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萬寧市地埋式一體化生活污水處理設(shè)備
萬寧市地埋式一體化生活污水處理設(shè)備
來自東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院呂錫武老師課題組的新研究,通過折流板厭氧反應(yīng)器(ABR)處理農(nóng)村生活污水的啟動(dòng)運(yùn)行,通過高通量測序技術(shù),研究反應(yīng)器中污泥微生物相關(guān)特性。研究結(jié)果表明:反應(yīng)器采用低負(fù)荷啟動(dòng)、階段提高有機(jī)負(fù)荷方式,可以在60 d內(nèi)實(shí)現(xiàn)掛膜完成,反應(yīng)器對(duì)污水中化學(xué)需氧量(COD)去除率在66%左右,出水pH值穩(wěn)定在6.35~7.05;顆粒污泥中主要優(yōu)勢(shì)細(xì)菌種群有變形桿菌(proteobacteria)、擬桿菌綱(bacteroidetes) 、綠彎菌綱(chloroflexi)。運(yùn)行啟動(dòng)后,在污泥中出現(xiàn)廣古菌門(euryarchaeota)、嗜熱絲菌門(caldiserica)、螺旋菌門(spirobacteria)。運(yùn)行穩(wěn)定后,細(xì)菌生物量含量會(huì)減少,這表明ABR啟動(dòng)對(duì)原始污泥的微生物的種類起到顯著的選擇作用。
厭氧折流板反應(yīng)器(anaerobic baffled reactor,ABR)是具有特別的模塊化結(jié)構(gòu)的高效處理廢水厭氧生物反應(yīng)器,由于這種特殊的性質(zhì),每個(gè)隔室都可以馴養(yǎng)微生物群落適應(yīng)廢水和環(huán)境條件,而且微生物在反應(yīng)器中的分布,污染物在各種微生物種群共同作用下得到降解去除。此外,由于污水的上下流動(dòng)模式,會(huì)使污水和污泥*接觸,大大增加了抗負(fù)荷沖擊能力。ABR反應(yīng)器的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)計(jì)簡單、污泥停留時(shí)間長、水力停留時(shí)間低、固液分離效果好、運(yùn)行管理方便和穩(wěn)定的沖擊負(fù)荷。此外,由于其分割多級(jí)串聯(lián)結(jié)構(gòu),該反應(yīng)器有能力減少生物量沖刷和分離厭氧微生物群落的空間排列,當(dāng)pH和溫度等環(huán)境參數(shù)的變化,反應(yīng)器不會(huì)受到太大的影響。
農(nóng)村生活污水污染主要由以下原因:首先現(xiàn)有的城鎮(zhèn)的污水工藝本身不適合分散式農(nóng)村生活污水治理的需求;農(nóng)村居民分布廣且分散,生活污水間歇排放,而且農(nóng)村污水處理技術(shù)起點(diǎn)低,再加上管理水平低下,缺乏有效監(jiān)管體制等原因,使得農(nóng)村污水沒有*處理;隨著農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展,農(nóng)村的種植業(yè)、畜牧業(yè)快速發(fā)展,但是產(chǎn)生的污水直接排入水體,造成水體水質(zhì)惡化,惡臭污染。目前適合農(nóng)村污水處理的工藝路線是“厭氧、缺氧+ 跌水曝氣生物接觸氧化+水耕蔬菜人工濕地”工藝組合,其中厭氧、缺氧單元的作用是將高濃度有機(jī)物轉(zhuǎn)變成VFA、沼氣,反硝化除氮;跌水曝氣生物接觸氧化單元作用是繼續(xù)降解有機(jī)物并完成硝化過程;水耕蔬菜人工濕地單元的作用是氮、磷作營養(yǎng)物質(zhì)被吸收,培植水生蔬菜。所以整個(gè)工藝過程厭氧部分反應(yīng)器的選擇和啟動(dòng)方式非常重要。
