精对苯二甲酸(purified terephthalic acid，PTA)是生产聚酯、增塑剂和合成纤维的重要化工原料，在工业塑料、薄膜、涂料和建筑等领域应用广泛〔1〕。PTA生产常采用空气氧化法，即在空气中以溴化铵和乙酸钴/锰分别作为促进剂和催化剂，将对二甲苯氧化生成粗对苯二甲酸，高温碱洗精制成PTA〔2〕。其生产过程中会产生大量含苯甲酸(benzoic acid，BA)、对苯二甲酸(terephthalic acid，TA)、对甲基苯甲酸(p-toluic acid，pTA)等有机污染物的废水，污染负荷高且具有一定的生物毒性。PTA废水工程化处理技术以生物法为主。好氧生物法具有净化效率高、微生物驯化培养时间短和启动速度快等优点，但由于PTA废水水质水量不稳定、COD含量高，长时间的曝气会造成处理成本增加，且会产生大量的剩余污泥〔3〕。厌氧生物法适合处理高COD废水，动力消耗低、占地面积小、污泥产量少、氮磷需求低〔4〕，已成为PTA废水生物处理工艺的研究热点。其中，上流式厌氧污泥床反应器(Upflow anaerobic sludge blanket，UASB)抗有毒物质和高污染负荷冲击能力强，可同时实现COD去除和沼气回收，在PTA废水工程化处理方面的潜力巨大〔5〕。然而受水质波动影响，单级UASB反应器对PTA废水处理性能并不稳定，难以形成高质量颗粒污泥，从而影响污染物去除效率〔6〕。基于UASB的两级生物处理工艺显示出对水质更好的适应性，M. M. Halalsheh等〔7〕将UASB-厌氧生物滤池(Anaerobic bio-filter，AF)用于处理生活污水，结果表明COD去除率比单级UASB高17%；Jin Li等〔8〕采用两级UASB工艺处理难降解腈纶制造废水，COD去除率51%；J. Young等〔9〕用两级厌氧反应器处理PTA废水，COD平均去除率可达90%以上。虽然基于UASB的两级生物处理工艺能有效处理高COD废水，但目前研究多集中在对污染物的去除效果上，对工艺过程中微生物的作用机制研究较少，为数不多的研究也集中于采用荧光原位杂交法(FISH)观察反应器中污泥的微生物形态和结构〔10〕，此方法灵敏度有限且受限于探针的特异性。高通量测序作为新一代测序技术在很大程度上提高了对微生物群落的物种组成成分及相对丰度分析的精确度〔11〕。
本研究采用两级UASB工艺处理PTA废水，并通过高通量基因测序方法研究反应器运行过程中微生物群落结构的动态变化，构造PTA废水特征污染物降解规律与微生物菌群结构的对应关系，以期为两级UASB的工程应用和优势菌群构建提供参考。
1 实验材料与方法
1.1 接种污泥和PTA废水
接种污泥取自锦西石化污水处理场一级水解酸化池，呈絮状，挥发性悬浮固体(VSS)与总悬浮固体(TSS)比值为0.56。反应器接种污泥质量浓度18.56 kg/m3(以TSS计)。模拟PTA废水由BA、TA、pTA和醋酸配制而成，NH4Cl和KH2PO4为补充氮源和磷源，废水中COD与氮、磷质量比为350:5:1，另添加微量元素如下：CoCl2·6H2O 1 999 μg/L，NiCl2·6H2O59 μg/L，EDTA 994 μg/L，CuCl2·2H2O 24 μg/L，H3BO349 μg/L，ZnSO4·7H2O 106 μg/L，(NH4)6Mo7O24·4H2O50 μg/L，FeCl2·4H2O 2 000 μg/L，MnSO4·H2O 423μg/L〔9〕。通过投加NaOH将废水pH调节至5.5~7.0。
1.2 实验装置及运行方式
一级和二级UASB反应器分别记为UASB-Ⅰ和UASB-Ⅱ，尺寸均为内径76 mm，高1 210 mm，有效容积4.7 L，工艺示意如图 1所示。反应器采用恒温水浴方式将内部温度控制在(35±1) ℃，实验运行周期为134 d，进水BA、TA和pTA质量浓度均从100 mg/L逐渐提高到800 mg/L，而后调减并最终稳定在600 mg/L。运行过程中设定UASB-Ⅰ反应器水力停留时间(HRT)18~20 h，UASB-Ⅱ反应器HRT38~50 h(第1天-第79天时HRT=38 h，第80天-第95天时HRT=50 h，第96天-第134天时HRT=40 h)；反应器产沼气由集气袋收集。
