pH对间歇进水序批式生物反应SBR工艺活性污泥沉降性能和微生物结构的影响

第３５卷　第３期２０１６年　　３月环　境　化　学ＥＮＶＩＲＯＮＭＥＮＴＡＬＣＨＥＭＩＳＴＲＹＶｏｌ．３５，Ｎｏ．３Ｍａｒｃｈ２０１６　２０１５年７月３１日收稿（Ｒｅｃｅｉｖｅｄ：Ｊｕｌｙ３１，２０１１５）．　∗天津市应用基础研究计划项目（０７ＪＣＺＤＪＣ０２１００）资助．ＳｕｐｐｏｒｔｅｄｂｙＡｐｐｌｉｅｄＢａｓｉｃＲｅｓｅａｒｃｈＰｒｏｊｅｃｔｏｆＴｉａｎｊｉｎ（０７ＪＣＺＤＪＣ０２１００）．　∗∗通讯联系人，Ｔｅｌ：[phone]，Ｅ⁃ｍａｉｌ：[e-mail]，Ｔｅｌ：[phone]，Ｅ⁃ｍａｉｌ：[e-mail]：１０．７５２４／ｊ．ｉｓｓｎ．０２５４⁃６１０８．２０１６．０３．２０１５０７３１０１璩绍雷，孙宝盛，赵双红，等．ｐＨ对间歇进水序批式生物反应（ＳＢＲ）工艺活性污泥沉降性能和微生物结构的影响［Ｊ］．环境化学，２０１６，３５（３）：５０８⁃５１５ＱＵＳｈａｏｌｅｉ，ＳＵＮＢａｏｓｈｅｎｇ，ＺＨＡＯＳｈｕａｎｇｈｏｎｇ，ｅｔａｌ．ｐＨａｃｔｉｖａｔｅｄｓｌｕｄｇｅｓｅｄｉｍｅｎｔａｔｉｏｎｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅａｎｄｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｔｈｅｍｉｃｒｏｂｅｏｆＳＢＲｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ［Ｊ］．ＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＣｈｅｍｉｓｔｒｙ，２０１６，３５（３）：５０８⁃５１５ｐＨ对间歇进水序批式生物反应（ＳＢＲ）工艺活性污泥沉降性能和微生物结构的影响∗璩绍雷　孙宝盛∗∗　赵双红　臧向荣　李志静　魏佳虹（天津大学环境科学与工程学院，天津，３０００７２）摘　要　本文主要研究了不同ｐＨ值对ＳＢＲ工艺污泥膨胀和微生物结构的影响，试验进水ｐＨ值为５．０—１０．０．实验结果表明，在试验初期，污泥容积指数（ＳＶＩ）值无明显变化．但随着时间的增长，在ｐＨ值为５．０和６．０时，开始出现污泥膨胀．在不同ｐＨ下提取总细菌的ＤＮＡ组进行ＰＣＲ扩增，分析总细菌的Ｓｈａｎｎｏｎ多样性指数，对微生物群落的部分优势总细菌进行克隆测序和系统发育树分析．结果表明，在不同ｐＨ条件下微生物结构以及数量有所区别，在酸性条件下以丝状菌为主，易发生污泥膨胀；而在中性和偏碱性条件下以菌胶团为主，污泥活性较为稳定．关键词　ｐＨ，ＳＢＲ工艺，活性污泥，微生物结构．ｐＨａｃｔｉｖａｔｅｄｓｌｕｄｇｅｓｅｄｉｍｅｎｔａｔｉｏｎｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅａｎｄｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｔｈｅｍｉｃｒｏｂｅｏｆＳＢＲｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙＱＵＳｈａｏｌｅｉ　　ＳＵＮＢａｏｓｈｅｎｇ∗∗　　ＺＨＡＯＳｈｕａｎｇｈｏｎｇ　　ＺＡＮＧＸｉａｎｇｒｏｎｇ　　ＬＩＺｈｉｊｉｎｇ　　