本文以農(nóng)村生活污水為研究對(duì)象,通過在ABR反應(yīng)器的格室中增加彈性填料,為反應(yīng)器中微生物菌群的富集提供場所,作為其活動(dòng)的載體;另一方面具有延長厭氧污泥的污泥齡的效果,加強(qiáng)生活污水在反應(yīng)器各格室與厭氧污泥接觸,進(jìn)一步提高反應(yīng)器的處理效果。本文考察其對(duì)生活污水的處理效能,并借助高通量測序技術(shù)分析反應(yīng)器成功啟動(dòng)時(shí)同一個(gè)格室內(nèi)懸浮污泥的微生物菌落的變化,為其工程應(yīng)用提供理論指導(dǎo)和技術(shù)參考。
1
試驗(yàn)材料與方法
1.1
ABR反應(yīng)器
試驗(yàn)在位于江蘇省無錫市無錫新區(qū)東南大學(xué)無錫分校進(jìn)行。試驗(yàn)的厭氧折流板反應(yīng)器由PVC制作。外形尺寸:長為1 m,寬為0.25m,高為0.80 m,有效容積為160 L。反應(yīng)器內(nèi)裝有豎向?qū)Я靼澹瑢⑵浞指畛?個(gè)隔室。每個(gè)反應(yīng)室內(nèi)裝有填料,填料為無紡布布條,加工成若干寬為5 cm、長為35 cm的布條。每個(gè)隔室的出水處均設(shè)有DN10的取樣口。反應(yīng)器下方,由支架撐起,每個(gè)反應(yīng)室的下方裝有排泥管和閥門。ABR反應(yīng)器頂部裝有集氣口,并和濕式氣體流量計(jì)相連。反應(yīng)器結(jié)構(gòu)如圖1所示。
1.2
試驗(yàn)水質(zhì)和接種污泥
本試驗(yàn)用水來自東南大學(xué)無錫分校校園生活污水,包括宿舍、餐廳等樓棟的生活污水和雨水組成。污水水質(zhì)會(huì)受到雨天雨水的沖擊而波動(dòng),試驗(yàn)用水的水質(zhì)和水量及排放特征與小型分散式生活污水類似。試驗(yàn)所用的接種污泥來自無錫市蘆村污水處理廠的二沉池污泥,經(jīng)培養(yǎng)馴化后使用。試驗(yàn)期間的進(jìn)水水質(zhì)如表1所示。
表1 生活污水水質(zhì)
項(xiàng)目 | 數(shù)值 | 平均值 |
COD/(mg•L-1) | 183.0~324.5 | 258.4 |
TN/(mg•L-1) | 22.4~43.5 | 33.8 |
NH4+-N/(mg•L-1) | 15.4~35.7 | 25.6 |
TP/(mg•L-1) | 3.4~5.1 | 4.3 |
pH值 | 6.89~7.23 | 7.06 |
1.3
分析項(xiàng)目與方法
水質(zhì)分析方法采用《水和廢水監(jiān)測分析方法》,其中COD:重鉻酸鉀法,NH4+-N:水楊酸鹽分光光度法。污泥揮發(fā)性懸浮固體濃度(MLVSS)采用重量法測定,沼氣采用濕式防腐氣體流量計(jì)(長春汽車濾清器有限責(zé)任公司)計(jì)量。采用高通量測序技術(shù)對(duì)顆粒污泥中微生物進(jìn)行分析。
利用高通量對(duì)16SDNA 測序是指對(duì)環(huán)境樣品(土壤、海洋、淡水、腸道等)微生物的 16S DNA 的 PCR 產(chǎn)物進(jìn)行高通量測序,并將得到的測序數(shù)據(jù)與已有的16S DNA 數(shù)據(jù)庫進(jìn)行比對(duì)分析,從而對(duì)環(huán)境群落多樣性(包括微生物的種類,不同種類間的相對(duì)豐度等)進(jìn)行研究。本試驗(yàn)從ABR的相同隔室下部排泥管取出原始污泥(PS)、啟動(dòng)25 d的污泥厭氧污泥1(AS1)和啟動(dòng)完成的污泥厭氧污泥2(AS2),送往上海生工生物工程股份有限公司進(jìn)行測序,檢測得到細(xì)菌相應(yīng)序列進(jìn)行后續(xù)分析。根據(jù)所擴(kuò)增的 16SDNA 區(qū)域特點(diǎn),基于 Illumina Miseq 技術(shù)測序平臺(tái),利用雙末端測序(Paired-End)的方法,構(gòu)建小片段文庫進(jìn)行雙末端測序。通過分析樣品中的微生物多樣性,完成標(biāo)準(zhǔn)信息分析和高級(jí)信息分析。
2
試驗(yàn)結(jié)果與分析
2.1
啟動(dòng)方式
