生物濾池去除惡臭氣體工藝填料優(yōu)選研究

于承澤， 李鳴曉， 孟繁華， 郝 艷， 劉東明， 侯佳奇*

1.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院， 環(huán)境基準(zhǔn)與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100012 2.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院， 國(guó)家環(huán)境保護(hù)地下水污染模擬與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100012 3.青島農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院， 青島市農(nóng)村環(huán)境工程研究中心， 山東 青島 266109

注： ①—氨氣氣體罐；②—硫化氫氣體罐；③—甲苯氣體罐；④—甲硫醇?xì)怏w罐；⑤—空氣泵； ⑥—混合氣體室；⑦—S1反應(yīng)塔；⑧—S2反應(yīng)塔；⑨—S3反應(yīng)塔；⑩—固體取樣口；—?dú)怏w取樣口；—出氣口.圖1 惡臭氣體去除模擬裝置Fig.1 Simulation device for odor removal

城市生活垃圾處置一直是環(huán)保領(lǐng)域關(guān)注的熱點(diǎn)之一. 目前，城市生活垃圾的處理方法主要有衛(wèi)生填埋、堆肥和焚燒等[1-3]. 伴隨著垃圾分類(lèi)政策的推行，將垃圾分類(lèi)后進(jìn)行堆肥法處理，具有無(wú)害化程度高、減量化效果明顯、處理成本低等優(yōu)點(diǎn)，因此得到了廣泛應(yīng)用[4-7]. 但生活垃圾處理廠在堆肥過(guò)程中常常產(chǎn)生各種惡臭氣體，對(duì)廠內(nèi)及周邊大氣環(huán)境造成污染[8-9]. 惡臭氣體對(duì)人體的危害巨大，是人體健康的一大安全隱患[10-13]. 我國(guó)GB 14554—1993《惡臭污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》嚴(yán)格規(guī)定了氨氣、硫化氫、甲硫醇等8種惡臭污染物的排放濃度范圍. 氨氣、硫化氫和甲硫醇作為水處理、畜牧業(yè)、石化煉制過(guò)程和堆肥過(guò)程中比較常見(jiàn)的代表性惡臭氣體，其處理工藝成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)[14-16]. Jia等[17]研究發(fā)現(xiàn)，甲苯是實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中揮發(fā)性有機(jī)物的主要有害物質(zhì)，且甲苯在高濃度下具有明顯的環(huán)境毒性，對(duì)人體健康和生態(tài)環(huán)境影響較大[18-19]. 目前惡臭氣體處理處置技術(shù)主要分為物理處置、化學(xué)處置、生物處置3種，其中以生物處置最為常用，對(duì)環(huán)境產(chǎn)生的次生危害也較小[20]. 在生物法中，生物濾池過(guò)濾法是一種可以有效處理惡臭污染物的方法. 已有研究[21-25]發(fā)現(xiàn)，濕度、溫度、pH、填料種類(lèi)、壓降等都會(huì)影響生物濾池去除污染物的性能. 目前針對(duì)填料種類(lèi)選擇的研究很多[26-28]，但是針對(duì)不同腐熟度堆肥作為填料的研究報(bào)道較少[18,29]. 在生物濾池除臭過(guò)程中，填料的形態(tài)、溫度、濕度等理化性質(zhì)變化會(huì)導(dǎo)致其負(fù)載的微生物種類(lèi)、數(shù)量發(fā)生很大的變化[30-32]，然而相關(guān)學(xué)者研究接種劑的較多[33]，但對(duì)填料物質(zhì)組成以及微環(huán)境帶來(lái)的微生物生長(zhǎng)變化的報(bào)道較少，有待深入研究.

