宋志偉,　寧婷婷

(黑龍江科技學(xué)院 資源與環(huán)境工程學(xué)院, 哈爾濱 150027)

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生物絮凝劑對(duì)好氧污泥顆粒化性能及其種群結(jié)構(gòu)的影響

宋志偉,寧婷婷

(黑龍江科技學(xué)院 資源與環(huán)境工程學(xué)院, 哈爾濱 150027)

為了加速好氧污泥的顆?；M(jìn)程，在好氧顆粒污泥培養(yǎng)的過程中投加生物絮凝劑，研究其對(duì)顆粒污泥理化性能的影響。利用分子生物學(xué)手段分析顆粒污泥的種群結(jié)構(gòu)，探討生物絮凝劑促進(jìn)污泥顆?；淖饔脵C(jī)理。結(jié)果表明，生物絮凝劑的投加使污泥顆?；臅r(shí)間由56 d縮短為28 d，形成的顆粒具有良好的疏水性能和沉降性能。DGGE分析顯示顆粒污泥的群落多樣性十分豐富，總共測(cè)序的28個(gè)OTUs中，存在較多的是Actinobacteria和Proteobacteria的α和γ亞群，大約占OTUs總數(shù)的64.3%。而且投加的能分泌胞外多糖黏液的菌種Devosiahwasunensisstrain HST2-16T、Tetrasphaeraelongate在顆粒形成和維持其穩(wěn)定性方面起到了重要的作用。

好氧顆粒污泥; 生物絮凝劑; SBAR; 種群結(jié)構(gòu)

0　引　言

在活性污泥處理系統(tǒng)中,人們觀察到了活性污泥的自凝聚現(xiàn)象,進(jìn)而發(fā)現(xiàn)了絮凝細(xì)菌的存在,這對(duì)于微生物的固定化具有重要意義[1]。無論是好氧還是厭氧懸浮生長(zhǎng)式生物反應(yīng)器,絮凝細(xì)菌的存在都是必不可少的,但僅僅依靠系統(tǒng)內(nèi)自身的絮凝細(xì)菌形成生物絮體,其啟動(dòng)周期很長(zhǎng)。如在UASB反應(yīng)器中,厭氧顆粒的形成約需2～8個(gè)月的時(shí)間[2],好氧顆粒污泥的培養(yǎng)需1.5～3個(gè)月的時(shí)間[3-10],極大地限制了顆粒污泥的應(yīng)用。為此,有學(xué)者開始探討采用一些方法促進(jìn)生物絮體的快速形成。

近年來,促進(jìn)懸浮生長(zhǎng)式生物反應(yīng)器生物固定增強(qiáng)技術(shù)的研究已獲得許多成功的經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)[11-20],證實(shí)投加無機(jī)絮凝劑、合成的高分子絮凝劑、陽離子或絮凝細(xì)菌是一種促進(jìn)微生物固定的行之有效的方法。絮凝菌是菌膠團(tuán)的組成部分,甚至可以說是主要成分。這些細(xì)菌分泌的膠狀物直接將各類細(xì)菌膠合在一起形成菌膠團(tuán),與其他的顆粒污泥增強(qiáng)技術(shù)相比,絮凝細(xì)菌具有安全無毒、無二次污染、易生物降解、絮凝效率高等優(yōu)點(diǎn),因而受到學(xué)者們的關(guān)注。與此同時(shí),有關(guān)絮凝細(xì)菌對(duì)好氧污泥顆粒化影響的研究報(bào)道卻鮮見[21]。

筆者探討在SBAR反應(yīng)器中連續(xù)投加生物絮凝劑對(duì)好氧污泥顆粒化進(jìn)程的影響,試圖通過對(duì)比實(shí)驗(yàn),考察在污泥顆?；^程中生物絮凝劑對(duì)顆粒污泥的理化特性的影響,利用分子生物學(xué)手段分析其種群結(jié)構(gòu),探討生物絮凝劑促進(jìn)污泥顆粒化的作用機(jī)理,以期為加速好氧污泥顆?；於ɡ碚摶A(chǔ)。