試驗(yàn)污泥取自無錫市蘆村污水處理廠二沉池回流污泥。取回后,靜置幾日,棄去上清液。加入COD等營養(yǎng)元素,在容器密封厭氧條件下,放置一周左右。將密封條件下靜置一周后的接種污泥,均勻攪拌,并倒入?yún)捬跽哿靼宸磻?yīng)器內(nèi)。反應(yīng)器裝填無紡布填料,厭氧接種污泥占反應(yīng)器有效體積的1/3。密封厭氧厭氧反應(yīng)器,并用蠕動(dòng)泵通入生活污水(180~330 mg/L)。厭氧折流板反應(yīng)器具有高效截留污泥的作用,可采用連續(xù)流進(jìn)水的培養(yǎng)方式。啟動(dòng)開始期HRT為72 h,然后逐步縮短水力停留時(shí)間至48、24 h。龔浩等[12]采用低負(fù)荷方式結(jié)合好氧曝氣預(yù)掛膜填料來啟動(dòng)ABR,在穩(wěn)定階段,出水COD值就降到100 mg/L以下,同時(shí)去除率到達(dá)79.0%,pH值穩(wěn)定在7.04~7.20。反應(yīng)器經(jīng)過70 d的時(shí)間啟動(dòng)完成。通過對(duì)比發(fā)現(xiàn),本試驗(yàn)ABR經(jīng)過60多天的培養(yǎng),厭氧折流板反應(yīng)器對(duì)COD的去除率穩(wěn)定在66%以上,如表2所示,pH值穩(wěn)定在7.03~7.23,出水中沒有黑色懸浮物質(zhì)。由此推斷,掛膜完成,反應(yīng)器啟動(dòng)成功。
表2 啟動(dòng)過程參數(shù)
階段 | 時(shí)間 | HRT | 容積負(fù)荷 | COD平均 |
/d | /h | /(kg·m-3•d-1) | 去除率 | |
啟動(dòng)開始期 | 15 | 72 | 0.13 | 17.4% |
增加負(fù)荷期1 | 15 | 48 | 0.36 | 37.4% |
增加負(fù)荷期2 增加負(fù)荷期3 穩(wěn)定運(yùn)行期 | 15 10 5 | 24 12 24 | 1.15 2.51 1.34 | 58.8% 64.9% 65.9% |
2.2
改進(jìn)型ABR反應(yīng)器啟動(dòng)期處理生活污水運(yùn)行效果
本試驗(yàn)采用低負(fù)荷方式啟動(dòng),通過調(diào)節(jié)流量,逐步減少HRT,使進(jìn)水有機(jī)負(fù)荷逐漸增加。表2是反應(yīng)器啟動(dòng)階段的各項(xiàng)參數(shù),如運(yùn)行時(shí)間、HRT、容積負(fù)荷、平均COD去除率。由圖2可知, 在啟動(dòng)初期(1~15d),其平均進(jìn)水COD為315 mg/L,COD去除率為26%,但是去除率波動(dòng)很大,原因是原始污泥未能適應(yīng)新環(huán)境而出現(xiàn)部分的污泥水解,從而致使COD去除效果較差。8 d后,反應(yīng)器的去除率逐漸提高。增加負(fù)荷期(21~55 d):這個(gè)階段分3次提高有機(jī)負(fù)荷,HRT分別為48、24 h和12 h,運(yùn)行時(shí)間分別為15、15 d和10 d,有機(jī)負(fù)荷分別在 0.28~0.51、1.1~1.25、2.23~2.91 kg COD/(m3·d)波動(dòng),平均COD去除率分別為37.5%、58.8%、64.8%。穩(wěn)定運(yùn)行期(56~60 d):本階段的有機(jī)負(fù)荷在1.27~1.42kg COD/(m3·d)波動(dòng),COD值低為95.3 mg/L,去除率到達(dá)66%。后穩(wěn)定運(yùn)行期,去除率均穩(wěn)定在65.9%以上,出水COD值在92~105mg/L。
圖2 ABR厭氧反應(yīng)器啟動(dòng)期COD去除效果
