- 相關(guān)推薦
堿度對(duì)硫酸鹽還原效率及微生物群落動(dòng)態(tài)的影響
引言
高濃度有機(jī)廢水的處理多采用厭氧技術(shù)，但是當(dāng)廢水中含有高濃度硫酸鹽時(shí)，會(huì)給廢水處理帶來很大困難，即由于硫酸鹽還原過程的介入，使厭氧降解過程出現(xiàn)了產(chǎn)甲烷菌(MPB)與硫酸鹽還原菌(SRB)之間對(duì)底物的競(jìng)爭(zhēng)以及硫酸鹽還原產(chǎn)物對(duì)MPB 和SRB 毒性抑制等問題[1]�；诖耍瑧�(yīng)用兩相厭氧工藝中的產(chǎn)酸相對(duì)硫酸鹽進(jìn)行預(yù)去除的策略得到廣泛認(rèn)同。
碳硫比、硫氮比、硫酸鹽負(fù)荷、水力停留時(shí)間和碳源種類等環(huán)境因子都能夠影響產(chǎn)酸硫酸鹽還原效率，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)這些生態(tài)因子在硫酸鹽還原過程中的作用也進(jìn)行了較為深入的探討[2,3]。然而，堿度作為直接影響系統(tǒng)pH，從而保持系統(tǒng)穩(wěn)定性的關(guān)鍵環(huán)境生態(tài)因子，卻很少有研究報(bào)道。在硫酸鹽還原過程中，堿度可以及時(shí)緩沖產(chǎn)酸菌產(chǎn)生的揮發(fā)酸(VFA)，并降低CO2 的產(chǎn)生和溶解對(duì)pH 值的影響，維持體系所需pH 值。硫酸鹽還原體系中與酸堿平衡有關(guān)的共軛酸堿對(duì)主要有：H2CO3/HCO3-，HCO3-/CO32-，H2S/HS-，HS-/S2-，HAc/Ac-等。隨著反應(yīng)體系pH 值的不同，這些共軛酸堿對(duì)在各種形態(tài)間的分布也會(huì)發(fā)生變化[4]。
本研究應(yīng)用厭氧折流板反應(yīng)器(ABR)，探討調(diào)節(jié)進(jìn)水堿度過程中，硫酸鹽還原效率的變化情況，同時(shí)應(yīng)用分子生物學(xué)方法解析微生物群落對(duì)堿度變化的響應(yīng)，研究結(jié)果可為SRB生態(tài)學(xué)理論提供有益補(bǔ)充，也可為硫酸鹽廢水處理工藝的改進(jìn)和革新提供參考。
1 材料與方法
1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)
試驗(yàn)采用厭氧折流板反應(yīng)器，裝置分為五個(gè)格室，總體積24 L，有效容積21 L。模擬廢水成分中COD 為4000 mg/L(乳酸和/或乙酸)，SO42-為2000 mg/L，另加少量(NH4)2HPO4以補(bǔ)充氮磷，pH 7.0~7.5，水力停留時(shí)間(HRT) 24 h，運(yùn)行溫度35±1℃。根據(jù)進(jìn)水堿度不同，試驗(yàn)分為五個(gè)階段，第一階段為反應(yīng)器啟動(dòng)階段，不調(diào)節(jié)進(jìn)水堿度，進(jìn)水堿度約為500 mg/L，歷時(shí)46 d；第二階段進(jìn)水堿度通過投加NaHCO3 調(diào)節(jié)至1000 mg/L 左右，歷時(shí)32 d；第三個(gè)階段為從第79 d 至124 d，將進(jìn)水堿度提升到2000 mg/L；第四階段是從第125 d 至135 d，又將堿度降到1000 mg/L；最后一階段是從第136 d 開始，將堿度提高至2000 mg/L。反應(yīng)器運(yùn)行過程中，根據(jù)文獻(xiàn)[4]的方法，對(duì)進(jìn)出水中的VFA、硫酸鹽濃度、堿度和pH 值、硫化物濃度及氧化還原電位(ORP)進(jìn)行檢測(cè)。
1.2 微生物群落分析
定期于反應(yīng)器第3 格室中部吸取活性污泥，采用土壤DNA 提取試劑盒(Mobio，USA)提取微生物總DNA 。PCR 擴(kuò)增采用細(xì)菌16S rRNA 基因通用引物BA341F(5’-CCTACGGGAGGCAGCAG-3’) 和BA534R (5’-ATTACCGCGGCTGCTGG -3’)， 引物BA534R 5’端帶有40 bp GC 夾，根據(jù)文獻(xiàn)[5]對(duì)PCR 產(chǎn)物進(jìn)行DGGE 分析。
DGGE 圖譜數(shù)字化后，對(duì)DGGE 圖譜中各泳道微生物進(jìn)行Shannon-Weiner 多樣性指數(shù)(H′)分析，H′通過公式H′=?ΣPi lnPi 計(jì)算，其中Pi 是泳道中條帶的相對(duì)信號(hào)強(qiáng)度；采用SPSS軟件(SPSS Inc.，Chicago IL)以Ward’s 方法對(duì)各泳道群落進(jìn)行聚類分析，并與反應(yīng)器運(yùn)行狀態(tài)相結(jié)合，解析群落變化與反應(yīng)器功能的關(guān)系。
