ABR啟動(dòng)期運(yùn)行效能及互營(yíng)產(chǎn)甲烷菌群的分布特征

班巧英,劉 琦,張立國(guó),李建政

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ABR啟動(dòng)期運(yùn)行效能及互營(yíng)產(chǎn)甲烷菌群的分布特征

班巧英1*,劉 琦1,張立國(guó)1,李建政2

(1.山西大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院,山西 太原 030006；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150090)

為探討厭氧折流板反應(yīng)器(ABR)啟動(dòng)期運(yùn)行效能和互營(yíng)產(chǎn)甲烷菌群的空間分布特征,考察了ABR反應(yīng)器處理制糖廢水啟動(dòng)期的運(yùn)行特征,并采用聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)-變性梯度凝膠電泳(PCR-DGGE)技術(shù)分析了互營(yíng)產(chǎn)甲烷菌群在ABR各格室的分布規(guī)律.結(jié)果表明,在污泥馴化階段,ABR的COD去除率為61.5%,出水揮發(fā)酸總量高達(dá)1808mg/L.經(jīng)過2個(gè)階段的調(diào)控運(yùn)行后,ABR出水揮發(fā)酸明顯降低,甲烷含量增加至55%以上,COD去除率達(dá)到了94.8%.而且ABR第2~4格室形成了沉降性能良好的顆粒污泥.PCR-DGGE檢測(cè)結(jié)果表明,該ABR系統(tǒng)中的主要產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌為和,主要分布在ABR系統(tǒng)第3,4格室.ABR第1,2格室的產(chǎn)甲烷菌主要為耐酸的氫營(yíng)養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌(和),而乙酸營(yíng)養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌(和)主要分布在第3,4格室.ABR系統(tǒng)中產(chǎn)甲烷菌的多樣性要明顯高于產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌,說明當(dāng)系統(tǒng)受到?jīng)_擊時(shí),產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸作用比產(chǎn)甲烷作用更易成為限速步驟.

厭氧折流板反應(yīng)器；啟動(dòng)運(yùn)行；產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌；產(chǎn)甲烷菌；聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)-變性梯度凝膠電泳

厭氧生物處理技術(shù)廣泛用于處理各種有機(jī)廢棄物,同時(shí)回收甲烷作為清潔能源[1-3].有機(jī)物的厭氧生物處理過程主要涉及4類微生物:產(chǎn)酸發(fā)酵菌群、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌群、同型產(chǎn)乙酸菌群和產(chǎn)甲烷菌群.其中,產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌群將產(chǎn)酸發(fā)酵菌群的代謝產(chǎn)物(如:丙酸、丁酸、乙醇、乳酸等)轉(zhuǎn)化為產(chǎn)甲烷菌可利用的底物(乙酸和H2/CO2).研究表明,產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌群的活性對(duì)甲烷發(fā)酵過程具有顯著的限制作用,主要是由于這些短鏈揮發(fā)酸和乙醇(乳酸除外)的厭氧降解是一個(gè)高度吸能的過程,很難自發(fā)進(jìn)行[4].因此,強(qiáng)化產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌群的功能,對(duì)提高厭氧生物處理系統(tǒng)的效能和穩(wěn)定性發(fā)揮重要作用.

在產(chǎn)甲烷環(huán)境中,這些短鏈揮發(fā)酸和乙醇的降解是通過產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌和產(chǎn)甲烷菌的互營(yíng)協(xié)作來完成的[5].產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌的這種代謝方式使其分離培養(yǎng)十分困難,導(dǎo)致只有少數(shù)產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌被分離和鑒定[5].產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌廣泛存在于各種厭氧生境中,它們的組成和分布受到諸多因素的影響[6-8]. Ariesyady等[9]用顯微放射自顯影-熒光原位雜交的方法發(fā)現(xiàn):在一個(gè)城市廢水處理廠的厭氧反應(yīng)器中,當(dāng)丙酸濃度為0.5mmol/L時(shí),是主要的食丙酸產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌,而是丙酸濃度為2.5mmol/L條件下的主要食丙酸產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌.實(shí)時(shí)熒光定量PCR(qPCR)分析表明,高水力停留時(shí)間(HRT)有利于的生長(zhǎng),而低HRT促進(jìn)了的生長(zhǎng)[10]盡管一些研究已經(jīng)報(bào)道了互營(yíng)產(chǎn)甲烷菌群(產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌群和產(chǎn)甲烷菌群)在升流式厭氧污泥床反應(yīng)器(UASB)、厭氧消化器、自然生境中的分布特征[7-8,10].然而,互營(yíng)產(chǎn)甲烷菌群在厭氧折流板反應(yīng)器(ABR)中不同格室分布特征的相關(guān)報(bào)道仍然較少.

