O工艺的低温启动阶段膨胀污泥的微生物群落解析

第31卷第1期2016年　3月湖南科技大学学报(自然科学版)JournalofHunanUniversityofScience&Technology(NaturalScienceEdition)Vol.31No.1Mar.2016doi:10.13582/j.cnki.1672-9102.2016.01.016食品废水A/O工艺的低温启动阶段膨胀污泥的微生物群落解析①魏利1,牛春革2,聂春梅2,陈爱华2,王传萍2,李春颖3,魏超1(1.哈尔滨工业大学城市水资源与水环境国家重点实验室,黑龙江哈尔滨150090;2.中国石油克拉玛依石化分公司炼油化工研究院,新疆克拉玛依834000;3.哈尔滨商业大学能源建筑与工程学院,黑龙江哈尔滨150028)摘　要:污泥膨胀是污水处理工艺启动和运行中棘手的问题,食品废水采用A/O工艺进行低温下启动运行时,出现了污泥膨胀的现象,研究对A/O工艺段水质进行了分析,构建了16SrDNA克隆文库.通过对膨胀污泥微生物群落解析,探讨了污泥膨胀和工艺调控的关系.研究表明,厌氧膨胀污泥中Proteobacteria占总的细菌数的63.51%,Chloroflexi为16.22%,其中Thauerasp.占到总的细菌数的20.27%;好氧膨胀污泥中Proteobacteria占总的细菌数的36.08%,Chloroflexi为24.74%,Bacteroidetes为7.22%,出现了与污泥膨胀有关的细菌UnculturedNocardia,UnculturedLeptolyngbyasp.,Thauerasp..导致污泥膨胀的主要原因是工艺的进水温度低,厌氧段厌氧程度不够,可生化性差,部分重金属超标,好氧段的曝气量不足.建议通过调控工艺的进水温度,提高厌氧段的厌氧程度,提高好氧段的曝气量,可以有效地控制污泥膨胀.关键词:食品废水;A/O工艺;低温启动;污泥膨胀;群落解析中图分类号:X172　　　文献标志码:A　　　文章编号:1672-9102(2016)01-0091-06MicrobialcommunityanalysisofbulkingsludgeduringfoodwastewaterA/OprocessinlowtemperatureWeiLi1,NiuChunge2,NieChunmei2,ChenAihua2,WangChuanping2,LiChunying3,WeiChao1(1.StateKeyLaboratoryofUrbanWaterResourceandEnvironment,HarbinInstituteofTechnology,Harbin150090,China;2.RefiningChemicalResearchInstituteofPetroChinaKaramayPetrochemicalCompany,Karamay834000,China;3.SchoolofEnergyandCivilEngineering,HarbinUniversityofCommerce,Harbin150028,China)Abstract:Itisdifficulttoresolvetheproblemofsludgebulking.TheA/Oprocesswasappliedforthefoodwastewatertreatment.Itwasfoundthatsludgeexpandedinthelowtemperature.Thewaterqualitywasanalyzed,and16SrDNAclonelibrarywasbuilt.Throughtheanalysisthemicrobialcommunity,therelationshipofsludgebulkingandprocesscontrolwasstudied.ItshowedthatthepercentofProteobacteriais63.51%,Chloroflexiis16.22%andThauerasp.is20.27%inanaerobicsludgebulking.ThepercentofProteobacteriawas36.08%,Chloroflexiwas24.74%andBacteroidetesis7.22%inaerobicsludgebulking.Inthesametime,UnculturedNocardia,UnculturedLeptolyngbyasp.,Thauerasp.arefoundwhicharerelatedwithsludgebulking.Thelowtemperatureisthemainexternalecologicalfactors.Thereareseveralreasonstocausethesludgebulking,such①收稿日期:2015-01-18基金项目:国家自然科学青年基金资助项目(50908063)通信作者:魏利(1978-),男,黑龙江七台河人,博士,讲师,主要从事环境生物技术及污水处理研究.E-mail:[e-mail]湖南科技大学学报(自然科学版)2016年第31卷asthelackofanaerobicdegreeinanaerobicperiod,poorbiochemical,highconcentrationofheavymetalandoxygendeficiencyinaerobicperiod.Itisshowedthatsludgebulkingwillbecontroleffectivelywhentheprocessofinlettemperaturewasregulateed,improvetheanaerobicdegreeandaerationfluxes.Keywords:foodwastewater;A/Oprocess;low-temperaturestartup;sludgebulking;communityanalysis污泥膨胀(sludgebulking)指污泥结构极度松散,体积增大、上浮,难于沉降分离,影响出水水质的现象[1].