DGGE 圖中條帶按文獻(xiàn)[5]方法回收并克隆測(cè)序。序列通過RDP中的Seq Match 程序進(jìn)行分類，然后以Blast 在線工具檢索最相近序列。
2 結(jié)果與討論
2.1 堿度變化對(duì)硫酸鹽去除效率的影響
試驗(yàn)中的堿度主要為NaHCO3 堿度，可緩沖體系pH 值的變化，從而維持體系相對(duì)穩(wěn)定，并為功能微生物提供良好的生存環(huán)境，提高硫酸鹽去除率。從可見，在ABR 運(yùn)行的第一階段，進(jìn)水中未加NaHCO3 調(diào)節(jié)堿度，進(jìn)水堿度很低的情況下，出水pH 為6.5 左右，但波動(dòng)很大。由文獻(xiàn)[2]可知，當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)pH 維持在6.0 左右時(shí)，反應(yīng)體系主要是Ac-(揮發(fā)酸，以Ac-表示)堿度，體系對(duì)于酸的緩沖能力減弱，反應(yīng)器呈現(xiàn)酸化的趨勢(shì)。
由可見，反應(yīng)器在前46 d 內(nèi)進(jìn)水堿度維持在500 mg/L 左右，體系的去除率在40%，而且波動(dòng)較大。從第47 d 開始，加入NaHCO3 進(jìn)行調(diào)節(jié)進(jìn)水堿度，使其維持在1000 mg/L，其去除率逐漸提高至75%，此時(shí)，出水pH 上升至7.0 以上，且出水堿度也隨之升高至2500mg/L。NaHCO3 為強(qiáng)堿弱酸鹽，當(dāng)體系中H+增加時(shí)，HCO3-可以與其反應(yīng)，緩沖pH 變化。
從第78 d 開始，將進(jìn)水堿度調(diào)整為2000 mg/L，硫酸鹽的去除率提高到90%。文獻(xiàn)表明[6]，在反應(yīng)器啟動(dòng)初期，當(dāng)不調(diào)節(jié)進(jìn)水堿度時(shí)，進(jìn)水在產(chǎn)酸菌的作用下，產(chǎn)生大量酸性末端產(chǎn)物，導(dǎo)致pH 值下降，在低pH 下，硫化物易生成H2S，由于中性的H2S 更容易進(jìn)入細(xì)胞體內(nèi)，故能夠抑制甚至殺死SRB。所以在啟動(dòng)期，SRB 對(duì)H2S 的毒性耐受力較差，最終將導(dǎo)致SRB生長(zhǎng)和繁殖能力降低，硫酸鹽去除率下降。而在高pH 下，體系中主要以HS-形式存在，降低了對(duì)SRB 的毒性，從而使硫酸鹽的去除率有所提高。
SRB 獲取能量的主要途徑主要是硫酸鹽異化還原過程，該過程須在較低的氧化還原電位下才能進(jìn)行，文獻(xiàn)[6]指出，要維持硫酸鹽去除率在80%以上，ORP 必須低于-320 mV。ORP受系統(tǒng)內(nèi)pH 值的直接影響，從可以看出，當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)pH 在6.2~6.8 之間時(shí)，ORP 維持在-320 mV 左右；當(dāng)投加堿度后，系統(tǒng)出水pH 值逐步上升，系統(tǒng)內(nèi)ORP 不斷降低，最終維持在-420 mV 左右�？梢姡琾H 值與ORP 呈負(fù)相關(guān)。
在反應(yīng)器的啟動(dòng)期，進(jìn)水的堿度大約為500 mg/L，末端產(chǎn)物為乙酸和丙酸。當(dāng)堿度提高為1000 mg/L 時(shí)，液相末端產(chǎn)物組分中乙酸占據(jù)絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，揮發(fā)酸總量上升到3500 mg/L。當(dāng)堿度繼續(xù)提高到2000 mg/L 時(shí)，液相末端產(chǎn)物總量降低，乙酸含量降低至1500 mg/L，但依然占據(jù)主導(dǎo)地位。此時(shí)VFA 降低，可能是在反應(yīng)器后幾個(gè)格室中，逐步形成了產(chǎn)甲烷環(huán)境，產(chǎn)甲烷菌利用了前幾格室產(chǎn)生的VFA，從而使VFA 總量減少�？梢娫诘蛪A度下運(yùn)行時(shí)，反應(yīng)器產(chǎn)酸發(fā)酵能力會(huì)逐步降低，而堿度提高能增強(qiáng)反應(yīng)器產(chǎn)酸功能，并影響著發(fā)酵類型。
2.2 堿度調(diào)節(jié)對(duì)微生物群落結(jié)構(gòu)的影響
微生物群落的變化對(duì)反應(yīng)器的去除效率有很大影響。分別在反應(yīng)器運(yùn)行的不同時(shí)期(第0 d，10 d，18 d，29 d，36 d，43 d，53 d，63 d，77 d，85 d，103 d，111 d，120 d，136 d)獲取泥樣，得到微生物群落DGGE 圖譜及其聚類分析(圖未給)。對(duì)DGGE 圖譜中的主要條帶進(jìn)行克隆測(cè)序分析，結(jié)果如所示。
