常溫厭氧MBR中微生物群落結(jié)構(gòu)與膜污染研究

隋力新，胡 奇，高大文（哈爾濱工業(yè)大學城市水資源與水環(huán)境國家重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150090）

常溫厭氧MBR中微生物群落結(jié)構(gòu)與膜污染研究

隋力新，胡 奇，高大文*（哈爾濱工業(yè)大學城市水資源與水環(huán)境國家重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150090）

為考察微生物群落結(jié)構(gòu)與膜污染的關系，在常溫下運行厭氧膜生物反應器，并應用末端限制性片段長度多態(tài)性分析（T-RFLP）技術，對膜絲表面微生物群落結(jié)構(gòu)變化進行了研究，同時考察了微生物群落結(jié)構(gòu)變化與反應器中溶解性微生物產(chǎn)物（SMP）、胞外聚合物（EPS）的關系.結(jié)果表明:在常溫狀態(tài)下膜污染周期約為18d，CODCr的去除率約為93%，運行效果穩(wěn)定；微生物代謝產(chǎn)物的濃度隨著微生物種群的演替呈逐漸升高的趨勢，加速了膜污染進程；膜壓（pTM）處于緩慢上升期時，膜絲表面微生物優(yōu)勢菌群為Raoultella、Owenweeksia hongkongensis，膜壓（pTM）處于穩(wěn)定上升期時，膜絲表面的優(yōu)勢菌群演替為 Delftia acidovorans、Halothiobacillus neapolitanus，最后當膜壓（pTM）處于快速上升期時，bp78的微生物成為了膜絲表面的頂級群落.膜壓（pTM）處于緩慢上升期和穩(wěn)定上升期時，膜壓（pTM）與微生物群落結(jié)構(gòu)的多樣性呈顯著正相關；膜污染進入快速上升期時，膜絲表面出現(xiàn)了頂級群落，此時微生物群落多樣性明顯降低且與膜壓升高呈弱相關；膜絲表面微生物群落均勻度隨著膜壓（pTM）的升高呈現(xiàn)出先增高后降低的趨勢，膜絲表面微生物群落經(jīng)歷了不斷附著，相互競爭至頂級群落出現(xiàn)的演替過程.

厭氧膜生物反應器；膜污染；末端限制性片段長度多態(tài)性；微生物群落結(jié)構(gòu)；生物多樣性

近年來，厭氧工藝越來越多的被應用到生活污水的處理研究當中［1］.然而，受溫度的限制，厭氧生活污水處理工程多見于熱帶地區(qū)［2］.如何將厭氧技術應用到常溫甚至低溫地區(qū)成為研究熱點.膜技術的出現(xiàn)，使得傳統(tǒng)的好氧工藝與膜過濾技術同時應用到了生活污水處理中，從而進一步提高了好氧工藝出水質(zhì)量［3］.然而，膜污染問題卻始終制約著膜技術的推廣.目前，好氧膜生物反應器中影響膜污染的因素已經(jīng)得到了廣泛的研究［4］，其中，污泥濃度、SMP/EPS、膜組件等因素都會影響膜污染速率.近幾年，厭氧與膜技術的結(jié)合成為了新的研究熱點，然而厭氧處理過程中更高的污泥濃度與更長的污泥停留時間使得膜污染問題更為嚴重［5］，影響膜污染的各種因素已經(jīng)受到了廣泛的關注［6-7］，但其中微生物群落結(jié)構(gòu)與代謝產(chǎn)物關系、膜絲表面微生物群落結(jié)構(gòu)變化與膜污染關系的研究較少.

本研究通過在常溫狀態(tài)下穩(wěn)定運行厭氧膜生物反應器，考察了膜污染過程中微生物群落結(jié)構(gòu)的變化以及膜絲表面微生物群落結(jié)構(gòu)變化與代謝產(chǎn)物之間的關系，用以探討常溫厭氧條件下膜污染的機理，從而為延長膜污染周期提供參考.

1 材料與方法

1.1 污水與污泥

反應器進水為人工模擬污水，其中進水CODCr平均380.5mg/L，pH 7.13～7.62，平均7.32.試驗接種污泥為某污水處理廠二沉池污泥，污泥濃度約為20g MLSS/L.污泥經(jīng)過一定時間的馴化，達到了穩(wěn)定運行的狀態(tài)，本研究過程中未排泥.

