朱春祎, 黃雪彬, 郭翠香, 閻　寧, 張永明

(上海師范大學(xué) 生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,上海 200234)

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不同電子供體對(duì)厭氧系統(tǒng)生物脫氮效率及微生物群落分布狀態(tài)的影響

朱春祎, 黃雪彬, 郭翠香, 閻寧, 張永明

(上海師范大學(xué) 生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,上海 200234)

摘要:在厭氧條件下,分別以葡萄糖、甲醇和鄰苯二甲酸氫鉀作為電子供體對(duì)NO3--N進(jìn)行厭氧反硝化實(shí)驗(yàn),每種電子供體設(shè)定兩個(gè)C/N比,分別為4 ∶1和10 ∶1.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:在2種C/N比情況下,葡萄糖與甲醇作為電子供體時(shí),總氮的去除速率一致,且都比鄰苯二甲酸氫鉀作為電子供體時(shí)要快.當(dāng)C/N=4時(shí),總氮的去除速率要快71%,而當(dāng)C/N=10時(shí),總氮的去除速率的差距只有7%.不同有機(jī)物作為反硝化的電子供體時(shí),活性污泥樣本中的微生物菌落檢出情況表現(xiàn)出3個(gè)反應(yīng)體系中具有各自優(yōu)勢(shì)的厭氧菌群、硝化及反硝化菌群明顯特征.該微生物群落的分布特點(diǎn)反映出不同有機(jī)物作為電子供體時(shí)反應(yīng)系統(tǒng)狀態(tài)的差異性.

關(guān)鍵詞:電子供體; 反硝化; 生物脫氮; 微生物群落

0前言

化肥制造、燃料生產(chǎn)、肉類加工等工業(yè)排放的廢水中一般均含有高濃度的氨氮、硝酸鹽或亞硝酸鹽,通常采用A/O或A2/O等工藝來(lái)對(duì)這類廢水進(jìn)行總氮的去除[1-2].采用A/O或A2/O工藝時(shí),氨氮需要通過硝化、反硝化兩階段進(jìn)行總氮的去除,這一過程需要消耗大量的溶解氧和碳源.因此,為了在脫氮過程中降低溶解氧的消耗和解決反硝化過程中碳源不足的問題,人們探索出同步硝化反硝化[3-4]、短程硝化反硝化[5-6]、厭氧氨氧化[7]等工藝方法,避免全程硝化反應(yīng)以節(jié)省動(dòng)力消耗,尤其是減少有機(jī)碳源的消耗,而提高污水中本身含有的碳源在反硝化過程中的利用是最為經(jīng)濟(jì)的方式.因此,提高有機(jī)碳源(電子供體)的利用效率已成為當(dāng)今廢水脫氮技術(shù)亟待解決的問題之一.很早就有研究發(fā)現(xiàn),厭氧反應(yīng)系統(tǒng)在一定條件下可以達(dá)到硝酸鹽的良好去除[8-9],當(dāng)有適當(dāng)碳源提供時(shí),硝酸鹽的反硝化脫氮反應(yīng)可以順利進(jìn)行,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示在厭氧反應(yīng)器中,當(dāng)硝酸鹽進(jìn)水濃度為20~410 mg/L時(shí)脫氮效率可以達(dá)到89%~98%,有的情況下甚至可以達(dá)到硝酸鹽的徹底去除.

在通常的生物脫氮過程中,除了提供一定的有機(jī)碳源作為電子供體之外,還需確保反應(yīng)體系有一定的厭氧條件,即確保其溶解氧在一定的濃度之下.通常在厭氧體系中,往往會(huì)伴隨著甲烷的產(chǎn)生.有人在研究UASB和MBR組成的硝化反硝化系統(tǒng)時(shí),在UASB反應(yīng)中觀測(cè)到明顯的,有機(jī)碳源被反硝化過程利用,從而降低了甲烷產(chǎn)量[5].進(jìn)一步有研究證實(shí),在厭氧反應(yīng)體系中常常伴隨著導(dǎo)致甲烷氧化的現(xiàn)象,即厭氧過程中產(chǎn)生的甲烷在硝酸鹽氮存在的條件下可被氧化,并導(dǎo)致脫氮現(xiàn)象[10].從廢水脫氮角度考慮,厭氧環(huán)境中甲烷氧化作為反硝化的電子供體,可在很大程度上解決碳源不足的問題.

