ABR启动期运行效能及互营产甲烷菌群的分布特征班巧英

中国环境科学2018,38(9)：3351~3357ChinaEnvironmentalScienceABR启动期运行效能及互营产甲烷菌群的分布特征班巧英1*,刘琦1,张立国1,李建政2(1.山西大学环境与资源学院,山西太原030006；2.哈尔滨工业大学市政与环境工程学院,黑龙江哈尔滨150090)摘要：为探讨厌氧折流板反应器(ABR)启动期运行效能和互营产甲烷菌群的空间分布特征,考察了ABR反应器处理制糖废水启动期的运行特征,并采用聚合酶链式反应-变性梯度凝胶电泳(PCR-DGGE)技术分析了互营产甲烷菌群在ABR各格室的分布规律.结果表明,在污泥驯化阶段,ABR的COD去除率为61.5%,出水挥发酸总量高达1808mg/L.经过2个阶段的调控运行后,ABR出水挥发酸明显降低,甲烷含量增加至55%以上,COD去除率达到了94.8%.而且ABR第2~4格室形成了沉降性能良好的颗粒污泥.PCR-DGGE检测结果表明,该ABR系统中的主要产氢产乙酸菌为Syntrophobacter和Pelotomaculum,主要分布在ABR系统第3,4格室.ABR第1,2格室的产甲烷菌主要为耐酸的氢营养型产甲烷菌(Methanoregula和Methanosphaerula),而乙酸营养型产甲烷菌(Methanosaeta和Methanothrix)主要分布在第3,4格室.ABR系统中产甲烷菌的多样性要明显高于产氢产乙酸菌,说明当系统受到冲击时,产氢产乙酸作用比产甲烷作用更易成为限速步骤.关键词：厌氧折流板反应器；启动运行；产氢产乙酸菌；产甲烷菌；聚合酶链式反应-变性梯度凝胶电泳中图分类号：X703.5文献标识码：A文章编号：1000-6923(2018)09-3351-07TheperformanceofABRatstartupandthedistributionofsyntrophicmethanogens.BANQiao-ying1*,LIUQi1,ZHANGLi-guo1,LIJian-zheng2(1.CollegeofEnvironmentandResource,ShanxiUniversity,Taiyuan030006,China；2.SchoolofMunicipalandEnvironmentalEngineering,HarbinInstituteofTechnology,Harbin150090,China).ChinaEnvironmentalScience,2018,38(9)：3351~3357Abstract：Ananaerobicbaffledreactor(ABR)wasemployedtoinvestigatetheoperationalperformanceandthedistributionofsyntrophicmethanogensduringthetreatmentofsugarrefinerywastewater.Thedistributionofsyntrophicmethanogenswasanalyzedbypolymerasechainreaction-denaturinggradientgelelectrophoresis(PCR-DGGE).CODremovalwas61.5%andvolatilefattyacids(VFAs)ineffluentwere1808mg/Latsludgeacclimationstage.Aftertheregulationoperationoftwostages,theVFAsweredramaticallyreducedandmethanecontentwasincreasedtoabove55%.TheCODremovalwasachieved94.8%atthestablestate.Thegranularsludgewithgoodsettlingperformancewasformedinthelast3compartments.PCR-DGGEexploredthatthedominanthydrogen-producingacetogenswererelatedtothegeneraSyntrophobacterandPelotomaculum,whichweredistributedinthethirdandfourthcompartmentsofABR.Theacid-toleranthydrogenotrophicmethanogens(MethanoregulaandMethanosphaerula)weremainlydistributedinthefirstandsecondcompartments,whileacetotrophicmethanogens(MethanosaetaandMethanothrix)mainlyexistedinthethirdandfourthcompartments.Thepresentstudyfoundthediversityofmethanogenswashigherthanthatofhydrogen-producingacetogens,indicatinghydrogen-producingacetogenesisismorelikelytobearate-limitingstepwhenthesystemisshocked.Keywords：anaerobicbaffledreactor；operationatstartup；hydrogen-producingacetogens；methanogens；PCR-DGGE厌氧生物处理技术广泛用于处理各种有机废弃物,同时回收甲烷作为清洁能源[1-3].有机物的厌氧生物处理过程主要涉及4类微生物:产酸发酵菌群、产氢产乙酸菌群、同型产乙酸菌群和产甲烷菌群.