加堿對(duì)豬場(chǎng)廢水厭氧消化液好氧處理過程酸化改進(jìn)作用及其對(duì)菌群結(jié)構(gòu)的影響

王 伸， 鄧良偉， 姜奕圻， 王 霜， 徐 則 ， 鄭 丹

( 1．農(nóng)業(yè)部沼氣科學(xué)研究所， 成都 610041; 2．農(nóng)業(yè)部農(nóng)村可再生能源開發(fā)利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 成都 610041)

加堿對(duì)豬場(chǎng)廢水厭氧消化液好氧處理過程酸化改進(jìn)作用及其對(duì)菌群結(jié)構(gòu)的影響

王 伸1,2， 鄧良偉1,2， 姜奕圻1,2， 王 霜1,2， 徐 則1,2， 鄭 丹1,2

( 1．農(nóng)業(yè)部沼氣科學(xué)研究所， 成都 610041; 2．農(nóng)業(yè)部農(nóng)村可再生能源開發(fā)利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 成都 610041)

豬場(chǎng)廢水厭氧消化液； SBR； 短程硝化； pH值； 加堿

筆者對(duì)加堿改進(jìn)豬場(chǎng)廢水厭氧消化好氧處理效果進(jìn)行了長(zhǎng)期、比較系統(tǒng)的研究，并對(duì)加堿處理后的微生物群落進(jìn)行分析。希望能為厭氧消化液好氧后處理工程應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 污泥和污水

試驗(yàn)所用接種污泥來源于實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)的好氧污泥(具有硝化、反硝化活性)。試驗(yàn)進(jìn)水為四川邛崍某豬場(chǎng)廢水處理沼氣工程厭氧反應(yīng)器出水(厭氧消化液)。

1.2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)采用SBR工藝，實(shí)驗(yàn)裝置為內(nèi)徑為12 cm，外徑為18 cm，高度100 cm的有機(jī)玻璃圓柱體，總?cè)莘e11.3 L，反應(yīng)容積為9.5 L。反應(yīng)器外設(shè)夾套以及加熱循環(huán)水進(jìn)出口各一個(gè)，通過循環(huán)電子恒溫水浴鍋(型號(hào)HH-W21，北京中興偉業(yè)儀器有限公司)內(nèi)熱水以實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的控制。在反應(yīng)器底部布置定制的直徑為9cm的曝氣盤，曝氣盤連接空氣壓縮機(jī)(型號(hào)ACO-002，天津森森集團(tuán)股份有限公司)進(jìn)行曝氣。底部曝氣盤上設(shè)微型潛水泵(型號(hào)At-104，香港創(chuàng)星制品有限公司)作為攪拌裝置。采用蠕動(dòng)泵(型號(hào)WT600-2J，保定蘭格集團(tuán))進(jìn)行進(jìn)出料。

1.3 試驗(yàn)方法

處理系統(tǒng)酸化預(yù)實(shí)驗(yàn)：在1個(gè)50 L桶里面加入生活污水處理廠曝氣池污泥，進(jìn)水為豬場(chǎng)廢水厭氧消化液，只進(jìn)水不出水，充分曝氣培養(yǎng)，5 d后桶里面混合pH值降至6.0以下，視為酸化。

1.4 檢測(cè)項(xiàng)目及分析方法

1.5 微生物高通量測(cè)序分析

從反應(yīng)開始時(shí)的接種污泥、穩(wěn)定運(yùn)行203 d時(shí)反應(yīng)器混合液取樣。對(duì)所取樣品采用CTAB方法進(jìn)行基因組DNA提取，隨后利用瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè)其DNA的濃度和純度。使用聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(PCR)技術(shù)擴(kuò)增細(xì)菌的16SrRNA基因。以16S rRNA V3～V4 區(qū)內(nèi)338F (5′-ACTCCT ACGGGAGGCAGCA-3′)和806R (5′-GGACTAC HVGGGTWTCTAA T-3′)為特征引物。PCR 反應(yīng)體系和程序(30μL)為： Phusion Master Mix(2×) 15 μL ；Primer(2μM) 3 μL(6μM) gDNA(1 ng·μL-1) 10 μL(5～10 ng) H2O 2 μL ；98℃預(yù)變性1 min；30 個(gè)循環(huán)包括(98 ℃，10 sec；50 ℃，30 sec；72 ℃，30 sec)；72℃，超純水滅菌5 min；用2%濃度的瓊脂糖凝膠進(jìn)行電泳檢測(cè)PCR的產(chǎn)物；使用Thermo Scientific公司的GeneJET膠作為回收試劑盒對(duì)PCR擴(kuò)增產(chǎn)物進(jìn)行回收。委托北京諾禾致源生物信息科技有限公司基于Illumina Hiseq 2500平臺(tái)對(duì)PCR 擴(kuò)增產(chǎn)物的高通量測(cè)序，在多樣性評(píng)估的基礎(chǔ)上，采用Qiime 軟件進(jìn)行微生物分類學(xué)分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 反應(yīng)器中混合液pH值變化

