厭氧處理系統(tǒng)微生物群落結(jié)構(gòu)與生態(tài)網(wǎng)絡(luò)研究.pdf

1、污染物處理與資源化是當(dāng)今環(huán)境工程領(lǐng)域的熱點(diǎn)研究之一，它符合可持續(xù)發(fā)展的要求。厭氧氨氧化和厭氧消化是該領(lǐng)域重要且典型的兩個(gè)厭氧微生物過(guò)程，基于這兩個(gè)過(guò)程而開(kāi)發(fā)的處理系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于處理含氮廢水和有機(jī)廢物處理。長(zhǎng)期以來(lái)，厭氧氨氧化處理系統(tǒng)存在啟動(dòng)緩慢這一技術(shù)瓶頸，特別是當(dāng)缺乏成熟的厭氧氨氧化接種污泥時(shí)，啟動(dòng)過(guò)程可能長(zhǎng)達(dá)1年以上。對(duì)于厭氧消化，傳統(tǒng)的反應(yīng)器類型（如厭氧發(fā)酵罐）雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工藝成本低，但是受污泥截留效率的限制，往往只能在較低有機(jī)

2、負(fù)荷（<5kg-COD/(m3?d)）條件下運(yùn)行。近年來(lái)，生活污水初濾過(guò)程逐漸受到重視，被認(rèn)為可以替代污水廠中的初沉池并減輕后續(xù)工藝（如膜處理工藝）的壓力。目前尚無(wú)生活污水初濾產(chǎn)物的厭氧消化方面的研究報(bào)道。
　　為了解決厭氧氨氧化反應(yīng)器啟動(dòng)緩慢和傳統(tǒng)厭氧消化反應(yīng)器無(wú)法在高有機(jī)負(fù)荷條件下運(yùn)行的問(wèn)題，論文通過(guò)運(yùn)行不同類型的厭氧處理系統(tǒng)并借助分子生物學(xué)分析方法，研究了厭氧氨氧化處理系統(tǒng)的啟動(dòng)策略和生活污水初濾產(chǎn)物的高負(fù)荷條件厭氧消化效能

3、，通過(guò)構(gòu)建厭氧氨氧化以及厭氧消化的微生物生態(tài)網(wǎng)絡(luò)，分析了上述兩個(gè)典型厭氧處理系統(tǒng)中微生物群落的演替規(guī)律。
　　研究發(fā)現(xiàn)，反應(yīng)器類型和接種污泥類型均對(duì)厭氧氨氧化的啟動(dòng)有重要影響。對(duì)比了利用序批式反應(yīng)器（SBR）和厭氧膜生物反應(yīng)器（AnMBR）啟動(dòng)厭氧氨氧化的速度。SBR反應(yīng)器接種好氧顆粒污泥，在147天內(nèi)使總氮負(fù)荷從0.03 kg-N/(m3?d)提升到0.4 kg-N/(m3?d)，但是總氮去除率較低（~50％），啟動(dòng)效果不理想。

4、通過(guò)連接外置式微濾膜組件形成 AnMBR，總氮負(fù)荷在6個(gè)月內(nèi)可被提升到0.8 kg-N/(m3?d)且總氮去除率維持在70%~80%，啟動(dòng)成功。另一個(gè)AnMBR接種污水廠缺氧段活性污泥，在8個(gè)月內(nèi)實(shí)現(xiàn)總氮負(fù)荷0.7 kg-N/(m3?d)，總氮去除率為30%~40%。此外，研究了接種污泥對(duì)厭氧氨氧化反應(yīng)器啟動(dòng)效率的影響。結(jié)果表明，接種污泥的群落越均勻、初始厭氧氨氧化菌的含量越高（>106基因拷貝數(shù)/mL）越有利于反應(yīng)器快速啟動(dòng)。分子生物

5、學(xué)分析結(jié)果表明，反應(yīng)器中厭氧氨氧化菌Kuenenia stuttgartiensis是優(yōu)勢(shì)菌種，其在啟動(dòng)最快的反應(yīng)器中的數(shù)量在6個(gè)月內(nèi)提高了3個(gè)數(shù)量級(jí)（>109基因拷貝數(shù)/mL）。
　　生活污水初濾產(chǎn)物的主要成分是纖維素。在55℃和35℃條件下分別運(yùn)行厭氧發(fā)酵罐長(zhǎng)達(dá)656天，研究發(fā)現(xiàn)在35℃條件下反應(yīng)器可以在有機(jī)負(fù)荷為<14kg-COD/(m3?d)的范圍內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行，甲烷產(chǎn)率達(dá)到150NmL/gCOD，但是進(jìn)一步提升有機(jī)負(fù)荷導(dǎo)致甲

6、烷產(chǎn)率大幅降低至<50NmL/gCOD，且反應(yīng)器嚴(yán)重酸化。在55℃條件下反應(yīng)器可在有機(jī)負(fù)荷高達(dá)22kg-COD/(m3?d)的條件下穩(wěn)定運(yùn)行，甲烷產(chǎn)率達(dá)120NmL/gCOD且反應(yīng)器未酸化?；?6S rDNA的454測(cè)序結(jié)果表明，55℃條件下反應(yīng)器的最優(yōu)勢(shì)細(xì)菌菌屬是OP9菌門(mén)下的Caldatribacterium saccharofermentans菌屬，古細(xì)菌為Methanothermobacter菌屬；35℃條件下的最優(yōu)勢(shì)細(xì)菌是B

7、acteroides菌屬，古細(xì)菌為Methanosaeta菌屬。β-多樣性結(jié)果表明，在55℃條件下反應(yīng)器的菌群對(duì)有機(jī)負(fù)荷的提升比在35℃條件下更敏感。
　　為了更直觀的表現(xiàn)厭氧菌群的組成特點(diǎn)，構(gòu)建了厭氧氨氧化以及厭氧消化的微生物生態(tài)網(wǎng)絡(luò)。結(jié)果表明，Kuenenia stuttgartiensis菌在厭氧氨氧化微生物網(wǎng)絡(luò)中占據(jù)最重要的位置。而對(duì)于厭氧消化系統(tǒng)而言，55℃條件下的微生物生態(tài)網(wǎng)絡(luò)遺傳穩(wěn)定性高于35℃條件下的微生物生態(tài)網(wǎng)絡(luò)

8、。這一現(xiàn)象說(shuō)明，當(dāng)有機(jī)負(fù)荷逐漸提升時(shí)，55℃反應(yīng)器群落中關(guān)鍵功能菌群演替的同步性優(yōu)于35℃反應(yīng)器群落，因此，前者在面對(duì)不斷提高的有機(jī)負(fù)荷時(shí)仍表現(xiàn)出較強(qiáng)的穩(wěn)定性。此外，為了考察微生物生態(tài)網(wǎng)絡(luò)在空間維度上的演變規(guī)律，以相同接種污泥在35℃條件下運(yùn)行另外兩個(gè)厭氧處理系統(tǒng)：厭氧動(dòng)態(tài)膜生物反應(yīng)器（AnDMBR）和升流式厭氧污泥床（UASB）。研究發(fā)現(xiàn)，網(wǎng)絡(luò)在空間維度上的演變受空間范圍的影響，同一空間內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)均勻度高于不同空間的網(wǎng)絡(luò)均勻度。從整體上