CN111573853B - 一种削减生物法处理废水毒性的方法 - Google Patents

一种削减生物法处理废水毒性的方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于废水处理技术领域，涉及一种削减生物法处理废水毒性的方法，所述处理方法具体包括以下步骤：活性污泥采样，活性污泥微生物群落结构的鉴定，活性污泥微生物活性氧测定，再根据活性污泥微生物活性氧测定结果确定需要定向筛选的微生物种类，将筛选出的微生物作为强化微生物进行发酵，最后投加将发酵好的微生物发酵液投加到目标池体中以解决废水毒性的问题，本发明的方法通过投加强化微生物混合发酵液，能够基于调节微生物群感效应削减废水毒性，针对性强，不会对废水产生再次污染，利于推广。

Description

一种削减生物法处理废水毒性的方法
技术领域
本发明属于废水处理技术领域，更具体地说，涉及一种削减生物法处理废水毒性的方法。
背景技术
目前，我国废水处理厂废水排放标准日趋严格，基于基本水质参数的检测已无法全面评估出水水质特性，比如，废水的生态风险。在此基础上，废水出水生物毒性被广泛关注。众多研究表明，不同工艺处理同一类别工业废水，出水生物毒性差别显著；用同一工艺处理不同类别工业废水，出水生物毒性相似。目前对于废水毒性的削减研究发现，膜相关工艺对于废水毒性削减十分有限，臭氧氧化等高级工艺对于废水毒性的削减效果较好，但以毒性削减为目的增设臭氧氧化工艺，但是其成本较高，而针对原有生物处理工艺进行强化提升毒性削减具有重要意义。
经检索，现有技术已经公开了相关的申请案，如中国专利申请号为CN201810654970.1，公开日期为2018年12月7日公开了一种用于污水深度脱氮及毒性削减的装置及其运行方法，该方法利用曝气生物滤池中的微生物降解一部分难降解有机污染物及氨氮，降低后续臭氧反应池的臭氧用量，降低成本，利用臭氧降解残留有毒难降解有机污染物，再经电解池与反硝化生物滤池耦合的反应器处理，进一步去除难降解有机污染物和硝态氮，能够达到较好的深度脱氮及毒性削减效果。但此方法对原有工艺改造程度高，且损耗资源多。
再如中国专利申请号为CN201710771478.8，公开日期为2017年12月12日的申请案公开一种去除精细化工生化处理尾水毒性的方法，其处理步骤为：步骤a)、催化臭氧氧化步骤，污水在内部装填铁铝催化剂的催化臭氧氧化塔进行处理；所述的铁铝催化剂有效成分包括β羟基氧化铁和氧化铝；步骤b)、吸附步骤，采用装填陶粒和磁性树脂的吸附滤池对步骤a)处理后的废水进一步处理；所述的铁铝催化剂中β羟基氧化铁和氧化铝的质量比为15～20：80～85；所述的陶粒和磁性树脂的体积比为2～3：3～5。该方法属于异位毒性削减手段，需要单独设置毒性削减装置，装置增设成本较高。
目前能检索到针对废水毒性削减策略主要为异位削减手段，专门增设强化工艺成本较高，这种方式成本均较高，且存在潜在的带来二次污染的风险。
发明内容
1. 要解决的问题
针对生物工艺处理有毒废水毒性削减为异位削减的方式，需要专门增设强化设备，成本较高，且需要投加化学试剂，容易导致二次污染，本发明提供一种基于生物强化工艺的原位削减生物法处理废水毒性的方法，不会带来二次污染，不需要增设其他的工艺，显著降低成本。
2. 技术方案
为了解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：
一种削减生物法处理废水毒性的方法，包括以下步骤：
1）采样
在目标池体的进水位置及出水位置分别进行采样，采集废水及活性污泥；
2）活性污泥微生物群落结构的鉴定
利用16S rRNA基因测序技术分析，获取活性污泥的微生物群落结构信息；
3）活性污泥微生物活性氧测定