根據(jù)DGGE 圖譜及其聚類結(jié)果，每個(gè)階段內(nèi)的微生物群落間的相似性較高，而相鄰階段間的微生物群落表現(xiàn)出逐漸過渡的群落演替趨勢(shì)。
在第一次提高進(jìn)水堿度至1000 mg/L 后(53 d)，微生物群落多樣性有所增加，Shannon-Weiner 多樣性指數(shù)由2.91 上升至3.16，條帶A8, A9 和A10 得以富集。測(cè)序表明它們分別與Desulfomicrobium baculatum, Candidatus ubique 和Desulfomicrobium macestii 相似性較高。Candidatus ubique 在硫酸鹽廢水處理中不常見，這說明提高進(jìn)水堿度改變了反應(yīng)器內(nèi)原有環(huán)境，使得微生物多樣性得以提高。
對(duì)DGGE 圖譜中各群落(泳道)進(jìn)行Shannon- Weiner 多樣性分析可以定量描述不同階段微生物種類及數(shù)量。多樣性指數(shù)(H′)可以評(píng)價(jià)一個(gè)微生物群落內(nèi)物種的豐富性以及微生物數(shù)量的多少。由可以看出，反應(yīng)器運(yùn)行第一階段，即前50 d，微生物多樣性指數(shù)為2.62~2.94，說明在該階段微生物的物種比較豐富，反應(yīng)器運(yùn)行良好，可以支撐更多種類的微生物生存。在反應(yīng)器運(yùn)行46 d 以后，DNA 條帶有明顯變化，微生物多樣性指數(shù)提高至3 以上，表明微生物多樣性增加，可能是由于進(jìn)水中堿度的增加使原來未處于優(yōu)勢(shì)種群的菌落，得以迅速生長(zhǎng)繁殖，進(jìn)而提高了生物多樣性。在第三階段，當(dāng)堿度提高至2000 mg/L 時(shí)，生物多樣性指數(shù)變化不大。
2.3 特異類群對(duì)進(jìn)水堿度變化的響應(yīng)
由可見，發(fā)現(xiàn)常駐種群條帶(A1, A2, A3 和A4)在反應(yīng)器的啟動(dòng)和運(yùn)行過程中僅數(shù)量上有些變化，當(dāng)堿度劇烈變化時(shí)，這些條帶波動(dòng)幅度較小。測(cè)序表明它們分別與Alkaliflexusimshenetskii, Thauera terpenica, Sulfuricurvum kujiense 和Desulfomicrobium norvegicum 等菌株相似性較大。這些菌均為厭氧微生物，存在于各種厭氧環(huán)境中，部分種屬能夠利用廣泛的底物發(fā)酵產(chǎn)酸。根據(jù)文獻(xiàn)[7]，在硫酸鹽代謝過程中，反應(yīng)器中微生物可分為兩大類群，即產(chǎn)酸菌和SRB。產(chǎn)酸菌負(fù)責(zé)將大分子底物（蔗糖/果糖等）分解為SRB 可利用的底物乙酸，乙醇，氫氣，甲醇，甲酸等，可見這些常駐菌群對(duì)硫酸鹽還原過程具有重要意義，通過產(chǎn)酸菌和SRB 的種間協(xié)作，形成良好的底物食物鏈關(guān)系，維持微生物代謝的較佳環(huán)境。
第一階段初期生物多樣樣性比較豐富，但隨著反應(yīng)器的運(yùn)行，生物多樣性指數(shù)呈降低趨勢(shì)，部分微生物條帶逐漸消亡，如條帶A6 和A7，這可能與革蘭氏陰性菌對(duì)堿度較為敏感有關(guān)[6]。而條帶A10 和A13 所指示的種群開始富集。
第二階段堿度提高至1000 mg/L 的過程中，Veillonella sp. S101, Acinetobacter soli,Desulfomicrobium baculatum, Spirochaeta sp. Buddy 得以富集；繼而提高至2000 mg/L 時(shí)，Desulfomicrobium macestii 得以富集， 同時(shí)Veillonella sp. S101, Acinetobacter soli,Desulfomicrobium baculatum 和Spirochaeta sp. Buddy 所指示的條帶濃度繼續(xù)加強(qiáng)。
Desulfomicrobium baculatum 和Desulfomicrobium macestii 為不完全氧化型SRB[8]，主要利用乙醇和H2 為電子供體還原硫酸鹽，生長(zhǎng)環(huán)境酸堿度范圍較寬，最適宜范圍為pH6.0~6.5，是該反應(yīng)器中硫酸鹽去除率的主要貢獻(xiàn)者。
3 結(jié)論
進(jìn)水堿度變化會(huì)明顯影響硫酸鹽的去除率。在沒有加入NaHCO3 調(diào)節(jié)堿度的情況下，反應(yīng)器的去除率為45%左右，當(dāng)堿度提高至2000 mg/L 后，去除率提高到90%。