通常生物反應(yīng)體系可以通過適當(dāng)?shù)牟僮骰蚩刂茖?shí)現(xiàn)所設(shè)定的缺氧條件,而選擇何種碳源就成為反硝化脫氮的關(guān)鍵因素.本研究分別以甲醇、葡萄糖和鄰苯二甲酸氫鉀作為有機(jī)碳源,加入到硝酸鹽為營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)厭氧反應(yīng)器中,在不同碳氮比的條件下建立厭氧反硝化體系,并在測(cè)定其反硝化反應(yīng)效率的基礎(chǔ)上,對(duì)微生物體系中微生物群落分布進(jìn)行系統(tǒng)分析.同時(shí)借助分析反應(yīng)系統(tǒng)中微生物群落組成的規(guī)律,判斷反硝化系統(tǒng)中微生物對(duì)有機(jī)物及營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)利用的狀態(tài).本研究擬通過反應(yīng)器運(yùn)行效果分析結(jié)合微生物群落狀態(tài)的分析,解析厭氧條件下總氮去除的機(jī)理,并有利于在工程應(yīng)用上采取有效的控制手段保持微生物體系的高效運(yùn)行.

1材料與方法

1.1溶液制備

實(shí)驗(yàn)用水采用人工配置,在自來(lái)水中加入含有碳源、硝酸鹽、磷營(yíng)養(yǎng)元素及微量元素的配制溶液.實(shí)驗(yàn)溶液配制用水為Milli-Q Integral水純化系統(tǒng)制備的純水.微量元素混合溶液組成(g/L)為:FeCl2·4H2O 1.5,NiCl2·6H2O 0.024,CoCl2·6H2O 0.19,CuCl2·2H2O 0.002,MnSO4·7H2O 0.1,Na2MoO4·2H2O 0.024,ZnCl20.07,H3BO30.006.試驗(yàn)用葡萄糖、鄰苯二甲酸氫鉀、甲醇、硝酸鈉、磷酸二氫鉀和碳酸氫鈉等藥劑均為分析純,購(gòu)自上海國(guó)藥集團(tuán).

1.2活性污泥馴化

活性污泥來(lái)源為上海龍華水質(zhì)凈化廠的二沉池污泥.在500 mL的搖瓶里采用葡萄糖為碳源進(jìn)行培養(yǎng)和馴化,當(dāng)污泥沉降性能達(dá)到SV30,上清液清澈,且對(duì)COD的降解效率穩(wěn)定在70%以上后,將此活性污泥定量加入3個(gè)250 mL的錐形瓶里,分別采用葡萄糖、甲醇和鄰苯二甲酸氫鉀進(jìn)行反硝化污泥的馴化.控制COD從400 mg/L 逐漸增加至1000 mg/L,NO3--N從20 mg/L逐步增加到100 mg/L.實(shí)驗(yàn)過程中C/N比為4和10,N/P比始終保持在5 ∶1.反應(yīng)過程中搖瓶采用充氮?dú)夥绞脚懦后w上方氧氣并封口,將錐形瓶里的溶解氧控制在0.5~1.0 mg/L以下.反應(yīng)中采用磁力攪拌器進(jìn)行攪拌,保持污泥和溶液的良好混合狀態(tài),采用續(xù)批式運(yùn)行,反應(yīng)換水周期為24 h.當(dāng)60 mg/L的NO3--N在12 h的反應(yīng)時(shí)間內(nèi)達(dá)到80%以上的去除率時(shí),認(rèn)為生物反硝化馴化完成.

1.3反應(yīng)裝置運(yùn)行

分別用葡萄糖、甲醇和鄰苯二甲酸氫鉀作為碳源,將馴化好的污泥分別放置在3個(gè)250 mL的錐形瓶?jī)?nèi),并加入微量元素等其他所需營(yíng)養(yǎng)元素進(jìn)行反硝化實(shí)驗(yàn).硝酸鹽的生物降解實(shí)驗(yàn)中的3種碳源分別采用的C/N比為4和10.當(dāng)NO3--N的初始濃度為60 mg/L時(shí),分別以C6H12O6、CH3OH和C8H5KO4為碳源進(jìn)行序批式反應(yīng),反應(yīng)時(shí)間根據(jù)需要設(shè)定.實(shí)驗(yàn)中定時(shí)間取樣,水樣均經(jīng)過0.22 m的水系膜過濾后進(jìn)行測(cè)試分析.

