BAF工艺预处理含微囊藻毒素微污染水源的微生物特征

第18卷第4期过程工程学报Vol.18No.42018年8月TheChineseJournalofProcessEngineeringAug.2018收稿：20171023，修回：20171219，网络发表：20180328，Received:20171023,Revised:20171219,Publishedonline:20180328基金项目：国家自然科学基金资助项目(编号：41571471)；国家“十三五”科技重大专项基金资助项目(编号：2017ZX07202002)作者简介：张文艺(1968)，男，安徽省安庆市人，博士，教授，研究方向：水污染控制与生态修复，E-mail:[e-mail].引用格式：张文艺，王逸超，蔡庆庆.BAF工艺预处理含微囊藻毒素微污染水源的微生物特征.过程工程学报，2018,18(4):866871.ZhengWY,WangYC,CaiQQ.Microbialcharacterizationofmicropollutedsourcewatercontainingmicrocystinpretreaatmentwithbiologicalaeratedfilter(inChinese).Chin.J.ProcessEng.,2018,18(4):866871,DOI:10.12034/j.issn.1009-606X.217354.环境与能源DOI:10.12034/j.issn.1009-606X.217354MicrobialcharacterizationofmicropollutedsourcewatercontainingmicrocystinpretreatmentwithbiologicalaeratedfilterWenyiZHANG1,YichaoWANG1,QingqingCAI1,21.SchoolofEnvironmental&SafetyEngineering,ChangzhouUniversity,Changzhou,Jiangsu213164,China2.JiangsuLonghuanEnvironmentalScienceCo.,Ltd.,Changzhou,Jiangsu213127,ChinaAbstract:ThemicrobialcharacteristicsofbiodegradationoforganiccompoundscontainingnitrogenandmicrocystinLR(MC-LR)wasresearchedwiththebiofilmofbiologicalaeratedfilter(BAF)reactorsurfaceastheresearchobject,bythemeansofmicroscopicexamination,phospholipidfattyacid(PLFA),high-throughputsequencingandothers.TheresultsshowedthatthemicrobialcommunityonthebiofilmofBAFwasextremelyrichinthemicro-pollutedsourcewateroflowcarbonsource,formedthemicrobialcommunityconsistsofaerobicbacteria,sulfatereducingbacteriaandotherbacteria.Inthefirst2weeks,themicrofloraonthebiofilmhad17majorgeneraand6species.Inthe3to4weeks,themicroflorawillincreaseto43majorgeneraand14species.Therealsowereprotistssuchasnematodes,parameciumanddaphnia.ThedominantspecieswereSphaerotilus(2.41%24.58%),Aeromonas(4.16%12.59%),Cloacibacterium(1.85%12.39%),Aquabacterium(1.53%6.76%),Hydrogenophaga(1.12%5.9%),Methyloversatilis(0.53%1.52%),Rhodobacter(0.09%1.39%),etc.Inaddition,thecontentofbacillusincreasedfromtheinitial0.16%to1.97%aftertheadditionofT1degradingbacteria,whichshowedthatbacillusgrewrapidlyandbecamedominantpopulationafteraddingT1degradingbacteria,thusenhancingthedegradationofMC-LR.Keywords:drinkingwatersources;biologicalaeratedfilter;microorganismBAF工艺预处理含微囊藻毒素微污染水源的微生物特征张文艺1，王逸超1，蔡庆庆1,21.常州大学环境与安全工程学院，江苏常州213164；2.江苏龙环环境科技有限公司，江苏常州213127摘要：以曝气生物滤池载体表面的生物膜为研究对象，通过镜检、磷脂脂肪酸(PLFA)测定、高通量454测序等手段研究了生物膜降解含氮有机物和微囊藻毒素-亮氨酸(MC-LR)的微生物特征.