1　實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1實(shí)驗(yàn)裝置及運(yùn)行

實(shí)驗(yàn)采用自制氣升式內(nèi)循環(huán)序批反應(yīng)器,如圖1所示。反應(yīng)器為有機(jī)玻璃圓柱體(V=5.0 L),由內(nèi)外兩層套管組成,內(nèi)外套管的高徑比大于15,混合液在內(nèi)外套管之間形成升流式內(nèi)循環(huán),出水口距底部50 cm,曝氣頭設(shè)在反應(yīng)器底部,由氣體轉(zhuǎn)子流量計(jì)控制曝氣量,反應(yīng)器運(yùn)行由PLC實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制;反應(yīng)器采用水浴控溫,溫度由溫控器控制。

實(shí)驗(yàn)運(yùn)行條件為:進(jìn)水10 min,曝氣320～330 min,沉淀5～15 min,排水最初為15 min,兩周后逐漸減少為5 min;有機(jī)負(fù)荷為3.0 kg/(m3·d),表面氣流速度4.0 cm/s,運(yùn)行溫度30 ℃;運(yùn)行時(shí)間60 d。

圖1　SBAR反應(yīng)器結(jié)構(gòu)Fig. 1　Reactcr structure of SBAR

1.2實(shí)驗(yàn)材料

水樣采用模擬城市生活污水,組成見表1。

自制生物絮凝劑主要以變形菌為主,相對(duì)分子量4.79×105,多糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)85.82%。

接種污泥取自哈爾濱市文昌污水處理廠二沉池的活性污泥,其中接種污泥的MLSS為4 500 mg/L,SVI為106.12 mL/g,Zeta電位為-18.376 mV,污泥呈絮狀灰褐色。

表1模擬城市生活污水組成

Table 1Constitutes of synthetic domestic wastewater

注:微量元素組成,mg/L:H3BO4150,ZnSO4·7H2O 120,MnCl2·7H2O 120,CuSO4·5H2O 30,NaMoO465, NiCl250,CoCl2·6H2O 210,KI 30。

1.3好氧顆粒污泥的培養(yǎng)

實(shí)驗(yàn)采用2個(gè)相同規(guī)格并聯(lián)運(yùn)行的SBAR,進(jìn)水采用模擬水樣,污泥接種量約為3 L,在運(yùn)行中向一個(gè)反應(yīng)器(R1)中定期投加生物絮凝劑,運(yùn)行開始加入接種污泥的同時(shí)加入10 mL/L的生物絮凝劑,第2 d、第3 d每天投加3 mL/L,從第4 d開始每隔2 d投加一次3 mL/L復(fù)合生物絮凝劑,持續(xù)到63 d;不加生物絮凝劑的反應(yīng)器(R2)做空白對(duì)比實(shí)驗(yàn)。

1.4分析項(xiàng)目及方法

(1)COD、NH3-N、TP、MLSS、SV和SVI采用標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)定[22]。

(2)顆粒污泥的形態(tài)利用Leica DM1000電子顯微鏡;顆粒污泥的粒徑分布利用濕法篩分法[23]。

(3)顆粒污泥的微觀結(jié)構(gòu)采用英國(guó)Camscan公司的MX2600FE掃描電子顯微鏡觀察。具體方法如下:將好氧顆粒污泥放入2.5%戊二醛中固定30 min;然后用磷酸緩沖溶液清洗固定好的好氧顆粒污泥,清洗3次,每次10 min,再依次放入50%、70%、80%、90%、95%和100%乙醇溶液中進(jìn)行脫水10 min;之后用叔丁醇干燥法進(jìn)行清洗，也是3次,每次10 min;最后將好氧顆粒污泥冷凍后抽真空使叔丁醇升華。用導(dǎo)電膠將好氧顆粒污泥樣品固定在樣品臺(tái)上,用離子濺射儀濺射,鍍上一層金屬膜,即可進(jìn)行掃描電鏡觀察[24]。