反硝化動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)以C6H12O6、CH3OH和C8H5KO4為碳源,設(shè)置不同NO3--N初始濃度在30~210 mg/L之間進(jìn)行反硝化實(shí)驗(yàn),測(cè)試NO3--N在反應(yīng)最初10 min內(nèi)的濃度變化進(jìn)行動(dòng)力學(xué)研究.實(shí)驗(yàn)中定時(shí)間取樣,水樣經(jīng)過0.22 m的水系膜過濾后進(jìn)行測(cè)試分析.

1.4分析方法

NO3-用DIONEX ICS-5000離子色譜進(jìn)行分析,所得結(jié)果再轉(zhuǎn)化為NO3--N.COD參照《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》(中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社,2002年,第四版)中重鉻酸鉀法.

在實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí),分別從以葡萄糖、甲醇、鄰苯二甲酸氫鉀為碳源的反應(yīng)系統(tǒng)中提取穩(wěn)定的活性污泥樣本,低溫密封保存在離心管中,分別標(biāo)注為Glc(葡萄糖)樣本,MeOH (甲醇)樣本和KHP(鄰苯二甲酸氫鉀)樣本.在24 h內(nèi)送至上海捷瑞生物有限公司進(jìn)行分子生物學(xué)分析.使用DNAzol試劑抽提微生物DNA以作為PCR反應(yīng)的模板,測(cè)試分析采用的通用引物為細(xì)菌16Sr DNA:F (5′-AGAGTTTGATCCTGGCTCAG-3′)和R (5′-CAKAAAGGAGGTGATCC-3′).

2結(jié)果與討論

2.1有機(jī)碳源對(duì)總氮去除速率的影響

圖1　以葡萄糖、甲醇和鄰苯二甲酸氫鉀為電子供體時(shí)總氮的去除情況(其中(E)為實(shí)驗(yàn)值,(C)為計(jì)算擬合值)

C/Nα電子供體kPearson'sR24∶10.33葡萄糖0.960.967甲醇0.960.941鄰苯二甲酸氫鉀0.560.96310∶10.83葡萄糖0.620.995甲醇0.620.992鄰苯二甲酸氫鉀0.580.992

k單位:α=0.33時(shí)為(mg·L-1)0.87·h-1,α=0.83時(shí)為(mg·L-1)0.17·h-1

當(dāng)C/N比為4時(shí),無(wú)論以哪種有機(jī)物作為電子供體,其反硝化速率都較低.此時(shí)的反應(yīng)級(jí)數(shù)為α=0.33,以葡萄糖和甲醇為電子供體時(shí),其TN去除速率常數(shù)均為0.96 (mg·L-1)0.87·h-1,而以鄰苯二甲酸氫鉀為電子供體時(shí),其常數(shù)為:0.56 (mg·L-1)0.87·h-1.即以葡萄糖和甲醇為碳源時(shí),TN去除速率比以鄰苯二甲酸氫鉀時(shí)高出71%.

當(dāng)C/N=10時(shí),總氮去除速率明顯提高,此時(shí)的反應(yīng)級(jí)數(shù)提高到了0.83,以葡萄糖和甲醇為電子供體時(shí),其TN去除速率常數(shù)均為0.62 (mg·L-1)0.87·h-1,以鄰苯二甲酸氫鉀為電子供體時(shí),其常數(shù)為:0.58 (mg·L-1)0.87·h-1.此時(shí),不同有機(jī)物作為電子供體時(shí),他們對(duì)TN去除速率的效率較為接近.這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,當(dāng)有機(jī)碳源充足時(shí),有機(jī)物種類的影響不是主要的.而當(dāng)C/N較小時(shí),有機(jī)物種類對(duì)TN的去除速率影響較大.

