厌氧复合反应器降解抗生素废水中头孢噻肟钠的工艺:反应器性能、污泥特性及微生物群落结构分析

原文作者 Jia Wang, Zhinian Yang, Hao Wang⁎, Shuangrong Wu, Huan Lu, Xingguo Wang

单位：华北科技大学土木与建筑工程学院

摘要：本研究将一种新型的厌氧复合反应器(UBF)应用于抗生素废水的降解。实验表明,当水力停留时间(HRT)为24 h、挥发性脂肪酸(VFA)的比率碱度(碱性)为0.3时,组合填料UBF反应器能实现最好的去除效率,废水中的COD去除效率达到80.1% - 84.6%,与其他两种反应器的反应性能差异显著(P lt;0.05)，且头孢噻肟钠的去除率较好。通过扫描电镜(SEM)分析研究了反应器填料的微观结构和表面特征，结果表明3种填料均具有生物膜黏附性，但组合填料的效果最好。能谱仪(EDS)测试表明，复合填料中含有丰富的元素成分。实验还分析了污泥粒径分布，结果表明，污泥粒径随反应器运行而增大。此外，实验也对组合填料的污泥和生物膜的微生物群落结构进行了分析。高通量测序证实了假单胞菌的存在，假单胞菌对抗生素废水有良好的适应性，成为了种群当中的优势菌。实验利用傅里叶变换红外光谱(FTIR)分析了头孢噻肟钠水解厌氧处理后的分解过程。该反应器在降解抗生素废水中表现出良好的经济性能。

关键词：厌氧复合反应器；头孢噻肟钠；扫描电子显微镜；傅里叶变换红外光谱法

引言

世界卫生组织在2015年5月的世界卫生大会上通过了一项打击抗菌素耐药性全球行动计划。其目标之一是“在人类和动物健康方面优化抗菌药物的使用”。(World Health Organization, 2015)。抗生素在人和兽医学中被广泛用于预防和治疗细菌感染性疾病(Roghieh and Majid, 2015)。它可以保护人体的白细胞和淋巴细胞，从而有效保护人体健康，也在抑制新冠肺炎疫情暴发中发挥重要作用。然而，抗生素的滥用对生态环境造成了极大的危害，由于传统的污水处理方法不能有效地去除环境中大量的抗生素，导致了环境中抗生素的大量残留(Carvalho and Santos, 2016; Homem and Santos, 2011)。中国是抗生素产量和消费量最大的国家，约占世界抗生素产量的一半 (Bu et al., 2016)。我国58个流域抗生素含量均接近微克水平，且远高于发达国家水平(Zheng et al., 2011; J. Xu et al., 2014)。江汉平原的污染不仅存在于地表水中，而且还存在于地下水中(L. Chen et al., 2018; Yang et al., 2017)。由于抗生素的广泛使用和对人类健康和环境的潜在影响，美国环保局将其列为持久性环境污染物 (Gothwal and Shashidhar, 2015)。

近年来，以水和空气污染为代表的环境问题进入了人类的视野 (J. Wang et al., 2020a, 2020b; H. Wang et al., 2020; C. Wang et al., 2020; Zhang et al., 2020).。目前，抗生素制剂行业主要集中在活性药物成分(APIs)和中间体的生产，包括原料、抗生素药物中间体和抗生素制剂(Saravanane and Sundararaman, 2009)。抗生素生产废水具有COD浓度高、BOD/COD低、毒性大等特点(Yu et al., 2014)。厌氧消化(AD)的重要特征是其处理有机污染物和有毒物质的独特能力(Z. Xu et al., 2014)。其对高有机物、高致病微生物废水有较好的处理效果 (Li et al., 2018; Sanchez et al., 2005)。UBF是一种典型的活性污泥法和生物膜法相结合的厌氧反应器 (Qin et al., 2017)，具有效率高、容量大、能耗低等优点 (Tsui et al., 2020; Zhu and Ni, 2008)。水力停留时间(Hrt)、容积负荷和挥发性脂肪酸(Vfa)与碱度(Alk)的比值是影响实验装置稳定运行的关键因素，直接影响反应器的运行效率 (Couras et al., 2015)。此外，厌氧污泥中微生物的种类是影响厌氧污泥特性的重要因素。微生物资源管理的目的是通过对微生物群落的调查来优化过程的效率和稳定性 (Poirier et al., 2016)。因此，许多研究探讨了UBF反应器中微生物群落对抗生素废水的影响(Wen et al., 2018)。