從圖1中可以看出，反應(yīng)開始時(shí)，兩個(gè)反應(yīng)器的混合液都處于酸化狀態(tài)，pH值為5.7左右。其后， AA組加入堿以后pH值就在6.5以上，反應(yīng)裝置不再酸化，其pH值隨加堿的變化而變化；而未加入堿的CG組，在前期出現(xiàn)波動(dòng)，出現(xiàn)pH值上升現(xiàn)象，從第84天以后開始到試驗(yàn)結(jié)束第203天，pH值逐漸下降，直至穩(wěn)定在5.7左右。AA組出水pH值平均值為7.9，說明改進(jìn)策略能明顯抑制酸化。AA組改進(jìn)原因是因?yàn)橥饧拥膲A能中和硝化過程中產(chǎn)生的酸，使其pH值能維持在6.5以上。

圖1 不同反應(yīng)器曝氣結(jié)束時(shí)混合液pH值

2.2 SBR對(duì)COD的去除

圖2 不同反應(yīng)器對(duì)豬場(chǎng)廢水厭氧消化液COD的去除

2.3 氮去除

2.3.1 氨氮去除

圖3 不同反應(yīng)器對(duì)豬場(chǎng)廢水厭氧消化液的去除

2.3.2 氨氮轉(zhuǎn)化物

圖4 不同反應(yīng)器中濃度變化情況

圖5 不同反應(yīng)器中濃度變化情況

圖6 不同反應(yīng)器中濃度變化情況

圖7 進(jìn)水和129～201天期間CG和AA組出水中和濃度變化

圖8 不同反應(yīng)器對(duì)豬場(chǎng)廢水厭氧消化液的去除

2.4 總磷去除

圖9顯示了SBR對(duì)豬場(chǎng)廢水厭氧消化液TP去除效果。從圖6可知，在試驗(yàn)前期(第19周前)，進(jìn)水(厭氧消化液)TP濃度為45.2 mg·L-1，CG和AA組出水TP濃度分別為58.2 mg·L-1，48.9 mg·L-1和23.8 mg·L-1，對(duì)應(yīng)去除率分別為-36.1%和-19.6%。在穩(wěn)定期(第19～28周)，進(jìn)水(厭氧消化液)TP濃度為37.9 mg·L-1，CG和AA組出水TP濃度分別為43.6 mg·L-1和38.3 mg·L-1，對(duì)應(yīng)去除率分別為-19.4%和-7.48%。通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，穩(wěn)定期間酸化改進(jìn)AA組，可以提高11.9%的TP去除率。出現(xiàn)AA組對(duì)TP去除率為負(fù)數(shù)的原因是在反應(yīng)器中前期積累的大量的TP而沒有排除，造成后期出水濃度比進(jìn)水濃度高。傳統(tǒng)的生物除磷理論[26～27]認(rèn)為，生物除磷主要通過聚磷菌(Poly-P Accumulating Organisms, PAOs)在好氧條件下過量的吸磷，在厭氧條件下，水解細(xì)胞原生質(zhì)中聚合磷酸鹽(poly-P)從而釋放磷；通過排除富含磷的污泥，以此達(dá)到除磷的目的。因?yàn)槿コ齌P是通過排除富含微生物的剩余污泥[28]，而運(yùn)行203 d期間沒有排富含磷的污泥，導(dǎo)致污泥老化，也是磷去除效果差的又一原因。因此，在試驗(yàn)運(yùn)行期間沒有進(jìn)行排泥和污泥老化解體是筆者試驗(yàn)除磷效果差的根本原因。