當(dāng)反應(yīng)器HRT為12 h時(shí),以葡萄糖、甲醇和鄰苯二甲酸氫鉀為電子供體的總氮及硝酸鹽氮去除情況如圖2所示.C/N=10時(shí),葡萄糖、甲醇和鄰苯二甲酸氫鉀的總氮及硝酸鹽氮去除率分別為95.2%、95.4%、99.7%和95.4%、100%、100%;當(dāng)反應(yīng)器HRT為12 h、C/N=4時(shí),葡萄糖、甲醇和鄰苯二甲酸氫鉀的總氮及硝酸鹽氮去除率分別為47.6%、57.9%、37.4%和66.5%、58.4%、40.2%.可見,C/N=10時(shí)不同電子供體的TN和NO3-的去除基本同步;C/N=4時(shí)甲醇和鄰苯二甲酸氫鉀則基本同步,但以葡萄糖為底物的反應(yīng)器中的NO3-的去除率比TN去除率多出18.9%,表明葡萄糖為底物時(shí)NO3-雖然降解了,但并未被反硝化脫氮,這18.9%的轉(zhuǎn)化后的NO3-可能以NO2-或NH4+的形式表現(xiàn)在TN中.因此,雖然從動(dòng)力學(xué)角度看C/N=4時(shí)葡萄糖和甲醇的TN去除動(dòng)力學(xué)常數(shù)k均為0.96,但從NO3--N反硝化轉(zhuǎn)化率看,甲醇和鄰苯二甲酸氫鉀作為電子供體時(shí)的NO3-和TN的去除基本同步,脫氮效率明顯高于葡萄糖;C/N=10時(shí),可能源于同化作用時(shí)需要消耗更多的N源,NO3-和TN的去除在整個(gè)反應(yīng)過程中同步進(jìn)行,反應(yīng)結(jié)束時(shí)去除率介于95%~100%,NO3-和TN同步消耗殆盡.推測(cè)由于碳氮比較高,底物氮源同化作用較強(qiáng),在TN的去除上,不同的電子供體間沒有顯示出明顯差異.

圖2　葡萄糖、甲醇和鄰苯二甲酸氫鉀為電子供體時(shí)總氮及硝酸鹽氮的去除

2.2有機(jī)碳源微生物群落分布之間的關(guān)系

反應(yīng)器中微生物樣品A、B與C中的細(xì)菌基因組DNA抽提后進(jìn)行PCR擴(kuò)增,擴(kuò)增產(chǎn)物經(jīng)電泳分離純化后克隆到PMD18-T載體上.為了鑒定活性污泥的菌種組成,所有樣品隨機(jī)挑選了100個(gè)克隆測(cè)序.測(cè)序結(jié)果根據(jù)GenBank數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行BLAST比對(duì)(http://blast.ncbi.nlm.nih.gov/Blast.cgi).

從表2的3個(gè)樣本的測(cè)序分析結(jié)果可以看出,葡萄糖為碳源的活性污泥克隆樣本中的微生物群落種類較為豐富,統(tǒng)計(jì)測(cè)序結(jié)果得出總共有31個(gè)相關(guān)菌種;甲醇為碳源的活性污泥克隆樣本中檢出不同菌屬25種;鄰苯二甲酸氫鉀為碳源的活性污泥克隆樣本中檢出了不同菌屬19種.Glc樣本、MeOH樣本、KHP樣本的優(yōu)勢(shì)菌屬占比分別如圖3所示.

在Glc、MeOH及KHP的3個(gè)污泥克隆樣本中Anaerolineathermophile菌株的檢出占比分別為10%、4%、8%,為典型的嗜熱厭氧菌屬;3個(gè)污泥克隆樣本中菌株RhodopirellulabalticaSH1的檢出占比分別為2%、8%、6%,為浮霉菌門的紅小梨形菌屬,是一種專性厭氧產(chǎn)氫菌[11].Thioalkalivibriosp.K90mix在3個(gè)樣本中的檢出比分別為2%、2%、2%,該菌屬為專性化能自養(yǎng)微生物,可產(chǎn)生亞硝酸還原酶,說明3個(gè)處于厭氧狀態(tài)的反應(yīng)器中均存在微生物的對(duì)NO3-的脫氮行為[12].此外,3個(gè)樣本中均含有Paracoccusdenitrificans、Aromatoleumaromaticum、Mesorhizobiumsp.等各類反硝化菌屬[13].表明3個(gè)序批式反應(yīng)器厭氧狀態(tài)良好,并且存在微生物的脫氮行為.3個(gè)樣本中AlkaliphilusmetalliredigensQYMF的占比分別為5%、8%、3%,表明有機(jī)物降解通過堿性無(wú)氧呼吸進(jìn)行[14],而無(wú)氧呼吸的特點(diǎn)是以無(wú)機(jī)氧化物為最終電子受體,如NO3-、SO42-、CO2等,從而也可判斷出系統(tǒng)的反硝化行為.