图1
1.3 分析方法
COD采用CTL-12 COD速测仪(华通环保，中国)测量。沼气中甲烷含量采用GC7806气相色谱仪(北京温岭，中国)测量，样品进样量10 μL，柱箱、进样、检测温度分别设置为80、100、150 ℃。
BA、TA和pTA浓度采用Ultimate 3000液相色谱仪(赛默飞世尔，美国)测量，流动相为1%乙酸水溶液和纯甲醇，流速1 mL/min，检测波长230 nm。
UASB反应器微生物群落分析采用高通量基因测序方法〔12〕。反应器连续运行134 d后，从两反应器底部采集污泥样品分别记为S1和S2，离心去除上清液后置于-20 ℃冰箱中储存备用，污泥样品测序和群落结构解析通过Illumina Hiseq 2500 PE250高通量测序平台完成。
2 结果与讨论
2.1 污染物去除性能
反应器运行过程中，通过增加进水COD和改变HRT来提高反应器的容积负荷。如图 2所示，控制进水BA、TA和pTA质量浓度100~800 mg/L，随着反应器进水COD由1 000 mg/L升至6 000 mg/L，COD容积负荷逐渐升高至2 g/(m3·d)。
图2
图2
UASB反应器进水COD和污染物浓度变化对容积负荷的影响
Fig.2
Effect of COD and pollutant concentration of influent on volume load of UASB reactors
考察运行过程中UASB-Ⅰ和UASB-Ⅱ反应器对COD的去除效果，结果如图 3所示。
图3
由图 3可知，反应器启动阶段(前13 d)进水COD约1 000 mg/L，UASB-Ⅰ和UASB-Ⅱ反应器出水COD有较大波动，平均去除率分别为26.15%和69.23%。驯化阶段(第14天-第40天)UASB-Ⅰ和UASB-Ⅱ反应器COD去除率明显提高，且UASB-Ⅱ反应器出水COD稳定在100 mg/L以下。40 d后，两反应器进水COD逐渐提高，UASB-Ⅰ反应器COD去除率明显下降，至第64天时去除率降至15.37%，此时UASB-Ⅱ反应器COD去除率也降至60%左右，两级UASB总COD去除率为65%。虽然UASB-Ⅱ反应器遭受UASB-Ⅰ出水COD高的冲击，但此后性能逐渐恢复，即便在第75天进水COD突增至5 032 mg/L导致UASB-Ⅰ反应器COD去除率降至9.75%，两级UASB的平均总COD去除率仍未有明显下降，且在第64天-第84天两级UASB反应器COD总平均去除率高于80%，有力抗击了高COD的持续冲击。在第85天之后，进水COD调整至4 720 mg/L左右，之后经过30 d运行，反应器运行基本稳定。UASB-Ⅰ和UASB-Ⅱ在第85天-第135天平均COD去除率分别为29.33%和88.62%，两级UASB反应器总COD平均去除率为92.34%。
以上结果表明，一级反应器虽然运行稳定性较差，但经过UASB-Ⅱ反应器后，出水COD的去除率和稳定性大大提高，说明两级UASB可高效、稳定处理PTA废水，对水质波动有良好的抗冲击能力。
对PTA废水中特征污染物BA、TA和pTA的去除效果进行跟踪测定，结果如图 4所示。
图4
图4
UASB反应器对BA、TA和pTA的去除效果
Fig.4
The removal efficiencies of BA、TA and pTA in UASB
