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不同季節(jié)的微生物結(jié)構(gòu)對垃圾滲濾液處理影響

2022-10-28 03:42孫宇飛尹思雨鄧冬梅
廣西科技大學(xué)學(xué)報 2022年4期
關(guān)鍵詞:硝化濾液去除率

黃 磊,孫宇飛,尹思雨,鄧冬梅

(廣西科技大學(xué) 生物與化學(xué)工程學(xué)院,廣西 柳州 545005)

0 引言

垃圾滲濾液是垃圾填埋后長期存在的副產(chǎn)物,其典型的污染物包括高濃度的溶解有機物、銨態(tài)氮、無機鹽和各種懸浮固體。由于缺乏可生物降解的有機碳源,垃圾滲濾液被認(rèn)為是一種難以處理的廢水。生物脫氮是目前垃圾滲濾液降解的主流工藝,現(xiàn)有的生物脫氮工藝包括硝化反硝化工藝、內(nèi)源性反硝化工藝和氨氧化工藝等。其中硝化和反硝化工藝被認(rèn)為是目前最經(jīng)濟的廢水生物脫氮處理技術(shù),并用于垃圾填埋場的初期處理中。硝化反硝化過程是在硝化菌和反硝化菌存在的情況下將氨氮轉(zhuǎn)化成為氮氣,最終從水中逸出,從而達(dá)到生物脫氮的目的。由于硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌所處的環(huán)境不同,通常硝化反應(yīng)過程需要好氧條件,而反硝化反應(yīng)過程則是在缺氧條件下進行;因此,需要將硝化和反硝化過程分開。單級A/O工藝預(yù)計不足以進行滲濾液處理,研究結(jié)果表明采用多級工藝處理可以達(dá)到較好的處理效果。多級工藝處理即在同一個處理系統(tǒng)中串聯(lián)多個缺氧段(A)和好氧段(O),一個缺氧段和一個好氧段構(gòu)成一級反應(yīng)器,一套污水系統(tǒng)通常包含2~5個反應(yīng)器。多級硝化反硝化具有碳源利用率高,去除效果好的特點,而且缺氧段與好氧段的交替運行,能夠不斷地進行硝化與反硝化反應(yīng),缺氧段產(chǎn)生的堿度可以補充好氧段消耗的堿度。另外缺氧前期的反硝化利用了大量碳源,進入好氧階段的碳源相對較少,也可以抑制異養(yǎng)菌的生長,從而利于自養(yǎng)型硝化菌生長。膜生物反應(yīng)器(MBR)是膜分離技術(shù)與傳統(tǒng)活性污泥法相組合的新型污水處理工藝技術(shù),具有出水水質(zhì)好、占地面積小、剩余污泥少、易于控制和改造等優(yōu)點;因此,MBR 已被應(yīng)用于城市污水處理、工業(yè)廢水處理、微污染飲用水凈化、填埋場和焚燒廠滲濾液處理等方面。將多級A/O 反應(yīng)器與MBR組合,可以實現(xiàn)氨氮高效去除的目的,適合應(yīng)用于城市垃圾滲濾液的大量處理。

在利用硝化反硝化處理垃圾滲濾液過程中,反應(yīng)池中微生物是處理的關(guān)鍵因素,不同地區(qū)的垃圾滲濾液的組成和水質(zhì)的處理量也有所差異,這導(dǎo)致反應(yīng)池中的微生物結(jié)構(gòu)也將不同。環(huán)境因素影響水處理的效果,比如溫度和水質(zhì)變化會影響到水處理系統(tǒng)的微生物組成。在以往的其他水處理系統(tǒng)中,發(fā)現(xiàn)微生物的結(jié)構(gòu)主要受季節(jié)影響,北半球的夏季溫度較高,優(yōu)勢菌屬的豐富度要比冬季的優(yōu)勢菌屬要高,微生物的結(jié)構(gòu)也存在差異。冬季低溫會對微生物的數(shù)量和群落構(gòu)成產(chǎn)生影響,延長系統(tǒng)的啟動時間、限制垃圾滲濾液污水處理效率等。認(rèn)識垃圾滲濾液處理工藝中的微生物和水質(zhì)去除的關(guān)系是了解水處理本質(zhì)的關(guān)鍵,這將有助于水處理過程的設(shè)計和工藝優(yōu)化。