(4)顆粒污泥的菌群特征采用變性梯度凝膠電泳法(denaturing gradient gel electrophoresis,DGGE)分析[25]。

2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1顆粒的形態(tài)和性能

在好氧顆粒污泥的培養(yǎng)過程中,定期取樣測(cè)SVI、υ,MLSS、MLVSS和Zeta電位ξ,結(jié)果見表2。

表2好氧顆粒污泥性能

Table 2Properties of granules

利用電子顯微鏡對(duì)污泥培養(yǎng)過程顆粒的形態(tài)進(jìn)行觀察,結(jié)果見圖2。由圖2a、b可見,運(yùn)行7 d時(shí),R1中已明顯可見一些較規(guī)則的顆粒狀物質(zhì)出現(xiàn),R2變化較小,仍以大量的絮狀污泥為主,兩反應(yīng)器中的污泥沉降性能均有一定的改善,反應(yīng)器污泥顏色變?yōu)樯铧S色。到第21 d時(shí)，兩反應(yīng)器中均出現(xiàn)了較多形狀相對(duì)規(guī)則的顆粒,R1中的顆粒呈深黃色半透明狀,顆粒相對(duì)較大,SVI達(dá)到了35.20 mL/g,沉降速度為30.85 m/h;由圖2c可見,此時(shí)的顆粒表面包裹有一定厚度的凝膠狀物質(zhì),這表明生物絮凝劑促進(jìn)了胞外聚合物的分泌;到第28 d時(shí),R1中出現(xiàn)了大量淺黃色的表面光滑、結(jié)構(gòu)致密、平均粒徑為0.8 mm、沉降性能良好的顆粒,這標(biāo)志著顆粒污泥的成熟;到第56 d時(shí),R2中顆粒的沉降性能才趨于穩(wěn)定,SVI在27～30 mL/g,沉降速度達(dá)到了27.98 m/h,顆粒平均粒徑為0.69 mm。

圖2　不同階段好氧顆粒污泥的形態(tài)變化Fig. 2　Morphology of granules at different phases

由表2可以看出,在顆粒污泥的培養(yǎng)過程中, R1中顆粒的MLVSS/MLSS在第21 d就超過了80%,并最終達(dá)到93.7%,其有機(jī)物的含量要明顯高于R2中的顆粒污泥;R1中顆粒的Zeta電位在第28 d迅速下降到-5.519 mV,隨后呈緩慢下降的趨勢(shì),R2中的顆粒Zeta電位始終呈緩慢下降的趨勢(shì),第56 d穩(wěn)定在-4.0 mV左右,這說明生物絮凝劑的投加促進(jìn)了胞外多糖聚合物的生成,改善了顆粒的疏水性能。

顆粒的性能變化說明投加生物絮凝劑在顆粒污泥的形成過程中促進(jìn)了顆粒的自凝聚,使顆粒污泥的培養(yǎng)時(shí)間由56 d縮短為28 d。

2.2顆粒污泥的微觀結(jié)構(gòu)

在運(yùn)行的末期從兩個(gè)反映器中分別取成熟的好氧顆粒,經(jīng)預(yù)處理后,在掃描電鏡下觀察其微觀結(jié)構(gòu),結(jié)果如圖3所示。

圖3b顯示,在未投加生物絮凝劑的R2中,顆粒污泥有明顯的絲狀骨架,呈絲狀交織纏繞形成的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),短桿狀和部分球狀菌團(tuán)被吸附和包裹在其上生長(zhǎng),內(nèi)部有大小不一的孔隙;圖3a可見,投加生物絮凝劑的R1中的顆粒污泥結(jié)構(gòu)明顯不同,菌體由黏稠狀的物質(zhì)緊密的連接在一起,呈葡萄狀,形成的框架比較粗大,看不到絲狀結(jié)構(gòu),內(nèi)部存在有不規(guī)則的相對(duì)較大的孔洞,這說明生物絮凝劑在顆粒的形成過程促進(jìn)了胞外聚合物的產(chǎn)生,加速了顆粒化的進(jìn)程。

圖3　好氧顆粒污泥的掃描電鏡照片F(xiàn)ig. 3　SEM photographs of aerobic granules

2.3顆粒污泥種群結(jié)構(gòu)的變化

分別取生物絮凝劑樣品和R1運(yùn)行過程第0、7、14、21、28、35、42、49、56 d的污泥樣品進(jìn)行DGGE分析,圖譜如圖4所示。圖中x為生物絮凝劑。