ABR反應(yīng)器是由一系列垂直的折流板組成[11].它的特殊構(gòu)造有利于顆粒污泥的形成、生物相的分離、微生物的截留、以及抗沖擊負(fù)荷能力的提高,適用于處理各種高濃度及難降解有機(jī)廢水[2,11].ABR反應(yīng)器的成功啟動(dòng)是其處理有機(jī)廢水的先決條件.因此,本研究考察以絮狀污泥為接種污泥時(shí),ABR反應(yīng)器啟動(dòng)期的運(yùn)行特征以及互營(yíng)產(chǎn)甲烷菌群在ABR反應(yīng)器中不同格室的分布特征,為優(yōu)化ABR反應(yīng)器的啟動(dòng)過程、強(qiáng)化互營(yíng)產(chǎn)甲烷作用及運(yùn)行穩(wěn)定性提供理論基礎(chǔ).

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置為ABR,由有機(jī)玻璃制成,其有效容積為27.8L.ABR由4個(gè)相等的格室組成(記作C1、C2、C3、C4),每個(gè)格室用垂直的隔板將其分為下向流室和上向流室(體積比1:4).每個(gè)向上流室沿壁設(shè)置4個(gè)等間距的取樣口.每個(gè)格室頂部設(shè)有集氣管與水封相連,產(chǎn)生的氣體由濕式氣體流量計(jì)計(jì)量.水封和氣體流量計(jì)裝有pH 3.0的水以防止氣體溶解.反應(yīng)器外壁纏繞電熱絲,通過溫控儀將內(nèi)部混合液的溫度控制在(35±1)℃.試驗(yàn)廢水由蠕動(dòng)泵控制流量進(jìn)入第1格室,最后從第4格室上部流出.

1.2 試驗(yàn)廢水及接種污泥

試驗(yàn)廢水為稀釋的制糖廢水,添加尿素和KH2PO4使COD:N:P為200~300:5:1,并補(bǔ)充微生物生長(zhǎng)所必須的微量元素及維生素等[12].

接種污泥取自哈爾濱市某污水處理廠二沉池好氧污泥和哈爾濱某啤酒廠厭氧生物處理系統(tǒng)中二沉池厭氧污泥.其中第1格室以好氧污泥為種泥;第2格室和第3格室則以好氧污泥:厭氧污泥(VSS)分別為2.5:1和1:2.5的比例接種;第4格室以厭氧污泥為接種污泥.第1,2,3,4格室污泥生物量分別為15.23,14.92,13.74,14.31g VSS/L.

1.3 反應(yīng)器運(yùn)行控制

ABR啟動(dòng)過程分為3個(gè)階段:污泥馴化階段、效能提高階段、負(fù)荷提高階段.污泥馴化階段采用低負(fù)荷運(yùn)行方式,固定HRT為24h,進(jìn)水COD分階段從500mg/L逐步提高到6000mg/L.效能提高階段采用延長(zhǎng)HRT與提高進(jìn)水COD濃度交替進(jìn)行的方式,將HRT由24h經(jīng)由36h延長(zhǎng)至48h,而進(jìn)水COD濃度由6000mg/L提高至8000mg/L.負(fù)荷提高階段采用固定COD濃度,逐步縮短HRT的方式,將HRT由48h經(jīng)由42h縮短至36h.反應(yīng)器運(yùn)行溫度控制在(35±1)℃,進(jìn)水pH值控制在8.0左右.每次改變運(yùn)行條件均在前一次運(yùn)行達(dá)到穩(wěn)定時(shí)進(jìn)行.啟動(dòng)結(jié)束時(shí)從4個(gè)格室污泥床采集污泥樣品,保存至-20℃?zhèn)溆?