為了解不同季節(jié)溫度下垃圾滲濾液處理池中的微生物結(jié)構(gòu)組成和對水質(zhì)去除的影響,本試驗分別在夏季和冬季從柳州某垃圾滲濾液污水處理廠生物反應(yīng)池中采樣,通過理化測定分析水質(zhì)處理效果和高通量測序測定微生物的組成,探究不同季節(jié)生物池中的群落結(jié)構(gòu)對垃圾滲濾液處理結(jié)果的影響,為以后的垃圾滲濾液處理提供一定的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 樣品采集測定方法

從柳州某垃圾滲濾液污水處理廠中收集生物樣品,該垃圾滲濾液污水處理廠工藝流程如圖1所示,污水處理廠采用硝化反硝化處理工藝,污水處理量約為600 t/d,生物反應(yīng)池由2 級A/O+MBR 相結(jié)合,預(yù)處理后通過I級反硝化池后進入硝化池,之后再進入Ⅱ級硝化池和反硝化池。本次樣品采集時間為9 月和12 月,由于硝化和反硝化池中的大量回流導(dǎo)致在物種組成和結(jié)構(gòu)上并無太大差異,所以將I級硝化池和反硝化池歸為I級反應(yīng)池,Ⅱ級硝化池和反硝化池歸為Ⅱ級反應(yīng)池。采樣點為I級反應(yīng)池和Ⅱ級反應(yīng)池2 個串聯(lián)系統(tǒng),每個反應(yīng)池取1 000 mL 的泥水混合樣。每次取I級硝化反硝化池和Ⅱ級硝化反硝化池各2 個樣品,每個季節(jié)取4 個時間點。其中夏季取樣16 個,冬季16個,總共32 個樣品,取樣后對每個樣品進行3 次平行測試。采樣信息如表1所示。

圖1 垃圾滲濾液污水處理工藝圖

表1 采樣信息

水質(zhì)指標(biāo)參數(shù)化學(xué)需氧量(COD)通過重鉻酸鉀法測定(GB 11914—89),氨氮(NH—N)測定使用納氏試劑比色法(HJ 535—2009),硝酸鹽氮(NO—N)通過酚二磺酸分光光度法測定(GB/T 7480—1987),亞硝酸鹽氮(NO—N)通過分光光度法測定(GB/T 7493—1987)。

1.2 樣品的預(yù)處理及提取DNA

將采集的泥水混合樣取100 mL 進行離心,得到沉淀的污泥,用Powersoil 土壤DNA 提取試劑盒來提取污泥中的總DNA。所提取的DNA 溶液,使用瓊脂糖凝膠電泳檢測DNA純度。取適量DNA溶液,使用Nanodrop 檢測DNA 濃度。用通用引物515F(5′-GTGCCAGCMGCCGCGGTAA-3′),806R(5′-GGACTACHⅤGGGTWTCTAAT-3′)進行PCR 擴增。PCR反應(yīng)條件:94 ℃預(yù)變性5 min,94 ℃變性30 s,52 ℃退火30 s,72 ℃延伸45 s,72 ℃延伸10 min,30個循環(huán),完成后利用瓊脂糖凝膠電泳檢測擴增產(chǎn)物。根據(jù)PCR產(chǎn)物的濃度,將各樣品進行等濃度混樣?;鞓赢a(chǎn)物利用瓊脂糖凝膠電泳進行檢測,并切膠回收產(chǎn)物。最后通過Illumina Hiseq 2500測序平臺對樣品進行細(xì)菌16SrDNA 高通量測序。

1.3 數(shù)據(jù)分析

用Qiime將測序得到的序列在97%相似度水平下進行聚類和注釋,并分別在各個分類水平統(tǒng)計各樣本的群落組成與OTU 信息。樣本微生物多樣性指數(shù)算法參考計算Chao 指數(shù)和Shannon 指數(shù),通過比對夏季和冬季2 個時間點的多樣性,計算差異性并作圖。利用R 語言Prcomp 函數(shù)對門水平和屬水平進行樣本主成分分析(principal component analysis,PCA)和作圖。對不同季節(jié)反應(yīng)池中微生物群落進化分支進行LEfSe 分析,線性判別分析(LDA)閾值設(shè)為2。分別對門水平和屬水平豐度大于1%的物種繪制物種組成圖。