将活性污泥重悬于15.4 mmol/L的NaCl溶液，采用ROS检测试剂盒（LifeTechnologies, America），具体操作步骤参照试剂盒操作手册，进行测定微生物活性氧相对ROS0含量，空白样本为经过0.22微米滤膜过滤的1）中采集的废水；
将活性污泥重悬于15.4 mmol/L的NaCl溶液，加入酰基转移酶，采用ROS检测试剂盒（Life Technologies, America），具体操作步骤参照试剂盒操作手册，进行测定微生物活性氧含量ROS1，空白样本为经过0.22微米滤膜过滤的1）中采集的废水；
4）强化微生物种类的确定
若ROS1相较于ROS0没有统计学意义的显著降低，则依据2）中获取的微生物群落结构信息，筛选出其中具有群体感应的微生物作为强化微生物；
若ROS1相较于ROS0具有统计学意义的显著降低，则依据2）中获取的微生物群落结构信息，筛选出具有群体感应淬灭作用的微生物作为强化微生物；
5）强化微生物的发酵及投加
对4）中获取的强化微生物进行发酵培养，培养至微生物为对数生长时期，将发酵液投加至目标池体。
6）废水毒性削减测定
废水毒性测定采用发光菌法，具体方法如下：对强化前后1）废水采用MicrotoxModel分析仪“Acute”模式，发光菌费希尔弧菌测定，采用发光损失率的方式表征废水的毒性；
优选的，5）中，培养温度为实际废水温度，培养液为采集的废水与LB培养液混合液，混合比为（200~500）：1。
优选地方案，所述1）中，采样时采用定点定时方法，定点方式为：分别采集距离液面不同深度的废水及活性污泥，标记为废水样本及活性污泥样本；定时方式为：每隔1-3 h采样一次，连续采样24 h；定点方式为：分别采集距离液面0~0.5m深度的废水及距离液面2~3m深度活性污泥样本，
优选地方案，所述2）中，利用16S rRNA基因测序技术分析，获取活性污泥的微生物群落结构信息的具体步骤如下：
提取1）中获取的活性污泥DNA，对V1-V2区PCR扩增，然后16S rRNA测序，获取微生物的群落结构信息；其中，活性污泥DNA提取优选为FastDNA SPIN Kit 试剂盒，具体操作步骤参照试剂盒操作手册；其中提取DNA样本优选次数为3~5次；
V1-V2区扩增引物如下：正向引物为5’-AGAGTTTGATYMTGGCTCAG-3’、反向引物为5’-TGCTGCCTCCCGTAGGAGT-3’；
扩增程序优先选择如下：预热(98℃, 5 min) →扩增程序[变性(98℃, 30 s) →退火(50℃; 30 s) →延伸(2℃；40 s) →延伸(72℃；10 min) →循环(20次)]；
高通量测序可直接采用Illumina Miseq平台测定。
优选地方案，所述3）中，酰基转移酶的加入浓度为1.2 g/L。
优选地方案，所述4）中，依据获取的微生物群落结构信息进行强化微生物种类的确定时，步骤如下：将获取的微生物群落结构信息输入环境群体感应微生物检索平台（http://www.njuqsb.com/microbe/f）点击精确搜索进行比对，筛选出其中具有群体感应的微生物或群体感应淬灭作用的微生物作为强化微生物，获取其最佳生长条件、菌种保存信息。
优选地方案，所述5）中，将所述4）中获取的潜在群感关联微生物按照其最佳生长条件进行发酵，在其对数生长期，OD值不低于0.5时，将其按照比例1：（1000~5000）投入好氧池，同时，在投加进细菌菌液后，将好氧池污泥回流比提升为原有回流比1.2~1.5倍。
3. 有益效果
相比于现有技术，本发明的有益效果为：