本試驗(yàn)ABR進(jìn)水來自農(nóng)村生活污水,進(jìn)水pH值為7.15~7.31,圖3為啟動(dòng)期間ABR進(jìn)出水和各隔室內(nèi)的pH變化曲線。1#隔室pH值在反應(yīng)器啟動(dòng)時(shí)維持在5.97~6.95,2#隔室在6.05~7.04,3#隔室在6.35~7.02,出水在6.35~7.05,可以看出反應(yīng)器中各格室都pH維持在厭氧菌群正常范圍內(nèi),而整個(gè)反應(yīng)器的啟動(dòng)良好。在*隔室后,大分子有機(jī)物發(fā)生分解,生成有機(jī)酸等中間產(chǎn)物,會(huì)使pH下降,反應(yīng)器中的產(chǎn)甲烷菌會(huì)消耗掉一些有機(jī)酸,所以反應(yīng)器的pH隨著水流方向呈升高趨勢(shì)。說明ABR反應(yīng)器有良好的抗沖擊負(fù)荷的能力。
圖3 啟動(dòng)期間進(jìn)出水以及各隔室的pH變化情況
圖4是進(jìn)出水和各隔室氨氮變化,可見氨氮濃度在各隔室內(nèi)逐漸增加,進(jìn)水氨氮平均濃度為20.4mg/L,出水為26.7 mg/L。厭氧條件下污泥中厭氧氨化菌的作用使得污水中的有機(jī)氮化物如蛋白質(zhì)、氨基酸、尿素等轉(zhuǎn)化為氨氮,直接增加了反應(yīng)器內(nèi)氨氮的濃度,在整套污水處理工藝中,在ABR反應(yīng)器后增加好氧處理工藝,會(huì)取得氨氮好的處理效果。
圖4 進(jìn)出水和各隔室氨氮變化
圖5是有機(jī)負(fù)荷及產(chǎn)氣量隨時(shí)間的變化。在啟動(dòng)*階段時(shí),反應(yīng)器的有機(jī)負(fù)荷較低,只有0.278kg COD/(m3•d),反應(yīng)器的產(chǎn)氣量在0.6 L/d,這主要是因?yàn)樵趧倖?dòng)階段,反應(yīng)器格室產(chǎn)甲烷菌屬于厭氧細(xì)菌,其世代周期較長,對(duì)環(huán)境較敏感,活性非常弱,因此產(chǎn)氣率較低。在第35~50d,每天用氣體收集袋收集1 L以上的沼氣。圖6是啟動(dòng)期間單位COD去除量對(duì)應(yīng)產(chǎn)氣量。啟動(dòng)期間,反應(yīng)器的單位COD去除量對(duì)應(yīng)產(chǎn)氣量為0.35~0.56m3/kg COD。第10~60 d,平均為0.466 m3/kg COD。用對(duì)聶威等用IC反應(yīng)器處理蔗渣堆場噴淋廢水,去除每千克COD產(chǎn)沼氣0.42 m3。M. Mahadevaswamy等用UASB處理造紙廢水,啟動(dòng)階段平均產(chǎn)氣量為0.40 L/g COD。相比說明,ABR反應(yīng)器處理農(nóng)村生活污水時(shí)具有較好的產(chǎn)氣率。
圖5 啟動(dòng)期間產(chǎn)氣量變化情況
圖6 啟動(dòng)期間單位COD去除量對(duì)應(yīng)產(chǎn)氣量
2.3
反應(yīng)器顆粒污泥的微生物特性
本試驗(yàn)采用高通量測序技術(shù)對(duì)反應(yīng)器相同隔室中的顆粒污泥中微生物進(jìn)行分析。
由微生物群落多樣性 Shannon 指數(shù)(圖7)可知,好氧污泥微生物種類豐富,而厭氧污泥微生物種類相對(duì)稀少。原始污泥的Shannon 指數(shù),為 7左右,厭氧污泥2(AS2)Shannon 指數(shù)為6,厭氧污泥1(As1)的微生物多樣性低,Shannon 指數(shù)為 5.5 左右。原始污泥來自于污水處理廠的二沉池,微生物多樣性高,進(jìn)入反應(yīng)器后,污泥中不能適應(yīng)厭氧環(huán)境的微生物死亡,微生物多樣性大大降低。經(jīng)過一段時(shí)間的馴化后,污泥中微生物越來越多,多樣性又上升。
圖7 香農(nóng)指數(shù)稀疏分析圖
由微生物群落的 PCoA 分析(圖8)可知,厭氧污泥1(AS1)與厭氧污泥2(AS2)在PC1水平上分離距離較近,在PC2上分離距離較大,這表明二者的親緣關(guān)系較近。原始污泥(PS)與厭氧污泥1(AS1)、厭氧污泥2(AS2)在 PC1 和 PC2 水平上分離距離均較遠(yuǎn),表明原始污泥與二者的親緣關(guān)系較遠(yuǎn)。所以,ABR啟動(dòng)以后,對(duì)原始污泥的微生物的種類起到顯著的選擇作用。
圖8 主坐標(biāo)分析法(PCoA)