2 結(jié)果和分析

2.1 不同季節(jié)的進水水質(zhì)及污染物去除效果分析

化學(xué)需氧量(COD)和氮含量是評估垃圾滲濾液的2 個重要指標(biāo),也是垃圾滲濾液需要去除的2 個重要污染物,圖2 是I/Ⅱ級反應(yīng)池中2 個季節(jié)的COD、NH—N、NO—N 和NO—N 的進水質(zhì)量濃度對比。I級反應(yīng)池COD 的進水質(zhì)量濃度范圍是12 480~12 590 mg/L,夏季進水質(zhì)量濃度低于冬季,Ⅱ級反應(yīng)池COD 的進水質(zhì)量濃度范圍是1 309~1 320 mg/L。NH—N 的2 個季節(jié)進水差異較大,夏季進水質(zhì)量濃度要高于冬季進水質(zhì)量濃度,I級進水質(zhì)量濃度范圍是1 311~2 120 mg/L,Ⅱ級進水質(zhì)量濃度范圍是39~126 mg/L,2個季節(jié)進水具有顯著差異。NO—N和NO—N在2個季節(jié)的進水差異較小,I級反應(yīng)池NO—N進水質(zhì)量濃度夏季低于冬季,而NO—N冬季進水質(zhì)量濃度要略低于夏季。從I級反應(yīng)池對這幾個進水指標(biāo)的去除效果上看,COD、NH—N、NO—N冬季的去除率要大于夏季的去除率,NO—N夏季的去除率大于冬季。

圖2 (網(wǎng)絡(luò)版彩圖)反應(yīng)池進水水質(zhì)及污染物去除效果(**表示p <0.01)

圖2 (續(xù))

2.2 反應(yīng)池中細(xì)菌群落的α多樣性分析

對冬夏兩季收集的生物樣品進行高通量測序,所測的樣品中含有的多樣性指數(shù)如圖3所示。Chao指數(shù)是用來估計群落中含OTU 數(shù)目的指數(shù),常用來估計物種總數(shù),表示樣品的物種豐富度。在夏季和冬季2個季節(jié)中,2個反應(yīng)池中夏季的Chao指數(shù)高于冬季,并且具有顯著性差異(<0.05),說明夏季的物種豐富度高于冬季的物種豐富度,并且溫度影響了反應(yīng)池中的菌群豐富度(圖3(a))。Shannon指數(shù)是用來估算樣品中微生物的多樣性指數(shù)之一,數(shù)值越大,說明群落多樣性越高。在不同取樣時間的樣品中,2 個反應(yīng)池中夏季的Shannon 指數(shù)要高于冬季,所以夏季的群落多樣性高于冬季,這說明了溫度是影響群落多樣性的重要因素。

圖3 (網(wǎng)絡(luò)版彩圖)反應(yīng)池中夏季和冬季的物種多樣性和群落豐富度(**表示p <0.01)

2.3 垃圾滲濾液處理反應(yīng)池中細(xì)菌群落差異分析

PCA是基于原始的物種組成矩陣所做的排序分析,通過主成分分析方法對2個反應(yīng)池中不同取樣時間門水平和屬水平進行差異分析。圖4是門水平和屬水平上不同季節(jié)不同樣品之間微生物群落的PCA圖。圖4顯示微生物在門水平和屬水平上以季節(jié)聚類到一起,說明季節(jié)是影響物種組成的重要因素,2個反應(yīng)池中的物種差異性小,溫度對微生物群落的差異性起到更大作用。在門水平上,PCA結(jié)果顯示PC1和PC2占菌門的47.7%和11.2%的解釋量,此時整體的菌門主要是按季節(jié)分布的,但在冬季的2個樣品偏向夏季,這說明在門水平上還是具有一定的組成相似性。在屬水平上,PCA結(jié)果顯示2個季節(jié)的樣品距離更遠(yuǎn),說明屬水平的差異性更大。

圖4 (網(wǎng)絡(luò)版彩圖)基于PCA不同季節(jié)細(xì)菌微生物群落差異性

圖4 (續(xù))

對不同季節(jié)和不同處理階段反應(yīng)池中優(yōu)勢微生物進化分支的LEfSe分析見圖5,從菌群結(jié)構(gòu)上看,反應(yīng)器在豐度上具有統(tǒng)計學(xué)差異的菌群,LDA 設(shè)為2,LEfSe 分析結(jié)果顯示各階段中的biomarker 分別為夏季I級反應(yīng)池1個,夏季Ⅱ級反應(yīng)池11個,冬季I級反應(yīng)池2個,冬季Ⅱ級反應(yīng)池20個。主要的差異物種主要體現(xiàn)在Ⅱ級反應(yīng)池中,冬季的顯著差異物種要大于夏季。