基于上述情况，本研究设计了上流式气膜过滤(UBF)反应器，考察了填料条件、微生物组成等运行参数对反应器运行效率的影响，为有效处理抗生素废水，建立了一体化厌氧工艺。对实验室规模的UBF反应器降解头孢噻肟钠的效果进行了评价。污泥的性能容易受到运行环境的影响，这是限制UBF反应器应用的因素之一。此外，填料和附着在其上的生物膜的特性也是影响UBF反应器性能的另一个因素。本研究的目的是通过微生物资源管理和相关分析仪器，探索和优化UBF反应器的反应条件。同时，对抗生素废水的降解机理进行了探讨。

方法与材料

实验设备

本研究采用三个实验室规模的UBF反应器并联运行。实验装置包括进水桶、蠕动泵、进水口、污泥层、填料层、出水口、阀门、集水桶、湿式煤气表和电加热带。UBF反应器是由有机玻璃制成的中空柱，内径100 mm，高度1000 mm。反应器的有效容积为7.5L，污泥层厚度为250 mm。从唐山市曹妃甸区(39°07lsquo;N 118°45rsquo;W)某污水处理厂的消化池中采集0.5L厌氧污泥。取自于田区(39°88lsquo;N 1.7°7.4rsquo;W)UASB反应器处理啤酒废水的2.5L颗粒污泥。厌氧污泥与颗粒污泥以1：5的比例混合，颗粒污泥是UBF反应器的重要组成部分，其参数如表 1所示。

表 1颗粒污泥的性质

实验过程

UBF反应器原理图如图 1所示。在UBF反应器处理头孢噻肟钠的过程中，每天记录头孢噻肟钠的进、出水浓度，并分别计算三种反应器的去除效率。在头孢噻肟钠去除率稳定的情况下，增大容积负荷，直到设计负荷达到8 kg·COD/(m³·d)。实验中选择了水力停留时间(HRT)、挥发性脂肪酸(VFA)与碱值比(VFA/ALK)等因素对反应器效率的影响进行了分析，实验的主要仪器有：UBF反应器、傅立叶变换红外光谱仪(IRAffity-1S，日本岛津)、紫外-可见分光光度计(RF6000，日本岛津)、无油真空泵、湿气流量计、氧化还原电位仪(BPP-7800，贝尔，中国)、恒温测试仪等。

图 1 UBF反应器处理工艺

影响因素

UBF反应器在低负荷(约0.5 kg·COD/(m³·d))下启动，通过电加热带控制温度为35plusmn;1℃。以头孢噻肟钠为原料模拟抗生素废水，为污泥提供必要的碳源。为了补充大量的营养物质，另外再加入 NH₄Cl (13–130 mg/L),KH₂PO4(2.6–26 mg/L)、CaCl₂·5H₂O ( 1 m g / L ) 、C u S O₄·5H₂O (0.3 m g / L ) 、MnCl₂·4H₂O (0.08 mg/L)、 ZnSO₄·7H₂O (0.4 mg/L)和FeCl₃·5H₂O(0.05 mg/L)以保证 C:N:P = 300:5:1(Kim et al., 2014)。废水均匀分布在反应器底部供进水。头孢噻肟钠的进水浓度为6.5 mg/L，COD量为300 mg/L左右，当进水流量为12 L·h^minus;1，水力停留时间为24h时，逐渐加大投料速率，使头孢噻肟钠的进水浓度逐渐达到13 mg/L、26 mg/L、39 mg/L、52 mg/L、65 mg/L，直至COD大约达到8 kg/(m³·天)，以避免进水浓度迅速增加导致混合污泥中微生物死亡。