來自東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院呂錫武老師課題組的新研究,通過折流板厭氧反應(yīng)器(ABR)處理農(nóng)村生活污水的啟動(dòng)運(yùn)行,通過高通量測序技術(shù),研究反應(yīng)器中污泥微生物相關(guān)特性。研究結(jié)果表明:反應(yīng)器采用低負(fù)荷啟動(dòng)、階段提高有機(jī)負(fù)荷方式,可以在60 d內(nèi)實(shí)現(xiàn)掛膜完成,反應(yīng)器對(duì)污水中化學(xué)需氧量(COD)去除率在66%左右,出水pH值穩(wěn)定在6.35~7.05;顆粒污泥中主要優(yōu)勢(shì)細(xì)菌種群有變形桿菌(proteobacteria)、擬桿菌綱(bacteroidetes) 、綠彎菌綱(chloroflexi)。運(yùn)行啟動(dòng)后,在污泥中出現(xiàn)廣古菌門(euryarchaeota)、嗜熱絲菌門(caldiserica)、螺旋菌門(spirobacteria)。運(yùn)行穩(wěn)定后,細(xì)菌生物量含量會(huì)減少,這表明ABR啟動(dòng)對(duì)原始污泥的微生物的種類起到顯著的選擇作用。
厭氧折流板反應(yīng)器(anaerobic baffled reactor,ABR)是具有特別的模塊化結(jié)構(gòu)的高效處理廢水厭氧生物反應(yīng)器,由于這種特殊的性質(zhì),每個(gè)隔室都可以馴養(yǎng)微生物群落適應(yīng)廢水和環(huán)境條件,而且微生物在反應(yīng)器中的分布,污染物在各種微生物種群共同作用下得到降解去除。此外,由于污水的上下流動(dòng)模式,會(huì)使污水和污泥*接觸,大大增加了抗負(fù)荷沖擊能力。ABR反應(yīng)器的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)計(jì)簡單、污泥停留時(shí)間長、水力停留時(shí)間低、固液分離效果好、運(yùn)行管理方便和穩(wěn)定的沖擊負(fù)荷。此外,由于其分割多級(jí)串聯(lián)結(jié)構(gòu),該反應(yīng)器有能力減少生物量沖刷和分離厭氧微生物群落的空間排列,當(dāng)pH和溫度等環(huán)境參數(shù)的變化,反應(yīng)器不會(huì)受到太大的影響。
農(nóng)村生活污水污染主要由以下原因:首先現(xiàn)有的城鎮(zhèn)的污水工藝本身不適合分散式農(nóng)村生活污水治理的需求;農(nóng)村居民分布廣且分散,生活污水間歇排放,而且農(nóng)村污水處理技術(shù)起點(diǎn)低,再加上管理水平低下,缺乏有效監(jiān)管體制等原因,使得農(nóng)村污水沒有*處理;隨著農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展,農(nóng)村的種植業(yè)、畜牧業(yè)快速發(fā)展,但是產(chǎn)生的污水直接排入水體,造成水體水質(zhì)惡化,惡臭污染。目前適合農(nóng)村污水處理的工藝路線是“厭氧、缺氧+ 跌水曝氣生物接觸氧化+水耕蔬菜人工濕地”工藝組合,其中厭氧、缺氧單元的作用是將高濃度有機(jī)物轉(zhuǎn)變成VFA、沼氣,反硝化除氮;跌水曝氣生物接觸氧化單元作用是繼續(xù)降解有機(jī)物并完成硝化過程;水耕蔬菜人工濕地單元的作用是氮、磷作營養(yǎng)物質(zhì)被吸收,培植水生蔬菜。所以整個(gè)工藝過程厭氧部分反應(yīng)器的選擇和啟動(dòng)方式非常重要。
本文以農(nóng)村生活污水為研究對(duì)象,通過在ABR反應(yīng)器的格室中增加彈性填料,為反應(yīng)器中微生物菌群的富集提供場所,作為其活動(dòng)的載體;另一方面具有延長厭氧污泥的污泥齡的效果,加強(qiáng)生活污水在反應(yīng)器各格室與厭氧污泥接觸,進(jìn)一步提高反應(yīng)器的處理效果。本文考察其對(duì)生活污水的處理效能,并借助高通量測序技術(shù)分析反應(yīng)器成功啟動(dòng)時(shí)同一個(gè)格室內(nèi)懸浮污泥的微生物菌落的變化,為其工程應(yīng)用提供理論指導(dǎo)和技術(shù)參考。
