第35卷 第3期2016年 3月环 境 化 学ENVIRONMENTALCHEMISTRYVol.35,No.3March2016 2015年7月31日收稿(Received:July31,20115). ∗天津市应用基础研究计划项目(07JCZDJC02100)资助.SupportedbyAppliedBasicResearchProjectofTianjin(07JCZDJC02100). ∗∗通讯联系人,Tel:13132002241,E⁃mail:Baosheng_sun@sina.comCorrespondingauthor,Tel:13132002241,E⁃mail:Baosheng_sun@sina.comDOI:10.7524/j.issn.0254⁃6108.2016.03.2015073101璩绍雷,孙宝盛,赵双红,等.pH对间歇进水序批式生物反应(SBR)工艺活性污泥沉降性能和微生物结构的影响[J].环境化学,2016,35(3):508⁃515QUShaolei,SUNBaosheng,ZHAOShuanghong,etal.pHactivatedsludgesedimentationperformanceandthestructureofthemicrobeofSBRtechnology[J].EnvironmentalChemistry,2016,35(3):508⁃515pH对间歇进水序批式生物反应(SBR)工艺活性污泥沉降性能和微生物结构的影响∗璩绍雷 孙宝盛∗∗ 赵双红 臧向荣 李志静 魏佳虹(天津大学环境科学与工程学院,天津,300072)摘 要 本文主要研究了不同pH值对SBR工艺污泥膨胀和微生物结构的影响,试验进水pH值为5.0—10.0.实验结果表明,在试验初期,污泥容积指数(SVI)值无明显变化.但随着时间的增长,在pH值为5.0和6.0时,开始出现污泥膨胀.在不同pH下提取总细菌的DNA组进行PCR扩增,分析总细菌的Shannon多样性指数,对微生物群落的部分优势总细菌进行克隆测序和系统发育树分析.结果表明,在不同pH条件下微生物结构以及数量有所区别,在酸性条件下以丝状菌为主,易发生污泥膨胀;而在中性和偏碱性条件下以菌胶团为主,污泥活性较为稳定.关键词 pH,SBR工艺,活性污泥,微生物结构.pHactivatedsludgesedimentationperformanceandthestructureofthemicrobeofSBRtechnologyQUShaolei SUNBaosheng∗∗ ZHAOShuanghong ZANGXiangrong LIZhijing WEIJiahong(SchoolofEnvironmentalScienceandEngineering,TianjinUniversity,Tianjin,300072,China)Abstract:ThispapermainlystudiedtheinfluenceofpHonSBRsludgebulkingandmicrobialstructurewiththepHvaluesoftheinflowwaterfrom5.0to10.0.TheresultsshowedthatthedidnotchangeinitiallyofSludgeVolumeIndex(SVI)value.However,thesludgebulkingwasseenovertimewhenpHvaluesbecame5.0and6.0.AtvariouspHvalues,thetotalbacterialDNAgroupswereextractedforPCRamplification,andthenrelevantanalysesweregivenaboutShannondiversityindex,clonedsequencingandphylogenetictreeofpartialdominanttotalbacteriainthemicrobialcommunities.ThisstudydemonstratedthatthestructuresandquantitiesofmicroorganismsweredifferentatdifferentpHvalues:inacidicconditionsfilamentousbacteriabecamedominantandtheyweremoreaccessibletosludgebulkinginneutralandalkalineconditionwhilezoogloeawerethedominantonesandtheactivityofsludgewasrelativelystable.Keywords:pH,SBRtechnology,activatedsludge,microbialstructure.泥水混合液能否在沉淀阶段良好的分离是活性污泥工艺运行中的关键问题.污泥膨胀是其中最严重的问题[1].活性污泥膨胀主要有丝状菌污泥膨胀(Filamentousbulking)和非丝状(Non⁃filamentous 3期璩绍雷等:pH对间歇进水序批式生物反应(SBR)工艺活性污泥沉降性能和微生物结构的影响509 bulking)污泥膨胀.引起污泥膨胀的原因90%是由丝状菌造成的.正常活性污泥絮体的最适pH值为6.0—8.0,在pH值低于6.5的环境中自傲丝状菌比较容易诱发.一方面由于菌胶团细菌在这种条件下不利于生长;另一方面是丝状菌对这种环境有较强的适应性.为了研究较低和较高pH对污泥膨胀的影响,因此本实验的pH值范围为5.0—10.0.