鑒于此，該研究采用柱試驗(yàn)，以生活垃圾為研究對(duì)象，采用機(jī)械-生物四級(jí)處理工藝的二次發(fā)酵7 d(S1)、20 d(S2)及成品肥(S3)3種不同腐熟程度的堆肥產(chǎn)品作為生物濾池填料，考察其對(duì)氨氣、硫化氫、甲苯、甲硫醇4種惡臭氣體的去除效果；探究生物濾池填料在除臭前后氨氮、硝態(tài)氮、亞硝態(tài)氮、硫酸鹽含量的變化；并結(jié)合PCR-DGGE技術(shù)，研究處理臭氣過(guò)程中微生物的變化規(guī)律. 通過(guò)分析，優(yōu)選惡臭氣體去除的最適填料，從微環(huán)境角度揭示除臭機(jī)理，達(dá)到以廢治廢的目的，對(duì)生活垃圾處理廠除臭生物濾池填料的選擇有一定指導(dǎo)意義.

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)置

1.1.1生物濾池裝置

試驗(yàn)所用的生物濾池裝置見(jiàn)圖1. 其中，惡臭氣體模擬裝置采用4個(gè)8 L的鋼瓶作為配氣盛裝容器，鋼瓶口部裝有氣體流量計(jì)與壓力儀表盤(pán)，接五通管通入混合氣體室；混合氣體室內(nèi)設(shè)有長(zhǎng)短不一的隔板，以達(dá)到充分混勻的目的. 生物濾池反應(yīng)器為有機(jī)玻璃材質(zhì)，圓柱形封閉裝置，底面直徑0.2 m，高度1.6 m；鋪設(shè)石英砂墊層做襯底，高度0.05 m；裝置底部設(shè)置1個(gè)進(jìn)氣口，頂部設(shè)置一個(gè)出氣口，在距離底部0.4、0.8、1.2 m處分別設(shè)置1個(gè)氣體取樣口和1個(gè)固體取樣口. 整套裝置進(jìn)出氣口均設(shè)置氣體流量計(jì)與壓力表，用于監(jiān)測(cè)生物濾池運(yùn)行過(guò)程中的進(jìn)氣流量、出氣流量及壓降.

1.1.2惡臭氣體模擬

將氨氣、硫化氫、甲苯與甲硫醇4種氣體分別存儲(chǔ)于配氣鋼瓶中作為模擬氣，進(jìn)氣流量均為2.5 L/min，進(jìn)氣濃度分別為200、500、100、80 mg/m3，停留時(shí)間為12.5 min，在混氣室充分混合后，通入生物濾池反應(yīng)器.

1.1.3生物濾池填料

秸稈取自白洋淀，粉碎至顆粒直徑為1～2 cm備用. 堆肥樣品取自上海市某固體廢物處理廠，該廠采用機(jī)械-生物四級(jí)處理工藝：生活垃圾經(jīng)初步機(jī)械分選后進(jìn)行一次生物發(fā)酵，一次發(fā)酵完成后進(jìn)行二次機(jī)械分選去除難降解物質(zhì)，再進(jìn)行二次生物發(fā)酵進(jìn)一步腐熟得到成品肥. 在二次發(fā)酵工藝7 d、20 d及成品時(shí)取堆肥樣品，粉碎至顆粒直徑在5 cm以下，分別與秸稈按照質(zhì)量比5∶2充分混合，調(diào)節(jié)含水率在45%～60%之間，作為填料放入3個(gè)生物濾池反應(yīng)器，依次記為S1、S2、S3.

1.1.4樣品采集

每個(gè)反應(yīng)器設(shè)置3個(gè)氣體取樣口用于惡臭氣體的采集，分別位于距離反應(yīng)器底部0.4、0.8、1.2 m處. 將采氣袋連接氣體采樣口后打開(kāi)采樣口氣體閥門(mén)，采集3個(gè)平行樣本. 固體樣品通過(guò)反應(yīng)器上的固體取樣口采集，每個(gè)反應(yīng)器在距離反應(yīng)器底部0.4、0.8、1.2 m處分別設(shè)置3個(gè)固體取樣口，模擬現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境上、中、下3個(gè)高度. 從惡臭氣體通入開(kāi)始后，每隔2 d分別在3個(gè)不同高度處取樣并進(jìn)行后續(xù)分析.

