中成藥制藥廢水主要來源于中藥材提取、原料藥提取、水針和固體制劑的生產過程排水、輔助過程排水、沖洗水和生活污水。生產過程排水帶入大量乙醇、乙酸乙酯、四氫呋喃等生產原料，使得制藥廢水具有COD高、難降解、色度高和生物毒性強等特點。制藥廢水可生化性差，直接采用生化處理難以實現達標排放，而采用Fenton-微電解等預處理工藝處理制藥廢水，又面臨投資運行成本高、管理復雜等難題。

電-生物耦合技術可克服上述缺點，通過電極電化學氧化使部分難生化物質氧化為易生物降解物質，被微生物去除。研究表明，適當電場電壓可以提高微生物細胞的新陳代謝過程、細胞分裂速度、基因表達及酶活性，從而提高難生物降解廢水的處理效果。電-生物耦合技術處理廢水時工藝占地面積小、操作維護簡單、抗負荷沖擊力強、處理費用低，但國內外學者對電-生物耦合技術處理制藥廢水的降解規(guī)律和微生物群落種群特征的研究較少。

筆者采用電-生物耦合技術處理制藥廢水，對門、屬水平的微生物多樣性進行研究，對比最佳工況下電-生物反應器陰、陽極板兩側生物膜以及0V時生物膜之間的微生物種群多樣性差異，分析電場作用對微生物多樣性的影響，揭示電-生物耦合技術提高COD去除率的機理。

1、材料與方法

1.1 試驗水質

試驗所用原水取自蘭州某制藥廠污水調節(jié)池。不同時段廢水的水質水量變化較大，各車間生產時調節(jié)池的COD、BOD5、pH變化情況見表1。

該制藥廠廢水含有四氫呋喃、乙醇、乙酸乙酯、丙酮、甲苯、氯仿、異丁醇、苯乙烯等污染物，各車間廢水B/C約0.3，可生化性差。廠內各車間均為間歇式生產，廢水COD大幅度波動。

2、試驗裝置

試驗裝置如圖1所示，主要由原水水箱、電場反應器（極板、球形填料、曝氣頭）、曝氣機、穩(wěn)壓直流電源、電磁隔膜計量泵組成。電-生物反應器采用PP板焊制，尺寸為300mm×300mm×550mm，內部由隔板分為兩級，一級與二級的有效容積為3：2。試驗時原水從一級段底部進水，通過上端隔板孔溢流至二級段，二級段底部排出。裝置底部設置有曝氣裝置，兩段各設置1塊陽極板和2塊陰極板，單個極板尺寸300mm×550mm，陽極板為鈦基二氧化釕，陰極板為純鈦網，極板間距15cm。極板之間填有D60、90mm的組合球形填料（體積比1：1），電磁隔膜計量泵型號WS-09-03-S，直流穩(wěn)壓電源型號MS303D-30V3A。

1.3 活性污泥接種與電場馴化

取某市政污水處理廠二沉池活性污泥進行接種，將原水用自來水稀釋至COD為800mg/L左右注入到反應器中，控制溶解氧在3~4.5mg/L、電壓為0，悶曝3d，然后以15L/d的流量每天逐漸增加水力負荷，直到流量增至50L/d，保持此流量運行3周后出水COD穩(wěn)定在460~510mg/L，標志著球形填料掛膜完成，取出部分生物膜保存于低溫冰箱中用于后續(xù)高通量測序；此后調節(jié)反應器電壓由0V增至27V，電壓增量為2V或3V，每次調整完畢馴化5d后進行水質測定。

1.4 測定方法

1.4.1 水質測定

參照標準方法測定COD院將樣品搖勻后用0.45μm濾膜過濾，用COD-571-1型消解儀進行消解，隨后用COD-571型化學需氧量測定儀測定COD；用JPBJ608型便攜式溶解氧測定儀測定溶解氧；采用pHSJ-3F型酸度計進行pH測定。