国内常规的污水处理工艺多采用活性污泥法,污泥膨胀问题时有发生,尤其是在外部环境发生变化,如温度、进水的水质发生重大变化时候,污泥膨胀发生的频率升高[2-3],食品废水[4]和工业废水[5]生物处理工艺中尤其是好氧池,污水的毒性较大,污泥膨胀很难控制,增加了污水的处理成本.如何控制污泥膨胀以及污泥膨胀机制的研究显得尤为重要[6-7].RikaJenné等[8]针对菌丝体膨胀开发了相关的模型,N.Tixier等[9]对菌丝体形成的影响因素进行了系统的分析,马金等[10]对A/O生物除磷工艺中污泥膨胀发生的原因以及恢复的方法进行了研究,建议提高曝气量和调控系统运行参数可以有效地控制污泥膨胀.微生物是生物污泥的形成及其功能的核心,污泥的膨胀在一定程度上是外部环境或者内部环境发生了较大的变化,导致污泥中微生物的群落发生了改变,群落的功能随之发生变化.污泥膨胀有两种类型,一是由于活性污泥中大量丝状菌的繁殖而引起的污泥丝状菌膨胀;二是由于菌胶团细菌体内大量累积高粘性物质而引起的非丝状菌性膨胀.在实际运行中,以A/O工艺为例,特征是污泥的SVI值大于200mL/g,回流污泥浓度下降,二沉池中污泥层增高.纪树兰等[11]采用构建16SrDNA克隆文库方法对发生丝状膨胀的好氧颗粒污泥的微生物种群进行分析,采用缩短运行周期,运行过程中投加碳酸氢钠和减少曝气量的方法均可预防好氧颗粒污泥的丝状膨胀.李建婷等[12]采用16SrDNA克隆文库方法分析好氧颗粒污泥细菌组成.目前针对食品废水污泥膨胀的微生物群落组成研究较少.本研究针对A/O工艺处理食品废水的启动阶段,发生了污泥膨胀的现象.通过不同工艺段的水质分析,采用16SrDNA克隆文库对膨胀污泥的微生物群落进行解析,确定产生污泥膨胀的微生物群落组成及优势菌群,为A/O工艺的低温快速启动运行调试,控制污泥膨胀提供技术支持.1　材料与方法1.1　食品废水处理工艺及其膨胀污泥样品的来源食品废水处理工艺采用“调节池-A/O-二沉池”,设计日处理量为1000m3/d,主要的污水来源是酵母加工废水、甜菜加工废水以及生活污水,建成后进行工艺运行调试,进水温度为10℃左右,厌氧和好氧工艺处理效果较差,生物活性低,厌氧段COD的去除率仅为20%,好氧为50%.厌氧段和好氧段出现了大规模污泥膨胀现象,为了解析污泥膨胀的主要微生物,分别取自厌氧工艺膨胀的污泥(样品A)和取自好氧工艺的膨胀的污泥(样品B),取样后立即-80℃保存.1.2　水质分析COD:重铬酸盐法(GB11914-1989);金属元素采用ICP原子吸收光谱法测定,以及实验室常规分析方法.1.3　16SrDNA克隆文库的构建样品经过前处理后[13],试剂盒(宝生物公司)提取总DNA.采用通用引物进行PCR扩增,16SrDNA序列的引物27F:5’-AGAGTTTGATCCTGGCTCAG-3’,1492R:5’-GGTTACCTTGTTACGACTT-3’.PCR反应在PTC-200上进行扩增,20μL的反应体系内含:模板20ng左右,rTaqDNA聚合酶(宝生物公司)终浓度为0.3U,dNTP为0.3mmol·L-1,引物各0.1μmol·L-1;扩增程序为:94℃预热5min,94℃变性30s,58℃复性45s,72℃延伸90s,循环30次,最后72℃延伸10min.扩增产物与1.0%的琼脂糖电泳检测.用胶回收试剂盒切胶回收,后与pGEM-T载体(Promega公司)连接,转化到大肠杆菌TOP10感受态细胞29第1期魏利,等:食品废水A/O工艺的低温启动阶段膨胀污泥的微生物群落解析(天为时代).LB固体培养基中加入氨苄青霉素Amp(5μg/mL)和X-gal,蓝白斑筛选转化子.提取质粒,用载体引物T7和SP6检测.将所测定的16SrDNA序列与GenBank数据库中的已知序列进行相似性比较分析,采用MEGA5.1软件中的NJ法构建进化树.2　结果与讨论2.1　A/O工艺膨胀污泥样品水质分析对A/O工艺的膨胀污泥水质进行分析(表1).厌氧工艺段溶解氧的含量为0.2mg/L,厌氧程度不够,B/C比为0.024,可生化性较差,生物处理难度较大,其中硝酸根和氨氮的浓度较高,Hg,Cr,Mg,Mn,Ag的含量超标,SVI为258mL/g.好氧的溶解氧含量为0.4mg/L,B/C比为0.12,可生化性差,其中硝酸根和氨氮的浓度较高,部分重金属超标,SVI为234mL/g.表1　A/O工艺膨胀污泥的水质分析分析的项目AO分析的项目AO溶解氧/(mg/L)0.20.4乙酸/(mg/L)64.2321.06pH6.847.23HPO2-4/(mg/L)30.1020.35COD/(mg/L)1000400SO2-4/(mg/L)67.3750.34BOD/(mg/L)24.2648.66挥发酚/(mg/L)0.08650.0463TN/(mg/L)145.161.64氨氮/(mg/L)68.8325.94NO-2/(mg/L)10.452.12Pb/(mg/L)0.006640.00584NO-3/(mg/L)45.2628.44Zn/(mg/L)0.19460.07744SVI/(mL/g)258234Si/(mg/L)7.2596.181Al/(mg/L)0.59530.1846P/(mg/L)39.3827.22Ca/(mg/L)62.2545.18S/(mg/L)89.7680.48Cr/(mg/L)0.011880.00485Ag/(mg/L)0.017880.00502Cu/(mg/L)0.010250.00691Co/(mg/L)0.005290.00356Fe/(mg/L)2.2730.6870Mo/(mg/L)0.008230.00684Hg/(mg/