中成藥制藥廢水主要來(lái)源于中藥材提取、原料藥提取、水針和固體制劑的生產(chǎn)過(guò)程排水、輔助過(guò)程排水、沖洗水和生活污水。生產(chǎn)過(guò)程排水帶入大量乙醇、乙酸乙酯、四氫呋喃等生產(chǎn)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(diǎn)。制藥廢水可生化性差，直接采用生化處理難以實(shí)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(shù)可克服上述缺點(diǎn)，通過(guò)電極電化學(xué)氧化使部分難生化物質(zhì)氧化為易生物降解物質(zhì)，被微生物去除。研究表明，適當電場(chǎng)電壓可以提高微生物細胞的新陳代謝過(guò)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(shù)處理廢水時(shí)工藝占地面積小、操作維護簡(jiǎn)單、抗負荷沖擊力強、處理費用低，但國內外學(xué)者對電-生物耦合技術(shù)處理制藥廢水的降解規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(shù)處理制藥廢水，對門(mén)、屬水平的微生物多樣性進(jìn)行研究，對比最佳工況下電-生物反應器陰、陽(yáng)極板兩側生物膜以及0V時(shí)生物膜之間的微生物種群多樣性差異，分析電場(chǎng)作用對微生物多樣性的影響，揭示電-生物耦合技術(shù)提高COD去除率的機理。

1、材料與方法

1.1 試驗水質(zhì)

試驗所用原水取自蘭州某制藥廠(chǎng)污水調節池。不同時(shí)段廢水的水質(zhì)水量變化較大，各車(chē)間生產(chǎn)時(shí)調節池的COD、BOD5、pH變化情況見(jiàn)表1。

該制藥廠(chǎng)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(chē)間廢水B/C約0.3，可生化性差。廠(chǎng)內各車(chē)間均為間歇式生產(chǎn)，廢水COD大幅度波動(dòng)。

2、試驗裝置

試驗裝置如圖1所示，主要由原水水箱、電場(chǎng)反應器（極板、球形填料、曝氣頭）、曝氣機、穩壓直流電源、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(shí)原水從一級段底部進(jìn)水，通過(guò)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(yáng)極板和2塊陰極板，單個(gè)極板尺寸300mm×550mm，陽(yáng)極板為鈦基二氧化釕，陰極板為純鈦網(wǎng)，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，直流穩壓電源型號MS303D-30V3A。

1.3 活性污泥接種與電場(chǎng)馴化

取某市政污水處理廠(chǎng)二沉池活性污泥進(jìn)行接種，將原水用自來(lái)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穩定在460~510mg/L，標志著(zhù)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高通量測序；此后調節反應器電壓由0V增至27V，電壓增量為2V或3V，每次調整完畢馴化5d后進(jìn)行水質(zhì)測定。

1.4 測定方法

1.4.1 水質(zhì)測定

參照標準方法測定COD院將樣品搖勻后用0.45μm濾膜過(guò)濾，用COD-571-1型消解儀進(jìn)行消解，隨后用COD-571型化學(xué)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(jìn)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(jīng)過(guò)滅菌的一次性塑料離心管中低溫保存。測試時(shí)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(jìn)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(jìn)行PCR擴增，每個(gè)樣本3個(gè)重復，將同一樣本的PCR產(chǎn)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(chǎn)物，Tris_HCl洗脫；參照電泳初步定量結果，用QuantiFluorTM-ST藍色熒光定量系統定量檢測PCR產(chǎn)物，之后按每個(gè)樣本的測序量要求，進(jìn)行相應比例的混合。在相似性97%的標準下獲得操作分類(lèi)單元，OTU通過(guò)RDP數據庫中的Classifer程序進(jìn)行檢索分類(lèi)，得出群落的微生物種類(lèi)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(jìn)行組間差異性分析，生成門(mén)、屬分類(lèi)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(jìn)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(guò)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(zhì)，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(zhù)電壓繼續增加（5~10V），陽(yáng)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(zhì)，同時(shí)因電場(chǎng)可以刺激生物群落中微生物的生長(cháng)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(shí)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(guò)高的電壓會(huì )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(shí)，填料上的生物膜已嚴重流失，此時(shí)電化學(xué)氧化對COD的去除起主要作用。

上述分析表明，電壓為10V時(shí)電氧化反應器處理效率最高，進(jìn)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(xué)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(yáng)極板（MY2）兩側生物膜進(jìn)行樣品采集，與0V時(shí)的生物膜（AC）共同進(jìn)行高通量測序。細菌群落指數如表2所示。

