的贡献率为51.0%, 可见O3氧化效果已较为充分.

　　UV254可有效地表征石化废水中难降解有机物(酚类、芳香醛、多环芳烃等含苯环及共轭键结构物质)在废水中的浓度.O3-BAC工艺对石化污水处理厂尾水UV254的去除效果如图 2(b)所示.从中可知, 进水UV254的平均值为0.290 cm-1, 稳定后O3氧化单元出水UV254的平均值为0.198 cm-1, BAC生化处理出水UV254的平均值为0.129 cm-1.装置稳定后O3-BAC工艺对UV254的去除率为55.1%, 其中O3氧化的贡献率为57.0%, BAC的贡献率为43.0%, O3氧化是去除UV254的主要单元.此外, 石化污水处理厂尾水UV254经O3预氧化后已经明显降低, 大多数有机物的不饱和键结构被破坏, O3预氧化起到了改善有机物结构的作用.

　　有研究表明, UV254与COD有一定的相关性, UV254值越小, 可生化性就越强, 水中复杂有机物分解及去除效果就越好.对本实验数据进行COD与UV254之间离散关系分析如图 3所示, 并得出相关系数为0.89, 说明COD与UV254之间具有强相关性.具体联系污水宝或参见http://www.dowater.com更多相关技术文档。

　　图 3

 

图 3 COD与UV254之间离散关系

　　2.2 O3-BAC工艺对废水分子量分布的影响

　　O3投加主要是通过改变水质的有机物分子量分布, 使大分子、难降解有机物转化为低分子有机物, 同时提高水质的可生化性, 图 4为不同工艺对石化污水处理厂尾水相对分子质量分布的影响.

　　由图 4(a)可得, 单独BAC工艺对于有机物的相对分子质量分布没有太大影响, 其可生化性并没有得到很大的改善, 而对于经过O3氧化的O3单元及O3-BAC工艺的出水水质中的分子量分布有较大的改变.其中, 相对分子质量<1×103的比例由进水的69.0%分别提高到了87.0%(O3出水)和82.0%(O3-BAC出水), O3氧化主要起到将相对分子质量>1×103的难降解有机物转化为更易被微生物利用的小分子物质, 同时还可能改变有机物的表面官能团及亲疏水性, 进而增加其被后置的BAC单元吸附的作用.因此, 在O3-BAC工艺中相对分子质量<1×103的比例较O3出水单元略低. O3-BAC工艺则将二者的优势结合, 对大分子及小分子有机物均有较好的去除效果.相较于单独BAC处理, O3-BAC工艺对各级分子量对应的有机物去除率分别提升10.0%、39.0%、60.0%、56.0%、49.0%和59.0%, O3-BAC工艺对石化污水处理厂尾水水质改善效果十分明显.

　　图 4

 

图 4 不同工艺对石化尾水相对分子质量分布比例及NPOC浓度的影响

　　由图 4(b)可得, NPOC在O3单元、单独BAC单元和O3-BAC工艺的去除率分别为27.9%、22.9%和45.8%.其中, O3氧化后NPOC各分子量组分都有所减少, 说明O3不仅可以将大分子难降解有机物裂解为小分子有机物, 同时还可以将部分有机物直接矿化为CO2和H2O[20].经O3氧化后, 在BAC单元中主要是相对分子质量<1×103的去除, 其他分子量组分并没有太大变化.因此, 在BAC单元, 总NPOC去除主要由相对分子质量<1×103的去除所贡献, 约贡献99%.

　　2.3 特征污染物种类分析

　　进一步对O3氧化前后的水质进行了GC-MS仪定性分析, 其气相色谱图如图 5所示.经O3氧化后, 峰的数量及峰高都有明显的下降, 经过对照MS数据库分析, 18 min之前出的峰对应的物质为含量较少的含硅杂质, 除邻苯二甲酸二丁酯外, 其余物质含量较低, 间接验证出水水质改善效果较为理想.尾水及O3氧化后出水物质种类及结构的相关信息如表 2所示.其中尾水中多为不饱和键有机物约占55.0%, 主要为烷烃类、不饱和酯类及酚类为主, 这些物质结构复杂, 难被生物降解, 且具有一定的生物毒性.经O3-BAC工艺处理后这些结构复杂的有机物得到明显的去除, 同时也说明了经O3-BAC工艺处理后出水水质得到明显改善.

　　图 5

 

图 5 O3-BAC工艺前后出水GC-MS谱图

<img border="0" data-cke-saved-src="http://www.dowater.com/jishu/UploadFiles_9416/201810/2018100810073590.png" src="http://www.dowater.com/jishu/UploadFiles_9416/201810/2018100810073590.png" style="vertical-align: top; border: none; /> 　　表 2 石化尾水O3-BAC处理前后主要有机物统计情况

　　2.4 O3氧化对BAC单元微生态环境的影响

　　石化尾水中含有大量的难降解, 毒性的有机物, 分别对O3氧化后及单独BAC填料中微生物进行16S rDNA测定, 考察O3氧化对于BAC填料中微生态环境的影响. 表 3为BAC工艺与O3-BAC工艺中BAC内生物膜样品的测序结果.其中丰富度指数Chao1是估计群落中含有OUT数目的指数, 生态学中常用来估计物种总数.多样性指数Shannon用来估计群落中OUT多样性高低的群落多样性指数, Shannon值越大说明群落多样性越高.从表 3数据可以看出, BAC工艺与O3-BAC工艺中微生物的物种多样性相差并不大, 说明O3的投加, 对于BAC柱中微生物的物种多样性影响并不大.通过前期的实验得出, 在O3接触时间为40 min, 投加量为20 mg ·L-1时, 臭氧的利用率为100%.因此, O3并不会进入到BAC单元对其微生态环境产生破坏作用.