目前针对pH对SBR工艺的影响已有大量研究,但pH对SBR工艺活性污泥微生物群落结构的研究较少,本试验以活性污泥系统进水pH作为变化条件,考察SBR工艺在不同pH条件下的水质处理效果以及利用聚合酶链式反应⁃变性梯度凝胶(PCR⁃DGGE)技术研究在不同进水pH条件下微生物群落结构的变化规律,为进一步深入研究微生物多样性对污水处理系统的影响提供理论准备,对优化系统运行,提高污水处理效果具有实际应用及理论探索意义.1 材料和方法(Materialandmethods)1.1 工艺概述采用间歇进水序批式生物反应器(SBR),装置如图1所示,反应器总有效容积为4L,曝气区与非曝气区体积比为6∶4,在曝气区底部采用微孔曝气砂头装置曝气,保持反应器中的溶解氧浓度为2—4mg·L-1,并且在反应器中形成环流以减小快速上升的气泡对污泥絮体的破坏作用.在非曝气区设有可控温度加热棒,保持反应器中水温恒定在22℃—24℃.定期人工在反应器底部排泥.试验原水在每周期开始时以人工进水方式加入反应器,每周期结束后通过重力作用排除部分上清液.图1 试验反应装置Fig.1 Textreactionequipment1.2 进水水样和运行用天津纪庄子污水处理厂曝气池中的活性污泥作为种泥,人工进行驯化培养,取来的污泥颜色较黑,首先对污泥焖曝24h,静沉后弃去上清液,培养驯化期间监测COD、氨氮、总氮去除率以及MLSS和SVI,当污泥呈黄褐色,SVI为90mL·g-1左右,污泥沉降性较好,系统中COD、总氮、氨氮的去除率保持稳定并且连续一周大于85%时,污泥培养驯化过程结束.将培养好的活性污泥分别投入到SBR反应器进行pH值为5.0—10.0的冲击试验.污泥浓度在4000mL·g-1左右,在每一pH冲击阶段结束后排出反应器中的污泥混合液,重新向反应器中投加新的人工配水培养驯化好的活性污泥,进入下一阶段的pH的冲击试验.在每一试验阶段观察并检测污泥混合液的变化情况.试验所用原水配制方法:自来水静置12h去除余氯,然后添加C6H12O6、(NH4)2SO4、KH2PO3等药品使得BOD5∶N∶P=100∶5∶1,同时添加MgSO4、CaCl2、FeCl3等营养盐,保证活性污泥微生物的正常生长.由于Cl-在生化反应过程中基本不发生变化,不会对微生物产生影响,Na+在高浓度下对微生物的影响较大,影响系统的稳定性,但是在低浓度下对微生物的影响较小[2].因而本实验通过0.5mol·L-1的HCl及NaOH溶液调节进水pH值分别约为5.0、6.0、7.0、8.0、9.0、10.0.按照表1所制的原水的COD为650—510 环 境 化 学35卷820mg·L-1,总磷为7.5—8.2mg·L-1,氨氮为40.97—49.46mg·L-1,总氮为45—54.5mg·L-1.表1 人工配水组分及浓度Table1 Thecomponentsandconcentrationsofartificialdistributionwater组分ComponentC6H12O6(NH4)2SO4KH2PO3MgSO4·7H2OCaCl2·2H2OFeCl3·6H2O浓度Concentration/(mg·L-1)8002203650104本试验采用8h曝气,4h静沉,12h为一周期的方式运行,静沉后通过重力作用排出部分上清液,然后补充新鲜不同pH值的原水,重复进行下一个小周期的试验运行.在反应器运行期间定期采样进行常规项监测,包括COD、MLSS、SV、SVI等.试验的污泥停留时间为20d,同一pH冲击试验进行20d,每一pH冲击试验结束时排出反应器中的活性污泥.重新投加新的活性污泥进入下一阶段的pH冲击试验.1.3 污泥样品预处理和DNA提取1.3.1 污泥样品的预处理每个pH阶段运行结束后,取30mL污泥混合液置于50mL已灭菌的离心管中,具体步骤见文献[3].1.3.2 污泥DNA提取方法采用化学裂解⁃酚/氯仿/异戊醇抽提⁃试剂盒纯化的方法,可以得到较为完整和纯度较高的基因组DNA,在5mL预处理后的污泥样品中加人4mL裂解处理液混匀,37℃水浴30min,加溶菌酶和10%SDS在55℃下水浴1h,将混合液在9165r·min-1下离心10min;取上清液,加入等体积的酚/氯仿/异戊醇混合抽提;取上层水相,再加入与其等体积的氯仿/异戊醇混合液抽提;取上层水相,加入2倍体积的无水乙醇和0.1倍体积的3mol·L-1乙酸钠溶液混匀,-20℃下放置2h;6—10℃、9165r·min-1下离心10min,用70%乙醇清洗沉淀,最后将沉淀溶于100TE溶液中测定所得DNA的A260/A280(核酸与蛋白质吸光度之比)和A260/A230(核酸与腐殖质吸光度之比),将提取的DNA在0.7%琼脂糖凝胶中电泳检测,电泳电压为70V电泳时间30min.具体提取参见文献[4].1.4 总细菌的降落式PCR扩增将用试剂盒提取到的基因组DNA作为模版进行PCR扩增,采用对大多数细菌和古细菌16SrDNA基因V3区具有特异性的引物对: F357⁃GC(5′⁃CGCCCGCCGCGCCCCGCGCCCGGCCCGCCGCCCCCGCCCCCCTACGGGAGGCAGCAG⁃3′)(下划线部分为“GC夹”)[5];R518(5′⁃ATTACCGCGGCTGCTGG⁃3′).扩增产物片段大小为240bp.50μL反应体系:10—100ng模板,25μL2×TaqPCRMasterMix,1μL的25μmol·L-1的上、下游引物,最后用无菌超纯水补足至50μL.降落式PCR反应步骤参见文献[6].1.5 PCR产物的DGGE分析采用C.B.S.SCIENTIFIC公司DGGE-2001系统对PCR扩增产物进行变性梯度凝胶电泳分离[7],电泳完毕后,将凝胶进行硝酸银染色,并将图像在观测仪中拍照存档.1.6 Shannon⁃Weaver指数应用凝胶分析软件QuantityOne对扫描所得的DGGE图谱进行分析,并利用Shannon多样性指数来评价SBR反应器在各个阶段微生物的多样性情况.通过长期试验和推导得到多样性H的计算公式:H=-∑si=1PilgPi=-∑si=1n