厭氧生物降解含藍(lán)藻細(xì)胞給水污泥中微囊藻毒素的效果及機(jī)理.pdf

1、近年來，由藍(lán)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(diǎn)問題。當(dāng)藍(lán)藻細(xì)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(shí)間的增加，藻細(xì)胞被破壞，胞內(nèi)MCs就會(huì)釋放到周圍環(huán)境中，對(duì)人類的飲用水安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。因此，在給水污泥無害化處理工藝中，對(duì)藍(lán)藻細(xì)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(diǎn)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(duì)含藍(lán)藻細(xì)胞給水污泥中MCs降解效果及機(jī)理的研究較少。鑒于利用厭氧生物法降解MCs在含藍(lán)藻細(xì)胞給水污泥無害化處理中廣闊的應(yīng)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(jī)理，以避免飲用水污泥處理工藝過程中因藍(lán)藻細(xì)胞破損釋放的有害物質(zhì)對(duì)周圍環(huán)境的不利影響，從而實(shí)現(xiàn)給水污泥的無害化處理。
　　本研究采用聚合

3、酶鏈反應(yīng)-變性梯度凝膠電泳、實(shí)時(shí)熒光定量PCR擴(kuò)增檢測(cè)、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(duì)厭氧生物降解含藍(lán)藻細(xì)胞水污泥中MCs的影響機(jī)理。所得主要研究結(jié)論如下:
　　(1)兩實(shí)驗(yàn)水廠沉淀池污泥中微生物群落結(jié)構(gòu)復(fù)雜，種類豐富，數(shù)量大，優(yōu)勢(shì)種屬明顯;從門的分類層面上講，主要分為9門優(yōu)勢(shì)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(lán)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(xì)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(xì)菌種群為鞘脂桿菌（Sphingobacterial

5、es）、厭氧繩菌（Anaerolineaceae）和甲基球菌（Methylothermus）等;對(duì)于同一水廠新鮮污泥和放置一定時(shí)間的污泥，其共有細(xì)菌群落有變形菌（Proteobacteria）和擬桿菌（Bacteroidetes）;對(duì)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(xì)菌。
　　

6、(2)在一定溫度范圍內(nèi)(15℃-35℃)，給水污泥中藍(lán)藻細(xì)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(lán)藻細(xì)胞破損程度隨之增加，而MC-LR的厭氧生物降解速率則相應(yīng)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(dá)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(cè)到4門優(yōu)勢(shì)細(xì)菌群落:變形菌門（Proteobacteria）、酸桿菌門(Acidobacteria)、厚壁菌門（Firmicutes）和藍(lán)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(xì)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(lán)藻細(xì)胞及MCs的厭氧生物降解有關(guān)。
　　(3)葡萄糖（有機(jī)碳）的投加對(duì)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(cè)到4門優(yōu)勢(shì)細(xì)菌群落:厚壁菌門（Firmicutes）、藍(lán)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(xì)菌有可能是厭氧降解MC-LR的功能菌;Na2CO3（

10、無機(jī)碳）的投加量不同，亦對(duì)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(shí)，抑制作用不明顯，而隨著投加量的增加，抑制作用也會(huì)逐步增強(qiáng);當(dāng)NaNO3（無機(jī)氮源）投加量較低時(shí)(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(yīng)，NaNO3的投加在一定程度上促進(jìn)了MC-LR的厭氧生物降解，而當(dāng)NaNO3濃度較高時(shí)(1，000 mg/L-10，000mg/L)，會(huì)造成MC-LR降解速率的同步降低;C

11、ON2H4（有機(jī)氮源）的投加對(duì)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(qiáng)。因此，向給水污泥中投加適量的氮源(＜100 mg/L)則能顯著促進(jìn)MC-LR的厭氧生物降解效率。
　　(4)以FeCl3為混凝劑形成的絮體對(duì)藍(lán)藻細(xì)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(shí)間內(nèi)既對(duì)藍(lán)藻細(xì)胞具有一定的保護(hù)作用，也能吸附胞外MC-LR;聚合氯化鋁（poly aluminium