（1）本发明提供的削减生物法处理废水毒性的方法，基于废水处理微生物界定后采取的特异性分析手段，首先获取活性污泥的微生物群落结构信息，根据获取的微生物群落结构信息进行强化微生物种类的确定，在强化微生物菌种确定过程中基于被污染水体的实际污染情况筛选出具有群体感应的微生物或群体感应淬灭作用的微生物作为强化微生物，对强化微生物进行培养发酵，产生发酵液，通过投加微生物混合发酵液，利用微生物群感效应，从而达到削减废水毒性的效果，本发明的方法从被污染水体的污染情况进行针对性处理，不仅针对性强，而且可以适用于各种情况的污染导致的废水毒性问题，本发明的方法的可操作性强，成本低廉；
（2）本发明提供的削减生物法处理废水毒性的方法，属于原位强化微生物削减毒性，不需要对原有工艺进行改造，显著降低运行成本，通过发光菌法对处理前后的废水毒性进行的测定结果可知，经过本发明的方法处理后废水毒性下降35.2%~42.7%，表明本发明的生物强化方法能够显著削减生物处理废水的毒性，成本低廉，方法简单，利于推广。
（3）本发明提供的削减生物法处理废水毒性的方法，基于模拟目标池体环境进行培养、发酵微生物，在保证微生物存活的基础上最大程度上提升了微生物对目标池体环境的适应能力，大大降低筛选和应用菌株的风险。
附图说明
图1为本发明方法的实施流程图；
图2为实施例1中的好氧池污泥中微生物群落结构图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进一步进行描述。
本实施例中，应用SPSS 18.0软件进行统计学处理，计量资料以均值±方差（Mean±SD）表示，两组以上数据比较采用单因素方差分析(One-way ANOVA)，利用P值表示统计学意义，结果的统计学意义是结果真实程度（能够代表总体）的一种估计方法，本文中P值<0.05表示差异有统计学意义。
实施例1
本实施例中，针对A2O工艺，削减其处理过程中的废水毒性。图1为本发明方法的实施流程图；具体步骤如下：
1）采样
在好养池体的进水位置及出水位置分别进行采样，采集废水及活性污泥；采样时采用定点定时方法，定点方式为：分别采集距离液面0.5m深度的废水及距离液面2m深度活性污泥样本，每隔3 h采样一次，连续采样24 h；
2）活性污泥微生物群落结构的鉴定
利用16S rRNA基因测序技术分析，获取活性污泥的微生物群落结构信息的具体步骤如下：
提取1）中获取的活性污泥DNA，对V1-V2区PCR扩增，然后16S rRNA测序，获取微生物的群落结构信息；其中，活性污泥DNA提取优先推荐FastDNA SPIN Kit 试剂盒，具体操作步骤参照试剂盒操作手册；其中提取DNA样本优选次数为3次；
V1-V2区扩增引物如下：正向引物为5’-AGAGTTTGATYMTGGCTCAG-3’、反向引物为5’-TGCTGCCTCCCGTAGGAGT-3’；
扩增程序优先选择如下：预热(98℃，5 min) →扩增程序[变性(98℃，30 s) →退火(50℃；30 s) →延伸(2℃；40 s) →延伸(72℃；10 min) →循环(20次)]；
高通量测序可直接采用Illumina Miseq平台测定。
本实施例中获取的微生物群落结构信息如图2所示。
3）活性污泥微生物活性氧测定
将活性污泥重悬于15.4 mmol/L的NaCl溶液，采用ROS检测试剂盒（LifeTechnologies, America）进行测定微生物活性氧含量ROS0为83.4%±4.1%；
将活性污泥重悬于15.4 mmol/L的NaCl溶液，加入浓度为1.2 g/L的酰基转移酶，采用ROS检测试剂盒（Life Technologies，America）进行测定微生物活性氧含量ROS1为70.5%±2.2%；
采用t检验，ROS1相对ROS0无显著降低。
4）强化微生物种类的确定
ROS1相较于ROS0具有统计学意义的无显著降低，则依据2）中获取的微生物群落结构信息，选择具有群体感应作用的微生物作为强化微生物；