1.2 反應器裝置與運行條件

反應裝置為一體式厭氧膜生物反應器［8］，總體積為7.6L，有效體積5.8L，由外筒、中筒、內(nèi)筒、三相分離器、膜組件5個主要部分構(gòu)成.進水經(jīng)由外筒（反應區(qū)）底部升流進入，經(jīng)過三相分離器溢流進入中筒，最后經(jīng)過內(nèi)筒的中空纖維膜出水.一個膜污染周期結(jié)束后，對膜組件進行更換，采用的兩套膜組件為日本三菱公司生產(chǎn)的PE中空纖維膜，膜絲孔徑0.4μm，最大理論通量0.27m3/ （m2·d）.

溫度控制（25±0.3）℃，采用連續(xù)進出水的運行方式.水力停留時間8h，膜組件通量0.107m3/（m2·d）.

1.3 檢測方法

1.3.1 常規(guī)檢測方法 每天檢測進出水CODCr、揮發(fā)酸［9］，以及反應器中溶解性微生物產(chǎn)物（SMP）和胞外聚合物（EPS），多糖和蛋白是SMP及EPS的主要組成成分，取其和為實際值.多糖采用苯酚濃硫酸法測定，蛋白采用改良型BCA蛋白試劑盒（上海生工）進行測定.反應器中DO和pH使用WTW（pH/Oxi34Oi）手提式多參數(shù)測試儀測定.膜壓變化由壓力傳感器在線記錄.

1.3.2 微生物種群檢測 應用末端限制性片段長度多態(tài)性（T-RFLP）技術［10-11］，分析不同膜壓下微生物種群，操作過程詳見文獻［12-13］.實驗應用的細菌16SrDNA擴增引物為帶有FAM熒光標記的8F與1492R.限制性內(nèi)切酶HAEIII［14］酶切擴增片段，得到的T-RF片段通過與自建文庫比較來確定微生物種屬.

2 結(jié)果與討論

2.1 反應器運行效能

2.1.1 運行效果 反應器在25℃下連續(xù)運行52d，圖1為3個膜污染周期下CODCr的去除效果.第1個膜污染周期（0 ～15d）出水CODCr略有波動，為20～50mg/L，去除率為82%～90%；第2、3個周期（16～52d）出水CODCr穩(wěn)定在30mg/L左右，去除率為93%左右，維持了穩(wěn)定的去除效果.

圖1 不同膜污染周期下COD的去除效果Fig.1 The efficiency of COD removal rate in different periods

圖2中，第1個膜污染周期中出水揮發(fā)酸累計濃度較高約為18mg/L，隨后的2個周期內(nèi)揮發(fā)酸累計濃度在10mg/L左右波動，均未出現(xiàn)積累現(xiàn)象.從CODCr和揮發(fā)酸的去除情況來看，反應器在常溫條件下對CODCr有較高的去除率，并未出現(xiàn)揮發(fā)酸積累影響反應器運行的情況.

圖2 膜污染周期中VFAs平均值Fig.2 The average concentrations of VFAs in membrane fouling periods

圖3 膜污染周期下pTM變化情況Fig.3 The changes of pTMin different periods

2.1.2 膜污染 由圖3可見，第1個膜污染周期持續(xù)時間較短（0～15d），膜污染發(fā)生速度較快，整個周期中膜壓力持續(xù)上升，上升速率為3.07kPa/d.第15～ 32d為第2個膜污染周期，反應器內(nèi)微生物群落結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定，膜壓變化呈現(xiàn)出3個階段的變化特征:第1階段（15～22d）膜壓緩慢上升，速率為2.73kPa/d，此時反應器中一些比較大的顆粒在膜絲表面富集，但未對出水造成明顯阻礙作用；第2階段（23～28d），膜壓上升速率為0.372kPa/d，膜絲表面的濃差極化現(xiàn)象達到平衡，膜壓穩(wěn)定在25kPa左右，膜絲表面的微生物開始增多，微生物之間激烈地競爭導致了不同代謝產(chǎn)物的分泌，從而進一步加重了膜污染；第3階段（29～32d）膜壓迅速上升，速率為3.75kPa/d，由于污染物質(zhì)的積累以及微生物生長的作用，膜絲表面開始形成了致密的泥餅層，導致了膜壓的迅速上升，膜組件出水困難.第33～52d為第3個膜污染周期，膜壓變化與第2個周期趨勢相似，第33～44d為緩慢上升期，速率為2.27kPa/d，第45～48d膜壓變化很小，速率為0.235kPa/d，第49～52d膜壓又迅速上升，速率為3.50kPa/d.