圖5 (網(wǎng)絡(luò)版彩圖)不同季節(jié)反應(yīng)池中微生物群落進化分支LEfSe分析

2.4 不同季節(jié)硝化反硝化池中細(xì)菌群落的組成和多樣性

在不同季節(jié)對I級和Ⅱ級反應(yīng)池進行取樣,在屬水平上對反應(yīng)池中的微生物多樣性進行分析。結(jié)果顯示夏季和冬季部分優(yōu)勢物種豐富度具有明顯差異,I級和Ⅱ級反應(yīng)池的微生物相對差異性較小(圖6)。屬水平的主要優(yōu)勢屬為陶厄氏菌屬()、甲烷食甲基菌屬()、懶小桿屬()、甲烷八疊球菌屬()和厭氧繩菌屬()等。是夏季和冬季最優(yōu)勢的菌屬,在夏季的豐富度為37.79%~48.54%,冬季的豐富度為84.52%~88.37%,2個季節(jié)的豐富度具有明顯差異。作為一類具有反硝化能力的革蘭氏陰性細(xì)菌,可將NO中的氮元素通過一系列中間產(chǎn)物(NO、NO、NO)還原為N,對氮元素的去除具有重要的作用。在夏季和冬季不同時間點的豐富度分別為9.06%~29.87%和0.81%~1.86%。而常存在于脫氮系統(tǒng)中,是一種具有反硝化功能的細(xì)菌,夏季的豐富度要大于冬季。在厭氧消化的產(chǎn)甲烷化作用和對氮元素的去除中發(fā)揮著重要的作用,其在夏季和冬季的豐富度分別為0.42%~1.94%和0.25%~0.93%。

圖6 (網(wǎng)絡(luò)版彩圖)不同季節(jié)反應(yīng)池中屬水平生物組成

3 討論

3.1 不同季節(jié)下反應(yīng)池對垃圾滲濾液的去除

2 個硝化反硝化池對水質(zhì)中COD、NH—N、NO—N 和NO—N 的去除中,NH—N 夏季和冬季的去除率分別為98.0%和99.4%,說明反應(yīng)池能夠高效地去除NH—N,這與反應(yīng)器中豐富的變形菌門有關(guān)(圖6)。COD夏季和冬季去除率為92.6%和93.7%。NO—N 的去除率略低,夏季和冬季為79.7%和77.8%;NO—N的去除最差,夏季和冬季為60.0% 和68.5%,結(jié) 合NH—N、NO—N 和NO—N 的去除,滲濾液中的總氮的去除率也達(dá)到了夏季的92.6%和冬季的93.5%,這些結(jié)果表明滲濾液中的污染物得到有效去除。在夏季和冬季中,反應(yīng)池對滲濾液中的COD、NH—N、TN 的去除效果并無太大區(qū)別,雖進水中如NH—N 的量具有差異性(夏季為2 011 mg/L,冬季為1 548 mg/L),但是最終的處理效果相近(為98.0%和99.4%),這表明溫度的變化對COD 和氮的去除結(jié)果影響較小。

3.2 不同季節(jié)下反應(yīng)池中的群落結(jié)構(gòu)

多樣性分析結(jié)果顯示不同組分的生物樣品夏季的Chao 指數(shù)和Shannon 指數(shù)均高于冬季,并且具有顯著差異(<0.05),這說明在垃圾滲濾液處理硝化反硝化反應(yīng)池中夏季的物種豐富度和菌落多樣性要高于冬季。溫度的變化對反應(yīng)池中的微生物多樣性產(chǎn)生重要影響,高的溫度對更多的微生物生長有利,所以夏季的物種豐富度和菌落多樣性明顯要高于冬季。在對反應(yīng)池中細(xì)菌群落進行差異分析時,PCA結(jié)果顯示夏季和冬季2個季節(jié)門水平和屬水平上是以季節(jié)為聚類的,來自2個反應(yīng)池之間的微生物聚類到了一起,說明在空間上的微生物差異性小,主要由季節(jié)溫度主導(dǎo)反應(yīng)池中細(xì)菌微生物組成和結(jié)構(gòu)。