1.4.2 生物多樣性檢測

將反應器中的球形填料取出，放入經過滅菌的一次性塑料離心管中低溫保存。測試時將填料取出置于250mL錐形瓶中，注入100mL純凈水，在低溫震蕩箱（10℃）中恒溫震蕩24h后取出，靜沉2h，取出沉淀污泥進行基因組DNA抽提，并用1%瓊脂糖凝膠電泳檢測抽提的基因組DNA完整性。檢測合格后，按指定測序區(qū)域合成帶有barcode的特異引物，采用TransGen TransStart Fastpfu DNA Polymerase AP221-02型聚合酶、ABI GeneAmp9700型PCR儀進行PCR擴增，每個樣本3個重復，將同一樣本的PCR產物混合后用2%瓊脂糖凝膠電泳檢測，用AxyPrepDNA凝膠回收試劑盒（AXYGEN公司）切膠回收PCR產物，Tris_HCl洗脫；參照電泳初步定量結果，用QuantiFluorTM-ST藍色熒光定量系統(tǒng)定量檢測PCR產物，之后按每個樣本的測序量要求，進行相應比例的混合。在相似性97%的標準下獲得操作分類單元，OTU通過RDP數據庫中的Classifer程序進行檢索分類，得出群落的微生物種類組成及相對豐度；用Mothur軟件計算菌群Chao、Shannon、Simpson多樣性指數；將數據批量導入Qiime軟件，對OTUs表進行組間差異性分析，生成門、屬分類水平上的物種豐度表。

2、結果與討論

2.1 電壓對COD去除效果的影響

在電-生物反應器HRT為24h、DO為3.0~4.5mg/L條件下，測定不同電壓下電-生物反應器進出水COD，結果如圖2所示

由圖2可知，當反應器電壓由0增至10V過程中，COD平均去除率由63.52%升至83.62%，總體呈現上升趨勢。這是因為在較低電壓（0~5V）下電流較小，極板不能有效生成ClO-和?OH等強氧化中間介質，電氧化作用不能完全發(fā)揮，廢水中難生化有機物的電氧化降解效果不足。隨著電壓繼續(xù)增加（5~10V），陽極板的電氧化功能提高，難生化降解有機物被氧化為可生物降解物質，同時因電場可以刺激生物群落中微生物的生長代謝，提高生物酶活性，微生物對廢水的降解能力得以提高，從而實現電氧化與微生物對COD的協(xié)同降解，提高了電-生物反應器對制藥廢水中難降解有機物的去除能力。

當反應器電壓由10V增至27V，COD去除率呈下降趨勢，平均去除率由83.62%降至35.69%。在較高電壓下?OH生成量雖然不斷增加，電氧化反應程度增大，但過高的電壓會誘發(fā)微生物代謝失調，導致微生物降解COD功能受限。尤其當電壓躍18V后，COD去除率下降趨勢更加明顯，可能是電壓升高導致微生物失活或死亡。電氧化增速明顯低于微生物處理降低速率，總體上導致處理效率急劇下降。電生物反應器電壓為27V時，填料上的生物膜已嚴重流失，此時電化學氧化對COD的去除起主要作用。

上述分析表明，電壓為10V時電氧化反應器處理效率最高，進水COD平均值為1588mg/L，COD平均去除率達83.62%，相對于僅微生物作用（電壓為0）和電化學為主要作用（電壓為27V），COD去除率分別提高了20%、47.93%。

2.2 微生物菌群多樣性分析

在電-生物反應器電壓為10V條件下，分別對陰極板（MY1）、陽極板（MY2）兩側生物膜進行樣品采集，與0V時的生物膜（AC）共同進行高通量測序。細菌群落指數如表2所示。

如表2所示，經PCR擴增和高通量測序后，3個微生物樣品獲得的有效序列數在35136~54895，在97%的相似度水平上對生物膜的有效序列進行多樣性分析，各樣本OUT分別為1274、1061、452。圖3、圖4分別為細菌群落豐富度稀疏曲線及Shannon指數稀釋曲線。