1.4 分析項(xiàng)目及方法

COD、pH值和生物量采用標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)定[13],氣體組成和揮發(fā)酸組成采用氣相色譜儀測(cè)定(SP- 6800A和SP6890,山東魯南瑞虹化工儀器有限公司),測(cè)定方法參照以前研究[12].

1.5 掃描電子顯微鏡觀察活性污泥形態(tài)

在污泥樣品中加入戊二醛(2.5%)于4℃固定2h;用0.1mol/L磷酸緩沖液沖洗3次;用不同濃度乙醇依次脫水;用無水乙醇/叔丁醇(體積比1:1)、純叔丁醇各置換1次;用HCP-2型(HITACHI)臨界點(diǎn)干燥儀進(jìn)行干燥;將樣品觀察面朝上粘貼在掃描電鏡觀測(cè)樣品臺(tái)上,用E-1010(HITACHI)型離子濺射鍍膜儀在樣品表面鍍上一層厚度15nm金屬膜,然后鏡檢.

1.6 DNA提取、PCR及DGGE分析

稱取0.15g污泥(濕重),采用DNA提取試劑盒(MO Bio Laboratories,Inc,Carlsbad,CA,USA)提取厭氧活性污泥總DNA.DNA濃度用分光光度計(jì)測(cè)定(Thermo Fisher Scientific Inc.USA).

PCR反應(yīng)體系(50μL)為:DNA 2.0μL,正、反向引物(20μmoL/L)各0.5μL,dNTPs (2.5mmoL/L)4.0μL, 10×ExTaq buffer 5.0μL,ExTaq酶(5U/μL) 0.8μL,超純水37.2μL.反應(yīng)程序:94℃預(yù)變性5min;94℃變性1min,55℃退火45s(古細(xì)菌退火溫度56℃),72℃ 45s,30個(gè)循環(huán);72℃延伸7min.所用引物為真細(xì)菌通用引物和古菌通用引物[12].

取15μL上述PCR產(chǎn)物進(jìn)行DGGE.電泳條件:聚丙烯酰胺濃度40%~60%,電壓120V、溫度60℃,時(shí)間10h,然后進(jìn)行銀染.將DGGE凝膠中的條帶用手術(shù)刀片切下來、碾碎并置于30μL 1×TE緩沖溶液中, 40℃恒溫水浴3h(期間每30min顛倒混勻一次). 12000r/min離心3min.取3μL上清作為模板,用上述通用引物進(jìn)行PCR擴(kuò)增.然后用膠回收試劑盒(賽百盛)純化PCR產(chǎn)物,將純化的PCR產(chǎn)物連接到pMD18-T 載體上并轉(zhuǎn)化到大腸桿菌DH5α中,隨機(jī)挑選3個(gè)白色克隆進(jìn)行PCR檢測(cè),將陽(yáng)性克隆送至上海生工生物技術(shù)有限公司測(cè)序,測(cè)序結(jié)果與NCBI的GenBank數(shù)據(jù)庫(kù)中的16S rRNA基因序列對(duì)比分析.