表2　不同碳源微生物樣品中微生物群落分布

在以MeOH和KHP為電子供體的污泥樣本中,Thauerasp. MZ1T的占比分別達(dá)到25%和36%,Glc樣本中僅為2%.Thauerasp. MZ1T已知可以以硝酸鹽為電子受體,并以多種芳香族有機(jī)物為電子供體進(jìn)行反硝化反應(yīng),使厭氧反應(yīng)產(chǎn)生的部分有機(jī)物中間產(chǎn)物被反硝化反應(yīng)利用,降低了有機(jī)物在厭氧環(huán)境中被轉(zhuǎn)化為甲烷的總量[15].Glc樣本中雖然Thauerasp. MZ1T不是優(yōu)勢(shì)菌屬,但其CandidatusAccumulibacterphosphatisclade的占比最高,為29%;在MeOH樣本及KHP樣本中,CandidatusAccumulibacterphosphatis的占比也分別達(dá)到9%及22%,均為優(yōu)勢(shì)菌株.本實(shí)驗(yàn)配水中始終保持N ∶P為5 ∶1的比例,由于反應(yīng)器處于良好的厭氧狀態(tài),氮磷的供給均為過量,已知CandidatusAccumulibacterphosphatis是反硝化除磷系統(tǒng)中的典型優(yōu)勢(shì)菌屬,在厭氧條件在體內(nèi)儲(chǔ)存過量的磷酸鹽,同時(shí)以硝酸鹽為電子受體進(jìn)行反硝化脫氮[16-17].因此,從微生物群落特點(diǎn)也可以判斷出反應(yīng)器底物中存在充分的氮磷營(yíng)養(yǎng),在3個(gè)不同有機(jī)底物的反應(yīng)器內(nèi)均積累了大量的厭氧反硝化除磷微生物.

圖3　不同電子供體污泥樣本中優(yōu)勢(shì)菌屬分布情況

從部分被檢出的菌株的生長(zhǎng)代謝特點(diǎn),也可以分析了解其對(duì)反應(yīng)器中有機(jī)物的降解的特點(diǎn)及基本降解途徑.Pedobacterheparinus在MeOH樣本及KHP樣本中的占比均為6%,為優(yōu)勢(shì)菌屬,但在Glc樣本中未檢出,該細(xì)菌是最先被分離鑒別的可以利用肝磷酯作為唯一碳源和氮源而生長(zhǎng)的鞘脂桿菌科菌屬,可以產(chǎn)生多種裂解酶,包括可以降解黏多糖的酶類[18],有利于有機(jī)物及其中間產(chǎn)物的分解.在污泥樣本MeOH中Aromatoleumaromaticum達(dá)7%,屬優(yōu)勢(shì)菌株.該菌株是含有短鏈醇脫氫酶的反硝化細(xì)菌,可以對(duì)各種有機(jī)醇類進(jìn)行脫氫氧化[19],說明甲醇底物降解是通過甲醇脫氫氧化為不飽和烴甲醛的這一途徑進(jìn)行的.而在Glc、MeOH及KHP樣本中Beijerinckiaindicasubsp.的檢出占比分別為2%、4%、4%,Beijerinckiaindica是典型的甲烷營(yíng)養(yǎng)型菌屬,甲烷營(yíng)養(yǎng)型菌屬通常被分為I型和II型.Beijerinckiaindica為II型甲烷氧化菌,僅以甲烷、甲醇為唯一的碳源和能源進(jìn)行生長(zhǎng),但也有研究發(fā)現(xiàn)這一菌屬中存在兼性營(yíng)養(yǎng)型甲烷氧化菌可以利用乙酸等基質(zhì)[20].本研究中采用的3個(gè)反應(yīng)器均處于隔絕空氣狀態(tài),系統(tǒng)的微生物菌落結(jié)構(gòu)也證明了反應(yīng)器的厭氧環(huán)境良好,反應(yīng)系統(tǒng)中的甲烷氧化菌氧化有機(jī)物的氧來(lái)源僅能依靠配水中的NO3-提供,因此可以判斷甲烷氧化菌Beijerinckiaindica通過利用硝酸鹽中的氧將甲烷進(jìn)行單加氧反應(yīng)生成甲醇,再氧化為甲醛;然后甲醛可通過絲氨酸途徑同化,或被氧化為甲酸后再礦化為二氧化碳[21-22].