由圖3、圖4可知，OUTs和Shannon指數隨著序列數的增加而迅速上升，測序條帶數量躍30000時，OUTs曲線末端趨于平緩，測序條帶數量躍5000時，Shannon指數稀釋曲線趨于飽和，說明測序深度能夠覆蓋細菌群落的多樣性。OUTs曲線表現出3個樣本之間物種差異性較大。MY1和MY2的Simpson指數大于AC，而AC的Chao指數和Shannon指數均大于MY1和MY2，說明電場作用會導致微生物物種多樣性降低，但生物種群分布更加集中，優(yōu)勢種群集中可以提高制藥廢水的處理效率。

2.3 微生物菌群門水平上的組成和豐度

3個樣本在門水平上的分類學比對情況如圖5所示。

在門水平上，3個樣本共檢測出36個菌門。AC、MY1和MY2樣品中變形菌門（Proteobacteria）均為優(yōu)勢菌，豐度分別為46.88%、50.28%、72.19%。Pro-teobacteria為革蘭氏陰性菌，大部分為兼性或專性厭氧及異養(yǎng)，Y.J.Liu等研究發(fā)現Proteobacteria是制藥廢水處理系統(tǒng)中COD降解的主要菌門。其次為擬桿菌門（Bacteroidetes），豐度分別為31.20%、32.87%、9.58%。Bacteroidetes是化能有機營養(yǎng)菌門，可降解復雜有機物（纖維素和淀粉）、脂類和蛋白質；中藥提取車間廢水含有纖維素，陰極發(fā)生的還原反應使O2在新生態(tài)氫存在下還原為具有氧化活性的H2O2，將復雜有機污染物氧化為可被Bacteroidetes利用的中間產物，可能導致MY1中Bacteroidetes豐度較高。再次為厚壁菌門（Firmicutes），豐度分別為1.41%、9.19%、4.20%，Firmicutes在MY1中的豐度明顯高于AC的豐度，M.E.Casas等和WeichengLi等研究發(fā)現Firmicutes在抗生素廢水處理中為主要優(yōu)勢菌門，因此電-生物反應器對處理含抗生素的廢水具有優(yōu)勢。

反應器生物膜中Proteobacteria、Bacteroidetes和Firmicutes具有相對較高的豐度，對難降解有機物和抗生素可發(fā)揮更好的去除效果，可能是電-生物耦合技術處理制藥廢水效率提高的原因之一。

此外，綠彎菌門（Chloroflexi）在AC和MY1中的豐度為6.78%、2.26%，在MY2中的豐度僅為0.13%，這是因為Chloroflexi為厭氧生物，陽極電解水產生的O2抑制了Chloroflexi的生長和繁殖。Epsi-lonbacteraeota在MY2中的豐度為13.43%，在AC和MY1中的豐度約1%，Epsilonbacteraeota為之前的著變形菌綱，后被劃分為新門，可利用H2作為電子供體，陽極產生H2是其豐度較高的主要原因。