2.2 微生物群落結(jié)構(gòu)分析

針對一個穩(wěn)定的膜污染周期（第3周期），在不同膜壓情況下對反應器內(nèi)微生物及膜絲表面的微生物取樣，測得的微生物群落結(jié)構(gòu)見圖4.

圖4 不同膜污染程度下微生物群落結(jié)構(gòu)圖譜Fig.4 The pattern of microbial community structure in different membrane fouling periods

從圖4可知，當膜污染處在緩慢上升階段（膜壓為20kPa）時，厭氧反應器中腸桿菌屬Raoultella terrigena 為優(yōu)勢種群，其次為bp68 （T-RFLP得到的酶切片段）的微生物.此時，膜絲表面微生物呈現(xiàn)出相同的分布現(xiàn)象，優(yōu)勢種群主要為腸桿菌屬Raoultella terrigena與bp68微生物.通過與伯杰細菌手冊對比發(fā)現(xiàn)腸桿菌屬Raoultella terrigena發(fā)酵葡萄糖產(chǎn)酸產(chǎn)氣.此階段隨著膜壓的緩慢上升，反應器中還出現(xiàn)了部分兼性厭氧細菌Owenweeksia hongkongensis（黃桿菌屬的一種），同時膜絲表面亦包含部分Delftia acidovorans（叢毛單胞菌屬的一種）.反應器結(jié)構(gòu)使得外筒中的優(yōu)勢微生物有更多的機會流入內(nèi)筒與膜組件接觸［8］，所以在反應器中與膜絲表面，腸桿菌屬Raoultella terrigena與bp68菌屬為優(yōu)勢菌屬.

膜壓繼續(xù)上升達到穩(wěn)定期（膜壓為25kPa）時，反應器中Owenweeksia hongkongensis，bp78 的微生物及Delftia acidovorans占主要比例.膜絲表面出現(xiàn)的bp78微生物與代爾夫特菌Delftia acidovorans代替了腸桿菌屬Raoultella terrigena與bp68微生物，成為了優(yōu)勢菌群.這種現(xiàn)象是隨著膜壓逐漸升高，膜絲表面聚集的微生物在不斷增加，微生物之間競爭導致的群落演替的結(jié)果.

當膜壓繼續(xù)升高（達到約40kPa）時，反應器中的生物種群無明顯變化，而膜絲表面附著微生物的種類則逐漸增多，其中bp78長度的微生物成為了膜絲表面的優(yōu)勢種群.從膜絲表面微生物變化來看，膜污染過程是附著在膜絲表面的微生物種群之間，不斷競爭最后達到優(yōu)勢種群的過程.具體來看，快速上升期膜絲表面的微生物已出現(xiàn)了優(yōu)勢菌群，且達到了穩(wěn)定的狀態(tài)，而緩慢上升期及穩(wěn)定期的膜絲表面微生物種群仍然處在相互競爭之中.因此，可以通過控制反應器的運行條件來延長緩慢上升期和穩(wěn)定期膜絲表面微生物的演替過程，即通過控制或延長膜絲表面優(yōu)勢菌群的形成過程，便可以延長膜污染周期.

2.3 微生物代謝產(chǎn)物分析

2.3.1 反應器中EPS的變化 高EPS濃度往往導致膜污染的發(fā)生［15］，本研究取一個穩(wěn)定的膜污染周期，測得EPS在膜污染周期內(nèi)的變化情況（圖5），其濃度呈現(xiàn)出緩慢上升的趨勢.

