复合式MBR垃圾渗沥液短程脱氮及微生物群落结构分析李军1

第43卷增刊2010年土木工程学报CHINAC】VILENGINEERINGJOURNALVol.432010复合式李军MBR垃圾渗沥液短程脱氮及微生物群落结构分析乔文燕`,2王朝朝’张雪松,陈旭莺’(1.北京工业大学北京市水质科学与水环境恢复工程重点实验室,北京1001242.海淀区环境卫生科学研究所,北京1以刀86)摘要:研究溶解氧、温度对亚硝酸盐积累的影响,以及SND对去除总氮的贡献率。实验表明,复合式MBR对晚期垃圾渗沥液处理有很好的处理效果。在不同运行阶段,分别从反应器中的混合液和生物膜上采集样品,提取样品的微生物总DNA,进行PCR扩增,进行变性梯度凝胶电泳(DGGE)。结果表明,在反应器运行初期微生物群落结构变化较大,在整个反应器运行过程中,微生物群落多样性较高。关键词:垃圾渗沥液;复合式MBR;PCR一DGGE中图分类号:X705文献标识码:A文章编号:l0(刃一13lX(2010)增刀445一5AnalysisofmicrobialcommuintysturcutreandhteremovalofnitrogeninhybridMBRforlandnllleachatetreamtentiLuJn’Qiao肠anrn,,,肠咭hZahozao`hZa鳍Jb乙“o咭,hCenxulua。’(1.TheKeyaLboarto钾ofBeijingforWaterQualitySeienee&WaterEnvironmentReeove仃Engineering,BeijingUniversityofTeehnology,Beijing100022,China:2.BeijingHaidianDistiretEnviornmentalSanitationSeientiifeResearehInstitute,Beiiing100086,China)Abstraet:Theeffeetsofdissolvedoxygen,temperatureonnitirteaeeumulation,andtheeontributionofSNDtototalnitrogenremovalwerestudied.TheresultsshowedthattheremovaleffeetofHybridMBRProeessforlatelandifllleaehatewasgood.Inthedifferentstages,thesamplesweereolleetedresPeetivelyfrommixedliquorandbioiflmofaMBR.DNAwasextraetedfromthesixsamPles,then16SrDNAfragmentswereampliifedformthetotalDNA,andthenwereusedfordenaturinggradientgeleleetrophoresis(DGGE)analysis.Theresultsindieatedthatanotieeableehangetookplaeeinmierobialsturetureininitialstages.InthewholeoPeration,baeterialeommunitystrueturesarehigher.Keywords:landifllleaehate;hybirdmembarnebioeraetor(HMBR);PCR一DGGEE·mail:[e-mail]1装置及试验方法1.1试验水质本试验水质取自垃圾填埋场的调节池出水,水质指标如表1所示,氨氮浓度高,差,呈晚期垃圾渗沥液特性。