1.2 測(cè)試分析

1.2.1惡臭氣體

氨氣含量根據(jù)HJ 534—2009《環(huán)境空氣中氨的測(cè)定 次氯酸鈉-水楊酸分光光度法》測(cè)定；硫化氫含量根據(jù)《空氣和廢氣監(jiān)測(cè)分析方法》(第四版)測(cè)定；甲苯和甲硫醇含量根據(jù)GB/T 14678—1993《空氣質(zhì)量 硫化氫、甲硫醇、甲硫醚和二甲二硫的測(cè)定 氣相色譜法》測(cè)定.

1.2.2填料理化指標(biāo)

填料樣品采用0.01 mol/L的氯化鈣，按樣水質(zhì)量比1∶10 在室溫條件下以150 r/min的水平振蕩1 h后，取50 mL濾液以 3 000 r/min離心30 min，定性濾紙過(guò)濾. 氨氮(NH4+-N)含量根據(jù)GB 7479—1987《水質(zhì) 銨的測(cè)定 納氏試劑比色法》測(cè)定；硝態(tài)氮(NO3--N)含量根據(jù)GB/T 7480—1987《水質(zhì) 硝酸鹽氮的測(cè)定 酚二磺酸分光光度法》測(cè)定；亞硝態(tài)氮(NO2--N)含量根據(jù)GB/T 7493—1987《水質(zhì) 亞硝酸鹽氮的測(cè)定 分光光度法》測(cè)定；硫酸鹽含量根據(jù)BS 5551-4.5—1993《固體肥料中無(wú)機(jī)酸可溶硫酸鹽含量測(cè)定方法》測(cè)定.

1.2.3填料微生物指標(biāo)

1.2.3.1PCR-DGGE分析

微生物指標(biāo)測(cè)試委托北京市理化分析測(cè)試中心完成，堆肥樣品經(jīng)脫腐緩沖溶液洗滌去除腐殖質(zhì)，用BioTeke基因組DNA快速提取試劑盒提取基因組DNA. 首先對(duì)細(xì)菌16S rDNA的V3區(qū)進(jìn)行PCR擴(kuò)增，PCR反應(yīng)體系(50 μL)：10×PCR緩沖液5 μL；dNTP 4 mL；引物(10 μmol/L)各1 μL、模板DNA 40～50 ng、Ex Tag(大連TaKaRa公司)1.5 U、滅菌高純水補(bǔ)齊至50 μL. 引物357F-GC的序列為5′-GC-clamp-CCTACGGGAGGCAGCAG-3′，引物517R的序列為5′-ATTACCGCGGCTGCTGG-3′，引物GC-clamp的序列為5′-CGCCCGCCGCGCGCGGCGGGCGGGGCGGG GGCACGGGGG-3′. 擴(kuò)增條件：94 ℃預(yù)變性5 min；之后進(jìn)行循環(huán)，94、48、72 ℃下分別保持1 min，30個(gè)循環(huán)；循環(huán)結(jié)束后72 ℃保持10 min；再將100 μL的PCR產(chǎn)物濃縮至30 μL. 最后將20 μL PCR產(chǎn)物進(jìn)行DGGE電泳，聚丙烯酰胺膠濃度為8%，細(xì)菌變性梯度為35%～70%. 電泳條件為60 ℃，20 V預(yù)電泳10 min，130 V下電泳6 h. 使用Gel-Red染色劑染色30 min，然后在凝膠成像系統(tǒng)(Bio-Rad, USA)進(jìn)行拍照分析.

1.2.3.2優(yōu)勢(shì)條帶的切膠回收和測(cè)序分析

用無(wú)菌手術(shù)刀將優(yōu)勢(shì)條帶切下，放在2 mL無(wú)菌離心管中，搗碎后加入60 μL TE緩沖溶液，4 ℃下放置24 h，取10 ng DNA進(jìn)行第二輪PCR擴(kuò)增，引物為不帶CG夾子的上述引物，擴(kuò)增條件同1.2.3.1節(jié)，擴(kuò)增產(chǎn)物交由北京市理化分析測(cè)試中心測(cè)序. 將測(cè)序結(jié)果提交到GenBank數(shù)據(jù)庫(kù)中，利用BLAST與GenBank數(shù)據(jù)庫(kù)中的序列進(jìn)行比對(duì)，尋找同源性最高的序列，同源性以一致序列的占比作為標(biāo)準(zhǔn).