圖4　投加生物絮凝劑的好氧顆粒污泥的DGGE圖譜

Fig. 4DGGE profile of aerobic granule sludge samples added by bio-flocculant

圖譜顯示微生物群落多樣性十分豐富,優(yōu)勢(shì)種屬為28個(gè)OTUs。群落結(jié)構(gòu)的變化可分為三個(gè)階段:第一階段是在0～7 d時(shí),群落演替十分激烈,7 d時(shí)的微生物群落結(jié)構(gòu)與接種污泥差異很大;第二階段為7～21 d,群落的變化主要體現(xiàn)在其中某些微生物的數(shù)量變化上;第三階段從28 d起,微生物群落結(jié)構(gòu)已經(jīng)趨于穩(wěn)定,群落變化較小。

圖4中還可以看出,生物絮凝劑的加入對(duì)好氧顆粒污泥的微生物群落產(chǎn)生了較大的影響,生物絮凝劑中的某種微生物(Band 10)在第7 d起就在反應(yīng)器微生物群落中占較大數(shù)量,并在穩(wěn)定時(shí)成為數(shù)量最多的微生物。另外一種(Band 18)在第14 d和21 d數(shù)量很大,而后逐漸減少。而Band 9和Band 20的影響較小,一直沒有達(dá)到較多的數(shù)量。

反應(yīng)器中的微生物數(shù)量變化,主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:有的微生物種群逐漸減少,如Band 1、2、7、12、19、27等;一些微生物種群產(chǎn)生或逐漸增加,如Band 4、5、6、11、15、22、23、28等;還有的微生物種群在啟動(dòng)過程中一直存在且在不同時(shí)期的數(shù)量變化不大。如Band 8、10、13,這些微生物受環(huán)境變化影響較小,成為穩(wěn)定時(shí)期微生物群落的組成部分。

膠圖上條帶的測(cè)序結(jié)果經(jīng)Vecscreen去除載體后,至Genbank 的Blastn 數(shù)據(jù)庫進(jìn)行序列比對(duì),比對(duì)結(jié)果見表3。大多數(shù)條帶的比對(duì)結(jié)果與數(shù)據(jù)庫中序列的相似度超過94%,可以確定這些條帶代表的微生物與數(shù)據(jù)庫中最相近的微生物屬于同一個(gè)屬。

從比對(duì)結(jié)果上看,總共測(cè)序的28個(gè)OTUs中,8個(gè)屬于Actinobacteria(放線菌),7個(gè)屬于α-Proteobacterium(變形菌綱α亞綱),4個(gè)屬于γ-Proteobacterium(變形菌綱γ亞綱),3個(gè)屬于Clostridiales(梭菌),Acidobacteria(酸桿菌)和Lactobacillales(乳桿菌)各有2個(gè)OTUs,還有2個(gè)OTUs無法確定其分類地位。群落中存在較多的Actinobacteria(放線菌)和Proteobacteria(變形菌)的α和γ亞群,大約占總OTUs總數(shù)的64.3%。這些微生物在群落結(jié)構(gòu)中占據(jù)優(yōu)勢(shì)地位,有利于保持穩(wěn)定的微生物群落結(jié)構(gòu),同時(shí)促進(jìn)好氧顆粒污泥的形成。

測(cè)序結(jié)果表明,投加的生物絮凝劑主要有四種:Pseudomonas(假單胞菌)sp. AZ22R2(Band 9,γ-Proteobacterium(變形菌綱γ亞綱)),Devosiahwasunensisstrain HST2-16T(Band 10,α-Proteobacterium(變形菌綱α亞綱)),Tetrasphaeraelongate(Band 18, Actinobacteria(放線菌))和Pseudomonas(假單胞菌)sp. TM2_7(Band 20,γ-Proteobacterium(變形菌綱γ亞綱)),其多糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)均超過80%。其中的Devosiahwasunensisstrain HST2-16T(Band 10,α-Proteobacterium(變形菌綱α亞綱))在好氧顆粒污泥微生物群落中一直數(shù)量最多,這種產(chǎn)絮微生物在反應(yīng)器運(yùn)行過程中會(huì)分泌凝膠狀黏液物質(zhì)促進(jìn)好氧顆粒污泥的形成。

