UASB系統(tǒng)的丙酸互營降解特征及群落生態(tài)調節(jié)機制研究.pdf

1、丙酸是有機廢水厭氧生物處理過程中重要的中間代謝產(chǎn)物之一,它的積累對厭氧生物處理系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性和處理效能均具有顯著的限制作用。溫度、水力停留時間(HRT)和pH是廢水厭氧生物處理工藝中常見的運行控制參數(shù),也是影響厭氧微生物增殖代謝的重要生態(tài)因子。深入了解這些生態(tài)因子變化對厭氧生物處理系統(tǒng)中丙酸互營降解的影響和機理,有助于系統(tǒng)的優(yōu)化調控,保障系統(tǒng)更加高效穩(wěn)定地運行。
　　本文以典型厭氧生物處理反應器,即升流式厭氧污泥床(UASB)反

2、應器的調控運行為基礎,以丙酸為唯一碳源,分別考察了溫度降低、HRT縮短和pH降低等脅迫條件下UASB中丙酸互營降解的特征。采用聚合酶鏈式反應-變性梯度凝膠電泳(PCR-DGGE)指紋分析技術和實時熒光定量PCR技術分析了UASB系統(tǒng)中參與丙酸降解的主要功能菌群隨環(huán)境變化的演替規(guī)律,探討了UASB系統(tǒng)中互營丙酸氧化菌群(丙酸氧化菌群和產(chǎn)甲烷菌群)演替與丙酸降解特征之間的內(nèi)在聯(lián)系,揭示了脅迫條件下丙酸互營降解的群落生態(tài)調節(jié)機制。
　　

3、UASB啟動并在進水丙酸濃度2000mg/L、HRT10h、35℃條件下達到穩(wěn)定運行后,首先考察了溫度逐級降低對UASB系統(tǒng)中丙酸互營降解特征的影響。結果表明,在35℃和30℃條件下,UASB系統(tǒng)的丙酸去除率為92％以上;當溫度從30℃降低為25℃后,UASB經(jīng)過6d的延續(xù)運行,其丙酸去除率亦可恢復到35℃時的水平;溫度降低為20℃和18℃時,系統(tǒng)對丙酸的去除能力受到了顯著影響,其穩(wěn)定期的丙酸去除率比35℃時分別降低了6.1%和19.0

4、%。HRT縮短對UASB的丙酸互營降解有一定的沖擊作用,但不會顯著影響系統(tǒng)的丙酸去除能力。在進水丙酸濃度2000mg/L條件下,每次HRT縮短都會造成系統(tǒng)中丙酸和乙酸的短期積累,但經(jīng)過一段時間的連續(xù)運行后,UASB均能重新達到穩(wěn)定運行狀態(tài),在HRT10h、8h、6h和4h的運行穩(wěn)定期,其丙酸去除率分別為96.9%、95.5%、94.7%和94.1%。不同于溫度和HRT脅迫,pH降低顯著抑制了UASB系統(tǒng)的丙酸去除效能。在進水丙酸為200

5、0mg/L、HRT6h條件下,反應區(qū)pH控制為7.5-6.8時,UASB系統(tǒng)對丙酸的去除率保持在93.6%以上。當污泥床pH分階段由6.8降低為4.5時,污泥床對丙酸去除的貢獻率隨pH降低而降低,而懸浮層對丙酸去除的貢獻率卻隨污泥床pH的降低而升高。在污泥床pH4.0條件下,系統(tǒng)嚴重酸化,丙酸互營氧化能力喪失。
　　在溫度、HRT和pH的脅迫作用下,UASB系統(tǒng)中的微生物群落結構發(fā)生了一定的改變。當溫度從35℃逐級降低至18℃時,

6、參與丙酸降解的互營丙酸氧化菌群的組成幾乎沒有發(fā)生變化,但優(yōu)勢菌群的數(shù)量卻發(fā)生了顯著變化。在溫度從35℃逐級降低至18℃過程中,丙酸氧化菌Pelotomaculumschinkii始終具有優(yōu)勢地位,但其數(shù)量在溫度低于25℃時大幅度減少;而主要產(chǎn)甲烷菌Methanosaeta和Methanospirillum的數(shù)量在18℃條件下卻顯著增加。HRT縮短和pH降低均使得UASB系統(tǒng)中的主要優(yōu)勢丙酸氧化菌從P.schinkii逐漸演替為S.pro

7、pionica。HRT縮短并沒有使產(chǎn)甲烷菌的組成發(fā)生明顯的演替,但氫營養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌隨著pH降低發(fā)生了顯著演替。
　　UASB系統(tǒng)對不同脅迫因子表現(xiàn)出不同的群落生態(tài)調節(jié)機制,盡可能維持系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性和丙酸去除效能。在溫度降低時,UASB系統(tǒng)可通過主要功能菌群數(shù)量的自我調節(jié)和生物量的增加來彌補溫度降低造成的代謝位能的不足,從而使系統(tǒng)得以維系較高的丙酸互營降解能力。在HRT脅迫條件下,UASB可通過優(yōu)勢丙酸氧化菌群數(shù)量的增加、生物量的