另外,在反應(yīng)系統(tǒng)中還檢出一些特殊菌屬,如Glc、MeOH樣本中檢出了Acidimicrobiumferrooxidans菌株,屬于放線菌門酸微菌目的酸微菌屬.嗜酸細(xì)菌通常以硫和亞鐵營(yíng)自養(yǎng)生活,可以以氫作為電子供體生長(zhǎng)[23],而A.ferrooxidans可在葡萄糖酵母提取物等底物中混合營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)[24].在MeOH樣本中占比4%的約氏黃桿菌Flavobacteriumjohnsoniae具有分泌內(nèi)切酶進(jìn)行催化水解的能力[25].此外,3個(gè)樣本中分別檢測(cè)出1%~3%的脫鹵菌屬Dehalococcoidessp.,是含有鹵代有機(jī)物的底物中的常見菌屬[26],但其在厭氧脫氮反應(yīng)系統(tǒng)中的功能有待研究.總體上看,污泥樣本中的微生物菌落檢出情況可以反應(yīng)出反應(yīng)器的運(yùn)行狀況,3個(gè)反應(yīng)器中厭氧菌群、硝化及反硝化菌群特征明顯;Aromatoleumaromaticum、CandidatusAccumulibacterphosphatis等菌屬的存在也反映出底物磷過剩和底物種類的影響;Beijerinckiaindicasubsp.可以看出厭氧過程進(jìn)行到了產(chǎn)甲烷過程.因此,從微生物群落分布特征可以對(duì)反應(yīng)器運(yùn)行狀況作出定性的判斷.

從底物電子供體分析,在3個(gè)樣本中檢出的相同菌屬共有15種,分別占3個(gè)系統(tǒng)中克隆數(shù)量的70%、80%、92%,不同電子供體的反應(yīng)器中微生物群落分布相近.但從優(yōu)勢(shì)菌屬的角度來(lái)看,甲醇和鄰苯二甲酸氫鉀為電子供體的污泥樣本相似度較高,MeOH/KHP樣本間存在4種相同的優(yōu)勢(shì)菌屬,重疊率達(dá)46%;對(duì)比其他樣本僅存在2種相同的優(yōu)勢(shì)菌屬,Glc/MeOH及Glc/KHP樣本間優(yōu)勢(shì)菌屬的重疊率僅為14%及30%.

從反應(yīng)系統(tǒng)的NO3-脫氮轉(zhuǎn)化率看,C/N=4時(shí)不同電子供體的TN去除率在37.4%~57.9%之間,MeOH和KHP為電子供體時(shí)TN和NO3-的去除率同步進(jìn)行,但Glc為電子供體的反應(yīng)器NO3-的去除率比TN去除率多出18.9%,硝酸鹽反硝化率較低.不同污泥樣本克隆中檢出的可進(jìn)行反硝化行為的菌屬包括Paracoccusdenitrificans、Aromatoleumaromaticum、CandidatusAccumulibacterphosphatis、Paracoccusdenitrificans、Thauerasp. MZ1T以及Thioalkalivibriosp.、Mesorhizobiumsp.,在Glc樣本、MeOH樣本和KHP樣本中的占比分別為39%、46%、63%,Glc為電子供體時(shí)微生物群落中反硝化菌群的占比相對(duì)較低;污泥樣本分析也表明MeOH/KHP樣本間優(yōu)勢(shì)菌屬重疊率高達(dá)46%.由此可見微生物群落的分布可以反映出反應(yīng)器的運(yùn)行效率和生化反應(yīng)系統(tǒng)的差異性.