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試驗(yàn)材料與方法
1.1
ABR反應(yīng)器
試驗(yàn)在位于江蘇省無錫市無錫新區(qū)東南大學(xué)無錫分校進(jìn)行。試驗(yàn)的厭氧折流板反應(yīng)器由PVC制作。外形尺寸:長為1 m,寬為0.25m,高為0.80 m,有效容積為160 L。反應(yīng)器內(nèi)裝有豎向?qū)Я靼澹瑢⑵浞指畛?個(gè)隔室。每個(gè)反應(yīng)室內(nèi)裝有填料,填料為無紡布布條,加工成若干寬為5 cm、長為35 cm的布條。每個(gè)隔室的出水處均設(shè)有DN10的取樣口。反應(yīng)器下方,由支架撐起,每個(gè)反應(yīng)室的下方裝有排泥管和閥門。ABR反應(yīng)器頂部裝有集氣口,并和濕式氣體流量計(jì)相連。反應(yīng)器結(jié)構(gòu)如圖1所示。
1.2
試驗(yàn)水質(zhì)和接種污泥
本試驗(yàn)用水來自東南大學(xué)無錫分校校園生活污水,包括宿舍、餐廳等樓棟的生活污水和雨水組成。污水水質(zhì)會(huì)受到雨天雨水的沖擊而波動(dòng),試驗(yàn)用水的水質(zhì)和水量及排放特征與小型分散式生活污水類似。試驗(yàn)所用的接種污泥來自無錫市蘆村污水處理廠的二沉池污泥,經(jīng)培養(yǎng)馴化后使用。試驗(yàn)期間的進(jìn)水水質(zhì)如表1所示。
表1 生活污水水質(zhì)
項(xiàng)目 | 數(shù)值 | 平均值 |
COD/(mg•L-1) | 183.0~324.5 | 258.4 |
TN/(mg•L-1) | 22.4~43.5 | 33.8 |
NH4+-N/(mg•L-1) | 15.4~35.7 | 25.6 |
TP/(mg•L-1) | 3.4~5.1 | 4.3 |
pH值 | 6.89~7.23 | 7.06 |
1.3
分析項(xiàng)目與方法
水質(zhì)分析方法采用《水和廢水監(jiān)測分析方法》,其中COD:重鉻酸鉀法,NH4+-N:水楊酸鹽分光光度法。污泥揮發(fā)性懸浮固體濃度(MLVSS)采用重量法測定,沼氣采用濕式防腐氣體流量計(jì)(長春汽車濾清器有限責(zé)任公司)計(jì)量。采用高通量測序技術(shù)對(duì)顆粒污泥中微生物進(jìn)行分析。
利用高通量對(duì)16SDNA 測序是指對(duì)環(huán)境樣品(土壤、海洋、淡水、腸道等)微生物的 16S DNA 的 PCR 產(chǎn)物進(jìn)行高通量測序,并將得到的測序數(shù)據(jù)與已有的16S DNA 數(shù)據(jù)庫進(jìn)行比對(duì)分析,從而對(duì)環(huán)境群落多樣性(包括微生物的種類,不同種類間的相對(duì)豐度等)進(jìn)行研究。本試驗(yàn)從ABR的相同隔室下部排泥管取出原始污泥(PS)、啟動(dòng)25 d的污泥厭氧污泥1(AS1)和啟動(dòng)完成的污泥厭氧污泥2(AS2),送往上海生工生物工程股份有限公司進(jìn)行測序,檢測得到細(xì)菌相應(yīng)序列進(jìn)行后續(xù)分析。根據(jù)所擴(kuò)增的 16SDNA 區(qū)域特點(diǎn),基于 Illumina Miseq 技術(shù)測序平臺(tái),利用雙末端測序(Paired-End)的方法,構(gòu)建小片段文庫進(jìn)行雙末端測序。通過分析樣品中的微生物多樣性,完成標(biāo)準(zhǔn)信息分析和高級(jí)信息分析。
2
試驗(yàn)結(jié)果與分析
2.1
啟動(dòng)方式