2.4 微生物菌群屬水平上的組成和豐度

屬水平上3個樣品共檢測出601個菌屬，相對豐度如圖6所示。

由圖6可知，AC樣品中的主要優(yōu)勢菌屬為腐螺旋菌屬（Saprospiraceae）、SJA-28、OM27clade、厭氧繩蠅屬（Anaerolineaceae）、Chitinophagales、Sulfurita-lea、陶厄氏菌屬（Thauera）、PHOS-HE36、Limnohabi-tans和Dokdonella，其豐度分別為6.57%、5.79%、4.65%、3.02%、2.69%、2.52%、2.34%、2.29%、2.27%、2.26%。MY1樣品中的主要菌屬為Rivicola、動膠菌屬（Zoogloea）、Paludibacter、脫硫葉菌屬（Desulfo-bulbus）、Lentimicrobiaceae、球衣菌屬（Sphaerotilus）、M2PB4-65termitegroup、Methyloversatilis和噬氫菌屬（Hydrogenophaga），其豐度分別為13.16%、10.03%、6.30%、4.88%、4.48%、2.51%、2.47%、1.99%、1.57%。MY2樣品中的主要菌屬為動膠菌屬（Zoogloea）、弓形桿菌屬（Arcobacter）、Rivicola、不動桿菌屬（Acine-tobacter）、Paludibacter、噬氫菌屬（Hydrogenophaga）、Fusibacter和Cloacibacterium，其豐度分別為52.55%、12.99%、7.98%、2.96%、2.84%、1.92%、1.69%、1.33%。

電-生物反應器中，電壓為10V時的微生物菌屬與電壓為0時的差異明顯，10V時陰陽極板兩側微生物菌屬發(fā)現Zoogloea對甲苯、石油廢水等難降解廢水的降解效率。造紙廢水、石油廢水與制藥廢水的污染物類別相近，由此可推測出Zoogloea；Sphaerotilus嚴格好氧，能利用多種有機物如醇、有機酸和糖類等作為碳源和能源，制藥廢水中的乙醇和甲醇為Sphaerotilus提供了碳源；Acinetobacter可通過氧化作用將芳香烴開環(huán)裂解并利用。

電場和不同中間產物共同導致電-生物反應器在10V時的微生物菌屬與0V時差異明顯，，同時陽極表面形成的高價態(tài)氧化物MOx+1會去除部分難降解物質；陰極附近O2與新生態(tài)氫生成具有氧化活性的H2O2來氧化有機物，因此產生不同中間產物，使微生物的營養(yǎng)源成分存在差異，而不同菌屬對營養(yǎng)源的攝取能力[不同，導致不同電壓下電-生物反應器的微生物菌屬呈現差異性。

3、結論

（1）固定電-生物反應器極板間距為15cm、HRT為24h，DO為3~4.5mg/L，考察電壓對COD去除率的影響。結果表明，電壓為10V時COD去除率最高，初始COD為1473.45mg/L的原水經處理后COD去除率可達83.62%，較電壓為0時COD去除率提高了20.1%。

（2）電壓在0~10V，電-生物反應器的處理效率與電壓呈正相關關系，可能是電場強化了微生物功能，同時電氧化的協(xié)助作用促進了污染物降解；電壓在10~27V，處理效率與電壓呈負相關關系，可能是過高的電壓降低了微生物活性，導致處理效率下降。

（3）電-生物反應器為10V時陰、陽極板兩側生物膜和0V時生物膜的菌落多樣性呈現較大差異。陰陽極板周邊生物膜中的優(yōu)勢菌門為Proteobacte-ria、Bacteroidetes和Firmicutes，其對復雜有機物和抗生素等難降解物質有較好的去除作用；屬水平上，Zoogloea在極板周邊的相對豐度顯著提高，其對制藥廢水中醇類、甲苯、長鏈烴等物質的去除起到重要作用，同時電-生物反應器生物膜中的Desulfobul-bus、Sphaerotilus和Acinetobacter可以降解制藥廢水中的簡單有機物和芳香烴。

（4）電氧化與生物降解的協(xié)同作用是提高對制藥廢水處理效率的主要原因之一。門水平和屬水平上存在大量可以利用難生物降解物質的菌種，其對芳香烴、長鏈烴等物質的降解，提高了對制藥廢水的降解效率，同時電化學作用可將難生物降解物質轉化為可被微生物利用的中間產物，提高微生物降解制藥廢水的效率。電氧化和生物降解之間的協(xié)同作用導致菌落結構發(fā)生較大變化，最佳電壓下的菌落結構對制藥廢水的處理效率更高。（來源：甘肅省黃河水環(huán)境重點實驗室，蘭州交通大學環(huán)境與市政工程學院）