EGSB处理垃圾焚烧渗沥液及其微生物群落变化党岩

中国环境科学2013,33(6)：999~1004ChinaEnvironmentalScienceEGSB处理垃圾焚烧渗沥液及其微生物群落变化党岩1,张瑞1,叶杰旭2,艾晗1,孙德智1*(1.北京林业大学水体污染源控制技术北京市重点实验室,北京100083；2.浙江工业大学生物与环境工程学院,浙江杭州310032)摘要：研究了处理垃圾焚烧渗沥液的膨胀颗粒污泥床(EGSB)反应器在超负荷运行前后厌氧颗粒污泥的微生物群落结构变化.在实验室启动并运行了处理垃圾焚烧渗沥液的EGSB反应器,逐渐提高反应器的有机负荷(OLR),当OLR为23.1kgCOD/(m3⋅d)时,COD去除率保持在93%以上.当OLR继续升至24.5kgCOD/(m3⋅d)时,COD去除率迅速下降至73.9%,且出水挥发酸大量增高,反应器进入超负荷运行状态.对反应器中厌氧颗粒污泥进行克隆文库分析,发现经过11d的超负荷运行,污泥中的微生物群落结构发生了明显的变化,古菌的优势菌从产甲烷髦毛菌(含量为68.4%)变为产甲烷微菌(含量为51.9%);细菌的优势菌一直是低GC革兰氏阳性菌(含量约56%),且大多数属于具有形成芽孢特性的Clostridiales目.EGSB反应器超负荷运行导致乙酸营养型古菌大量死亡,小分子有机酸大量积累,处理效率急剧下降.关键词：垃圾焚烧渗沥液；厌氧颗粒污泥；超负荷运行；克隆文库；群落结构中图分类号：X703.5文献标识码：A文章编号：1000-6923(2013)06-0999-06TreatmentoffreshleachatefromMSWincinerationplantbyEGSBanddynamicsofmicrobialcommunity.DANGYan1,ZHANGRui1,YEJie-xu2,AIHan1,SUNDe-zhi1*(1.BeijingKeyLaboratonyforSourceControlTechnologyofWaterPollution,BeijingForestryUniversity,Beijing100083,China；2.SchoolofBiologicalandEnvironmentalEngineering,ZhejiangUniversityofTechnology,Hangzhou310032,China).ChinaEnvironmentalScience,2013,33(6)：999~1004Abstract：Thispaperinvestigateddynamicsofmicrobialcommunityinanaerobicsludgeinanexpandedgranularsludgebed(EGSB)reactortreatingfreshleachatefromamunicipalwastesolidincinerationplantunderoverloadedconditions.Alab-scaleEGSBreactorwasoperatedforthetreatmentoffreshleachatewithgradualincreasesintheorganicloadingrate(OLR).TheremovalefficiencyofCODwasover93%whentheOLRincreasedto23.1kgCOD/(m3⋅d).AstheOLRincreasedfurtherto24.5kgCOD/(m3⋅d),theremovalefficiencyofCODdecreasedto73.9%immediatelywithamarkedriseofvolatilefatacidsintheeffluents,indicatingthatthereactorwasoverloaded.Byanalyzingsludgesamplesthroughclonelibraries,themicrobialcommunityinthesludgevariedsignificantlyafter11dofoverloadedoperation.ThedominantgroupofarchaeashiftedfromMethanosaetaceae(68.4%)toMethanomicrobiaceae(51.9%).ThedominantgroupofbacteriawasFirmcutesallthetimewithaproportionofaproximately56%,mostofwhichwerespore-formingbacteriabelongingtotheorderofClostridiales.OverloadedoperationofEGSBresultedinsevereinhibitionofacetoclasticmethanogens,causinganobviousaccumulationofsmallorganicacidsandasharpdeclineinthetreatmentefficiency.Keywords：freshleachatefromincinerationplant；anaerobicgranularsludge；overloadedoperation；clonelibraries；microbialcommunity垃圾焚烧作为城市生活垃圾减量化、无害化、资源化的一个有效手段,近年来得到越来越广泛的应用.由于我国城市生活垃圾厨余物多,含水率高,在焚烧过程中会产生大量的渗沥液[1],需要收集后集中处理.垃圾焚烧渗沥液成分复杂,COD相比于垃圾填埋场渗滤液更高(70000mg/L)[2],同时还含有高盐度、高氨氮、多种难降解物质(如腐殖酸等),处理难度大[1,3].厌氧生物处理具有处理效率高、能耗低、运行成本低等优点,国内外普遍采用膨胀颗粒污泥床(EGSB)等厌氧生物处理工艺处理垃圾填埋场渗滤液[4-6].