ＷＥＩＪｉａｈｏｎｇ（ＳｃｈｏｏｌｏｆＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＴｉａｎｊｉｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｔｉａｎｊｉｎ，３０００７２，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＴｈｉｓｐａｐｅｒｍａｉｎｌｙｓｔｕｄｉｅｄｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｐＨｏｎＳＢＲｓｌｕｄｇｅｂｕｌｋｉｎｇａｎｄｍｉｃｒｏｂｉａｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅｗｉｔｈｔｈｅｐＨｖａｌｕｅｓｏｆｔｈｅｉｎｆｌｏｗｗａｔｅｒｆｒｏｍ５．０ｔｏ１０．０．ＴｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｔｈｅｄｉｄｎｏｔｃｈａｎｇｅｉｎｉｔｉａｌｌｙｏｆＳｌｕｄｇｅＶｏｌｕｍｅＩｎｄｅｘ（ＳＶＩ）ｖａｌｕｅ．Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｔｈｅｓｌｕｄｇｅｂｕｌｋｉｎｇｗａｓｓｅｅｎｏｖｅｒｔｉｍｅｗｈｅｎｐＨｖａｌｕｅｓｂｅｃａｍｅ５．０ａｎｄ６．０．ＡｔｖａｒｉｏｕｓｐＨｖａｌｕｅｓ，ｔｈｅｔｏｔａｌｂａｃｔｅｒｉａｌＤＮＡｇｒｏｕｐｓｗｅｒｅｅｘｔｒａｃｔｅｄｆｏｒＰＣＲａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ，ａｎｄｔｈｅｎｒｅｌｅｖａｎｔａｎａｌｙｓｅｓｗｅｒｅｇｉｖｅｎａｂｏｕｔＳｈａｎｎｏｎｄｉｖｅｒｓｉｔｙｉｎｄｅｘ，ｃｌｏｎｅｄｓｅｑｕｅｎｃｉｎｇａｎｄｐｈｙｌｏｇｅｎｅｔｉｃｔｒｅｅｏｆｐａｒｔｉａｌｄｏｍｉｎａｎｔｔｏｔａｌｂａｃｔｅｒｉａｉｎｔｈｅｍｉｃｒｏｂｉａｌｃｏｍｍｕｎｉｔｉｅｓ．ＴｈｉｓｓｔｕｄｙｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅｄｔｈａｔｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓａｎｄｑｕａｎｔｉｔｉｅｓｏｆｍｉｃｒｏｏｒｇａｎｉｓｍｓｗｅｒｅｄｉｆｆｅｒｅｎｔａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｐＨｖａｌｕｅｓ：ｉｎａｃｉｄｉｃｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｆｉｌａｍｅｎｔｏｕｓｂａｃｔｅｒｉａｂｅｃａｍｅｄｏｍｉｎａｎｔａｎｄｔｈｅｙｗｅｒｅｍｏｒｅａｃｃｅｓｓｉｂｌｅｔｏｓｌｕｄｇｅｂｕｌｋｉｎｇｉｎｎｅｕｔｒａｌａｎｄａｌｋａｌｉｎｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎｗｈｉｌｅｚｏｏｇｌｏｅａｗｅｒｅｔｈｅｄｏｍｉｎａｎｔｏｎｅｓａｎｄｔｈｅａｃｔｉｖｉｔｙｏｆｓｌｕｄｇｅｗａｓｒｅｌａｔｉｖｅｌｙｓｔａｂｌｅ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｐＨ，ＳＢＲｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ａｃｔｉｖａｔｅｄｓｌｕｄｇｅ，ｍｉｃｒｏｂｉａｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．泥水混合液能否在沉淀阶段良好的分离是活性污泥工艺运行中的关键问题．