1.7 qPCR分析

定量分析采用絕對(duì)定量方式.所用引物為真細(xì)菌和古菌通用引物[12].標(biāo)準(zhǔn)樣品為含目的基因序列的重組pMD18-T質(zhì)粒.將標(biāo)準(zhǔn)樣品進(jìn)行10倍梯度稀釋(101~107).標(biāo)準(zhǔn)樣品和待測(cè)樣品同時(shí)進(jìn)行實(shí)時(shí)qPCR檢測(cè).qPCR在熒光定量分析系統(tǒng)(Model 7500, ABI,Foster,CA,USA)中完成,所用熒光染料為SYBR green.反應(yīng)體系:引物1μmol/L,SYBR Green Mix 10μL(Toyobo Co.,LTD.,Japan),H2O 5.96μL,ROX 0.04μL,DNA模板3μL.反應(yīng)程序:94℃預(yù)變性1min,94℃15s,58℃ 30s,72℃35s數(shù)據(jù)采集,40個(gè)循環(huán).每個(gè)qPCR反應(yīng)設(shè)置3個(gè)重復(fù).以達(dá)到對(duì)數(shù)增長(zhǎng)時(shí)的循環(huán)數(shù)(Ct值)為橫坐標(biāo),標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)粒數(shù)目的對(duì)數(shù)值為縱坐標(biāo)繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線,得到關(guān)于真細(xì)菌和古菌的一元線性回歸方程分別為=-0.3031+11.626 (2=0.9929),=-0.2769+10.455 (2=0.9982).

2 結(jié)果與分析

2.1 ABR啟動(dòng)期運(yùn)行特征

ABR是一種符合分階段多相厭氧工藝思想的高效厭氧反應(yīng)器[11].在流態(tài)上,ABR具有良好的生物相分離的特征,使參與甲烷發(fā)酵的主要功能微生物菌群能夠生長(zhǎng)于各自最佳的環(huán)境中,促使厭氧生物處理過程的效率與穩(wěn)定性大大提高.ABR反應(yīng)器啟動(dòng)成功的標(biāo)志就是顆粒污泥的形成和微生物相分離功能的實(shí)現(xiàn)[2,11].本研究中,ABR采用低負(fù)荷、分階段運(yùn)行方式進(jìn)行啟動(dòng),經(jīng)過228d調(diào)控運(yùn)行達(dá)到穩(wěn)定,完成了啟動(dòng)過程.如表1所示,污泥馴化階段歷時(shí)120d達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),且穩(wěn)定期的COD去除率僅為61.5%.從出水揮發(fā)酸的組成可以看出,造成COD去除率較低的主要原因是乙酸和丙酸不能被有效的降解,它們的濃度分別為1072,554mg/L.說明乙酸營(yíng)養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌和食丙酸產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌的代謝活性在此階段受到顯著的抑制.該階段第3,4格室pH￡6.2,而大多數(shù)產(chǎn)甲烷菌和食丙酸產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌適宜的pH范圍是6.8~7.2[4,14].因此,乙酸和丙酸在這個(gè)階段發(fā)生了明顯的積累,進(jìn)而導(dǎo)致COD去除率較低.在最后一個(gè)格室仍然含有一定量的氫氣,表明氫營(yíng)養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌的活性也受到一定程度的抑制.而氫分壓也是影響產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌活性的主要原因之一[4].

表1 ABR啟動(dòng)期各階段穩(wěn)定期運(yùn)行特征

注:“n.d.”表示含量低于檢測(cè)限.

圖1 ABR啟動(dòng)期各格室生物量

在效能提高階段,隨著HRT逐步由24h延長(zhǎng)至48h,產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌群和產(chǎn)甲烷菌群的代謝活性逐步提升,尤其是ABR的第3,4格室,發(fā)酵氣體中甲烷含量分別達(dá)到了51.0%和58.9%,出水揮發(fā)酸總量降低至347mg/L,使得COD去除率也隨之增加并最終穩(wěn)定在了90.1%(表1).在負(fù)荷提高階段,逐步縮短HRT至36h,COD去除率保持了穩(wěn)步上升的趨勢(shì),僅運(yùn)行了24d就達(dá)到了穩(wěn)定狀態(tài).分析認(rèn)為,HRT的逐步縮短促使ABR系統(tǒng)中顆粒污泥大量形成,提高了反應(yīng)器的生物量以及抗負(fù)荷沖擊能力,導(dǎo)致ABR反應(yīng)器可在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到高效穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài).其出水揮發(fā)酸殘留僅為291mg/L,COD去除率高達(dá)94.8% (表1).然而,當(dāng)ABR處理疫病動(dòng)物尸骸廢水時(shí),在有機(jī)負(fù)荷率為4.6kgCOD/(m3·d)條件下,其COD去除率只有88.0%[11].第1,2格室產(chǎn)生了大量揮發(fā)酸,而第3,4格室的揮發(fā)酸顯著減少,甲烷含量卻明顯增加,說明該ABR系統(tǒng)的1,2格室為產(chǎn)酸相,3,4格室為產(chǎn)甲烷相.

