不同DO下MBR内微生物群落结构与运行效果关系高大文

中国环境科学2010,30(2)：209~215ChinaEnvironmentalScience不同DO下MBR内微生物群落结构与运行效果关系高大文*,李昕芯,安瑞,付源,任南琪(哈尔滨工业大学城市水资源与水环境国家重点实验室,黑龙江哈尔滨150090)摘要：应用A/O-MBR处理实际生活污水,考察了不同溶解氧(DO)条件下,微生物群落结构与其处理效果的对应关系.结果表明,DO浓度在0.2~4.0mg/L对COD去除效果无明显影响,COD平均去除率均在90%以上.DO浓度变化对NH4+-N去除影响较大,DO浓度下降到0.2mg/L时,NH4+-N平均去除率由99%下降到65%.通过PCR-DGGE分析,较高DO条件下(4.0,2.0mg/L)的总细菌微生物群落多样性高于较低DO条件(0.5,0.2mg/L),但其群落结构变化与与反应器的处理效果对应关系不明显;氨氧化菌的群落结构变化较明显,且在不同的DO条件下起主要作用的氨氧化菌的菌属不同,其群落变化与反应器的NH4+-N去除效果相对应,DO为2.0,0.5mg/L时氨氧化菌群落结构比较相似,此时反应系统的脱氮效果也比较好.关键词：膜生物反应器；溶解氧；PCR-DGGE；微生物群落结构；氨氧化菌中图分类号：X703.1文献标识码：A文章编号：1000-6923(2010)02-0209-07RelationshipsbetweenmicrobialcommunitystructureandtheperformanceofMBRunderdifferentdissolvedoxygen.GAODa-wen*,LIXin-xin,ANRui,FUYuan,RENNan-qi(1.StateKeyLaboratoryofUrbanWaterResourceandEnvironment,HarbinInstituteofTechnology,Harbin150090,China).ChinaEnvironmentalScience,2010,30(2)：209~215Abstract：MicrobialcommunitystructureandnutrientremovalperformanceunderdifferentdissolvedoxygenwereinvestigatedusingAnoxic-oxicsubmergedmembranebioreactor(A/O-MBR)formunicipalwastewatertreatment.ResultsshowedthattheCODremovalwasnotinfluencedmarkedlybythevariationsinDObetween0.2mg/Land4.0mg/L,andtheCODremovalwasmorethan90%duringthewholeexperiment.However,theammonianitrogenremovalwasmoresensitivethanCOD,andtheammonianitrogenremovaldroppedfrom99%to65%whenDOdecreasedto0.2mg/L.ThePCR-DGGEanalysisshowedthatthediversityoftotalbacterialcommunitywasabundantwhenA/O-MBRwasrunathighDO(4.0mg/Land2.0mg/L),andtherelationshipsbetweenthetotalbacterialcommunitystructureandtheperformanceofMBRwasnotveryobvious.Onthecontrary,theammoniaoxidizingbacterialcommunitycompositionhadamoreobviousshiftwiththevariationofDOconcentration,andthespeciesofammoniaoxidizingbacteriawhichplaymajorroleweredifferentunderdifferentDOconditions,whichwerecorrespondedtotheremovalefficiency.TheammoniaoxidizingbacterialcommunitycompositionweresimilarundertheDOconcentrationof2.0mg/Land0.5mg/L,andthenitrogenrenmovalwasenhanced.Keywords：membranebioreactor(MBR)；dissolvedoxygen；PCR-DGGE；microbialcommunitystructure；ammoniaoxidizingbacteria膜生物反应器(MBR)与传统工艺相比,具有固液分离效果好、反应器内生物量高、污泥产量低、出水水质好、占地面积小等优点[1],因此在污水的净化与处理领域应用广泛.影响MBR反应器运行效率的因素有很多,如污泥浓度、水力停留时间(HRT)、污泥龄(SRT)、溶解氧(DO)、污泥负荷等[2-3].其中DO是极其重要的参数,许多研究[4-8]表明,将DO控制在合适的范围之内,不仅可以提高整个反应器的效率,而且可以降低能收稿日期：2009-06-04基金项目：教育部全国优秀博士学位论文专项基金(200544);教育部新世纪优秀人才资助计划项目(NCET-05-0330);国家自然科学基金资助项目(50638020)*责任作者,教授,[e-mail]210中国环境科学30卷耗.