结果表明，低碳源的微污染水源中水生物膜的微生物群落极为丰富，形成了由好氧细菌组成的微生物群落，运行前2周有6大门类17大种属，34周增加到14大门类43大种属，还有线虫、草履虫、水蚤等原生动物；优势菌属有球衣菌属Sphaerotilus(2.41%24.58%)、气单胞属Aeromonas(4.16%12.59%)、黄杆菌属Cloacibacterium(1.85%12.39%)、水杆菌属Aquabacterium(1.53%6.76%)、噬氢菌属Hydrogenophaga(1.12%5.9%)、嗜甲基菌属Methyloversatilis(0.53%1.52%)、红杆菌属Rhodobacter(0.09%1.39%)等.此外，投加0.16%T1菌剂芽孢杆菌后其含量增至1.97%，表明投加T1降解菌后芽孢杆菌迅速生长并成为优势种群，可强化降解MC-LR.关键词：水源水；曝气生物滤池；微生物中图分类号：X524；X703文献标识码：A文章编号：1009606X(2018)04086606第4期张文艺等：BAF工艺预处理含MC微污染水源的微生物特征8671前言微污染水源水存在氮污染严重、溶解性有机物含量过高、细菌及藻类大量繁殖等问题，采用生物预处理技术不仅可有效改善其混凝沉淀性能、减少混凝剂用量，还能去除常规处理工艺不能去除的污染物，近年来在处理微污染水源水领域备受关注[1].微污染水源水的生物预处理技术一般指生物膜法和生态法，生物膜法包括生物接触氧化法、生物滤池、生物转盘等，而生态法多采用潜流式人工湿地或表面流人工湿地.微囊藻毒素(Microcystin,MC)主要由富营养化水体中的微囊藻产生，在微囊藻细胞内合成，细胞破裂后便释放出来，其多种异构体中MC-LR(亮氨酸)分布最广，危害最大.MC-LR分子因具有环状结构及间隔双键而在水环境中化学性质较稳定，常在生物体内富集和存留，具有很强的肝毒性和促癌作用，我国《生活饮用水水质卫生规范》(GB5749-2006)将饮用水源中MC-LR浓度限定为1.0μg/L，并作为饮用水质必检指标.曝气生物滤池(BiologicalAeratedFilter,BAF)工艺集生物降解和物理截留于一体，近年来被国内一些水厂用于微污染水源水预处理.BAF工艺主要利用生物膜中微生物的强氧化分解及生长代谢作用去除微污染水源水中的各种污染物，其表面微生物种群结构的分析国内外虽已有相关报道[24]，但多数是采用传统的生物技术手段，对低碳源条件下BAF生物膜中微生物的特性报道较少.本研究采用近年来兴起的磷脂脂肪酸(PhospholipidFattyAcid,PLFA)分析和微生物高通量454测序手段，考察生物膜中的微生物群落特征，揭示低碳源BAF中的微生物分布、功能和种群多样性特性.2实验2.1BAF实验装置与处理方法实验装置如图1所示，为上向流单级曝气生物滤池，主要由反应主体、进水箱、空气泵、水泵、计量设备等构成，总体积2.43L，有效高度1.2m.反应主体承托层高10cm，由粒径12cm的砾石组成，填料层高80cm，分别为粒径2~4和4~8mm的两段各高40cm的沸石填料层，孔隙率为52%.曝气装置采用空气泵充气，由烧结砂芯曝气头布气.进水由恒流水泵抽入BAF反应器下端，出水由上端经导管排出，反冲洗管也由下端进水进气，上端出水.BAF运行初期，于挂膜阶段将1%T1菌(芽孢杆菌)菌液500mL与生活污水混合，在水力负荷0.07m3/(m2·h)、气水体积比2:1的条件下持续曝气进水1周.图1上向流BAF实验装置示意图Fig.1Schematicdiagramofup-flowBAFreactor2.2检测方法2.2.1微囊藻毒素测定方法微囊藻毒素测定采用高效液相色谱法，具体步骤参照《水中微囊藻毒素的测定》(GB/T20466-2006).2.2.2微生物镜检方法微生物镜检用XSP-8C数码倒置生物显微镜(上海光学仪器厂)观测，微生物识别参考《淡水微型生物图谱》[5].2.2.3磷脂脂肪酸的测定方法磷脂脂肪酸(PhospholipidFattyAcid,PLFA)测定方法参照文献[6].2.2.4总DNA提取用强力生物薄膜DNA提取试剂盒(深圳安必胜科技有限公司)进行总DNA的提取.2.2.5高通量454测序BAF生物膜用高通量454焦磷酸测序，委托上海天昊生物科技有限公司测定.3结果与讨论3.1污染物去除情况挂膜成功后持续运行30d,BAF对各污染物的去除情况如表1所示.表1BAF对各污染物的去除情况Table1RemovalstatusofvariouspollutantsbyBAFPollutantConcentration/(mg/L)Averageremovalrate/%InfluentEffluentPermanganate9.485.1852.16Nitratenitrogen1.690.5070.29Ammonianitrogen5.021.3074.71Totalnitrogen8.994.8546.55Totalphosphorus0.570.1278.24MC-LR0.003850.000879.21.Feedtank2.Pump3.Liquidflowmeter4.AeratedBlower5.Airflowmeter6.24mmclinoptilolitelayer7.48mmclinoptilolitelayer8.Supportlayer(gravel)868过程工程学报第18卷3.2微生物镜检分析采用生物倒置显微镜观察生物膜.由图2可知，生物膜上有原生生物线虫、草履虫、水蚤等，微生物较丰富，利于水中有机物污染的降解.线虫属寄生类，在污水中独立生活，可同化微生物不易降解的固体有机物；草履虫属纤毛类，喜食细菌及有机颗粒，在污水处理中竞争力较强；水蚤为微型甲壳类动物，以细菌和藻类为食料，可降解污水中的微囊藻.镜检还发现生物膜上出现了团藻，其可利用光合作用通过生物代谢实现污水脱氮除磷.(a)Missionalgae(b)Nematodes(c)Paramecium(d)Daphnia图2生物膜微生物镜检结果Fig.2Theexaminationofbiologicalme