砷对SBR工艺治理磺胺甲恶唑废水的影响

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抗生素及其抗性基因(Antibiotic resistance genes,ARGs)在环境中的迁移转化是近年来环境领域的研究热点之一。以序批式活性污泥法(Sequencing batch reactor,SBR)为代表的活性污泥工艺在抗生素废水治理领域已经得到了广泛应用。实际处理中,大多研究仅关注了抗生素一类污染物对SBR工艺的影响以及SBR工艺对抗生素的去除。然而,由于磺胺甲恶唑(Sulfamethoxazole,SMX)和有机砷制剂作为饲料添加剂的大量使用,实际养殖废水可能同时含有高浓度SMX和有机砷代谢物(包括无机砷As(III),As(V)等)。相关研究表明,SBR工艺会受到砷和SMX暴露的影响,并且砷还可以刺激细菌对抗生素产生耐药性,砷的存在很有可能对SBR工艺治理抗生素废水的过程产生影响。但是,很少有这方面的研究报道。因此,本研究设置两组平行的SBR反应装置,在同时加入SMX的条件下,其中一组(实验组)单独加入砷从而分析砷对SMX废水治理过程中SBR系统稳定性的影响;在此基础上探究了砷对系统去除SMX性能及机制的影响;最后针对实际废水中抗生素浓度波动问题,评估了砷对SBR工艺耐受不同浓度SMX能力的影响,主要研究结论如下:(1)通过检测SBR工艺污泥特性、去除性能、污泥活性的变化,对比分析污泥微生物群落结构差异,考察了砷对治理SMX废水时SBR系统稳定性的影响。结果表明,当砷浓度在0.5mg/L时,SBR系统中污泥形态保持稳定,污泥沉降性较好。砷减弱了SMX对污泥生长的抑制作用,刺激胞外聚合物(Extracellular polymeric substances,EPS)含量从11.95 mg/g MLSS提升至48.87mg/g MLSS。短期运行时,添加砷显著(p<0.01)抑制了有机物降解和硝化过程的微生物活性,导致化学需氧量(Chemical Oxygen Demand,COD)、总氮(Total Nitrogen,TN)去除性能严重恶化(去除率分别降低19.67%和11.94%)。长期运行时,砷却能刺激好氧微生物活性提高,有利于COD以及TN去除性能的稳定。砷促进了细菌群落中ARGs的水平转移,g-unclassified-o-Flavobacteriales、Defluviicoccus、unclassified-c-Blastocatellia等微生物在SMX胁迫下仍能生长,相对丰度提高,确保了SBR工艺在处理SMX污染时微生物群落结构的长期稳定。(2)对比两反应器中活性污泥对SMX的去除量和微生物群落差异,分析反应器中SMX的吸附机理和降解机理,深入探究了砷对SBR工艺去除SMX性能及机制的影响,并进行了数据拟合。结果表明,活性污泥主要依靠化学吸附去除SMX,吸附行为更趋近于单层吸附。EPS中的色氨酸样蛋白和富里酸类物质是活性污泥吸附SMX时的关键组分。据推测砷会占据部分SMX的吸附位点,导致活性污泥对SMX的最大吸附容量从1.7251±0.0054 mg/g MLSS降至0.7639±0.0121 mg/g MLSS。砷的存在没有改变SMX的生物降解途径,检测到SMX的中间降解产物为3-氨基-5-甲基异恶唑,4-氨基-2-丁醇,苯磺酸等,最终SMX降解率基本达到100%。Defluviicoccus、Azoarcus、Thauera、norank-f-env.OPS-17、Candidatus-Competibacter、Nitrospira、norank-f-norank-o-Kapabacteriales、unclassified-f-Chromatiaceae在SMX生物降解中起重要作用。(3)通过逐步提高SMX浓度,评估了砷对SBR工艺耐受不同浓度SMX能力的影响。砷增强了SBR工艺对SMX的耐受能力,在不同浓度的SMX胁迫下,砷的存在使SBR系统污泥浓度由5223 mg/L稳定提升至7832 mg/L,SVI30基本稳定在37±1 m L/g,COD和NH4+-N去除性能不受抑制(去除率分别为96.80±1.77%和97.73±1.99%)。砷的存在改变了SBR的微生物群落结构,砷引起的抗性基因传播为SMX耐受及降解细菌提供了有利环境,增强了SMX耐受或降解细菌的筛选,导致微生物群落多样性降低。砷提高了活性污泥中SMX耐受菌(Defluviicoccus、Chloronema、Thauera等共22种)以及降解菌(Amaricoccus、Azoarcus、Nitrospira等共10种)的总相对丰度(分别为90.35%和64.60%),使SBR工艺获得了更强的SMX降解及耐受能力。本研究表明砷干扰了活性污泥对SMX的吸附过程,提高了SBR工艺治理磺胺甲恶唑废水时的系统稳定性,增强了SBR工艺对不同浓度SMX的耐受能力。因此,使用SBR工艺处理含有抗生素和重金属等不同污染物的实际废水时需要考虑复合污染物对工艺的潜在影响。
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