UASB处理模拟酸性矿山废水后的污泥菌种分析

徐曼 刘祥
摘要:以呼和浩特市章盖营污水处理厂二沉池回流污泥为接种污泥,用模拟酸性矿山废水驯化后获得含硫酸盐还原菌(Sulfate-Reducing Bacterium,SRB)的厌氧污泥,将Cu2+、Zn2+、Ni2+和Cr6+四种重金属离子设定为UASB的主要处理污染物。在UASB装置底部侧管用离心管取污泥样品少许,经过离心,固定等前处理程序之后,利用扫描电镜观察并拍照、沉积污泥XRD分析和PCR-DGGE及测序分析方法对污泥菌种进行分析。实验结果表明,活性污泥中SRB呈杆状和球状,菌体外部大部分被白色沉淀覆盖;HRT 31 h出水pH 5时,群落的生物多样性高于活性恢复后状态;发酵产酸菌得以大量富集,UASB反应器处理效果恢复后,发酵产酸菌优势度降低,而脱硫弧菌属5,7(Desulfovibrio sp.)得以大量富集。
关键词:环境工程;硫酸盐还原菌;酸性矿山废水;SEM;DGGE
中图分类号:X703 文献标志码: A 文章编号:2095-672X(2018)07-0110-02
DOI:10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2018.07.064
Analysis of sludge strains after UASB treatment of simulated acid mine wastewater
Xu Man1, Liu Xiang2
(1. Inner Mongolia Environmental Monitoring Center Station, Hohhot Inner Mongolia 010011, China;
2. Inner Mongolia energy construction environmental monitoring co. LTD, Hohhot Inner Mongolia 010010, China)
Abstract:The recycling sludge in secondary sedimentation tank from Zhanggaiying (Huhhot) wastewater treatment plant was used as cultivated sludge to foster anaerobic sludge containing sulfate reducing bacteria (SRB) in a UASB reactor. Then the effect of heavy metal ions loading (Cu2+, Zn2+, Ni2+ and Cr6+) was investigated. At the bottom of the UASB device, getting a small number of sludge samples w from the centrifuge tube, after centrifugation,fixation and other pre-treatment procedures, The sludge strains were analyzed by SEM, XRD analysis, PCR-DGGE analysis and sequencing analysis. Results showed that In activated sludge, SRB is a rod and ball, and most of the outside of the bacteria is covered by white precipitation. When the pH was 5 and HRT was 31h, the biodiversity of the community was higher than that after the restoration of activity. The acid bacteria produced by fermentation were enriched in large amounts. After the treatment effect of the UASB reactor was restored, the advantage of the acid bacteria produced by fermentation was reduced, while the Desulfovibrio sp. was enriched in large amounts.
Key Words: environmental engineering; sulfate-Reducing bacteria; acid mine drainage; SEM; DGGE
酸性矿山废水(Acidic Mine Drainage,AMD)具有低pH值、含高浓度的硫酸盐和可溶性的重金属离子,pH值是水体中重金属离子含量的决定因素之一[1]。AMD在采矿工作完成之后仍能持续存在数百年,这使得其成为世界上众多的环境负债之一。应用化学中和法处理AMD耗资大并产生大量剩余污泥须通过垃圾填埋场进一步处理[2]。
硫酸盐还原菌(Sulfate Reducing Bacteria, SRB)是自然界中广泛存在的一类原核微生物,它们以硫酸盐为电子受体[3-5],消耗有机酸,生成的硫化物可与重金属生产不溶性沉淀,SRB处理AMD[6]可同时达到还原SO42-、提高废水pH及去除重金属的目的。
升流式厌氧污泥床(Up-flow Anaerobic Sludge Blanket,UASB)反应器利用生物凝聚作用和结块的结合机能,形成具有优良性能的颗粒状污泥,提高了污泥浓度,从而提高反应器的处理负荷和效率[7]。Rodriguez等[8](2012)利用UASB反应器研究酸性矿山废水中硫酸根的去除情况,在COD/SO42-=1,pH 3.87-4.01的条件下,硫酸根去除率为85.6%,COD去除率不大于68%。本研究重點考察重金属负荷对应用UASB反应器脱除有机物及硫酸根的影响规律,为含重金属离子的酸性矿山废水处理工艺参数选择和设计提供参考。