膜污染前期EPS濃度維持在35～40mg/g，隨著膜污染的加劇，EPS濃度不斷增加至最高約54mg/g.EPS濃度的變化與反應器內(nèi)優(yōu)勢菌群有關，在pTM為20kPa時，腸桿菌屬Raoultella terrigena等為革蘭氏陽性細菌且能夠分泌粘液層，其在反應器中占有著主要的地位，是EPS的主要貢獻者.這種高濃度EPS加速膜污染的現(xiàn)象與Aquino等［16］的研究結(jié)果相似.

圖5 膜污染周期中EPS的變化Fig.5 The concentration of EPS in a membrane fouling period

圖6 膜污染周期中SMP的變化情況Fig.6 The concentration of SMP in a membrane fouling period

2.3.2 反應器中SMP變化 很多研究闡述了SMP的濃度以及SMP組成成分對膜污染的影響［17-19］，本文研究了一個膜污染周期中反應器內(nèi)SMP的變化情況（圖6）.當膜壓低于20kPa時，反應器中SMP濃度15～25mg/L，緩慢上升；當膜壓穩(wěn)定在25kPa左右時，反應器中SMP濃度維持在28mg/L左右，趨于穩(wěn)定狀態(tài)；當膜壓處于快速上升時期時，反應器中的SMP濃度快速增加，最后達到約40mg/L.反應器中SMP整體的變化趨勢與膜壓變化趨勢相似，其主要原因在于膜組件對SMP的截留作用:膜污染前期膜組件對SMP的截留作用很小，部分SMP被排出反應器；隨著膜污染的加重，膜絲表面形成的泥餅層對反應器中的污染物質(zhì)起到了截留作用，導致SMP濃度隨著膜污染的加劇而不斷升高.

伴隨著膜污染的不同階段，反應器內(nèi)的微生物也在發(fā)生著演替，各階段優(yōu)勢種群的不同導致了代謝產(chǎn)物的差異.反應器的運行條件決定了微生物的演替過程，也影響了微生物代謝產(chǎn)物SMP及EPS的濃度.因此，反應器運行參數(shù)（如溫度、pH值、HRT等）的控制會影響到微生物代謝產(chǎn)物的形成，從而影響膜污染.

2.4 微生物群落與膜污染關系分析

2.4.1 微生物群落多樣性與膜污染關系 為了表征不同膜污染時期微生物群落的多樣性，本研究引入了Shannon指數(shù)H.同時需要描述微生物群落結(jié)構(gòu)與膜污染之間的關系，引入濾阻R來表征膜壓與膜污染的關系.通過R與透水率K-1［kPa/L（m2·h）］成正比的關系，得到pTM與K-1成正比［20］.

表1 Shannon指數(shù)H與透水率K-1關系Table 1 The relationship between the index of H and permeability K-1

Pearson系數(shù)（rp，無量綱）可以用于2組數(shù)據(jù)之間相關性的分析，取值范圍在-1.0～1.0之間，其絕對值越大兩個數(shù)據(jù)集合的相關性越高.

應用SPSS軟件對表1中微生物群落結(jié)構(gòu)Shannon 指數(shù)H 與K-1相關性分析可知:在膜污染進入快速上升期之前（pTM在25kPa以下時），以透水率K-1為橫坐標，以Shannon指數(shù)H為縱坐標得出了擬合公式y(tǒng) = 0.2399x + 0.9365（rp= 0.999P = 0.022），Pearson系數(shù)在置信度為0.05的水平上，透水率K-1與微生物Shannon指數(shù)表現(xiàn)出顯著相關（rp= 0.999，P = 0.022，置信度為95%）；但當膜污染進入快速上升期（pTM大于25kPa以后），膜絲表面微生物之間的競爭導致頂級菌群出現(xiàn)，同時Shannon指數(shù)值H迅速降低，此時H 值與K-1相關性表現(xiàn)出微弱相關.以上生物統(tǒng)計學分析表明:當膜絲表面污染程度處在較低水平時，膜污染的原因是不同微生物在膜絲表面持續(xù)積累、微生物群落多樣性不斷增大導致的膜壓升高，但是微生物群落多樣性的增高并沒有造成嚴重的膜污染；當膜污染進入后期，微生物之間的競爭關系不斷加劇，頂級菌群的產(chǎn)生與微生物代謝產(chǎn)物濃度的不斷增高，成為了膜污染的主要原因.