 

　　表 3 细菌种群多样性指数特征

　　进一步对微生物物种分别在门、目和属水平的丰度进行了测定.在门的水平(图 6), 主要的8种细菌(门)为Proteobacteria、Acidobacteria、Chloroflexi、Nitrospirae、Bacteroidetes、Planctomycetes、Armatimonadetes和Parcubacteria.其中, Proteobacteria和Acidobacteria为BAC工艺与O3-BAC工艺的共同优势菌门, 两种菌门的总和高达64.0%和73.0%.然而, 在有O3条件下Chloroflexi和Nitrospirae的相对丰度显著减小, 从13.2%减少到了5.6%.这可能与O3将一些大分子、难降解物质转化为易被生物降解的小分子物质有关.相反, Proteobacteria与Bacteroidetes的丰度分别从47.7%增加到58.7%和从2.9%增加到了5.5%.这可能与尾水中毒性有机污染物的减少有关.为了进一步分析O3对菌群结构的影响, 分析了菌落结构在属水平上[图 6(b)]的变化情况.

　　图 6

 

仅列出大于1.0%的数据图 6 BAC和O3-BAC生物群落的相对丰度

　　属水平上, 未经O3氧化的BAC填料微生物中丰度在1.0%以上的主要有6种菌, 分别包括Blastocatella、Leptospirillum、Nitrospira、Hyphomicrobium、Pseudomonas和Denitratisoma.而经过O3氧化后, 丰度在1.0%以上的微生物有11种菌, 分别为Blastocatella、Nitrospira、Bdellovibrio、Pseudomonas、Hyphomicrobium、Parvularcula、Woodsholea、Pedomicrobium、Chryseolinea和Azoarcus.其原因在于O3氧化前的石化尾水中含有大量有毒物质(图 5)抑制了微生物的生长, 在经O3氧化后水质明显改善, 主要微生物种类明显增加.结果表明O3氧化后可以改善水质进而改善BAC单元的微生态环境.

　　同时, 硝化螺菌属Nitrospira、Hyphomicrobium和假单胞菌Pseudomonas的丰度均有所增加, 而Blastocatella、Denitratisoma和Leptospirillum的丰度有所减少.其中, 硝化螺菌属Nitrospira是硝化细菌的一种, 氧化亚硝酸盐生成硝酸盐, 在氧化亚硝酸盐过程中获得能源, 石化废水具有一定的生物毒性, 尤其是对于硝化细菌的抑制作用较为明显, 经O3氧化后石化尾水水质得到改善, 因此BAC单元中硝化细菌的丰度会有所增加, 从1.7%增加到了2.6%.假单胞菌Pseudomonas可通过生物吸附及生物降解作用去除广范围的有机物, 如酚、对硝基酚、菲、苯及其他石油烃类, 如正烷烃、芳香烃和多环芳烃.经O3氧化的BAC单元填料上丰度由1.2%增加到1.6%. Hyphomicrobium既是烃类降解菌也是反硝化细菌, 在经O3氧化的BAC单元填料上丰度由1.2%增加到1.5%.假单胞菌Pseudomonas与菌Hyphomicrobium的增加都说明石化尾水具有一定的毒性作用, 而经过臭氧氧化后水质得到改善, 水质毒性下降. Blastocatella是一种缺氧的化能异养菌, 并且具有严格的呼吸代谢类型, 因此在O3存在时丰度从10.9%减少到9.1%.

　　3 结论

　　(1) O3-BAC工艺出水COD为24 mg ·L-1, 平均去除率为40.4%, 相对于单独BAC工艺去除率提高10%, UV254的平均去除率为55.1%, 出水水质满足设计标准, 该工艺可作为该厂石化尾水深度处理工艺.同时得出COD与UV254之间具有强相关性, 相关系数R2为0.89.

　　(2) O3氧化后相对分子质量<1×103的比例由69.0%提高到了87.0%, O3-BAC工艺中NPOC的去除率为45.8%, 较单独BAC工艺提高23.0%, 且BAC单元的NPOC主要由相对分子质量<1×103的组分减少所贡献, 表明O3氧化将大分子物质降解成小分子物质, 且小分子物质主要在BAC单元进行去除.

　　(3) O3氧化后烷烃类、不饱和酯类及酚类等有毒性难降解有机物得到明显去除, 石化尾水水质得到改善, BAC单元的微生物种类(丰度在1%以上)由6种增加到了11种, 其中Nitrospira、Hyphomicrobium和Pseudomonas的丰度均有所增加, 表明O3氧化可以改善BAC单元的微生态环境从而提高有机物的去除.(来源：环境科学 作者： 张超)