污泥膨胀是其中最严重的问题［１］．活性污泥膨胀主要有丝状菌污泥膨胀（Ｆｉｌａｍｅｎｔｏｕｓｂｕｌｋｉｎｇ）和非丝状（Ｎｏｎ⁃ｆｉｌａｍｅｎｔｏｕｓ　３期璩绍雷等：ｐＨ对间歇进水序批式生物反应（ＳＢＲ）工艺活性污泥沉降性能和微生物结构的影响５０９　　ｂｕｌｋｉｎｇ）污泥膨胀．引起污泥膨胀的原因９０％是由丝状菌造成的．正常活性污泥絮体的最适ｐＨ值为６．０—８．０，在ｐＨ值低于６．５的环境中自傲丝状菌比较容易诱发．一方面由于菌胶团细菌在这种条件下不利于生长；另一方面是丝状菌对这种环境有较强的适应性．为了研究较低和较高ｐＨ对污泥膨胀的影响，因此本实验的ｐＨ值范围为５．０—１０．０．目前针对ｐＨ对ＳＢＲ工艺的影响已有大量研究，但ｐＨ对ＳＢＲ工艺活性污泥微生物群落结构的研究较少，本试验以活性污泥系统进水ｐＨ作为变化条件，考察ＳＢＲ工艺在不同ｐＨ条件下的水质处理效果以及利用聚合酶链式反应⁃变性梯度凝胶（ＰＣＲ⁃ＤＧＧＥ）技术研究在不同进水ｐＨ条件下微生物群落结构的变化规律，为进一步深入研究微生物多样性对污水处理系统的影响提供理论准备，对优化系统运行，提高污水处理效果具有实际应用及理论探索意义．１　材料和方法（Ｍａｔｅｒｉａｌａｎｄｍｅｔｈｏｄｓ）１．１　工艺概述采用间歇进水序批式生物反应器（ＳＢＲ），装置如图１所示，反应器总有效容积为４Ｌ，曝气区与非曝气区体积比为６∶４，在曝气区底部采用微孔曝气砂头装置曝气，保持反应器中的溶解氧浓度为２—４ｍｇ·Ｌ－１，并且在反应器中形成环流以减小快速上升的气泡对污泥絮体的破坏作用．在非曝气区设有可控温度加热棒，保持反应器中水温恒定在２２℃—２４℃．定期人工在反应器底部排泥．试验原水在每周期开始时以人工进水方式加入反应器，每周期结束后通过重力作用排除部分上清液．图１　试验反应装置Ｆｉｇ．１　Ｔｅｘｔｒｅａｃｔｉｏｎｅｑｕｉｐｍｅｎｔ１．２　进水水样和运行用天津纪庄子污水处理厂曝气池中的活性污泥作为种泥，人工进行驯化培养，取来的污泥颜色较黑，首先对污泥焖曝２４ｈ，静沉后弃去上清液，培养驯化期间监测ＣＯＤ、氨氮、总氮去除率以及ＭＬＳＳ和ＳＶＩ，当污泥呈黄褐色，ＳＶＩ为９０ｍＬ·ｇ－１左右，污泥沉降性较好，系统中ＣＯＤ、总氮、氨氮的去除率保持稳定并且连续一周大于８５％时，污泥培养驯化过程结束．将培养好的活性污泥分别投入到ＳＢＲ反应器进行ｐＨ值为５．０—１０．０的冲击试验．污泥浓度在４０００ｍＬ·ｇ－１左右，在每一ｐＨ冲击阶段结束后排出反应器中的污泥混合液，重新向反应器中投加新的人工配水培养驯化好的活性污泥，进入下一阶段的ｐＨ的冲击试验．在每一试验阶段观察并检测污泥混合液的变化情况．试验所用原水配制方法：自来水静置１２ｈ去除余氯，然后添加Ｃ６Ｈ１２Ｏ６、（ＮＨ４）２ＳＯ４、ＫＨ２ＰＯ３等药品使得ＢＯＤ５∶Ｎ∶Ｐ＝１００∶５∶１，同时添加ＭｇＳＯ４、ＣａＣｌ２、ＦｅＣｌ３等营养盐，保证活性污泥微生物的正常生长．由于Ｃｌ－在生化反应过程中基本不发生变化，不会对微生物产生影响，Ｎａ＋在高浓度下对微生物的影响较大，影响系统的稳定性，但是在低浓度下对微生物的影响较小［２］．因而本实验通过０．５ｍｏｌ·Ｌ－１的ＨＣｌ及ＮａＯＨ溶液调节进水ｐＨ值分别约为５．０、６．０、７．０、８．０、９．０、１０．０．按照表１所制的原水的ＣＯＤ为６５０—５１０　　环　　境　　化　　学３５卷８２０ｍｇ·Ｌ－１，总磷为７．５—８．２ｍｇ·Ｌ－１，氨氮为４０．９７—４９．４６ｍｇ·Ｌ－１，总氮为４５—５４．５ｍｇ·Ｌ－１．