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用Origin 2017、Quantity One 4.6.2等軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理.

2 結(jié)果與討論

2.1 不同腐熟程度填料處理下惡臭氣體性能

由圖2可見(jiàn)，3個(gè)反應(yīng)器對(duì)惡臭氣體的平均去除率均在96%以上. 各反應(yīng)器對(duì)氨氣的去除率差別不顯著，其中S3對(duì)氨氣的去除率最高，平均值為98.99%. 這可能是由于氨氣通入后被吸附在填料中以氨氮形式存在，經(jīng)過(guò)惡臭氣體的馴化，微生物可將氨氮轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮和亞硝態(tài)氮，從而使氨氣去除率升高[34]. S2、S3對(duì)硫化氫氣體的去除率較高，分別為98.26%、98.14%；不同腐熟程度的填料對(duì)甲苯去除率的順序表現(xiàn)為S3 > S1 > S2. 3種填料對(duì)甲硫醇的去除效果最好，不同時(shí)間段內(nèi)S2、S3對(duì)甲硫醇的去除率均為100%，S1對(duì)甲硫醇的去除率除第6天(96.84%)和第8天(96.00%)外，也均為100%. 填料中的硫化氫和甲硫醇被脫硫菌轉(zhuǎn)化為硫酸鹽，其中3種填料對(duì)硫化氫的去除率較低，可能是因?yàn)樘盍现械牧蛩猁}還原細(xì)菌將部分硫酸鹽還原成了硫化氫[35]. 3種填料相比，S1發(fā)酵時(shí)間短，蛋白質(zhì)類(lèi)物質(zhì)含量高，而胡敏酸、富里酸等物質(zhì)含量較少，對(duì)氨氣、硫化氫、甲苯起去除作用的菌群存活困難，除臭微生物不易在填料上生長(zhǎng)掛膜，不利于微生物對(duì)氨氣的吸附降解；而腐熟程度較高的S3發(fā)酵時(shí)間長(zhǎng)、理化性質(zhì)穩(wěn)定，更有利于對(duì)惡臭氣體去除起作用菌群的生長(zhǎng)[36].

2.2 填料理化性質(zhì)變化

2.2.1氨氮含量變化

由圖3可見(jiàn)，惡臭氣體通入第1天，S1、S2、S3的氨氮含量均在0～1 mg/kg之間. 隨著氨氣的繼續(xù)通入，前2 d氨氮含量升幅較大，第4天升幅減緩，而氨氣在生物濾池運(yùn)行過(guò)程中的去除率較高(見(jiàn)圖2)，所以氨氮的累積可能是由于生物濾池對(duì)氨氣的吸收過(guò)程為主導(dǎo)過(guò)程，該過(guò)程中氨氣在生物濾池內(nèi)轉(zhuǎn)化為氨氮[37]. 第8天，S1、S2、S3的氨氮含量達(dá)到峰值，分別為9.07、8.33、7.25 mg/kg；隨后開(kāi)始下降并在第20天降至最小值，分別為1.77、1.28、1.19 mg/kg，可能是由于隨著氨氣的通入，與氨氣轉(zhuǎn)化相關(guān)的微生物活性增加，此時(shí)生物濾池內(nèi)微生物對(duì)氨氮的轉(zhuǎn)化是主導(dǎo)過(guò)程. 對(duì)比3種填料中氨氮含量的變化趨勢(shì)可以發(fā)現(xiàn)，S3的氨氮含量在前3 d明顯低于S1、S2，說(shuō)明S3填料對(duì)氨氣的吸收作用最好；S3的氨氮含量在第8天到達(dá)峰值時(shí)，僅為7.25 mg/kg，明顯低于S1、S2，可能是因?yàn)镾3中微生物群落對(duì)氨氮的轉(zhuǎn)化效率更高，微生物物種優(yōu)勢(shì)更明顯[38].