具体步骤如下：将获取的微生物群落结构信息输入环境群体感应微生物检索平台（http://www.njuqsb.com/microbe/f）点击精确搜索进行比对，筛选出其中具有群体感应的微生物作为强化微生物，主要结果如表1所示，本实施例中的微生物优选丰度最高的群体感应功能微生物铜绿假单胞菌Pseudomonas作为强化微生物。
表1 环境群感微生物检索平台输出结果
微生物名称 微生物类别
中慢生华癸根瘤菌 Mesorhizobium huakuii QS
百脉根中间根瘤菌 Mesorhizobium loti QS
脱氮付球菌 Paracoccus denitrificans QS
铜绿假单胞菌 Pseudomonas QS
铜绿假单胞菌 Pseudomonas aeruginosa QS
皱纹假单胞菌 Pseudomonas corrugata QS
沼泽红假单胞菌 Rhodopseudomonas palustris QS
长双歧杆菌 Bifidobacterium longum QS
食醇鞘氨醇杆菌 Flavobacterium sp QQ
维罗纳假单胞菌 Pseudomonas veronii QQ
其中，QS代表具有群体感应作用的微生物类别，QQ代表具有群体感应淬灭作用的微生物类别。
5）强化微生物的发酵及投加
对4）中获取的强化微生物进行发酵培养，发酵培养的具体步骤：
培养温度：为37℃；培养液：废水与LB培养液的添加体积比为300：1；
培养至微生物为对数生长时期，即OD值不低于0.3时，发酵结束。
将发酵液投加至目标池体，同时将目标池体的污泥回流比提升为原有回流比的1.2倍。投加时发酵液与目标池体的体积比为1：4000。
采用发光菌法对处理前后的废水毒性进行了测定，具体的采用Microtox Model分析仪“Acute”模式，发光菌费希尔弧菌测定，采用发光损失率的方式表征废水的毒性。结果显示添加强化菌剂后废水毒性下降35.2%。
实施例2
本实施例中，针对AO工艺，削减其处理过程中的废水毒性。具体步骤如下：
1）采样
在好氧池体的进水位置及出水位置分别进行采样，采集废水及活性污泥；采样时采用定点定时方法，定点方式为：分别采集距离液面0.5m深度的废水及距离液面2m深度活性污泥样本，每隔2 h采样一次，连续采样24 h；
2）活性污泥微生物群落结构的鉴定
利用16S rRNA基因测序技术分析，获取活性污泥的微生物群落结构信息的具体步骤如下：
提取1）中获取的活性污泥DNA，对V1-V2区PCR扩增，然后16S rRNA测序，获取微生物的群落结构信息；其中，活性污泥DNA提取优先推荐FastDNA SPIN Kit 试剂盒，具体操作步骤参照试剂盒操作手册；其中提取DNA样本优选次数为4次；
V1-V2区扩增引物如下：正向引物为5’-AGAGTTTGATYMTGGCTCAG-3’、反向引物为5’-TGCTGCCTCCCGTAGGAGT-3’；
扩增程序优先选择如下：预热(98℃, 5 min) →扩增程序[变性(98℃，30 s) →退火(50℃；30 s) →延伸(2℃；40 s) →延伸(72℃；10 min) →循环(20次)]；
高通量测序可直接采用Illumina Miseq平台测定，获取的微生物群落结构信息。
3）活性污泥微生物活性氧测定
将活性污泥重悬于15.4 mmol/L的NaCl溶液，采用ROS检测试剂盒（LifeTechnologies, America）进行测定微生物活性氧含量ROS0为73.9%±3.3%；
将活性污泥重悬于15.4 mmol/L的NaCl溶液，加入浓度为1.2 g/L的酰基转移酶，采用ROS检测试剂盒（Life Technologies, America）进行测定微生物活性氧含量ROS1为66.5%±5.1%；