但是,对于垃圾焚烧渗沥液的处理并不多见.垃圾渗沥液微生物种群在很大程度上决定了反应器的运行状况.通过研究垃圾焚烧渗沥液处理工艺超负荷运行前后的微生物群落结构变化能够全收稿日期：2012-11-01基金项目：国家自然科学基金资助项目(51278052)*责任作者,教授,[e-mail]1000中国环境科学33卷面掌握工艺处理效率降低的机理,指导工艺的稳定运行.本实验采用实验室小试EGSB反应器处理垃圾焚烧厂渗沥液,考察了反应器有机负荷对COD去除率以及出水挥发酸(VFAs)含量的影响,最终超负荷状态下运行11d,并对超负荷运行前后的厌氧颗粒污泥的微生物群落结构进行了研究.1材料与方法1.1EGSB反应器的运行实验室小试EGSB反应器由有机玻璃加工而成,有效容积4L(图1).内径60mm,主反应区高径比为12:1.内回流系统使主反应区内的液体上升流速保持在1.8m/h,反应器运行温度维持在(33±1)°C.接种污泥取自河南某实际处理啤酒废水的UASB反应器,MLVSS/MLSS为0.72.接种污泥量为6.4gMLVSS/L.加热层回流泵进水泵进水池EGSB图1EGSB反应器装置示意Fig.1Schematicdiagramofthelab-scaleEGSBreactor1.2试验用水与工艺运行条件试验用水采用北京市某垃圾焚烧发电厂渗沥液,其主要水质特点如表1所示.实验进水采用垃圾渗沥液与自来水根据需要按一定比例混合,并储存于4℃冰箱中.进水COD从5000mg/L开始逐渐提高,在反应器运行第1~56d水力停留时间(HRT)保持在2.5d,第57~67d,以垃圾渗沥液原水为进水,为调整反应器有机负荷,HRT延长至3d.表1垃圾焚烧渗沥液主要水质特点Table1CharacteristicsofleachatefromMSWincinerationplant项目数值项目数值COD70390~75480Ca3275~5827BOD539250~46458Na1278~2349NH4+-N1042~1295Mg463~1598TN1330~2179Fe59.1~679.9TP104.6~163.8Mn4.56~43.50Cl-3978~4729Zn13.9~36.5SO42-1833~2907Pb1.11~7.61pH值4.58~6.42Ni0.91~2.3注:除pH值外,单位为mg/L1.3分析项目及方法COD的测定采用重铬酸钾滴定法,pH值的测定采用ThermoOrion3-StarpH测定仪.水样中的乙酸、丙酸、丁酸、戊酸、己酸等的测定采用气相色谱法(气相色谱仪,Agilent7890)配置AgilentHP-INNOWAX毛细管柱(30m,0.53mm,1.0μm)和氢火焰检测器(FID),测定条件参考Bertin等[7]的方法.1.4厌氧颗粒污泥样品与总DNA的提取在EGSB反应器运行至第56,67d时,从反应器主反应区中下部取出少量颗粒污泥,用于DNA的提取.总DNA的提取,采用滚珠震荡机械破碎法[8]对颗粒污泥进行破碎,根据Omega公司生产的DNA提取试剂盒说明书对总DNA进行提取.提取纯化后的DNA经微量紫外分光光度计进行测定,2个样品A260/A280值分别为1.798和1.773,说明提取的DNA纯度较好.1.5PCR的扩增及克隆文库的构建以总DNA为模板,分别以细菌和古菌的通用引物27F/1492R(5′-AGAGTTTGATCCTGGCTCAG-3′/5′-GGTTACCTTGTTACGACTT-3′)和109F/915R(5′-ACKGCTCAGTAACACGT-3′/5′-GTGCTCCCCCGCCAATTCCTT-3′)对其细菌和古菌进行16SrRNA基因扩增,用1%的琼脂糖凝胶电泳分离PCR产物,将目的条带切胶回收并纯化.将纯化后的PCR产物连接到pGEM-Teasy6期党岩等：EGSB处理垃圾焚烧渗沥液及其微生物群落变化1001载体(Promega)上,然后转化到高效率感受态细胞JM109中.在LB/氨苄/IPTG/X-Gal培养基上37°C培养18h.经蓝白斑筛选阳性克隆子,并通过引物T7/SP6进行菌落PCR扩增鉴定.利用限制性内切酶对阳性克隆转化子进行酶切分类.对于细菌的16SrRNA基因扩增片段采用RsaI和MspI,对于古菌的16SrRNA基因扩增片段采用RsaI和TaqI[9].在3%的琼脂糖凝胶上进行电泳,以了解每个克隆子中所含微生物片段的类型,并整合分类.对插入质粒载体的目的DNA片段测序(中美泰和生物技术公司),将所得序列中相似度大于97%的序列归类为一个操纵子(OTUs),不同的OTU用BLAST程序在NCBI的Genbank上搜索相似序列,确定样品中所含微生物所属的种类范畴,通过MEGA(version5)软件绘制neighbor-joining系统发育树.用Bootstrap评估树的稳定性.2结果与讨论2.1EGSB反应器的运行由图2可见,反应器运行第1~56d,进水COD从大约5000mg/L逐渐提高到约55000mg/L,HRT保持在2.5d,有机负荷从2.1kgCOD/(m3⋅d)逐渐提升到23.1kgCOD/(m3⋅d).COD去除率在第7d时就提升到了90%以上,之后一直维持在93%以上.这一阶段中COD平均去除率达到94.82%,出水中VFAs含量(图3)一直低于350mg/L,反应器内pH7.4~7.8,说明这一阶段反应器运行稳定,处理效果良好.在反应器运行第57~67d,进水COD提升至大于70000mg/L,延长HRT至3.0d,有机负荷提升至24.5kgCOD/(m3⋅d).这一阶段,COD去除率持续下降,第67d下降至73.9%.同时,出水中VFA含量迅速升高至约10000mg/L,其中以丙酸和乙酸为主(图3),反应器内pH值下降至6.8.说明此阶段反应器处于超负荷状态运行,大量VFAs积累导致反应器内