如表2所示，經(jīng)PCR擴增和高通量測序后，3個(gè)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(jìn)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(xiàn)及Shannon指數稀釋曲線(xiàn)。

由圖3、圖4可知，OUTs和Shannon指數隨著(zhù)序列數的增加而迅速上升，測序條帶數量躍30000時(shí)，OUTs曲線(xiàn)末端趨于平緩，測序條帶數量躍5000時(shí)，Shannon指數稀釋曲線(xiàn)趨于飽和，說(shuō)明測序深度能夠覆蓋細菌群落的多樣性。OUTs曲線(xiàn)表現出3個(gè)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(shuō)明電場(chǎng)作用會(huì )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(mén)水平上的組成和豐度

3個(gè)樣本在門(mén)水平上的分類(lèi)學(xué)比對情況如圖5所示。

在門(mén)水平上，3個(gè)樣本共檢測出36個(gè)菌門(mén)。AC、MY1和MY2樣品中變形菌門(mén)（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(zhuān)性厭氧及異養，Y.J.Liu等研究發(fā)現Proteobacteria是制藥廢水處理系統中COD降解的主要菌門(mén)。其次為擬桿菌門(mén)（Bacteroidetes），豐度分別為31.20%、32.87%、9.58%。Bacteroidetes是化能有機營(yíng)養菌門(mén)，可降解復雜有機物（纖維素和淀粉）、脂類(lèi)和蛋白質(zhì)；中藥提取車(chē)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(chǎn)物，可能導致MY1中Bacteroidetes豐度較高。再次為厚壁菌門(mén)（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(mén)，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(shù)處理制藥廢水效率提高的原因之一。

此外，綠彎菌門(mén)（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(yáng)極電解水產(chǎn)生的O2抑制了Chloroflexi的生長(cháng)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(zhù)變形菌綱，后被劃分為新門(mén)，可利用H2作為電子供體，陽(yáng)極產(chǎn)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(gè)樣品共檢測出601個(gè)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(dòng)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(dòng)膠菌屬（Zoogloea）、弓形桿菌屬（Arcobacter）、Rivicola、不動(dòng)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(shí)的微生物菌屬與電壓為0時(shí)的差異明顯，10V時(shí)陰陽(yáng)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(lèi)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(lèi)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(guò)氧化作用將芳香烴開(kāi)環(huán)裂解并利用。

電場(chǎng)和不同中間產(chǎn)物共同導致電-生物反應器在10V時(shí)的微生物菌屬與0V時(shí)差異明顯，，同時(shí)陽(yáng)極表面形成的高價(jià)態(tài)氧化物MOx+1會(huì )去除部分難降解物質(zhì)；陰極附近O2與新生態(tài)氫生成具有氧化活性的H2O2來(lái)氧化有機物，因此產(chǎn)生不同中間產(chǎn)物，使微生物的營(yíng)養源成分存在差異，而不同菌屬對營(yíng)養源的攝取能力[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(shí)COD去除率最高，初始COD為1473.45mg/L的原水經(jīng)處理后COD去除率可達83.62%，較電壓為0時(shí)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(guān)關(guān)系，可能是電場(chǎng)強化了微生物功能，同時(shí)電氧化的協(xié)助作用促進(jìn)了污染物降解；電壓在10~27V，處理效率與電壓呈負相關(guān)關(guān)系，可能是過(guò)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(shí)陰、陽(yáng)極板兩側生物膜和0V時(shí)生物膜的菌落多樣性呈現較大差異。陰陽(yáng)極板周邊生物膜中的優(yōu)勢菌門(mén)為Proteobacte-ria、Bacteroidetes和Firmicutes，其對復雜有機物和抗生素等難降解物質(zhì)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(zhù)提高，其對制藥廢水中醇類(lèi)、甲苯、長(cháng)鏈烴等物質(zhì)的去除起到重要作用，同時(shí)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(jiǎn)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(mén)水平和屬水平上存在大量可以利用難生物降解物質(zhì)的菌種，其對芳香烴、長(cháng)鏈烴等物質(zhì)的降解，提高了對制藥廢水的降解效率，同時(shí)電化學(xué)作用可將難生物降解物質(zhì)轉化為可被微生物利用的中間產(chǎn)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(lái)源：甘肅省黃河水環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗室，蘭州交通大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院）