但从实质上看,微生物是生物法污水处理的主体部分,而目前有关MBR中DO的研究大多数只本研究将结合PCR-DGGE技术[9],对不同DO条件下MBR处理效果和微生物群落结构进行研究,分析DO对MBR去除有机物和氨氮效率及其微生物群落结构的影响,探讨MBR运行特性与微生物群落结构间的相互关系,从而为MBR的设计及应用提供理论及技术依据.1材料与方法1.1材料接种污泥取自哈尔滨市文昌污水处理厂.进水为生活污水,其水质COD为203.9~366.0mg/L,NH4+-N为33.24~61.35mg/L,pH值为7.28~7.83.1.2反应器装置和运行条件本研究采用缺氧/好氧工艺(A/O-MBR),缺氧和好氧反应器的有效体积均为8L.采用日本三菱公司生产的聚乙烯中空纤维膜,膜孔径为0.4μm,膜通量0.27m3/(m2⋅d),膜丝面积为0.11m2.装置如图1所示.222897654318出水图1反应器装置示意Fig.1Diagramofexperimentalsystem1.原水箱.2.蠕动泵,3.缺氧罐,4.气泵,5.空气流量计,6.好氧MBR,7.膜组件,8..真空压力表,9.时序继电器反应器采用连续进水、间歇出水的方式运行,膜出水抽吸时间比为3min/1min.实验中HRT控制为8h,回流比为2.5,温度维持在20~25℃,SRT为50d,反应器初始污泥浓度为3200mg/L,待污泥浓度稳定在5000mg/L左右时进行排泥.以DO为4mg/L启动反应器.反应器分别在DO为4.0,2.0,0.5和0.2mg/L下运行.1.3指标测定每天取水样,对进水和出水水质指标进行分析,检测项目包括温度、DO、COD、NH4+-N、NO2--N和NO3--N,均采用标准分析方法[10].1.4反应器微生物群落结构分析1.4.1基因组DNA的提取采用小量细菌基因组提取试剂盒(上海华舜,W6501).1.4.2总细菌的PCR扩增采用通用引物BSF338-GC和BSR518扩增,其反应体系与扩增条件参考文献[11]中的方法.PCR反应的产物用1%琼脂糖凝胶电泳检测.1.4.3氨氧化细菌的PCR扩增第一轮扩增采用氨氧化细菌特异性引物[12]CTO189f和CTO654r及相应的反应程序.以第一轮PCR扩增产物为模板,采用与总细菌扩增相同的引物进行第二轮PCR扩增,PCR扩增条件与总细菌的条件相同.采用1%琼脂糖凝胶电泳检测两轮PCR产物,均得到清晰的目标条带.1.4.4变性梯度凝胶电泳(DGGE)将PCR样品5μL和10倍加样缓冲液混合,采用Bio-rad突变检测系统,用8%的聚丙烯酰胺凝胶,变性剂浓度为30~60%,在200V的电压下,60℃电泳4h.结束后,将凝胶进行银染,获得DGGE指纹图谱.1.4.5目的条带的克隆与测序挑取DGGE图谱中的目的条带溶于30μL的ddH2O中,4℃下静置过夜,以此为模板,以BSF338和BSR518为引物进行PCR扩增,其扩增程序同1.4.2.PCR产物用1%琼脂糖凝胶电泳检测并切胶回收,应用上海华舜胶回收试剂盒.回收后产物与PMD19-T载体连接,进行转化克隆,最后测序.1.5DGGE图谱及多样性分析微生物多样性指数采用Shannon指数(H)表示,H=-∑PilgPi,其中条带强度是通过QuantityOne软件分析后得到的波峰面积表示,即Pi=ni/N,其中,ni为峰面积;N为所有峰的总面积.同时对得到的DGGE图谱进行UPGMA聚类分析,根据不同DO条件下的条带分布相似度构建系统进化树.1.6序列分析将测序结果进行处理后提交到GenBank数2期高大文等：不同DO下MBR内微生物群落结构与运行效果关系211据库,采用BLAST进行目标序列和基因库中所含序列的相似性分析,得到同源性最近的序列,并应用MEGA软件建立进化树.2结果与讨论2.1DO对反应器处理效果的影响2.1.1DO对COD去除效果的影响反应器在DO为4.0,2.0,0.5和0.2mg/L下运行,由于采用生活污水,膜出水COD为11.1~47.7mg/L,在4个DO浓度条件下,COD的平均去除率分别为90.42%、90.82%、91.39%和91.76%(图2).0901802703604500306090120时间(d)COD(mg/L)020406080100去除率(%)(a(b)(c)(d)0图2不同DO条件下反应器对COD的去除效果Fig.2CODremovalunderdifferentDOconcentrationa、b、c、d表示DO浓度分别为4.0,2.0,0.5,0.2mg/L时系统的运行状态进水COD缺氧COD出水COD去除率由此可见,当DO浓度降低时,COD去除效果未发生明显变化,说明在MBR中DO的变化对COD的去除影响并不显著.2.1.2DO对NH4+-N去除效果的影响由于进水是生活污水,进水NO3--N和NO2--N含量很低,可忽略不计.在缺氧段,NO2--N和NO3--N积累很少,反应器中的氮素主要为NH4+-N.由图3可见,在DO为4.0,2.0和0.5mg/L条件下的稳定运行期,NH4+-N去除率99%;当DO继续降低时,NH4+-N去除效果出现了较大波动,DO浓度下降到0.2mg/L时,其平均去除率由99%下降到65%.在DO为4.0mg/L时,缺氧区的NH4+-N在好氧MBR中都转化为NO3--N;而当DO降低时,缺氧区的NH4+-N浓度比好氧出水的NO3--N浓度高,说明DO浓度降低使反应系统的反硝化作用增强.DO浓度为4.0,2.0,0.5和0.2mg/L时,总氮的去除率分别为67.39%、77.00%、80.92%和56.73%,此结果说明DO浓度为2.0,0.5mg/L时反应系统的氮素脱除效果较好.其原因为好氧段DO浓度高(4mg/L)时易造成缺氧段氧化还原电位升高,从而抑制反硝化细菌的反硝化活性,使得总氮去除率降低[13].比较MBR中有机物和NH4+-N的去除效果可以得出,当DO浓度减少时,有机物仍可得到有效去除,而NH4+-N去除率却明显降低.其原因是反应系统内的主要异养菌受DO影响较小[14],因此DO的变化对COD的去除效果影响不