圖2 ABR不同格室的污泥形態(tài)

如圖1所示,在ABR啟動(dòng)的污泥馴化階段(HRT 24h、進(jìn)水COD 6000mg/L) 達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行時(shí),第1~4格室的MLVSS分別為8.3,8.5,10.1,9.2g/L.在效能提高階段,隨著HRT延長(zhǎng)至48h,進(jìn)水COD增加至8000mg/L,ABR 4個(gè)格室的生物量增加了18.1%~ 75.0%.這一結(jié)果表明,較長(zhǎng)的HRT促進(jìn)了厭氧污泥中微生物的增殖.在負(fù)荷提高階段,HRT從48h 逐步縮短到36h,有機(jī)負(fù)荷率由4.0kgCOD/(m3·d)提高到了5.4kgCOD/(m3·d).ABR系統(tǒng)第1~4格室的生物量持續(xù)增加,分別達(dá)到了11.2,13.4,18.4,16.7g/L.分析認(rèn)為,生物量的增加與ABR系統(tǒng)中污泥的顆粒化有關(guān).在ABR系統(tǒng)第2~4格室已經(jīng)形成厭氧顆粒污泥(圖2),提高了系統(tǒng)的抗負(fù)荷沖擊能力[2].較高的生物持有量,為ABR系統(tǒng)的高效穩(wěn)定運(yùn)行奠定了基礎(chǔ).

2.2 生物相變化特征.

ABR相分離功能將具有不同生理生態(tài)特征的微生物分布在不同格室,使其各自在適宜環(huán)境條件下發(fā)揮著較強(qiáng)的代謝活性.為了探討ABR 的相分離特征,本研究通過qPCR分析了負(fù)荷提高階段真細(xì)菌和古菌在ABR不同格室的分布特征.如圖3所示,第1、2格室以真細(xì)菌為主,其含量分別為3.6′106個(gè)和1.2′106個(gè)16S rRNA基因拷貝數(shù)/ng DNA.相反,古菌在第1,2格室的含量比真細(xì)菌少2個(gè)數(shù)量級(jí).主要是由于前2個(gè)格室主要功能為產(chǎn)酸發(fā)酵(表1),而參與產(chǎn)酸發(fā)酵的微生物屬于真細(xì)菌.與第1,2格室相比,第3格室的古菌含量顯著增加,達(dá)到了1.6′106個(gè)16S rRNA基因拷貝數(shù)/ng DNA.盡管第4格室的古菌含量顯著減少,但仍然占細(xì)菌總數(shù)的50%左右.類似地,劉然等的研究也表明,ABR的前端格室以真細(xì)菌為主,而后端格室中古菌的相對(duì)豐度明顯增加[15].

圖3 ABR系統(tǒng)中真細(xì)菌和古菌分布特征

2.3 產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌群的分布特征

為了解產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌群在ABR各格室的分布規(guī)律,在ABR啟動(dòng)結(jié)束時(shí),對(duì)每個(gè)格室的污泥進(jìn)行了真細(xì)菌PCR-DGGE分析.結(jié)果表明(圖4),有3個(gè)條帶的16S rRNA基因序列與已鑒定產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌高度相似,且均為食丙酸產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌.其中,條帶B1和B2分別與變形菌門的和高度相似(95%)(表2).當(dāng)與產(chǎn)甲烷菌共存時(shí),這兩種菌可以氧化丙酸生成乙酸和CO2/H2,同時(shí)也可以在一些特殊的底物上純培養(yǎng)[4].條帶B3與厚壁菌門低GC 含量的革蘭氏陽(yáng)性菌的相似性為96%.是一個(gè)專性互營(yíng)菌,只有與產(chǎn)甲烷菌共培養(yǎng)時(shí)才能生長(zhǎng).它們通過甲基丙二酰-輔酶A途徑(MMC)降解丙酸[4].