3結(jié)論

(1) 從總氮降解速率看,以葡萄糖和甲醇為電子供體,當(dāng)C/N=4時(shí),TN去除速率常數(shù)比以鄰苯二甲酸氫鉀為電子供體時(shí)高出71%,可能源于葡萄糖和甲醇的生物易降解性;而鄰苯二甲酸氫鉀不屬于易生物降解碳源,成為TN去除速率的限制因素.當(dāng)C/N=10時(shí),葡萄糖、甲醇、鄰苯二甲酸氫鉀的TN去除速率常數(shù)沒有明顯差異,推測(cè)由于碳氮比較高,氮源底物同化作用較強(qiáng),不同電子供體間未體現(xiàn)出反硝化差異.

(2) 從硝酸鹽氮的脫氮轉(zhuǎn)化率看,當(dāng)反應(yīng)器HRT為12 h時(shí),C/N=10時(shí)不同電子供體的TN和NO3-的去除基本同步,可能亦是受到氮源底物同化作用較強(qiáng)的影響.C/N=4時(shí),葡萄糖和甲醇的TN去除動(dòng)力學(xué)常數(shù)k均為0.96,但從轉(zhuǎn)化后的NO3-的脫氮率看,甲醇和鄰苯二甲酸氫鉀作為電子供體時(shí)的NO3-和TN的去除率基本相同,脫氮率明顯優(yōu)于葡萄糖;葡萄糖作為電子供體的反應(yīng)器中存在約18.9%的轉(zhuǎn)化后的NO3-未能進(jìn)行反硝化脫氮.

(3) 污泥樣本中的微生物菌落檢出情況可以反應(yīng)出反應(yīng)器的運(yùn)行狀況,3個(gè)反應(yīng)器中厭氧菌群、硝化及反硝化菌群特征明顯;Aromatoleumaromaticum、CandidatusAccumulibacterphosphatis、Beijerinckiaindicasubsp.等菌屬的存在反映出反應(yīng)系統(tǒng)的底物磷過剩、厭氧產(chǎn)甲烷過程以及電子供體種類特征等特點(diǎn).因此,從微生物群落分布特征可以對(duì)反應(yīng)器運(yùn)行狀況作出定性的判斷.

(4) 從反應(yīng)系統(tǒng)硝酸鹽氮的脫氮轉(zhuǎn)化率看,C/N=4時(shí)MeOH和KHP為電子供體時(shí)TN和NO3-的硝酸鹽反硝化率介于95%~100%,去除率基本同步;而Glc為電子供體的反應(yīng)器中NO3-的去除率比TN去除率高了18.9%,可見Glc為電子供體的硝酸鹽反硝化率較低.同時(shí),Glc為電子供體時(shí)微生物群落中反硝化菌群的占比最低,而MeOH/KHP樣本間優(yōu)勢(shì)菌屬重疊率最高.由此可見,微生物群落的分布可以反映出反應(yīng)器的運(yùn)行效率和生化反應(yīng)系統(tǒng)的差異性.

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(責(zé)任編輯：郁慧)

Effects of electron donor on biological nitrogen removal efficiency andmicrobial community distribution of anaerobic biological system

ZHU Chunyi, HUANG Xuebin, GUO Cuixiang,YAN Ning, ZHANG Yongming

(College of Life and Environmental Sciences,Shanghai Normal University,Shanghai 200234,China)

Abstract:Glucose (Glu),methanol (MeOH) and potassium hydrogen phthalate (KHP) were in dividually used as electron donor for anaerobic denitrification of NO3--N and C/N ratio was respectively set as 4∶1 and 10∶1 electron donor for each.The experimental results show that Glu and MeOH have similar total nitrogen (TN) removal rates had which are higher than that of KHP under C/N ratias of both 4∶1 and 10∶1.The TN removal rates with Glu and MeOH as electron donors are higher by 71% than that with KHP at C/N of 4∶1,but the difference decreases to 7% at C/N of 10∶1.For the different electron donors,microbiological communities gave obvious characteristics in their in activated sludge systems,in which the electron donors corresponded to their in dividual advantage anaerobic,nitrifying and denitrifying bacteria,and reflected system difference.

Key words:electron donor; denitrification; biological nitrogen removal; microbial community

中圖分類號(hào):X 506

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào):1000-5137(2016)01-0094-09

通信作者:閻寧,中國(guó)上海市徐匯區(qū)桂林路100號(hào),上海師范大學(xué)生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,郵編:200234,E-mail:yn3258@shnu.edu.cn

基金項(xiàng)目:上海師范大學(xué)校級(jí)項(xiàng)目(SK201232)

收稿日期:2015-05-25