堿度對硫酸鹽還原效率及微生物群落動態的影響

堿度對硫酸鹽還原效率及微生物群落動態的影響

引言
　　
　　高濃度有機廢水的處理多采用厭氧技術，但是當廢水中含有高濃度硫酸鹽時，會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了產甲烷菌(MPB)與硫酸鹽還原菌(SRB)之間對底物的競爭以及硫酸鹽還原產物對MPB 和SRB 毒性抑制等問題[1]。基于此，應用兩相厭氧工藝中的產酸相對硫酸鹽進行預去除的策略得到廣泛認同。
　　碳硫比、硫氮比、硫酸鹽負荷、水力停留時間和碳源種類等環境因子都能夠影響產酸硫酸鹽還原效率，國內外學者對這些生態因子在硫酸鹽還原過程中的作用也進行了較為深入的探討[2,3]。然而，堿度作為直接影響系統pH，從而保持系統穩定性的關鍵環境生態因子，卻很少有研究報道。在硫酸鹽還原過程中，堿度可以及時緩沖產酸菌產生的揮發酸(VFA)，并降低CO2 的產生和溶解對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的共軛酸堿對主要有：H2CO3/HCO3-，HCO3-/CO32-，H2S/HS-，HS-/S2-，HAc/Ac-等。隨著反應體系pH 值的不同，這些共軛酸堿對在各種形態間的分布也會發生變化[4]。
　　本研究應用厭氧折流板反應器(ABR)，探討調節進水堿度過程中，硫酸鹽還原效率的變化情況，同時應用分子生物學方法解析微生物群落對堿度變化的響應，研究結果可為SRB生態學理論提供有益補充，也可為硫酸鹽廢水處理工藝的改進和革新提供參考。
　　
　　1 材料與方法
　　
　　1.1 試驗設計
　　試驗采用厭氧折流板反應器，裝置分為五個格室，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以補充氮磷，pH 7.0~7.5，水力停留時間(HRT) 24 h，運行溫度35±1℃。根據進水堿度不同，試驗分為五個階段，第一階段為反應器啟動階段，不調節進水堿度，進水堿度約為500 mg/L，歷時46 d；第二階段進水堿度通過投加NaHCO3 調節至1000 mg/L 左右，歷時32 d；第三個階段為從第79 d 至124 d，將進水堿度提升到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。反應器運行過程中，根據文獻[4]的方法，對進出水中的VFA、硫酸鹽濃度、堿度和pH 值、硫化物濃度及氧化還原電位(ORP)進行檢測。
　　
　　1.2 微生物群落分析
　　定期于反應器第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 擴增采用細菌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，根據文獻[5]對PCR 產物進行DGGE 分析。
　　DGGE 圖譜數字化后，對DGGE 圖譜中各泳道微生物進行Shannon-Weiner 多樣性指數(H′)分析，H′通過公式H′=?ΣPi lnPi 計算，其中Pi 是泳道中條帶的相對信號強度；采用SPSS軟件(SPSS Inc.，Chicago IL)以Ward’s 方法對各泳道群落進行聚類分析，并與反應器運行狀態相結合，解析群落變化與反應器功能的關系。
　　DGGE 圖中條帶按文獻[5]方法回收并克隆測序。序列通過RDP中的Seq Match 程序進行分類，然后以Blast 在線工具檢索最相近序列。
　　
　　2 結果與討論
　　
　　2.1 堿度變化對硫酸鹽去除效率的影響
　　試驗中的堿度主要為NaHCO3 堿度，可緩沖體系pH 值的變化，從而維持體系相對穩定，并為功能微生物提供良好的生存環境，提高硫酸鹽去除率。從可見，在ABR 運行的第一階段，進水中未加NaHCO3 調節堿度，進水堿度很低的情況下，出水pH 為6.5 左右，但波動很大。由文獻[2]可知，當系統內pH 維持在6.0 左右時，反應體系主要是Ac-(揮發酸，以Ac-表示)堿度，體系對于酸的緩沖能力減弱，反應器呈現酸化的趨勢。
　　由可見，反應器在前46 d 內進水堿度維持在500 mg/L 左右，體系的去除率在40%，而且波動較大。從第47 d 開始，加入NaHCO3 進行調節進水堿度，使其維持在1000 mg/L，其去除率逐漸提高至75%，此時，出水pH 上升至7.0 以上，且出水堿度也隨之升高至2500mg/L。NaHCO3 為強堿弱酸鹽，當體系中H+增加時，HCO3-可以與其反應，緩沖pH 變化。
　　從第78 d 開始，將進水堿度調整為2000 mg/L，硫酸鹽的去除率提高到90%。文獻表明[6]，在反應器啟動初期，當不調節進水堿度時，進水在產酸菌的作用下，產生大量酸性末端產物，導致pH 值下降，在低pH 下，硫化物易生成H2S，由于中性的H2S 更容易進入細胞體內，故能夠抑制甚至殺死SRB。所以在啟動期，SRB 對H2S 的毒性耐受力較差，最終將導致SRB生長和繁殖能力降低，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行，文獻[6]指出，要維持硫酸鹽去除率在80%以上，ORP 必須低于-320 mV。ORP受系統內pH 值的直接影響，從可以看出，當系統內pH 在6.2~6.8 之間時，ORP 維持在-320 mV 左右；當投加堿度后，系統出水pH 值逐步上升，系統內ORP 不斷降低，最終維持在-420 mV 左右�？梢�，pH 值與ORP 呈負相關。