圖9 不同反應(yīng)器對(duì)豬場(chǎng)廢水厭氧消化液TP的去除

2.5 微生物菌群結(jié)構(gòu)的變化

利用Hiseq高通量測(cè)序平臺(tái)對(duì)對(duì)照組和改進(jìn)組污泥中微生物多樣性進(jìn)行了分析。高達(dá)99.9%以上的覆蓋率表明，測(cè)序結(jié)果能真實(shí)反映樣品中的菌群分布情況。CG組和AA組得到相同的56676和57563條有效序列，平均長(zhǎng)度為分別為420和420 bp，在99%的相似水平上可聚類產(chǎn)生1262和1286個(gè)OTU。不同污泥樣品的具體細(xì)菌群落多樣性指數(shù)如表2所示。由ACE， Chao， Simpson和Shannon指數(shù)分析可知，加堿的AA組中污泥細(xì)菌群落的豐富度和多樣性高于未加堿的CG組，同時(shí)也增加了細(xì)菌群落的均一性。對(duì)測(cè)序樣品得到的序列進(jìn)行比對(duì)分析，兩組樣品在生物分類學(xué)門的水平上進(jìn)行分類。由表1可知變形菌門 (Proteobacteria)和擬桿菌門(Bacteroidetes)是兩個(gè)反應(yīng)器共有的優(yōu)勢(shì)菌門，CG組相對(duì)豐度為27.4%和26.2%，AA組相對(duì)豐度為35.2%和31.2%。與未加堿CG組相比，加堿的AA組使變形菌門 (Proteobacteria)和擬桿菌門(Bacteroidetes)的相對(duì)豐度有所增加，而Acidobacteria(酸桿菌門)的相對(duì)豐度急劇減小，從相對(duì)豐度28.9%減少到4.78%。

表1 樣本微生物多樣性指數(shù)

注：表中Chao和ACE指數(shù)常用來表征菌群的豐富度，數(shù)值越大，表示樣品中群落結(jié)構(gòu)越豐富。Shannon和Simpson指數(shù)常用來估算樣本中微生物的多樣性，Shannon值越大，其說明群落多樣性越高；而Simpson指數(shù)值越大，說明群落多樣性越低，均一性相對(duì)越差。

表2是CG和AA組污泥中由相對(duì)豐度所有大于1%的屬組成，共有22個(gè)屬。在CG組中，主要是好氧異養(yǎng)微生物，如Blastocatella[29],Saprospiraceae和Chitinophagacea[30-31]。其中也包含一些自養(yǎng)細(xì)菌如硝化細(xì)菌 (Nitrospira; NOB) 和Nitrosomonas(ammonium-oxidizing bacteria, AOB)[31], 也包括一些異養(yǎng)脫氮菌如Thermomona[30]和自養(yǎng)脫氮菌 (Limnobacter)[32]。 在AA組污泥中，主要不同于CG組的微生物為具有聚磷作用PHOS-HE51(17.34%)和PHOS-HE36(1.78%)[33]和好氧異養(yǎng)型的OPB35_soil_group_norank[34]和OM1clades[35]。 與CG組微生物相對(duì)豐度相比， AA組中的主要功能Nitrosomonas(AOB)的相對(duì)豐度從 0.65% 增加到5.75%, 而Nitrospira(NOB) 從 1.27% 下降到 0.01%。氨氧化細(xì)菌的富集和亞硝酸鹽細(xì)菌的下降能很好解釋在AA組出現(xiàn)亞硝酸鹽的積累。

表2 對(duì)照組和IS組污泥中相對(duì)豐度>1%的屬 (%)

注：每組加粗為反應(yīng)器前三主要菌屬

3 結(jié)論

(2)不同于對(duì)照(CG)組，加堿(AA)組形成了亞硝酸積累，亞硝酸鹽積累率(NAR)為88.8%。

(3)加堿(AA)組的氨氧化細(xì)菌(Nitrosomonas)豐度(AOB)上升，亞硝酸氧化菌(NOB)豐度下降，有利于實(shí)現(xiàn)短程硝化。

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AlleviatingAcidificationofAerobicPost-treatmentofDigestedPiggeryWastewaterbyAddingAlkaliandItsInfluenceonMicrobialCommunity

WANGShen1,2，DENGLiang-wei1,2，JIANGYi-qi1,2，WANGShuang1,2，XUZe1,2，ZHENGDan1,2

( 1．BiogasInstituteofMinistryofAgriculture，Chengdu610041，China; 2.LaboratoryofDevelopmentandApplicationofRuralRenewableEnergy，MinistryofAgriculture，Chengdu610041，China)

Digested effluent； SBR； shortcut nitrification； pH； Adding alkali

2017-10-09

項(xiàng)目來源： 國(guó)家生豬技術(shù)產(chǎn)業(yè)體系(CARS-36-10B)； 國(guó)家自然科學(xué)基金(31572450)

王 伸(1990-)，男，安徽亳州人，在讀碩士，主要研究方向?yàn)檗r(nóng)村廢棄物處理技術(shù)，E-mail：ws55185366@163.com

鄧良偉，E-mail：dengliangwei@caas.cn

S216.4; X703

A

1000-1166(2017)06-0003-07