采用t检验，ROS1相对ROS0无显著降低。
4）强化微生物种类的确定
若ROS1相较于ROS0具有统计学意义的无显著降低，则依据2）中获取的微生物群落结构信息，选择具有群体感应作用的微生物作为强化微生物；
具体步骤如下：将获取的微生物群落结构信息输入环境群体感应微生物检索平台（http://www.njuqsb.com/microbe/f）点击精确搜索进行比对，筛选出其中具有群体感应的微生物作为强化微生物，本实施例中的微生物选择丰度最高的群体感应功能微生物Sphingomonas rubra作为强化微生物。
5）强化微生物的发酵及投加
对4）中获取的强化微生物进行发酵培养，发酵培养的具体步骤：
培养温度：为28℃；培养液：废水与LB培养液的添加体积比为200:1 ；
培养至微生物为对数生长时期，即OD值不低于0.5时，发酵结束。
将发酵液投加至目标池体，同时将目标池体的污泥回流比提升为原有回流比的1.5倍。投加时发酵液与目标池体的体积比为1:5000。
采用发光菌法对处理前后的废水毒性进行了测定，采用Microtox Model分析仪“Acute”模式，发光菌费希尔弧菌测定，采用发光损失率的方式表征废水的毒性。结果显示添加强化菌剂后废水毒性下降39.3%。
实施例3
本实施例中，针对氧化沟工艺，削减其处理过程中的废水毒性。具体步骤如下：
1）采样
在目标池体的进水位置及出水位置分别进行采样，采集废水及活性污泥；采样时采用定点定时方法，定点方式为：分别采集距离液面表面的废水及距离液面3m深度活性污泥样本，每隔5 h采样一次，连续采样24 h；
2）活性污泥微生物群落结构的鉴定
利用16S rRNA基因测序技术分析，获取活性污泥的微生物群落结构信息的具体步骤如下：
提取1）中获取的活性污泥DNA，对V1-V2区PCR扩增，然后16S rRNA测序，获取微生物的群落结构信息；其中，活性污泥DNA提取优先推荐FastDNA SPIN Kit 试剂盒，具体操作步骤参照试剂盒操作手册；其中提取DNA样本优选次数为5次；
V1-V2区扩增引物如下：正向引物为5’-AGAGTTTGATYMTGGCTCAG-3’、反向引物为5’-TGCTGCCTCCCGTAGGAGT-3’；
扩增程序优先选择如下：预热(98℃, 5 min) →扩增程序[变性(98℃, 30 s) →退火(50℃; 30 s) →延伸(2℃; 40 s) →延伸(72℃; 10 min) →循环(20 次)]；
高通量测序可直接采用Illumina Miseq平台测定，获取微生物群落结构信息。
3）活性污泥微生物活性氧测定
将活性污泥重悬于15.4 mmol/L的NaCl溶液，采用ROS检测试剂盒（LifeTechnologies, America）进行测定微生物活性氧含量ROS0为63.7%±3.2%；
将活性污泥重悬于15.4 mmol/L的NaCl溶液，加入浓度为1.2 g/L的酰基转移酶，采用ROS检测试剂盒（Life Technologies, America）进行测定微生物活性氧含量ROS1为20.1%±4.7%；
采用t检验，ROS1相对ROS0显著降低，p <0.0001。
4）强化微生物种类的确定
若ROS1相较于ROS0具有统计学意义的显著降低，则依据2）中获取的微生物群落结构信息，选择与之具有群体感应淬灭作用的微生物作为强化微生物；
具体步骤如下：将获取的微生物群落结构信息输入环境群体感应微生物检索平台（http://www.njuqsb.com/microbe/f）点击精确搜索进行比对，筛选出其中具有群体感应的微生物作为强化微生物，本实施例中的具有群体感应猝灭的微生物优选丰度最高的微生物沼泽红假单胞菌Rhodococcus erythropolis作为强化微生物。
