厭氧生物降解含藍藻細胞給水污泥中微囊藻毒素的效果及機理.pdf

1、近年來，由藍藻水華引起的微囊藻毒素(microcystins，MCs)次生污染已成為國內(nèi)外關(guān)注的熱點問題。當藍藻細胞在常規(guī)水處理工藝中被完整去除后，大部分被轉(zhuǎn)移到給水污泥中。隨著放置時間的增加，藻細胞被破壞，胞內(nèi)MCs就會釋放到周圍環(huán)境中，對人類的飲用水安全構(gòu)成嚴重威脅。因此，在給水污泥無害化處理工藝中，對藍藻細胞及其次生有毒物質(zhì)的去除尤為重要。目前，厭氧生物去除法因其操作簡單安全，成本低，且不易造成二次污染等優(yōu)點得到廣泛研究。而現(xiàn)有研

2、究僅局限于將湖泊、濕地以及地下水沉淀物作為接種物在缺氧或厭氧條件下來降解MCs，而對含藍藻細胞給水污泥中MCs降解效果及機理的研究較少。鑒于利用厭氧生物法降解MCs在含藍藻細胞給水污泥無害化處理中廣闊的應用前景，并結(jié)合國內(nèi)給水污泥處理現(xiàn)狀，本研究利用給水污泥中的土著微生物探索給水污泥中MCs的降解機理，以避免飲用水污泥處理工藝過程中因藍藻細胞破損釋放的有害物質(zhì)對周圍環(huán)境的不利影響，從而實現(xiàn)給水污泥的無害化處理。
　　本研究采用聚合

3、酶鏈反應-變性梯度凝膠電泳、實時熒光定量PCR擴增檢測、三維熒光激光發(fā)射矩陣、掃描電鏡、氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用等技術(shù)手段分別考察了環(huán)境因素、營養(yǎng)物質(zhì)和混凝藥劑對厭氧生物降解含藍藻細胞水污泥中MCs的影響機理。所得主要研究結(jié)論如下:
　　(1)兩實驗水廠沉淀池污泥中微生物群落結(jié)構(gòu)復雜，種類豐富，數(shù)量大，優(yōu)勢種屬明顯;從門的分類層面上講，主要分為9門優(yōu)勢種群:變形菌門（Proteobacteria）、酸桿菌門(Acidobacteria)

4、、纖維桿菌（Fibrobacteres）、綠彎菌門（Chloroflexi擬桿菌門（Bacteroidetes）、厚壁菌門（Firmicutes）、藍藻菌門（Cyanobacteria）、泉發(fā)菌（Crenothrix）和疣微菌門（Verrucomicrobia）。其中，變形菌門（Proteobacteria）為分布最為普遍的細菌;不同水廠的新鮮污泥存在很多共同菌種，但數(shù)量有差異，其共有細菌種群為鞘脂桿菌（Sphingobacterial

5、es）、厭氧繩菌（Anaerolineaceae）和甲基球菌（Methylothermus）等;對于同一水廠新鮮污泥和放置一定時間的污泥，其共有細菌群落有變形菌（Proteobacteria）和擬桿菌（Bacteroidetes）;對比飲用水廠和污水處理廠沉淀池污泥的微生物群落結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，變形菌門（Proteobacteria）、擬桿菌門（Bacteroidetes）和綠彎菌門（Chloroflexi）為兩種污泥中的常見細菌。
　　

6、(2)在一定溫度范圍內(nèi)(15℃-35℃)，給水污泥中藍藻細胞的破損速率以及MC-LR的厭氧生物降解速率隨著溫度的升高而增加，最高厭氧降解效率出現(xiàn)在T=35℃，在10d內(nèi)其降解效率為99％;隨著初始酸度（或堿度）的增加，藍藻細胞破損程度隨之增加，而MC-LR的厭氧生物降解速率則相應降低，最高厭氧降解效率出現(xiàn)在初始pH=8，在10d內(nèi)其降解效率高達98％。由此得到給水污泥中厭氧生物降解MC-LR的最佳環(huán)境條件:T=35℃;初始pH=8;在厭

7、氧過程中，由于培養(yǎng)條件的不同，給水污泥微生物群落結(jié)構(gòu)發(fā)生較大變化，共檢測到4門優(yōu)勢細菌群落:變形菌門（Proteobacteria）、酸桿菌門(Acidobacteria)、厚壁菌門（Firmicutes）和藍藻菌門（Cyanobacteria），其中以變形菌門（Proteobacteria）分布最為廣泛，而甲烷氧化菌（Methylosinus trichosporium）、假單胞菌（Pseudomonas sp.）和鞘氨醇單胞菌(Sp

8、hingomonas sp.)的數(shù)量與MC-LR的降解速率具有正相關(guān)關(guān)系，因此推論這三種細菌具有厭氧生物降解MC-LR功能。此外，厭氧過程中生成的氣體主成分為N2、CH4、NH3、CO、和H2O（水蒸氣）等氣體，其中CH4、NH3和H2O（水蒸氣）3種氣體可能與藍藻細胞及MCs的厭氧生物降解有關(guān)。
　　(3)葡萄糖（有機碳）的投加對給水污泥中MC-LR的降解產(chǎn)生明顯的抑制作用，且隨著投加量的增加(0 mg/L-10，000 mg/

9、L)，MC-LR的降解速率隨之下降。不同葡萄糖投加量下，共檢測到4門優(yōu)勢細菌群落:厚壁菌門（Firmicutes）、藍藻菌門（Cyanobacteria）、變形菌門（Proteobacteria）和綠彎菌門（Chloroflexi）。甲基桿菌（Methylobacterium）和鞘氨醇單胞菌（Sphingomonas sp.）的數(shù)量與MC-LR的降解速率具有正相關(guān)關(guān)系，因此推論這兩類細菌有可能是厭氧降解MC-LR的功能菌;Na2CO3（

10、無機碳）的投加量不同，亦對MC-LR的厭氧生物降解速率產(chǎn)生不同程度的抑制作用，且投加量較低時，抑制作用不明顯，而隨著投加量的增加，抑制作用也會逐步增強;當NaNO3（無機氮源）投加量較低時(0 mg/L-100 mg/L)，反硝化過程與MC-LR的生物降解發(fā)生耦合反應，NaNO3的投加在一定程度上促進了MC-LR的厭氧生物降解，而當NaNO3濃度較高時(1，000 mg/L-10，000mg/L)，會造成MC-LR降解速率的同步降低;C

11、ON2H4（有機氮源）的投加對MC-LR的厭氧生物降解產(chǎn)生明顯的抑制作用，且隨著投加量的增加，其抑制作用也隨之增強。因此，向給水污泥中投加適量的氮源(＜100 mg/L)則能顯著促進MC-LR的厭氧生物降解效率。
　　(4)以FeCl3為混凝劑形成的絮體對藍藻細胞的破損及總MC-LR的降解沒有明顯作用;以殼聚糖作為混凝劑在一定的時間內(nèi)既對藍藻細胞具有一定的保護作用，也能吸附胞外MC-LR;聚合氯化鋁（poly aluminium