試驗(yàn)污泥取自無錫市蘆村污水處理廠二沉池回流污泥。取回后,靜置幾日,棄去上清液。加入COD等營養(yǎng)元素,在容器密封厭氧條件下,放置一周左右。將密封條件下靜置一周后的接種污泥,均勻攪拌,并倒入?yún)捬跽哿靼宸磻?yīng)器內(nèi)。反應(yīng)器裝填無紡布填料,厭氧接種污泥占反應(yīng)器有效體積的1/3。密封厭氧厭氧反應(yīng)器,并用蠕動(dòng)泵通入生活污水(180~330 mg/L)。厭氧折流板反應(yīng)器具有高效截留污泥的作用,可采用連續(xù)流進(jìn)水的培養(yǎng)方式。啟動(dòng)開始期HRT為72 h,然后逐步縮短水力停留時(shí)間至48、24 h。龔浩等[12]采用低負(fù)荷方式結(jié)合好氧曝氣預(yù)掛膜填料來啟動(dòng)ABR,在穩(wěn)定階段,出水COD值就降到100 mg/L以下,同時(shí)去除率到達(dá)79.0%,pH值穩(wěn)定在7.04~7.20。反應(yīng)器經(jīng)過70 d的時(shí)間啟動(dòng)完成。通過對(duì)比發(fā)現(xiàn),本試驗(yàn)ABR經(jīng)過60多天的培養(yǎng),厭氧折流板反應(yīng)器對(duì)COD的去除率穩(wěn)定在66%以上,如表2所示,pH值穩(wěn)定在7.03~7.23,出水中沒有黑色懸浮物質(zhì)。由此推斷,掛膜完成,反應(yīng)器啟動(dòng)成功。
表2 啟動(dòng)過程參數(shù)
階段 | 時(shí)間 | HRT | 容積負(fù)荷 | COD平均 |
/d | /h | /(kg·m-3•d-1) | 去除率 | |
啟動(dòng)開始期 | 15 | 72 | 0.13 | 17.4% |
增加負(fù)荷期1 | 15 | 48 | 0.36 | 37.4% |
增加負(fù)荷期2 增加負(fù)荷期3 穩(wěn)定運(yùn)行期 | 15 10 5 | 24 12 24 | 1.15 2.51 1.34 | 58.8% 64.9% 65.9% |
2.2
改進(jìn)型ABR反應(yīng)器啟動(dòng)期處理生活污水運(yùn)行效果
本試驗(yàn)采用低負(fù)荷方式啟動(dòng),通過調(diào)節(jié)流量,逐步減少HRT,使進(jìn)水有機(jī)負(fù)荷逐漸增加。表2是反應(yīng)器啟動(dòng)階段的各項(xiàng)參數(shù),如運(yùn)行時(shí)間、HRT、容積負(fù)荷、平均COD去除率。由圖2可知, 在啟動(dòng)初期(1~15d),其平均進(jìn)水COD為315 mg/L,COD去除率為26%,但是去除率波動(dòng)很大,原因是原始污泥未能適應(yīng)新環(huán)境而出現(xiàn)部分的污泥水解,從而致使COD去除效果較差。8 d后,反應(yīng)器的去除率逐漸提高。增加負(fù)荷期(21~55 d):這個(gè)階段分3次提高有機(jī)負(fù)荷,HRT分別為48、24 h和12 h,運(yùn)行時(shí)間分別為15、15 d和10 d,有機(jī)負(fù)荷分別在 0.28~0.51、1.1~1.25、2.23~2.91 kg COD/(m3·d)波動(dòng),平均COD去除率分別為37.5%、58.8%、64.8%。穩(wěn)定運(yùn)行期(56~60 d):本階段的有機(jī)負(fù)荷在1.27~1.42kg COD/(m3·d)波動(dòng),COD值低為95.3 mg/L,去除率到達(dá)66%。后穩(wěn)定運(yùn)行期,去除率均穩(wěn)定在65.9%以上,出水COD值在92~105mg/L。
圖2 ABR厭氧反應(yīng)器啟動(dòng)期COD去除效果
本試驗(yàn)ABR進(jìn)水來自農(nóng)村生活污水,進(jìn)水pH值為7.15~7.31,圖3為啟動(dòng)期間ABR進(jìn)出水和各隔室內(nèi)的pH變化曲線。1#隔室pH值在反應(yīng)器啟動(dòng)時(shí)維持在5.97~6.95,2#隔室在6.05~7.04,3#隔室在6.35~7.02,出水在6.35~7.05,可以看出反應(yīng)器中各格室都pH維持在厭氧菌群正常范圍內(nèi),而整個(gè)反應(yīng)器的啟動(dòng)良好。在*隔室后,大分子有機(jī)物發(fā)生分解,生成有機(jī)酸等中間產(chǎn)物,會(huì)使pH下降,反應(yīng)器中的產(chǎn)甲烷菌會(huì)消耗掉一些有機(jī)酸,所以反應(yīng)器的pH隨著水流方向呈升高趨勢(shì)。說明ABR反應(yīng)器有良好的抗沖擊負(fù)荷的能力。