由图 4可以看出，在整个运行阶段，UASB-Ⅰ反应器对三种污染物的去除效果波动较大，但经UASB-Ⅱ反应器处理后的出水比较稳定。UASB-Ⅰ反应器的运行效果受进水浓度影响显著，当三种污染物进水质量浓度在450 mg/L以下时(第30天-第74天)，UASB-Ⅰ反应器出水BA质量浓度降至100 mg/L以下，平均去除率达90%以上，TA和pTA的平均去除率约为30%。当污染物质量浓度从第75天开始提高至750 mg/L后，UASB-Ⅰ反应器遭受明显的冲击，出水中三种污染物浓度大幅度升高，去除率明显降低，但两级UASB反应器对BA和TA的总去除率仍维持在90%以上，对pTA的去除率保持在60%以上。在第86天通过调减污染物浓度并延长HRT后，UASB-Ⅰ反应器经过30 d恢复期，BA去除效果有明显提升，至第130天时，BA、TA、pTA出水质量浓度分别为32.85、513.6、492.1 mg/L，稳定运行期间(第116天-第130天)BA、TA、pTA平均去除率为95%、18%、23%，再经UASB-Ⅱ反应器处理后BA和TA被降解完全，pTA出水质量浓度降至40 mg/L。整个运行阶段，两级UASB反应器对BA、TA、pTA的平均总去除率为100%、97.99%、87.94%，这表明三种污染物的难生物降解性依次为pTA > TA > BA，与Xuxiang Zhang等〔13〕的报道一致。
由此可见，UASB-Ⅰ反应器可降解大部分BA和少部分TA、pTA，残留的污染物再经过UASB-Ⅱ反应器处理后实现深度去除，即两级UASB系统中UASB-Ⅰ反应器降低了污染负荷，减轻了毒性物质对UASB-Ⅱ反应器的冲击，确保UASB-Ⅱ稳定运行，最终实现对PTA废水的稳定处理。
2.2 产甲烷性能
分别测定反应过程中两级USAB反应器集气袋中甲烷含量，计算单位COD甲烷产率，结果如图 5所示。
图5
由图 5可以看出，在反应器运行前70 d内，两级反应器平均甲烷产率均低于10 mL/g，主要原因为PTA废水中大量存在的三种污染物抑制了产甲烷菌的活性；经过70 d驯化培养后，UASB-Ⅰ反应器平均甲烷产率依然远低于10 mL/g，而UASB-Ⅱ反应器甲烷产率逐渐提高，最高可达67 mL/g，表明UASB-Ⅰ反应器对三种污染物的降解有效提高了UASB-Ⅱ反应器中的产甲烷菌活性，促进了UASB-Ⅱ反应器中污染物的降解；随着运行周期的增长，UASB-Ⅰ反应器性能逐渐恢复，至第106天后其甲烷产率逐渐提高并稳定在37.14 mL/g，此时由于UASB-Ⅰ反应器将进水中的醋酸转化为甲烷，UASB-Ⅱ反应器进水醋酸含量降低导致其甲烷产率有所降低，平均甲烷产率为15.24 mL/g，两反应器的甲烷产率之和为52.38 mL/g，远低于厌氧反应器中甲烷产率最大理论值350 mL/g〔10〕，推测其原因，可能是难降解的pTA导致产气率较低〔14〕，或反硝化细菌和硫酸盐还原菌较多和产甲烷菌争夺碳源而影响甲烷产率〔15〕。
2.3 微生物群落特征
反应器运行135 d后，对两级UASB反应器中的污泥样品中微生物进行高通量测序分析，结果如表 1所示。
表1 Alpha多样性分析
Table 1
| 污泥样品 | Sequence | OTU | Shannon指数 | Chao指数 | Coverage |
| S1 | 65408 | 657 | 3.47 | 747 | 0.99 |
| S2 | 69112 | 855 | 4.11 | 984 | 0.99 |
由表 1可知，两个污泥样品分别检测到65 408和69 112个序列，测序深度均达99%以上。Shannon指数和Chao指数用于评价群落Alpha多样性，其值越高表明群落多样性和丰富度越高，因此UASB-Ⅱ反应器的微生物多样性和丰富度均高于UASB-Ⅰ反应器。这可能是由于PTA废水经过一级UASB处理后，BA、TA和pTA被部分水解，降低了废水的生物毒性，提高了UASB-Ⅱ反应器的微生物多样性和丰富度。
S1和S2的微生物结构见图 6。
图6