圖3 不同腐熟程度填料中氨氮含量的變化Fig.3 Changes of ammonia nitrogen in different maturity fillers

2.2.2硝態(tài)氮含量變化

在生物濾池處理過(guò)程中，填料中的氨氮會(huì)經(jīng)過(guò)硝化細(xì)菌的轉(zhuǎn)化作用轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮. 由圖4可見(jiàn)，S1、S2、S3的硝態(tài)氮含量分別由起始的0.76、0.63、0.43 mg/kg增至第20天的7.87、7.10、6.98 mg/kg. S1、S2、S3的硝態(tài)氮含量整體上均呈增加趨勢(shì)，主要是因?yàn)榘l(fā)酵過(guò)程中硝化細(xì)菌的轉(zhuǎn)化作用將氨氮轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮[39]. 3種填料中，S3的硝態(tài)氮含量始終低于S1、S2，說(shuō)明S3中可能存在較多的反硝化細(xì)菌，將硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化為氮?dú)忉尫臶40]. 14～16 d內(nèi)，3種填料中硝態(tài)氮含量均有小幅下降，而后繼續(xù)增加，可能是由于此時(shí)反硝化細(xì)菌群落有所增加，消耗掉部分硝態(tài)氮所致.

圖4 不同腐熟程度填料硝態(tài)氮含量的變化Fig.4 Changes of nitrate nitrogen in different maturity fillers

2.2.3亞硝態(tài)氮含量變化

氨氣經(jīng)過(guò)生物濾池吸附后，以氨氮形式存在于填料中. 經(jīng)過(guò)硝化細(xì)菌的硝化作用，氨氮不僅可以轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮，還會(huì)轉(zhuǎn)化為亞硝態(tài)氮. 不同腐熟程度填料中亞硝態(tài)氮含量的變化如圖5所示. S1、S2、S3的亞硝態(tài)氮含量在前2 d基本保持不變，可能是由于對(duì)應(yīng)時(shí)間內(nèi)氨氮的含量變化呈直線上升趨勢(shì)(見(jiàn)圖3)，是氨氣的吸附作用占主導(dǎo)，微生物的硝化作用不明顯. 由圖5可見(jiàn)，S1、S2、S3的亞硝態(tài)氮含量整體呈上升趨勢(shì)，第20天達(dá)到最大值，分別為0.55、0.46、0.63 mg/kg. S3中亞硝態(tài)氮含量在前8 d明顯低于S1、S2，第8天后三者持平，可能是因?yàn)橥ㄈ霅撼魵怏w的中后期，S3中將氨氮轉(zhuǎn)化為亞硝態(tài)氮的微生物數(shù)量有所增加.

圖5 不同腐熟程度填料亞硝態(tài)氮含量的變化Fig.5 Changes of nitrite nitrogen in with different maturity fillers

2.2.4硫酸鹽含量變化

3種填料中硫酸鹽的平均含量在前4 d變化不顯著，4～12 d內(nèi)呈上升趨勢(shì)，之后開(kāi)始下降. S1在第14天達(dá)到最大值，為35.00 mg/kg，S2、S3在第12天達(dá)到最大值，分別為40.74和45.35 mg/kg. 硫化氫氣體的去除率在4種惡臭氣體中最低(見(jiàn)圖2)，之前也有研究[41]表明，硫酸鹽還原細(xì)菌可以產(chǎn)生硫化氫氣體，因此硫酸鹽含量的降低可能是因?yàn)榘l(fā)酵后期硫酸鹽還原細(xì)菌的增加，將部分硫酸鹽還原成硫化氫. 4～12 d內(nèi)硫酸鹽含量增加，可能是填料中的脫硫菌將硫化氫和甲硫醇吸附降解為硫酸鹽；后期硫酸鹽含量又出現(xiàn)降低趨勢(shì)，可能是因?yàn)槌掷m(xù)通入惡臭氣體馴化了填料中與硫酸鹽降解有關(guān)的微生物.