表１　人工配水组分及浓度Ｔａｂｌｅ１　Ｔｈｅｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓａｎｄｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｓｏｆａｒｔｉｆｉｃｉａｌｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｗａｔｅｒ组分ＣｏｍｐｏｎｅｎｔＣ６Ｈ１２Ｏ６（ＮＨ４）２ＳＯ４ＫＨ２ＰＯ３ＭｇＳＯ４·７Ｈ２ＯＣａＣｌ２·２Ｈ２ＯＦｅＣｌ３·６Ｈ２Ｏ浓度Ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ／（ｍｇ·Ｌ－１）８００２２０３６５０１０４本试验采用８ｈ曝气，４ｈ静沉，１２ｈ为一周期的方式运行，静沉后通过重力作用排出部分上清液，然后补充新鲜不同ｐＨ值的原水，重复进行下一个小周期的试验运行．在反应器运行期间定期采样进行常规项监测，包括ＣＯＤ、ＭＬＳＳ、ＳＶ、ＳＶＩ等．试验的污泥停留时间为２０ｄ，同一ｐＨ冲击试验进行２０ｄ，每一ｐＨ冲击试验结束时排出反应器中的活性污泥．重新投加新的活性污泥进入下一阶段的ｐＨ冲击试验．１．３　污泥样品预处理和ＤＮＡ提取１．３．１　污泥样品的预处理每个ｐＨ阶段运行结束后，取３０ｍＬ污泥混合液置于５０ｍＬ已灭菌的离心管中，具体步骤见文献［３］．１．３．２　污泥ＤＮＡ提取方法采用化学裂解⁃酚／氯仿／异戊醇抽提⁃试剂盒纯化的方法，可以得到较为完整和纯度较高的基因组ＤＮＡ，在５ｍＬ预处理后的污泥样品中加人４ｍＬ裂解处理液混匀，３７℃水浴３０ｍｉｎ，加溶菌酶和１０％ＳＤＳ在５５℃下水浴１ｈ，将混合液在９１６５ｒ·ｍｉｎ－１下离心１０ｍｉｎ；取上清液，加入等体积的酚／氯仿／异戊醇混合抽提；取上层水相，再加入与其等体积的氯仿／异戊醇混合液抽提；取上层水相，加入２倍体积的无水乙醇和０．１倍体积的３ｍｏｌ·Ｌ－１乙酸钠溶液混匀，－２０℃下放置２ｈ；６—１０℃、９１６５ｒ·ｍｉｎ－１下离心１０ｍｉｎ，用７０％乙醇清洗沉淀，最后将沉淀溶于１００ＴＥ溶液中测定所得ＤＮＡ的Ａ２６０／Ａ２８０（核酸与蛋白质吸光度之比）和Ａ２６０／Ａ２３０（核酸与腐殖质吸光度之比），将提取的ＤＮＡ在０．７％琼脂糖凝胶中电泳检测，电泳电压为７０Ｖ电泳时间３０ｍｉｎ．具体提取参见文献［４］．１．４　总细菌的降落式ＰＣＲ扩增将用试剂盒提取到的基因组ＤＮＡ作为模版进行ＰＣＲ扩增，采用对大多数细菌和古细菌１６ＳｒＤＮＡ基因Ｖ３区具有特异性的引物对：　Ｆ３５７⁃ＧＣ（５′⁃ＣＧＣＣＣＧＣＣＧＣＧＣＣＣＣＧＣＧＣＣＣＧＧＣＣＣＧＣＣＧＣＣＣＣＣＧＣＣＣＣＣＣＴＡＣＧＧＧＡＧＧＣＡＧＣＡＧ⁃３′）（下划线部分为“ＧＣ夹”）［５］；Ｒ５１８（５′⁃ＡＴＴＡＣＣＧＣＧＧＣＴＧＣＴＧＧ⁃３′）．扩增产物片段大小为２４０ｂｐ．５０μＬ反应体系：１０—１００ｎｇ模板，２５μＬ２×ＴａｑＰＣＲＭａｓｔｅｒＭｉｘ，１μＬ的２５μｍｏｌ·Ｌ－１的上、下游引物，最后用无菌超纯水补足至５０μＬ．降落式ＰＣＲ反应步骤参见文献［６］．１．５　ＰＣＲ产物的ＤＧＧＥ分析采用Ｃ．Ｂ．Ｓ．ＳＣＩＥＮＴＩＦＩＣ公司ＤＧＧＥ－２００１系统对ＰＣＲ扩增产物进行变性梯度凝胶电泳分离［７］，电泳完毕后，将凝胶进行硝酸银染色，并将图像在观测仪中拍照存档．１．６　Ｓｈａｎｎｏｎ⁃Ｗｅａｖｅｒ指数应用凝胶分析软件ＱｕａｎｔｉｔｙＯｎｅ对扫描所得的ＤＧＧＥ图谱进行分析，并利用Ｓｈａｎｎｏｎ多样性指数来评价ＳＢＲ反应器在各个阶段微生物的多样性情况．通过长期试验和推导得到多样性Ｈ的计算公式：Ｈ＝－∑ｓｉ＝１ＰｉｌｇＰｉ＝－∑ｓｉ＝１ｎ