门水平的微生物群落结构如图 6(a)所示。UASB-Ⅰ和UASB-Ⅱ反应器优势菌为变形菌门(Pro-teobacteria)、广古菌门(Euryarchaeota)、酸热菌门(Acetothermia)和绿弯菌门(Chloroflexi)。Proteoba-cteria可降解多环芳烃和TA〔10〕；Acetothermia为厌氧生产乙酸等短链脂肪酸的重要功能菌，具有在高盐环境生存的能力〔16〕；Chloroflexi参与多环芳烃的转化与降解〔17〕。这些菌群的富集保证了PTA废水中污染物的有效去除。UASB-Ⅰ和UASB-Ⅱ反应器中Euryarchaeota相对丰度分别为29.13%和19.49%，Euryarchaeota中存在大量的产甲烷菌，可将乙酸转化成甲烷，同时这类微生物有利于促进短链脂肪酸的生物转化〔18〕。相比于UASB-Ⅰ，UASB-Ⅱ反应器还存在大量可降解BA的TA06细菌，在嗜热条件下也有利于TA厌氧降解〔19〕。
属水平的微生物群落结构如图 6(b)所示。在属水平上，两级UASB的优势微生物种类大致相同，为norank_f_norank_o_norank_c_Acetothermiia、互营菌属(Syntrophus)和杆状脱硫菌属(Desulforhabdus)，但其丰度存在明显差异，相似的群落结构同样见于Miaomiao Liu等〔20〕的研究中。Syntrophus能够有效降解苯甲酸酯、对苯二甲酸酯〔18〕和BA〔21-22〕，Desulforhabdus可将多环芳烃降解为乙酸〔23〕，这些菌属在两级UASB系统中富集，促进了PTA废水的生物降解。此外，相比UASB-Ⅱ反应器，UASB-Ⅰ反应器含有较高丰度的酚降解菌(Diaphorobacter)和水解酸化菌(Raineyella)，而UASB-Ⅱ反应器中norank_f_norank_o_norank_c_Acetothermiia、JGI-0000079-D21和Corynebacterium_1相对丰度较高。菌属的差异导致两反应器功能不同，Diaphorobacter和Raineyella在UASB-Ⅰ中富集，促进了BA、TA和pTA的降解〔24〕。这些特征污染物的降解和转化，保证了UASB-Ⅱ反应器的高性能运行。
3 结论
(1) 两级UASB工艺可实现高浓度PTA废水有效处理，COD去除率和甲烷产率分别达92.34%和52.38 mL/g。特征污染物BA、TA和pTA在一级反应器中发生了部分转化，在二级反应器中得到深度去除。
(2) UASB-Ⅰ反应器富集了酚降解菌Diaphorobacter和水解酸化菌Raineyella，发挥了水解酸化的功能，提高了UASB-Ⅱ反应器的运行稳定性和污染物降解性能。
(3) 本研究在污染物降解路径方面的研究不够深入，后续将进一步结合气相色谱-质谱联用技术(GC-MS)等高等仪器分析手段分析两级UASB工艺对PTA真实废水的处理效果及特征污染物的厌氧生物降解机制，从而更有针对性地为PTA废水生物处理工艺提供优化方案。
参考文献
Treatment of multicomponent aqueous solution of purified terephthalic acid wastewater by electrocoagulation process: Optimization of process and analysis of sludge
[J].DOI:10.1016/j.jtice.2015.10.038 [本文引用: 1]
Anaerobic-aerobic treatment of purified terephthalic acid(PTA) effluent; a techno-economic alternative to two-stage aerobic process
[J].DOI:10.1016/j.jenvman.2006.11.016 [本文引用: 1]
Pilot study of UASB process treating PTA manufacturing wastewater
[J].