表2 產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌和產(chǎn)甲烷菌16S rRNA部分序列的BLAST比對(duì)結(jié)果

圖4 ABR啟動(dòng)結(jié)束時(shí)真細(xì)菌DGGE圖譜

從圖4可以看出,所有的產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌分布在第3,4格室.由表1可知,第3,4格室的pH為7.0~7.4,適合產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌的生長(zhǎng).圖4表明,條帶B1和B2的信號(hào)明顯高于條帶B3,說明可能是ABR系統(tǒng)中主要的產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌.從表1可以看出,ABR第2格室出水丙酸濃度高達(dá)608mg/L,經(jīng)過第3,4格室的降解之后,80.8%的丙酸被去除,可見,這些食丙酸產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌在ABR系統(tǒng)的丙酸降解中起著重要作用.類似地,陳重軍等[16]發(fā)現(xiàn)是ABR厭氧氨氧化反應(yīng)器中的主要產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌.然而,在一個(gè)以葡萄糖為唯一碳源的ABR中,是主要的產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌[17].此外,從表1還可以看出,經(jīng)過第3,4格室的降解后,丁酸濃度從152mg/L降低至38mg/L,說明少量的食丁酸產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌可能存在于第3,4格室.然而, PCR-DGGE并沒有檢測(cè)到與已知食丁酸產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌高度相似的條帶.這可能是由于食丁酸產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌的含量低于PCR-DGGE的檢測(cè)限或一些未知的食丁酸產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌存在于系統(tǒng)中造成的.

2.4 產(chǎn)甲烷菌群的分布特征

在甲烷發(fā)酵系統(tǒng)中,產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌的生長(zhǎng)代謝離不開產(chǎn)甲烷菌的協(xié)同作用,因此本研究也對(duì)古菌進(jìn)行了PCR-DGGE指紋分析.從古細(xì)菌DGGE圖譜(圖5)中獲得9條16S rRNA基因部分序列.條帶A1和A4與未知的古菌高度相似(97%以上).條帶A2, A3,A6,A8,A9與氫營(yíng)養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌(,,,,)的相似性為98%~100%(表2).這些氫營(yíng)養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌可利用H2/CO2和甲酸進(jìn)行生長(zhǎng)代謝[14].條帶A5,A7分別與產(chǎn)甲烷絲狀菌和高度相似(99%).產(chǎn)甲烷絲狀菌屬可以利用濃度低至5~ 20μmol/L的乙酸[14].從DGGE圖譜上可以看出,在ABR系統(tǒng)中,產(chǎn)甲烷菌群在各個(gè)格室中的分布存在著明顯的演替過程.從前端格室到后端格室,產(chǎn)甲烷菌的多樣性逐漸提高.