圖6 不同腐熟程度填料硫酸鹽含量的變化Fig.6 Changes in sulfate content of different maturity fillers

2.3 成品肥填料中微生物群落變化

2.3.1成品肥填料中細(xì)菌DGGE圖譜分析

由于成品肥填料對(duì)惡臭氣體的去除效果最好，因此對(duì)成品肥填料除臭過(guò)程中的樣品進(jìn)行微生物測(cè)試. 通過(guò)變性梯度凝膠電泳技術(shù)能將片段分離成長(zhǎng)度相同而堿基組成不同的DNA序列. 每一泳道中條帶的數(shù)量代表菌落的多樣性，條帶的亮度強(qiáng)弱代表細(xì)菌數(shù)量的多少[42]. 由成品肥填料作為生物濾池填料時(shí)細(xì)菌的DGGE圖譜(見(jiàn)圖7)可以看出，12條泳道中明顯分離的條帶有20條，條帶a、d、f、i、k、m等是每個(gè)泳道共有的，說(shuō)明這幾種微生物是此填料進(jìn)化過(guò)程中共有的優(yōu)勢(shì)種群. 其中，d、f、i、k條帶亮度明顯，且隨著時(shí)間的變化其亮度變化較小，說(shuō)明這幾種微生物在填料中占比較大、菌群結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，受惡臭氣體影響較小[43]. b、c、e、s、t條帶前期未出現(xiàn)，在19 d后的3條泳道中均可見(jiàn)到，說(shuō)明這3種細(xì)菌可能是經(jīng)過(guò)惡臭氣體馴化后保留下來(lái)的優(yōu)勢(shì)物種，惡臭氣體的通入有利于其生存.

注：d1、d3、d5、d7、d9、d11、d13、d15、d17、d19、d21、d23分別代表惡臭氣體通入后第1、3、5、7、9、11、13、15、17、19、21、23天的填料樣品. 下同. 圖7 成品肥填料細(xì)菌DGGE圖譜Fig.7 DGGE profile of bacteria communities in finished compost

條帶b、c、e均為通入惡臭氣體第19天時(shí)出現(xiàn)的新條帶，與此同時(shí)f、i條帶亮度逐漸減弱，說(shuō)明惡臭氣體通入后期微生物種群結(jié)構(gòu)變化明顯，可能是因?yàn)閻撼魵怏w的不斷通入，導(dǎo)致部分微生物難以生存，同時(shí)部分微生物得到外界條件馴化后適應(yīng)惡臭氣體環(huán)境成為優(yōu)勢(shì)種群[44-45]. 惡臭氣體停止通入后，第21、23天泳道中條帶數(shù)目和種類(lèi)出現(xiàn)明顯變化，部分條帶消失，且新增條帶較多，說(shuō)明生物濾池運(yùn)行過(guò)程中的優(yōu)勢(shì)微生物種與惡臭氣體通入有關(guān).

2.3.2細(xì)菌多樣性結(jié)果分析

細(xì)菌的豐度(S)、多樣性指數(shù)(H)、均勻度(E)在不同樣品的不同泳道之間存在差異，由此可判斷樣品中微生物群落結(jié)構(gòu)特征[46]，由表1可見(jiàn)，第15天細(xì)菌的豐度明顯大于其他時(shí)間，結(jié)合硝態(tài)氮含量的降低分析結(jié)果來(lái)看，可能是因?yàn)闅怏w通入第15天時(shí)，硝化細(xì)菌種類(lèi)最多. 均勻度反映群落中不同物種分布的均勻程度，數(shù)值越接近1表明其分布越均勻[47]. 該研究中12組樣品的均勻度差別不明顯，且均大于0.996，表明填料的細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)穩(wěn)定. 停止惡臭氣體通入后，第23天時(shí)微生物樣品中的豐度降至13，多樣性指數(shù)也明顯減小，為2.556，說(shuō)明生物濾池運(yùn)行過(guò)程中降解惡臭氣體的除臭微生物發(fā)揮了主要作用.