1.2试验装置及样品采集本试验的装置如图1所示COD浓度低,可生化性由缺氧池、好氧池、填表1试验阶段主要水质指标Table1Mianwaterqu止ytidnexsduirngexPeirment项目CODor(m岁L)pH值BODS/COD「浓度范围1986~3421氨氮(m岁)L10创〕~220()80一8.3碱度(m留L)9《XX)一l420()0.12一0.26作者简介:李军,博士,教授收稿日期:2010-09一9土木工程学报0210年料及膜组件组成,反应器材质为有机玻璃。该反应器有效容积为24L,其中缺氧池与好氧池的有效容积之比为1:3,缺氧池与好氧池之间用一个开圆孔的挡板隔开。缺氧池内设有机械搅拌装置,确保泥水混合均匀。在好氧池顶部布置环状曝气干管,并均匀设置若干个小阀门,由橡胶管连接的微孔曝气器均匀分布在距反应器底部SCm处,通过曝气泵向反应池内供气,曝气量通过转子流量计控制。试验所用的3台泵(进水泵、循环泵和自吸泵)均为蠕动泵。培养初期,为了使微生物生存环境变化较小,能J决速适应变化的环境,渗沥液经生活污水稀释后进人反应器,进水氨氮容积负荷控制在0.Zk岁(耐·d)左右,此后逐步降低渗沥液稀释倍数,直到微生物完全适应渗沥液的环境条件。在反应器运行的3个阶段,即渗沥液和生活污水配比l:9稀释时、渗沥液和生活污水配比5:5稀释时、渗沥液不经稀释时,分别采集曝气池混合液和生物膜样品,共计6个,编号为1一6,冻存于一20℃冰箱中备用。在此期间,出水亚硝化率(NoZ一N/NO、一N)为95%以上,实现了亚硝化的稳定积累。氨氮去除率为90%以上,COD去除率为表2总氨氮浓度与FA浓度对应表肠心eZG圈目到坛团佣嘴吐仗川Nlli十一N田xlFA(m岁L)总氨氮10015020()2.84.25.7总氨氮FA8.514119.825.4DO浓度0D()浓度l一习卜一D()浓度ltsoo%92888450ǎ享à哥牟晋目3.5FA浓度范围(m创L)图2不同DO时FA对亚硝化积累率影响Fig.2EffecstofFAonaceumulationaretofnitiretinidffeerrntdissolvedoxygenconcentartion1一水箱;2一进水;3一进水泵;4一阀门1;5一控温装置;6一PH计;7一膜组件;8一阀门2;9一自吸泵;10一液体流量计;11一气体流量计;12一阀门3;13一气泵;卫4一曝气头;15一搅拌装置;16一时间继电器;17一u型压差计图1试验装置图Fig.1Thedevieeskecthofreactor1.3不同DO浓度时FA对亚硝酸盐氮的影响由于pH和温度的不同,废水中氨氮有两种存在形式,即分子态和离子态。表2是温度为29℃、pH值为7.5时不同氨氮浓度对应的FA浓度。在此试验过程中,MLSS为4500mg/L、pH值为7.5、温度为29℃左右。FA浓度分别取2.lm岁L、3.sm群L、5.7m岁L和7.sm岁L四个范围,分别选DO浓度为0.sm岁L、lm岁L和1.sm岁L这三个水平。通过测试,结果如图2所示:由图2可以看出,当DO为0.sm岁L时,亚硝化积累率随FA浓度的增加变化不大,当DO为lm岁L和1.sm梦L时,亚硝化积累率随FA浓度的增加先减后增。在同一FA浓度下,当FA浓度范围低于5.7nl岁L时,DO为lln岁L和1.5111岁L的亚硝化积累率明显低于DO为0.sm岁L的亚硝化积累率。当FA浓度高于5.7m留L时,在各个水平的DO下,亚硝化积累率基本相同。由此可知,当FA浓度低时,DO对亚硝化积累的影响较大,低DO浓度(0.sm梦L)时亚硝化的积累率更高;当FA浓度高时,DO对亚硝化积累影响不大,当FA浓度(大于等于5.7m酬L)较高时,均可维持较高的亚硝化积累率。然而当DO为0.Slllg/L时,氨氮从312111岁L降到铭m岁L所用的时间为1h8左右;当DO为lm岁L时,氨氮从3的m岁L降到51nlg/L所用的时间为1h0左右;当DO为l.snl岁L时,氨氮从30ling/L降到42nl留L所用的时间为h9左右。当DO为lm盯L和1.snl酬L时,氨氮降解速率要远大于DO为0.5111岁L时的氨氮降解速率。