圖5 ABR啟動(dòng)結(jié)束時(shí)古菌DGGE圖譜

由圖5可知,ABR第1,2格室的優(yōu)勢(shì)產(chǎn)甲烷菌為(條帶A8),(條帶A9),已有研究結(jié)果表明,這兩個(gè)屬的產(chǎn)甲烷菌為耐酸產(chǎn)甲烷菌[18-19].除此之外,條帶A3 ()和A6 ()也存在于在第1,2格室.一些研究表明,氫營(yíng)養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌比乙酸營(yíng)養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌更耐酸[9,20-21].耐酸產(chǎn)甲烷菌的存在降低了ABR系統(tǒng)產(chǎn)酸格室的氫分壓 (表1),為產(chǎn)酸發(fā)酵菌群解除了產(chǎn)物的反饋抑制作用.這些耐酸氫營(yíng)養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌使得ABR系統(tǒng)的產(chǎn)酸格室(第1,2格室)的甲烷產(chǎn)量分別達(dá)到了4.0,6.7L/d.第3,4格室的主要產(chǎn)甲烷菌是(條帶A2),Uncultured ArcI archaeon (條帶A4),(條帶A5)、(條帶A7),(條帶A8)、(條帶A9).結(jié)合圖5和表2可以發(fā)現(xiàn),乙酸營(yíng)養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌(和)存在于ABR系統(tǒng)的第2~4格室.產(chǎn)甲烷絲狀菌(和)不僅是產(chǎn)甲烷系統(tǒng)中常見的乙酸營(yíng)養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌,而且能促進(jìn)顆粒污泥的形成[22].圖2也證實(shí)了第2~4格室的微生物是以顆粒污泥的形式存在的.以前的研究也發(fā)現(xiàn),產(chǎn)甲烷絲狀菌是顆粒污泥反應(yīng)器中主要的乙酸營(yíng)養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌[23-24].這些產(chǎn)甲烷菌使得ABR系統(tǒng)第3,4格室的甲烷含量達(dá)到了55%以上.本研究還發(fā)現(xiàn),產(chǎn)甲烷菌的多樣性要明顯高于產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌,說明與產(chǎn)甲烷作用相比,在系統(tǒng)遭受沖擊時(shí),產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸作用可能會(huì)成為第一限速步驟.

3 結(jié)論

3.1 在中溫條件下,ABR系統(tǒng)經(jīng)過3個(gè)階段的調(diào)控運(yùn)行完成了啟動(dòng)過程,在有機(jī)負(fù)荷率為5.4kgCOD/ (m3·d)條件下,COD去除率達(dá)到了94.8%,且在第2~4格室形成了性能良好的顆粒污泥.

3.2 ABR系統(tǒng)的前2格室以真細(xì)菌為主,而后2格室中的古菌數(shù)量顯著增加,其中,為優(yōu)勢(shì)產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌,主要分布在第3,4格室.

3.3 在ABR系統(tǒng)的第1,2格室主要為耐酸的氫營(yíng)養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌(,),而乙酸營(yíng)養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌(,)主要分布在第3,4格室.

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The performance of ABR at startup and the distribution of syntrophic methanogens.

BAN Qiao-ying1*, LIU Qi1, ZHANG Li-guo1, LI Jian-zheng2

(1.College of Environment and Resource, Shanxi University, Taiyuan 030006, China；2.School of Municipal and Environmental Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150090, China)., 2018,38(9)：3351~3357

An anaerobic baffled reactor (ABR) was employed to investigate the operational performance and the distribution of syntrophic methanogens during the treatment of sugar refinery wastewater. The distribution of syntrophic methanogens was analyzed by polymerase chain reaction-denaturing gradient gel electrophoresis (PCR-DGGE). COD removal was 61.5% and volatile fatty acids (VFAs) in effluent were 1808mg/L at sludge acclimation stage. After the regulation operation of two stages, the VFAs were dramatically reduced and methane content was increased to above 55%. The COD removal was achieved 94.8% at the stable state. The granular sludge with good settling performance was formed in the last 3compartments. PCR-DGGE explored that the dominant hydrogen-producing acetogens were related to the generaand, which were distributed in the third and fourth compartments of ABR. The acid-tolerant hydrogenotrophic methanogens (and) were mainly distributed in the first and second compartments, while acetotrophic methanogens (and) mainly existed in the third and fourth compartments. The present study found the diversity of methanogens was higher than that of hydrogen-producing acetogens, indicating hydrogen-producing acetogenesis is more likely to be a rate-limiting step when the system is shocked.

anaerobic baffled reactor；operation at startup；hydrogen-producing acetogens；methanogens；PCR-DGGE

X703.5

A

1000-6923(2018)09-3351-07

班巧英(1982-),女,山西忻州人,講師,博士,主要從事廢水厭氧生物處理研究.發(fā)表論文30余篇.

2018-02-08

國(guó)家自然科學(xué)基金(51708341);哈爾濱工業(yè)大學(xué)城市水資源與水環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題(QA201523);山西省“青年三晉學(xué)者”支持計(jì)劃,山西省高等學(xué)校優(yōu)秀創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)支持計(jì)劃

* 責(zé)任作者, 講師, banqiaoying@163.com