荧光和反应堆操作条件

用于长期研究的实验室规模的UASB反应器（图 1）。研究期间ORP监测期为1天。VFA监测期前两期为3d，试验期为1d。用ORP分析仪测定ORP的变化。样品在酸性条件下用滴定法提取挥发性脂肪酸，馏分回流脱除CO₂、H₂S等气体。在冷却之前，用实验室规模的UASB反应器(图1)进行滴定以进行长期研究。研究期间ORP监测期为1天。VFA监测期前两期为3d，试验期为1d。用ORP分析仪测定ORP的变化。样品在酸性条件下用滴定法提取挥发性脂肪酸，馏分回流脱除CO₂、H₂S等气体。冷却前用0.1mol/L氢氧化钠溶液滴定，以酚酞为指示剂，用醋酸计算结果。通过计算，可以得到脂肪酸的含量。

本研究以头孢噻肟钠为监测指标，对其光谱特性进行了测试。头孢噻肟钠不具荧光，但在酸性条件下与Fe³ 反应时，反应产物具有较强的荧光强度。将0.05g头孢噻肟钠溶解后转入500mL容量瓶中，在pHle;为1时，配制出浓度为100 mg/L的头孢噻肟钠母液。将0.5g高铁酸铵溶解于水中，与1mL浓硫酸混合，使体积恒定在100mL。在15mL烧杯中，将浓度为0.01mol/L的1.5mL高铁硫酸铵溶液稀释至0.001 mol/L。将5mL、10mL、35mL、50mL和65mL的头孢噻肟钠母液分别放入100mL比色管中，再将1.5mL的0.001 mol/L硫酸铵溶液和2.0mL的Tween-20溶液(V_water：V=50：1)分别稀释至比例尺。混合物在沸水浴中加热约30min，然后用水冷却。在分光光度计上测量了lambda;_Ex=370 nm和lambda;_Em=480 nm时的相对荧光强度，绘制了激发光谱和发射光谱。

如图 2-(A)和(B)所示，溶液的最佳激发波长为501 nm，最佳发射波长为553 nm。通过同步测定COD值发现，随着头孢噻肟钠浓度的增加，抗生素废水中COD浓度显著增加。这些记录证实了这两种浓度之间存在正相关，如图 3所示。

图 2头孢噻肟钠溶液光谱图(A)激发光谱(B)发射光谱。

图 3头孢噻肟钠与化学需氧量的关系

分析方法

用滴定法测定挥发性脂肪酸(VFA)含量，用美国MTC10101氧化还原电位仪(ORP)测定氧化还原电位(ORP)值。实验结束后，用扫描电子显微镜(LEO-1450，TESCAN，丹麦)对三种填料的表面特征进行了成像。对填料的微观结构进行了分析，找出了它们与反应器运行效果的关系。采用亚微米粒度分析仪(TopSizer，珠海)对不同反应器中污泥的粒度分布进行了分析。同时，用高通量测序分析方法对4个样品进行接地和离心，并用Fastprep DNA提取样品的总DNA。通过控制反应温度、反应时间等条件，筛选引物进行PCR扩增 (Z. Xu et al., 2014)。最后用凝胶回收试剂盒(AxyPreDNA，Axygen，中国)回收PCR产物。利用PCR扩增技术丰富和构建MISEQ文库模板。在上述预处理过程后，使用lightamiseq pe300测序平台进行测序。采用荧光法测定头孢噻肟钠的含量。微生物群落分析由广东美格基因科技有限公司(三次采样)完成。采用SPSS19.0统计软件对COD去除率进行统计分析，数据间差异采用单因素方差分析(ANOVA)，显著性水平为5%(Plt;0.0 5)。

结果与讨论

UBF反应器性能

在UBF反应器处理期间，应考虑ORP、VFA等性能参数。如图 4所示，微生物的生长和代谢与氧化还原电位(Orp)密切相关 (Zhang et al., 2016)。从图中可以看出，启动初期相应的ORP较高，这是因为污泥驯化是在好氧环境中进行的，接种的污泥中有大量的好氧细菌。在那之后，由于好氧微生物的新陈代谢消耗了环境中的氧气，ORP增加了。随着兼性厌氧菌的快速生长，氧化还原电位逐渐下降，最终维持在minus;400 mV左右。厌氧微生物分解有机物产生H₂、H₂S等还原性物质，导致此时ORP的还原。较低的ORP证明反应器内的厌氧环境是稳定的、可还原的 (Wang et al., 2016)。在实验阶段，所有反应器的氧化还原电位主要在minus;350 mV~minus;400 mV之间，表明反

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