UASB处理含油废水的研究及微生物群落动态分析
[J].DOI:10.11894/1005-829x.2017.37(12).029 [本文引用: 1]
Anaerobic wastewater treatment of concentrated sewage using a two-stage upflow anaerobic sludge blanket-anaerobic filter system
[J].
Evaluation of performance and microbial community in a two-stage UASB reactor pretreating acrylic fiber manufacturing wastewater
[J].DOI:10.1016/j.biortech.2011.02.111 [本文引用: 1]
Two-stage anaerobic treatment of purified terephthalic acid production wastewaters
[J].
Sequential treatment of PTA wastewater in a two-stage UASB process: Focusing on p-toluate degradation and microbial distribution
[J].DOI:10.1016/j.watres.2012.02.042 [本文引用: 3]
水生植物小叶满江红内生真菌与古菌的发现及基于高通量测序的群落组成分析
[J].
Potential and optimization of two-phase anaerobic digestion of oil refinery waste activated sludge and microbial community study
[J].DOI:10.1038/srep38245 [本文引用: 1]
Degradability of five aromatic compounds in a pilot wastewater treatment system
[J].
Desiccationand saline-tolerant bacteria and archaea in Kalahari Pan Sediments
[J].DOI:10.3389/fmicb.2018.02082 [本文引用: 1]
Targeted cell sorting combined with single cell genomics captures low abundant microbial dark matter with higher sensitivity than metagenomics
[J].DOI:10.3389/fmicb.2020.01377 [本文引用: 1]
Evaluation of an up flow anaerobic sludge bed(UASB) reactor containing diatomite and maifanite for the improved treatment of petroleum wastewater
[J].DOI:10.1016/j.biortech.2017.06.171 [本文引用: 2]
Establishment of thermophilic anaerobic terephthalic acid degradation system through onestep temperature increase startup strategy: Revealed by Illumina Miseq Sequencing
[J].DOI:10.1016/j.chemosphere.2017.06.090 [本文引用: 1]
Impacts of biostimulation and bioaugmentation on the performance and microbial ecology in methanogenic reactors treating purified terephthalic acid wastewater
[J].DOI:10.1016/j.watres.2017.06.008 [本文引用: 1]
Syntrophus aciditrophicus sp. nov. a new anaerobic bacterium that degrades fatty acids and benzoate in syntrophic association with hydrogen-using microorganisms
[J].DOI:10.1007/s002030050685 [本文引用: 1]
The genome of Syntrophus aciditrophicus: Life at the thermodynamic limit of microbial growth
[J].DOI:10.1073/pnas.0610456104 [本文引用: 1]
Effect of the inoculation with Desulforhabdus amnigenus and pH or O2 shocks on the competition between sulphate reducing and methanogenic bacteria in an acetate fed UASB reactor
[J].DOI:10.1016/S0960-8524(97)00014-X [本文引用: 1]
A high-efficiency phenanthrene-degrading Diaphorobacter sp. isolated from PAH-contaminated river sediment
[J].DOI:10.1016/j.scitotenv.2020.140455 [本文引用: 1]
津公网安备 12010602120337号