　　在反應器的啟動期，進水的堿度大約為500 mg/L，末端產物為乙酸和丙酸。當堿度提高為1000 mg/L 時，液相末端產物組分中乙酸占據絕對優勢，揮發酸總量上升到3500 mg/L。當堿度繼續提高到2000 mg/L 時，液相末端產物總量降低，乙酸含量降低至1500 mg/L，但依然占據主導地位。此時VFA 降低，可能是在反應器后幾個格室中，逐步形成了產甲烷環境，產甲烷菌利用了前幾格室產生的VFA，從而使VFA 總量減少�？梢娫诘蛪A度下運行時，反應器產酸發酵能力會逐步降低，而堿度提高能增強反應器產酸功能，并影響著發酵類型。
　　
　　2.2 堿度調節對微生物群落結構的影響
　　微生物群落的變化對反應器的去除效率有很大影響。分別在反應器運行的不同時期(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DGGE 圖譜中的主要條帶進行克隆測序分析，結果如所示。
　　根據DGGE 圖譜及其聚類結果，每個階段內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出逐漸過渡的群落演替趨勢。
　　在第一次提高進水堿度至1000 mg/L 后(53 d)，微生物群落多樣性有所增加，Shannon-Weiner 多樣性指數由2.91 上升至3.16，條帶A8, A9 和A10 得以富集。測序表明它們分別與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，這說明提高進水堿度改變了反應器內原有環境，使得微生物多樣性得以提高。
　　對DGGE 圖譜中各群落(泳道)進行Shannon- Weiner 多樣性分析可以定量描述不同階段微生物種類及數量。多樣性指數(H′)可以評價一個微生物群落內物種的豐富性以及微生物數量的多少。由可以看出，反應器運行第一階段，即前50 d，微生物多樣性指數為2.62~2.94，說明在該階段微生物的物種比較豐富，反應器運行良好，可以支撐更多種類的微生物生存。在反應器運行46 d 以后，DNA 條帶有明顯變化，微生物多樣性指數提高至3 以上，表明微生物多樣性增加，可能是由于進水中堿度的增加使原來未處于優勢種群的菌落，得以迅速生長繁殖，進而提高了生物多樣性。在第三階段，當堿度提高至2000 mg/L 時，生物多樣性指數變化不大。
　　
　　2.3 特異類群對進水堿度變化的響應　　
　　由可見，發現常駐種群條帶(A1, A2, A3 和A4)在反應器的啟動和運行過程中僅數量上有些變化，當堿度劇烈變化時，這些條帶波動幅度較小。測序表明它們分別與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，存在于各種厭氧環境中，部分種屬能夠利用廣泛的底物發酵產酸。根據文獻[7]，在硫酸鹽代謝過程中，反應器中微生物可分為兩大類群，即產酸菌和SRB。產酸菌負責將大分子底物（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硫酸鹽還原過程具有重要意義，通過產酸菌和SRB 的種間協作，形成良好的底物食物鏈關系，維持微生物代謝的較佳環境。
　　第一階段初期生物多樣樣性比較豐富，但隨著反應器的運行，生物多樣性指數呈降低趨勢，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堿度較為敏感有關[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，Desulfomicrobium macestii 得以富集， 同時Veillonella sp. S101, Acinetobacter soli,Desulfomicrobium baculatum 和Spirochaeta sp. Buddy 所指示的條帶濃度繼續加強。
　　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，生長環境酸堿度范圍較寬，最適宜范圍為pH6.0~6.5，是該反應器中硫酸鹽去除率的主要貢獻者。
　　
　　3 結論
　　
　　進水堿度變化會明顯影響硫酸鹽的去除率。在沒有加入NaHCO3 調節堿度的情況下，反應器的去除率為45%左右，當堿度提高至2000 mg/L 后，去除率提高到90%。
　　低堿度下，反應器內的產酸菌代謝產物降低了系統的pH 值，抑制了某些菌種的生長代謝，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 等發揮重要的作用。

中國碩士論文網提供大量免費碩士畢業論文,如有業務需求請咨詢網站客服人員！
　　
　　[參考文獻](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爭[J], 桂林電子科技大學學報, 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. 產酸脫硫反應器中影響硫酸鹽還原的關鍵因素研究[J], 哈爾濱工業大學學報, 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.甄衛東, 任南琪. pH 值、堿度對產酸硫酸硫酸鹽還原反應器硫酸鹽去除率的影響. 哈爾濱商業大學學報,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.

【堿度對硫酸鹽還原效率及微生物群落動態的影響】相關文章：

淺談微生物我們的影響07-21

成本還原方法新探05-29

建立內部控制審計與組織效率06-03

提高歷史課堂的教學效率的方法03-02

提高電力拖動實踐課效率的嘗試08-23

談如何構建動態生成的英語課堂08-20

淺談如何提高配網故障的搶修效率05-08

審計效率及有效性與新審計準則06-01

音樂對舞蹈作品的影響05-29

音樂對人生的影響論文04-20