1 材料与方法
1.1 实验装置及操作条件
本实验所使用的UASB 反应器采用管径为80 mm,有效高度500 mm的有机玻璃管制成,有效容积约为2.5 L。UASB反应器温度通过恒温加热棒控制在(34±2) ℃。废水通过蠕动泵(保定兰格,BT-100)从UASB底部进水,流量1.6 L/d,产生的气体通过反应器内的三相分离器分离,出水经反应器顶部溢流。为提高传质效果使用蠕动泵(保定兰格,BT-100)从UASB反应器顶部到底部增加外回流,回流流量设定为273 L /d。反应阶段的运行参数见表1。
1.2 模拟废水和接种污泥
SRB需要有机物提供营养,肖利萍等[9](2014)研究表明,SRB最适宜的C/S值为1.5-2,酸性矿山废水有机物含量较低,因此需外加有机物,有机物可来自于高浓有机废水或者垃圾渗沥液或者剩余污泥发酵等。实验模拟进水COD/SO42-=1.85,模拟酸性废水组成:乳酸钠5 ml/L,Na2SO4 1.775 g/L,KH2PO4 0.044 g/L,NH4Cl 0.19 g/L,用分析纯浓盐酸调节进水pH。N、P 按照m(COD): m(N): m(P)=200:5:1的比例配置,配水中另加入适量微量元素以满足微生物细胞合成的需要,分别为FeSO4·7H2O800mg/L、CuSO4·7H2O 20mg/L、CoCl2·6H2O 2mg/L、Na2MoO4·2H2O100 mg/L、ZnSO4·7H2O 80mg/L、MnCl2·4H2O 400mg/L。
反应器接种污泥取自呼和浩特市章盖营污水处理厂二沉池回流污泥,试验接种污泥量为1.25 L,占反应器容积的50%,接种污泥(MLSS)浓度为2.5 g/L,MLVSS=1.9 g/L,MLVSS/ MLSS=0.76。污泥呈土黄色。初始无检测连续运行半个月,初始进水pH值为6,后续逐渐降低至4,与实际酸性矿山废水pH值接近。
1.3 实验的设计运行
由于酸性矿山废水的pH值基本在5以下,UASB系统在pH=4稳定运行
1.4 分析项目及方法
在UASB装置底部侧管用离心管取污泥样品少许,经过离心,固定,脱水,干燥以及离子溅射金前处理程序之后,利用扫描电镜观察并拍照。
沉积污泥XRD分析采用荷兰Panalytical公司生产的Empyream型X-射线粉末衍射仪。分析条件如下:Cu靶Ka能级,扫描范围2θ=10°-80°,温度为室温(25℃),电流为100 mA,加速的电压50 KV,采用连续扫描,扫描速度为5°/min。
污泥样品PCR-DGGE及测序分析,引物为细菌16SrDNA V3高变区F357和R518,反应体系为50ml总体积,ddH2O 41.25 μL,10×Buffer(含2.0 mmol MgCl2)5μL,dNTP(10mmol)1mL,F357-GC(10mmol)1mL,R518(10 mmol)1mL,Taq酶(5U/mL)0.25mL,模板DNA 0.5 mL。反应程序:94℃ 4 min预变性;94℃ 0.5 min;56℃ 1min;72℃ 0.5 min;30 Cycles,72℃延伸7min。取PCR产物各3mL,1.5%琼脂糖凝胶电泳,1×TAE缓冲液,120V稳压电泳30min,成像仪拍照。 选择有代表性的条带切胶测序(上海,生工)。
2 结果与讨论
SEM、XRD及功能菌种分析:
将HRT=31h的污泥样品经过处理后利用扫描电镜仪器拍照,结果如图1a所示,活性污泥中SRB呈杆状和球状,菌体外部大部分被白色沉淀覆盖。已报道的硫酸盐还原菌还原去除重金属的途径主要有SRB 利用S2?完成对重金属的还原或直接沉淀;利用表面的胞外聚合物 (EPS)直接对重金属的吸附,XRD分析表明,Cu2+绝大部分以硫化物的形式存在,即以CuS的形式存在;Zn2+以ZnS和Zn(OH)2的形式存在;Ni2+以NiS和Ni2S3的形式存在;Cr6+主要以Cr2S3的形式存在,即Cr6+通过S2?还原而脱除[10]。
图1 厌氧污泥SEM分析及DGGE分析HRT=31h
对HRT 31 h的出水pH 5时及活性恢复后的污泥样品进行DGGE及测序分析,结果表明(见表2),HRT 31 h出水pH 5时,群落的生物多样性高于活性恢复后状态(图1b), 出水pH 5时UASB厌氧污泥以类杆菌属2(Bacteroides)、绿脓假单胞菌3(pseudomonas aeruginosa)、韦荣球菌4(Veillonella)及梭状芽胞杆菌8(Clostridium sensu stricto )為优势菌,其中,韦荣球菌4(Veillonella)利用乳酸产生乙酸、丙酸、不发酵碳水化合物和多元醇[11];厌氧梭状芽孢杆菌8(Clostridium sensu stricto)是典型的发酵产酸菌,在厌氧产气反应器中大量存在[12],结果表明,酸性条件下,发酵产酸菌得以大量富集。UASB反应器处理效果恢复后,发酵产酸菌优势度降低,而脱硫弧菌属5,7(Desulfovibrio sp.)得以大量富集。
3 结论
本文研究利用扫描电镜观察并拍照、沉积污泥XRD分析和PCR-DGGE及测序分析方法对UASB法处理模拟酸性矿山废水之后的污泥中的功能菌种进行分析。结果表明,活性污泥中SRB呈杆状和球状,菌体外部大部分被白色沉淀覆盖;当HRT=31h、出水 pH= 5时,群落的生物多样性高于活性恢复后状态;发酵产酸菌得以大量富集,UASB反应器处理效果恢复后,发酵产酸菌优势度降低,而脱硫弧菌属5,7(Desulfovibrio sp.)得以大量富集。
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收稿日期:2018-06-05
作者简介:徐曼(1990-), 女, 助理工程师, 硕士, 研究方向为污水生物处理技术研究和环境监测。
刘祥(1989-),男,助理工程师,硕士,研究方向为环境政策研究及环境监测技术研究。