對物種組成進行差異性分析,結(jié)果顯示差異的物種較少,其主要的差異物種主要體現(xiàn)在Ⅱ級反應(yīng)池中,冬季的顯著差異物種要大于夏季。在物種組成上,I級和Ⅱ級反應(yīng)池在物種豐富度上并無太大差異,這是硝化和反硝化池中的大量回流導(dǎo)致的結(jié)果。反應(yīng)池中的微生物在門水平的組成主要由變形菌門()、擬桿菌門()、疣微菌門()、綠彎菌門()、綠菌門()、OD1 菌門和廣古菌門()所主導(dǎo),不同菌門分布呈現(xiàn)明顯的季節(jié)特征。根據(jù)之前的研究發(fā)現(xiàn),是污水處理廠中最主要的微生物群,這對于高氮含量的垃圾滲濾液來說,該菌門在碳氮去除方面發(fā)揮著重要的作用。包含優(yōu)勢的屬和,具有反硝化能力,它們的存在說明在反應(yīng)池中起到重要的反硝化作用;是一種能夠產(chǎn)生甲烷的微生物,可將甲烷氧化并釋放出中間體,這些中間體可以作為共生細(xì)菌呼吸的電子供體。2個反應(yīng)池的在冬季的豐富度均高于夏季,并且差異顯著,說明該菌可以在溫度較低的時候發(fā)揮積極的作用,這也是冬季的氮去除率高于夏季的原因(圖2、圖3)。是除外豐富度最高的菌門,是環(huán)境中常見的水解-酸化細(xì)菌,可利用長鏈揮發(fā)性脂肪酸(例如丙酸和丁酸)作為底物,降解垃圾滲濾液中的許多大分子物質(zhì),例如碳水化合物、蛋白質(zhì)和脂質(zhì),并且將可溶性糖轉(zhuǎn)化為單糖和短鏈脂肪酸。在夏季的豐富度要高于冬季的豐富度,這對垃圾滲濾液中的大分子物質(zhì)的去除具有重要作用。相對于其他污水處理廠,是硝化反硝化池中比較特殊的優(yōu)勢菌門,且在反應(yīng)池中的豐富度較高,是2 個季節(jié)相差最大的一個菌類。據(jù)研究表明該菌類存在于低溫環(huán)境中,NO—N對Ⅴer豐富度有顯著影響,該菌與纖維素的厭氧降解有關(guān)且能夠降解有機物,這對冬季的垃圾滲濾液處理起重要作用。和是普遍存在于水處理系統(tǒng)中的2 個優(yōu)勢菌門,其夏季的豐富度要顯著高于冬季。該菌的作用是在缺氧條件下將EPS基質(zhì)中腐爛的細(xì)菌細(xì)胞物質(zhì)和細(xì)胞外肽分解成更簡單的有機物,例如乳酸和乙醇,其他物種可以利用它們進行新陳代謝,在此過程中產(chǎn)生NO—N 可作為厭氧氨氧化過程電子受體。此外,還能夠降解芳香族化合物(例如腐殖質(zhì)),這可能在難處理的有機物中起關(guān)鍵作用。和的優(yōu)勢屬分別為和,其中具有降解碳水化合物的功能,而是具有反硝化功能的一類細(xì)菌。是2 個季節(jié)反應(yīng)池中豐富度最高的古菌,其主要以為主,在厭氧硝化時的產(chǎn)甲烷化作用和氮元素的去除中發(fā)揮著重要的作用。結(jié)合水質(zhì)的去除和物種差異情況分析,表明垃圾滲濾液的處理效果和主要功能菌種相關(guān),與物種豐富度相關(guān)不大。

4 結(jié)論

1)不同季節(jié)垃圾滲濾液的NH—N、COD、NO—N、NO—N 均能得到良好去除,其中NH—N 在夏季和冬季的去除率達(dá)到了98.0%和99.4%,COD 在夏季和冬季的去除率也達(dá)到了92.6%和93.7%,NO—N 和NO—N 去除效果較差,反應(yīng)池在夏季對污染物的去除率要低于冬季。

2)溫度的變化影響反應(yīng)池中的物種豐富度,I級和Ⅱ級反應(yīng)池中微生物的差異性小,夏季的物種豐富度和菌落多樣性要高于冬季。

3)夏季和冬季反應(yīng)池中主要以、、、和為主,物種豐富度對不同季節(jié)的微生物對水質(zhì)的去除效果相關(guān)不大,主要和優(yōu)勢的功能菌屬有關(guān)。

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