其中,产氢产乙酸菌群将产酸发酵菌群的代谢产物(如:丙酸、丁酸、乙醇、乳酸等)转化为产甲烷菌可利用的底物(乙酸和H2/CO2).研究表明,产氢产乙酸菌群的活性对甲烷发酵过程具有显著的限制作用,主要是由于这些短链挥发酸和乙醇(乳酸除外)的厌氧降解是一个高度吸能的过程,很难自发进行[4].因此,强化产氢产乙酸菌群的功能,对提高厌氧生物处理系统的效能和稳定性发挥重要作用.在产甲烷环境中,这些短链挥发酸和乙醇的降解是通过产氢产乙酸菌和产甲烷菌的互营协作来完成的[5].产氢产乙酸菌的这种代谢方式使其分离培养十分困难,导致只有少数产氢产乙酸菌被分离和鉴定[5].产氢产乙酸菌广泛存在于各种厌氧生境中,它们的组成和分布受到诸多因素的影响[6-8].收稿日期：2018-02-08基金项目：国家自然科学基金(51708341);哈尔滨工业大学城市水资源与水环境国家重点实验室开放课题(QA201523);山西省“青年三晋学者”支持计划,山西省高等学校优秀创新团队支持计划*责任作者,讲师,[e-mail]:10.19674/j.cnki.issn1000-6923.2018.03613352中国环境科学38卷Ariesyady等[9]用显微放射自显影-荧光原位杂交的方法发现:在一个城市废水处理厂的厌氧反应器中,当丙酸浓度为0.5mmol/L时,Smithella是主要的食丙酸产氢产乙酸菌,而Syntrophobacter是丙酸浓度为2.5mmol/L条件下的主要食丙酸产氢产乙酸菌.实时荧光定量PCR(qPCR)分析表明,高水力停留时间(HRT)有利于Pelotomaculum的生长,而低HRT促进了Smithella的生长[10].尽管一些研究已经报道了互营产甲烷菌群(产氢产乙酸菌群和产甲烷菌群)在升流式厌氧污泥床反应器(UASB)、厌氧消化器、自然生境中的分布特征[7-8,10].然而,互营产甲烷菌群在厌氧折流板反应器(ABR)中不同格室分布特征的相关报道仍然较少.ABR反应器是由一系列垂直的折流板组成[11].它的特殊构造有利于颗粒污泥的形成、生物相的分离、微生物的截留、以及抗冲击负荷能力的提高,适用于处理各种高浓度及难降解有机废水[2,11].ABR反应器的成功启动是其处理有机废水的先决条件.因此,本研究考察以絮状污泥为接种污泥时,ABR反应器启动期的运行特征以及互营产甲烷菌群在ABR反应器中不同格室的分布特征,为优化ABR反应器的启动过程、强化互营产甲烷作用及运行稳定性提供理论基础.1材料与方法1.1试验装置试验装置为ABR,由有机玻璃制成,其有效容积为27.8L.ABR由4个相等的格室组成(记作C1、C2、C3、C4),每个格室用垂直的隔板将其分为下向流室和上向流室(体积比1:4).每个向上流室沿壁设置4个等间距的取样口.每个格室顶部设有集气管与水封相连,产生的气体由湿式气体流量计计量.水封和气体流量计装有pH3.0的水以防止气体溶解.反应器外壁缠绕电热丝,通过温控仪将内部混合液的温度控制在(35±1)℃.试验废水由蠕动泵控制流量进入第1格室,最后从第4格室上部流出.1.2试验废水及接种污泥试验废水为稀释的制糖废水,添加尿素和KH2PO4使COD:N:P为200~300:5:1,并补充微生物生长所必须的微量元素及维生素等[12].接种污泥取自哈尔滨市某污水处理厂二沉池好氧污泥和哈尔滨某啤酒厂厌氧生物处理系统中二沉池厌氧污泥.其中第1格室以好氧污泥为种泥;第2格室和第3格室则以好氧污泥:厌氧污泥(VSS)分别为2.5:1和1:2.5的比例接种;第4格室以厌氧污泥为接种污泥.第1,2,3,4格室污泥生物量分别为15.23,14.92,13.74,14.31gVSS/L.1.3反应器运行控制ABR启动过程分为3个阶段:污泥驯化阶段、效能提高阶段、负荷提高阶段.污泥驯化阶段采用低负荷运行方式,固定HRT为24h,进水COD分阶段从500mg/L逐步提高到6000mg/L.效能提高阶段采用延长HRT与提高进水COD浓度交替进行的方式,将HRT由24h经由36h延长至48h,而进水COD浓度由6000mg/L提高至8000mg/L.负荷提高阶段采用固定COD浓度,逐步缩短HRT的方式,将HRT由48h经由42h缩短至36h.反应器运行温度控制在(35±1)℃,进水pH值控制在8.0左右.每次改变运行条件均在前一次运行达到稳定时进行.启动结束时从4个格室污泥床采集污泥样品,保存至-20℃备用.1.4分析项目及方法COD、pH值和生物量采用标准方法测定[13],气体组成和挥发酸组成采用气相色谱仪测定(SP-6800A和SP6890,山东鲁南瑞虹化工仪器有限公司),测定方法参照以前研究[12].1.5扫描电子显微镜观察活性污泥形态在污泥样品中加入戊二醛(2.5%)于4℃固定2h;用0.1mol/L磷酸缓冲液冲洗3次;用不同浓度乙醇依次脱水;用无水乙醇/叔丁醇(体积比1:1)、纯叔丁醇各置换1次;用HCP-2型(HITACHI)临界点干燥仪进行干燥;将样品观察面朝上粘贴在扫描电镜观测样品台上,用E-1010(HITACHI)型离子溅射镀膜仪在样品表面镀上一层厚度15nm金属膜,然后镜检.1.6DNA提取、PCR及DGGE分析称取0.15g污泥(湿重),采用DNA提取试剂盒(MOBioLaboratories,Inc,Carlsbad,CA,USA)提取厌氧活性污泥总DNA.DNA浓度用分光光度计测定(ThermoFisherScientificInc.USA).PCR反应体系(50μL)为:DNA2.0μL,正、反向引物(20μmoL/L)各0.5μL,dNTPs(2.5mmoL/L)4.0μL,10×ExTaqbuffer5.0μL,ExTaq酶(5U/μL)0.8μL,超纯水37.2μL.反应程序:94℃预变性5min;94℃变性1min,55℃退火45s(古细菌退火温度56℃),72℃9期班巧英等：ABR启动期运行效能及互营产甲烷菌群的分布特征335345s,30