當(dāng)微生物群落結(jié)構(gòu)達(dá)到穩(wěn)定時(shí),群落中的微生物種類較多,其中大多數(shù)以較少數(shù)量存在。除了數(shù)量最大的Devosiahwasunensisstrain HST2-16T(Band 10,α-Proteobacterium(變形菌綱α亞綱))以外,UnculturedRhodobacter(紅細(xì)菌)sp. clone SH2B-1C(Band 11,α-Proteobacterium(變形菌綱α亞綱)),Uncultured High G+C Gram-positive bacterium lpha7(Band 22, Actinobacteria(放線菌))和Uncultured Cellulomonadaceae(纖維單胞菌)bacterium clone HT06Ba18(Band 24, Actinobacteria(放線菌))數(shù)量相對(duì)較多。

表3　DGGE條帶的測(cè)序比對(duì)結(jié)果Table 3　Partial 16S rDNA sequence similarity of DGGE bands

3　結(jié)　論

(1)在顆粒污泥的培養(yǎng)過程中投加生物絮凝劑是加速好氧污泥顆粒化進(jìn)程的有效手段,它使顆粒的成熟時(shí)間由56 d縮短為28 d,而且形成的顆粒具有良好的沉降性能、有機(jī)物含量高,疏水性能好。

(2)16S rDNA測(cè)序比對(duì)結(jié)果表明,顆粒污泥的群落多樣性十分豐富,總共測(cè)序的28個(gè)OTUs中,8個(gè)屬于Actinobacteria(放線菌),7個(gè)屬于α-Proteobacterium(變形菌綱α亞綱),4個(gè)屬于γ-Proteobacterium(變形菌綱γ亞綱),3個(gè)屬Clostridiales(梭菌),Acidobacteria(酸桿菌)和Lactobacillales(乳桿菌)各有2個(gè)OTUs,還有2個(gè)OTUs無法確定其分類地位。群落中存在較多的Actinobacteria(放線菌)和Proteobacteria(變形菌)的α和γ亞群,約占總OTUs總數(shù)的64.3%。

(3)通過生物相觀察和分子生物學(xué)手段分析推斷放線菌形成了顆粒污泥的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),桿狀的變形菌和其他少量球狀細(xì)菌附著其上,其中Devosiahwasunensisstrain HST2-16T(Band 10,變形菌α亞綱)、Tetrasphaeraelongate(Band 18, Actinobacteria(放線菌))都具有較強(qiáng)的分泌胞外多糖黏液的功能,它們?cè)陬w粒的形成和維持顆粒穩(wěn)定方面起到重要作用。

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(編輯徐巖)

Influence of bioflocculant on properties and microbial community structure of aerobic granular sludge

SONGZhiwei,NINGTingting

(College of Resources & Environmental Engineering, Heilongjiang Institute of Science & Technology, Harbin 150027, China)

Aimed at promoting the effect of bioflocculants-producing bacteria(BPA) on the formation of aerobic granular sludge, this paper presents an effort to dose bioflocculants in the process of aerobic granular sludge culture and describes a study on its impact on physical and chemical properties of granular sludge, an analysis of the population structure of granular sludge using molecular techniques, and an investigation into the mechanism in which bioflocculants promote sludge granulation. The results show that the addition of bioflocculants contributes to shortening granulation time from 56 d to 28 d and producing particles with better hydrophobic properties and sedimentation properties. Analyses based on denaturing gradient gel electrophoresis(DGGE) show that the microbial community of granular sludge boasts a great diversity marked a total of 28 sequenced OTUs which are dominated by a greater number of theαandγsubgroups of Actinobacteria and the Proteobacteria, representing approximately 64.3% of the total number of OTUs. The added bacterial species,Devosiahwasunensisstrain HST2-16T, andTetrasphaeraelongate, capable of secreting extracellular polysaccharide mucus, have played an important role in particle formation and its stability maintenance.

aerobic granular sludge; bioflocculant-producing bacteria; microbial community structure; bioaugmentation

1671-0118(2012)03-0241-06

2012-04-30

黑龍江省普通高等學(xué)校青年學(xué)術(shù)骨干支持計(jì)劃項(xiàng)目(1155G4P)

宋志偉(1968-)，女，黑龍江省訥河人，教授，博士，研究方向：污水治理技術(shù)及工藝，E-mail:szwcyp@tom.com。

X703.1

A