5）强化微生物的发酵及投加
对4）中获取的强化微生物进行发酵培养，发酵培养的具体步骤：
培养温度：26℃；培养液：废水与LB培养液的添加体积比为500：1；
培养至微生物为对数生长时期，即OD值不低于0.3时，发酵结束。
将发酵液投加至目标池体，同时将目标池体的污泥回流比提升为原有回流比的1.2倍。投加时发酵液与目标池体的体积比为1：1000。
采用发光菌法对处理前后的废水毒性进行了测定，采用Microtox Model分析仪“Acute”模式，发光菌费希尔弧菌测定，采用发光损失率的方式表征废水的毒性。结果显示添加强化菌剂后废水毒性下降42.7%。

Claims (10)

1.一种削减生物法处理废水毒性的方法，其特征在于：包括以下步骤：
1）采样
在目标池体的进水位置及出水位置分别进行采样，采集废水及活性污泥；
2）活性污泥微生物群落结构的鉴定
取1）中的活性污泥，获取活性污泥的微生物群落结构信息；
3）活性污泥微生物活性氧测定
测定活性污泥中微生物的活性氧含量ROS0；加入酰基转移酶，再次测定活性污泥的微生物活性氧含量ROS1；测定过程中将所述1）中采集的废水作为空白样品；
4）强化微生物种类的确定
若ROS1相较于ROS0没有统计学意义的显著降低，则依据2）中获取的微生物群落结构信息，筛选出具有群体感应的微生物作为强化微生物；若ROS1相较于ROS0具有统计学意义的显著降低，则依据2）中获取的微生物群落结构信息，筛选出具有群体感应淬灭作用的微生物作为强化微生物；
5）强化微生物的发酵及投加
对4）中获取的强化微生物进行发酵培养，得到发酵液，将发酵液投加至目标池体。
2.根据权利要求1所述的削减生物法处理废水毒性的方法，其特征在于：所述1）中，分别采取液面0~0.5m深度废水样品及2~3m活性污泥样品。
3.根据权利要求1或2所述的削减生物法处理废水毒性的方法，其特征在于：所述3）中具体操作为：将活性污泥悬于NaCl溶液，采用ROS检测试剂盒测定ROS0，加入酰基转移酶，再将活性污泥重悬于NaCl溶液，采用ROS检测试剂盒测定ROS1。
4.根据权利要求3所述的削减生物法处理废水毒性的方法，其特征在于：所述2）中，利用16S rRNA基因测序技术分析获取活性污泥的微生物群落结构信息。
5.根据权利要求4所述的削减生物法处理废水毒性的方法，其特征在于：所述5）中，强化微生物的发酵培养条件如下：培养温度为实际废水温度，培养液为采集废水与LB培养液的混合液，混合比为（200~500）：1。
6.根据权利要求5所述的削减生物法处理废水毒性的方法，其特征在于：所述发酵液的投加体积与目标池体的体积比为1：（1000~5000）。
7.根据权利要求4所述的削减生物法处理废水毒性的方法，其特征在于：所述4）中，依据获取的微生物群落结构信息进行强化微生物种类的确定时，具体为：将基于微生物群落结构信息获取的微生物输入至环境群体感应微生物检索平台进行比对，筛选出其中具有群体感应的微生物或群体感应淬灭作用的微生物。
8.根据权利要求5所述的削减生物法处理废水毒性的方法，其特征在于：将发酵液投加至目标池体后，需将目标池体的污泥回流比提升为原有回流比的1.2~1.5倍。
9.根据权利要求5所述的削减生物法处理废水毒性的方法，其特征在于：所述5）中，将所述微生物培养至对数生长时期，和/或微生物OD值不低于0.5时完成发酵。
10.根据权利要求1或2所述的削减生物法处理废水毒性的方法，其特征在于：所述3）中，酰基转移酶的加入浓度为1.2 g/L。
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