低堿度下，反應(yīng)器內(nèi)的產(chǎn)酸菌代謝產(chǎn)物降低了系統(tǒng)的pH 值，抑制了某些菌種的生長(zhǎng)代謝，如Veillonella sp. S101 和Acinetobacter soli。在硫酸鹽還原過程中，一些常住菌如Alkaliflexus imshenetskii, Thauera terpenica, Sulfuricurvum kujiense 和Desulfomicrobiumnorvegicum 等發(fā)揮重要的作用。
中國(guó)碩士論文網(wǎng)提供大量免費(fèi)碩士畢業(yè)論文,如有業(yè)務(wù)需求請(qǐng)咨詢網(wǎng)站客服人員！
[參考文獻(xiàn)](References)
[1] HU MINGCHENG, LONG TENGRUI. A study of the substrate competition between sulfate reducing andmethane producing or acetogenic bacteria [J], Journal of Guilin University of Electronic Technology, 2006,26(5):390～394.胡明成，龍騰銳. 含硫酸鹽廢水厭氧處理過程中底物的競(jìng)爭(zhēng)[J], 桂林電子科技大學(xué)學(xué)報(bào), 2006, 26(5): 390～394.
[2] WANG AIJIE, REN NANQI. Effect of key factors on sulfate reduction in an acidogenic sulfate-reducingreactor [J], Journal of Harbin Institute of Technology, 2002, 34(4):18～26 .王愛杰, 任南琪. 產(chǎn)酸脫硫反應(yīng)器中影響硫酸鹽還原的關(guān)鍵因素研究[J], 哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2002,34(4):18～26 .
[3] MUYZER G, STAMS A J. The ecology and biotechnology of sulphate-reducing bacteria [J], Nature reviews.Microbiology, 2012, 6(6):441～454.
[4] APHA, Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater[M]. 20th Ed. American Public HealthAssociation, Washington, DC, USA. 1998.
[5] ZHAO Y REN N, WANG A. Contributions of fermentative acidogenic bacteria and sulfate-reducing bacteriato lactate degradation and sulfate reduction[J], Chemosphere, 2012, 72:233～242.
[6] ZHEN WEIDONG, REN NANQI, LI JIANZHENG. Effect of pH, ALK and ORP on removal rate of sulfate inacidogenic sulfate-reducing bioreactor[J], Journal of Heilongjiang Commercial College, 2003,19(2):174～177.甄衛(wèi)東, 任南琪. pH 值、堿度對(duì)產(chǎn)酸硫酸硫酸鹽還原反應(yīng)器硫酸鹽去除率的影響. 哈爾濱商業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2003,19(2): 174～177.
[7] MAREE J P, STRYDOM W F. Biological Sulphate Removal in an Upflow Packed Bed Reactor, WaterResearch, 1985, 19(9): 1101～1106
[8] BARTON L L. Sulfate-Reducing Bacteria [M]. New York: Plenum Press, 1995.
【堿度對(duì)硫酸鹽還原效率及微生物群落動(dòng)態(tài)的影響】相關(guān)文章：
淺談微生物我們的影響07-21
成本還原方法新探05-29
提高歷史課堂的教學(xué)效率的方法03-02
提高電力拖動(dòng)實(shí)踐課效率的嘗試08-23
談如何構(gòu)建動(dòng)態(tài)生成的英語課堂08-20
審計(jì)效率及有效性與新審計(jì)準(zhǔn)則06-01
音樂對(duì)舞蹈作品的影響05-29
音樂對(duì)人生的影響論文04-20