表1 成品肥填料中 DGGE 條帶豐度、多樣性指數(shù)和均勻度

2.3.3生物濾池填料細(xì)菌聚類(lèi)分析和主成分分析

為了比較3種填料的微生物群落相似性，對(duì)DGGE譜圖進(jìn)行UPGMA層次聚類(lèi)分析，結(jié)果如圖8所示. 按照相似程度劃分，所有樣品的細(xì)菌群落可以分為3組：① 7、9、11、13、15 d的細(xì)菌群落能較好地聚成一類(lèi)，記為A組，可代表惡臭氣體處理中期的細(xì)菌群落組成，其最大同源系數(shù)為71%. ② 1、3、5、17、19、21 d的細(xì)菌群落聚成一類(lèi)，記為B組，可代表前期和后期的細(xì)菌群落組成，最大同源系數(shù)為67%，說(shuō)明成品肥填料中細(xì)菌群落的相似性較高，即隨著惡臭氣體的通入，微生物群落的變化較小. ③23 d的細(xì)菌群落單獨(dú)聚成一類(lèi)，記為C組，代表末期細(xì)菌群落組成. 此外，1和17 d的細(xì)菌群落的最大同源系數(shù)為90%，遠(yuǎn)大于所有細(xì)菌群落的最大同源系數(shù)(53%)，說(shuō)明隨著惡臭氣體通入時(shí)間的變化，成品肥填料中細(xì)菌群落又重新穩(wěn)定，成品肥填料整體的生物穩(wěn)定性較好，適合作為生物濾池的填料.

圖8 細(xì)菌DGGE圖譜的聚類(lèi)分析結(jié)果Fig.8 Cluster analysis for DGGE profile of bacteria

注：樣品間距離代表其相似性，空間上相聚越近的變量，其正相關(guān)程度越高.圖9 細(xì)菌PCA分析結(jié)果Fig.9 PCA analysis diagram of bacteria

由圖9可見(jiàn)，主成分1和主成分2的樣品差異性累積貢獻(xiàn)率分別達(dá)54.50%和68.73%，是不同樣品間相似性差異的主要來(lái)源. 由于d23為惡臭氣體停止通入后的樣品，所以與其他樣品距離較遠(yuǎn)，說(shuō)明惡臭氣體停止通入后填料中微生物的組成存在顯著差異. d15與其他樣品的距離也較遠(yuǎn)，是因?yàn)閐15中細(xì)菌的豐度和多樣性指數(shù)均大于其他樣品(見(jiàn)表1)，填料的硝態(tài)氮含量等理化性質(zhì)在此時(shí)發(fā)生變化. d1和d19距離較近，說(shuō)明這兩個(gè)樣品在主成分上具有較大的相似性，二者分別是惡臭氣體通入開(kāi)始和通入結(jié)束時(shí)的樣品，這表明成品肥填料的細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定.

2.3.4生物濾池填料細(xì)菌優(yōu)勢(shì)群落分析

成品肥填料條帶的序列與NCBI數(shù)據(jù)庫(kù)的比對(duì)結(jié)果如表2所示. 由表2可見(jiàn)，條帶a、b、c、d、e、f、g、h、i、k、l、m、n、o、p、q、r、t的序列對(duì)比相似度均在97%以上. 細(xì)菌群落絲狀菌屬(Kineothrix)、芽孢桿菌屬(Bacillus)、魏斯氏屬(Weissella)、乳桿菌屬(Lactobacillus)、棒狀桿菌屬(Corynebacterium)、根瘤菌屬(Rhizobium)為優(yōu)勢(shì)菌群，在生物濾池運(yùn)行過(guò)程中一直存在. 絲狀菌屬(Kineothrix)耐酸、耐干燥、耐缺氧、比表面積大，且對(duì)氣態(tài)污染物有良好的吸附性能[48]，這些特點(diǎn)增強(qiáng)了填料中微生物對(duì)甲苯和硫化氫的吸附能力. 芽孢桿菌屬(Bacillus)在好氧或兼性厭氧條件下會(huì)降解硫化氫氣體，且在有氧條件下也可以利用氨氮、硝態(tài)氮和亞硝態(tài)氮，此外還能表現(xiàn)出有效的反硝化性能，是填料理化性質(zhì)變化的主要因素[49-50]. 乳桿菌屬(Lactobacillus)對(duì)去除氨氣和硫化氫也有較好的作用[51]. 棒狀桿菌屬(Corynebacterium)和根瘤菌屬(Rhizobium)分別對(duì)烴類(lèi)與含氧類(lèi)惡臭氣體有較好的去除作用[52-53]. j條帶對(duì)應(yīng)的紫硫菌屬(Allochromatium)是醌氧化還原酶的主要來(lái)源，主要作用是催化硫化物的氧化，在硫化氫、甲硫醇、硫酸鹽的轉(zhuǎn)化中起主要作用[54].