1.4温度对氨氮去除率和亚硝化率的影响试验启动成功后,在DO为1.om留L的试验条件下考查了中温范围内不同温度(分别为:20℃、25℃、30℃)对氨氮去除率和亚硝化率的影响。取三只烧杯,分别放人600mL好氧池中的泥水混合物,另外各加ZoomL渗沥液,分别放人20℃、25℃、30℃的培养箱中,控制DO为1.0m岁L条件下曝气ld,取样检测。试验结果表明,在中温范围内氨氮去除率和亚硝化积累率随着温度的降低而下降,可见,在中温范围内温第34卷增刊李军等·复合式MBR垃圾渗沥液短程脱氮及微生物群落结构分析度对亚硝酸菌的比增长速率和亚硝化积累率影响都较大。在20℃时,氨氮的去除率和亚硝化率分别为47%和54%,为保证高氨氮负荷条件下系统的稳定运行,保证系统的氨氮去除率和亚硝化积累率,控制反应器内水温在30℃左右。试验结果如图3所示。图3Fig.3不同温度条件下亚硝化积累率和氨氮转化率TheremovalarteOfarnrno亩atheniitretaeeumulatearteindin飞rentintrogenadntemPerature低,同时由于反硝化的进行,反硝化产生的碱可中和硝化反应产生的酸,减少了pH值的波动,提高了反应的效率。渗滤液COD为3420m群l,由于回流液的稀释作用,厌氧池进水实际上COD为1781m盯L,随后沿程降低,系统出水COD为%lm酬L,COD去除率为72%,由于膜组件对大分子难降解有机物的截留作用,膜对COD也有一定的截留去除作用。1.6分子生物学方法样品总DNA提取与纯化采取zho。等〔`{的改进的基于SDS的细胞裂解法。将DNA溶液的一部分用无菌超纯水稀释10倍,进行PCR扩增。采用的引物由上海英骏生物公司合成。PCR反应在PCR仪上进行,反应采用降落PcR方法、2〕。2实验结果1.5COD和氮的沿程变化图4是反应器稳定运行阶段,COD和氮的沿程变图4稳定运行阶段COD和氮的沿程变化情况Fig.4rPoeessvairalbleeuvreofCODandintorgenduirngsteadyo讲ar6佣运行条件是:回流比为2,溶解氧为lm岁L,温度为30℃左右。从图中可以看出,由于回流液的稀释作用,复合式膜生物反应器的实际进水的氨氮浓度由2109m扩L变为870.7m盯L。在缺氧池中,由于稀释和反硝化作用,亚硝氮的浓度为30.4m留L左右,硝氮的浓度为8.6m岁L左右。在曝气池中,发生硝化反应,氨氮转化为亚硝氮和硝氮,亚硝氮和硝氮的浓度不断增加,到硝化结束时,亚硝氮的浓度为559.gm岁L,硝氮的浓度为20.lm岁L,从而在系统中实现了高效率的短程硝化反硝化。此时亚硝氮的积累率、氨氮去除率分别为%%和91%。在此过程中,总脱氮率达到了65%,总氮沿程逐渐降低,这是由于反硝化菌能够适应较高的pH值,投加的生物载体增加了曝气池中的缺氧微环境,为SND作用的进行提供了条件,使得总氮沿程有小幅度的降2.1DNA提取及PCR扩增利用前面方法提取的DNA经1%琼脂糖电泳,经EB染色,再在凝胶成像仪上检测,结果表明初提和纯化后的DNA片段长度约为23kb。利用上面方法扩增出的PCR产物用l%琼脂糖电泳进行检测,结果表明PCR扩增产物片段长度为433bp,是要扩增的目标片段长度。2.2生物群落多样性分析PCR扩增产物利用DGGE系统进行电泳,然后用巧ml配制好的SYBR一Gold溶液对电泳后的凝胶进行避光染色,最后将凝胶平铺在在UPV仪观察室内,通过安装在电脑上的软件进行观察和拍照。切胶测序,最后将测序结果提交基因库比较最大相似性,凝胶图如图5所示。图5反应器中微生物群落DGGE图谱Fig.5DGGEpriofleofthe而erobialcommunitiesinthereactor土木工程学报2010年由图5可以看出,生物膜中微生物的丰富程度比混合液中的高,在4和6样品中分别可以观察到12、13条条带,远远高于混合液样品的条带数。这主要是由于有些微生物只有附着在生物填料上才能很好的生长,有些世代时间较长的微生物