圖3 啟動(dòng)期間進(jìn)出水以及各隔室的pH變化情況
圖4是進(jìn)出水和各隔室氨氮變化,可見氨氮濃度在各隔室內(nèi)逐漸增加,進(jìn)水氨氮平均濃度為20.4mg/L,出水為26.7 mg/L。厭氧條件下污泥中厭氧氨化菌的作用使得污水中的有機(jī)氮化物如蛋白質(zhì)、氨基酸、尿素等轉(zhuǎn)化為氨氮,直接增加了反應(yīng)器內(nèi)氨氮的濃度,在整套污水處理工藝中,在ABR反應(yīng)器后增加好氧處理工藝,會(huì)取得氨氮好的處理效果。
圖4 進(jìn)出水和各隔室氨氮變化
圖5是有機(jī)負(fù)荷及產(chǎn)氣量隨時(shí)間的變化。在啟動(dòng)*階段時(shí),反應(yīng)器的有機(jī)負(fù)荷較低,只有0.278kg COD/(m3•d),反應(yīng)器的產(chǎn)氣量在0.6 L/d,這主要是因?yàn)樵趧倖?dòng)階段,反應(yīng)器格室產(chǎn)甲烷菌屬于厭氧細(xì)菌,其世代周期較長,對(duì)環(huán)境較敏感,活性非常弱,因此產(chǎn)氣率較低。在第35~50d,每天用氣體收集袋收集1 L以上的沼氣。圖6是啟動(dòng)期間單位COD去除量對(duì)應(yīng)產(chǎn)氣量。啟動(dòng)期間,反應(yīng)器的單位COD去除量對(duì)應(yīng)產(chǎn)氣量為0.35~0.56m3/kg COD。第10~60 d,平均為0.466 m3/kg COD。用對(duì)聶威等用IC反應(yīng)器處理蔗渣堆場噴淋廢水,去除每千克COD產(chǎn)沼氣0.42 m3。M. Mahadevaswamy等用UASB處理造紙廢水,啟動(dòng)階段平均產(chǎn)氣量為0.40 L/g COD。相比說明,ABR反應(yīng)器處理農(nóng)村生活污水時(shí)具有較好的產(chǎn)氣率。
圖5 啟動(dòng)期間產(chǎn)氣量變化情況
圖6 啟動(dòng)期間單位COD去除量對(duì)應(yīng)產(chǎn)氣量
2.3
反應(yīng)器顆粒污泥的微生物特性
本試驗(yàn)采用高通量測序技術(shù)對(duì)反應(yīng)器相同隔室中的顆粒污泥中微生物進(jìn)行分析。
由微生物群落多樣性 Shannon 指數(shù)(圖7)可知,好氧污泥微生物種類豐富,而厭氧污泥微生物種類相對(duì)稀少。原始污泥的Shannon 指數(shù),為 7左右,厭氧污泥2(AS2)Shannon 指數(shù)為6,厭氧污泥1(As1)的微生物多樣性低,Shannon 指數(shù)為 5.5 左右。原始污泥來自于污水處理廠的二沉池,微生物多樣性高,進(jìn)入反應(yīng)器后,污泥中不能適應(yīng)厭氧環(huán)境的微生物死亡,微生物多樣性大大降低。經(jīng)過一段時(shí)間的馴化后,污泥中微生物越來越多,多樣性又上升。
圖7 香農(nóng)指數(shù)稀疏分析圖
由微生物群落的 PCoA 分析(圖8)可知,厭氧污泥1(AS1)與厭氧污泥2(AS2)在PC1水平上分離距離較近,在PC2上分離距離較大,這表明二者的親緣關(guān)系較近。原始污泥(PS)與厭氧污泥1(AS1)、厭氧污泥2(AS2)在 PC1 和 PC2 水平上分離距離均較遠(yuǎn),表明原始污泥與二者的親緣關(guān)系較遠(yuǎn)。所以,ABR啟動(dòng)以后,對(duì)原始污泥的微生物的種類起到顯著的選擇作用。
圖8 主坐標(biāo)分析法(PCoA)
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