表2 條帶序列的測(cè)定結(jié)果

12個(gè)樣品中的細(xì)菌分屬于7個(gè)屬，結(jié)果如圖10所示. 在剛通入惡臭氣體第1天的填料中，絲狀菌屬(Kineothrix)、芽孢桿菌屬(Bacillus)、魏斯氏屬(Weissella)為優(yōu)勢(shì)菌屬，相對(duì)豐度分別為26.9%、16.1%、18.0%. 在20 d的惡臭氣體通入過(guò)程中，優(yōu)勢(shì)菌屬相對(duì)豐度變化較小，說(shuō)明成品肥填料中優(yōu)勢(shì)細(xì)菌群落穩(wěn)定. 惡臭氣體停止通入后，第21、23天樣品中再次出現(xiàn)紫硫菌屬(Allochromatium)和乳桿菌屬(Lactobacillus)，且第23天樣品中絲狀菌屬(Kineothrix)相對(duì)豐度降至15.8%，孢桿菌屬(Bacillus)、魏斯氏屬(Weissella)相對(duì)豐度分別增至20.9%、22.3%，與1～19 d樣品的細(xì)菌群落存在差別. 不同時(shí)間樣品間細(xì)菌優(yōu)勢(shì)菌屬的變化表明，惡臭氣體通入期間填料較穩(wěn)定，停止通入后細(xì)菌群落發(fā)生明顯變化，說(shuō)明生物濾池運(yùn)行過(guò)程中的優(yōu)勢(shì)物種與惡臭氣體的通入有關(guān)，這與已有研究結(jié)果[55]相符.

圖10 不同處理下屬水平上細(xì)菌群落組成Fig.10 Composition of bacteria community at genus level under different treatments

3 結(jié)論

a) 成品肥(S3)填料對(duì)惡臭氣體氨氣、硫化氫、甲苯、甲硫醇的去除率最高，二次發(fā)酵7 d(S1)與20 d(S2)填料對(duì)惡臭氣體的去除率較低. 相比于其他氣體，3種生物濾池填料對(duì)甲硫醇的去除率最高，對(duì)硫化氫的去除率最低.

b) S1、S2、S3填料中氨氮與硫酸鹽含量均呈先增后降的趨勢(shì)，硝態(tài)氮、亞硝態(tài)氮含量均呈上升趨勢(shì)，填料S3的理化性質(zhì)變化與微生物群落變化趨勢(shì)一致.

c) 成品肥填料經(jīng)惡臭氣體馴化后，以絲狀菌屬(Kineothrix)、芽孢桿菌屬(Bacillus)、魏斯氏屬(Weissella)為優(yōu)勢(shì)菌屬. S3中微生物種群穩(wěn)定，已形成馴化后的穩(wěn)定生物群落，且其優(yōu)勢(shì)物種具有去除惡臭氣體的功能.

d) S1、S2、S3作為生物濾池填料時(shí)的惡臭氣體去除率、理化性質(zhì)、微生物群落變化評(píng)估結(jié)果顯示，S3對(duì)惡臭氣體的處理效果最好、理化性質(zhì)穩(wěn)定，并含有除臭功能微生物，可優(yōu)選為生活垃圾堆肥處理過(guò)程中的除臭生物濾池填料.