2.4.2 微生物群落均勻度與膜污染關系 為了描述微生物群落均勻度與膜壓之間的關系，本研究引入了PL均勻度曲線，45°直線為完美曲線，表示微生物群落均勻度最高，偏離完美曲線越遠說明優(yōu)勢菌群的地位越突出.

圖7 微生物群落均勻度與膜壓（pTM）的關系Fig.7 The relationship between microbial evenness and membrane pressure

圖7中，當膜壓（pTM）為5kPa時，微生物群落均勻度曲線遠離完美曲線，優(yōu)勢種群明顯，這是由于膜污染初期易附著微生物在膜絲表面聚集成為了優(yōu)勢菌群；膜壓（pTM）逐漸上升至25kPa的過程中，均勻度曲線逐漸靠近完美曲線，膜絲表面的微生物群落均勻度升高，究其原因是膜絲表面微生物種類與含量不斷升高，微生物種群之間對生態(tài)位的競爭不斷加劇，使得膜污染初期的優(yōu)勢菌群不斷退化，微生物群落的均勻度升高，這也是膜壓（pTM）進入快速上升期之前膜污染的一個主要原因，微生物種群之間的競爭必然會導致頂級群落的出現(xiàn)，與此同時膜壓（pTM）進入快速上升時期；當膜壓（pTM）為40kPa時，頂級群落又使得均勻度曲線遠離完美曲線，這與Gao等［21］研究結(jié)果相近.整個膜污染過程中膜絲表面微生物群落的均勻度隨著膜污染的加重呈現(xiàn)出先增加后降低的變化趨勢，這也與微生物多樣性與膜污染相關系分析得到的結(jié)果相吻合.

3 結(jié)論

3.1 常溫下厭氧膜生物反應器對模擬生活污水中CODCr有很好的去除效果，去除率可達到93%.

3.2 厭氧膜生物反應器中膜污染的變化呈現(xiàn)出3階段，3階段中膜絲表面優(yōu)勢菌群不同.前后經(jīng)歷了膜污染初期的腸桿菌屬Raoultella terrigena， bp68微生物，中期的香港海鷗根Owenweeksia hongkongensis，代爾夫特菌屬Delftia acidovorans，后期的bp78長度微生物占據(jù)優(yōu)勢地位的演替過程.

3.3 在整個膜污染過程中，群落結(jié)構(gòu)的變化導致反應器中SMP及EPS濃度的不斷增加，高濃度的EPS及SMP成為了膜污染的主要原因.

3.4 通過對膜絲表面微生物群落多樣性與膜壓變化的相關性分析得知，膜污染初期微生物的群落分布越均勻，膜污染越嚴重；當膜污染進入快速上升期后，膜絲表面出現(xiàn)了頂級群落，這時微生物群落的多樣性與膜壓變化呈現(xiàn)出微弱相關.

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The relationship between microbial community structure and anaerobic MBR membrane fouling at a room temperature.

SUI Li-xin， HU Qi， GAO Da-wen*（State Key Laboratory of Urban Water Resource and Environment，Harbin Institute of Technology， Harbin 150090， China）. China Environmental Science， 2015，35（1）：110～115

An anaerobic membrane bioreactor was run at a room temperature to investigate the relationship between microbial community structure and membrane fouling. Changes in the microbial community structure of membrane surfaces were studied by terminal restriction fragment length polymorphism analysis （T-RFLP） technology. The relationship between the microbial community structure and soluble microbial products （SMP）， extracellular polymeric substances （EPS） were also investigated. Membrane fouling period was 18d at a room temperature， and the removal rate of CODCrwas approximately 93%. The succession of microbial populations made the concentration of microbial metabolites gradually increased and accelerated the process of membrane fouling. The dominant microbial species of membrane surface were Raoultella， Owenweeksia hongkongensis when film pressure was slowly rising. When the pressure rose steadily， the dominant bacteria changed into Delftia acidovorans， Halothiobacillus neapolitanus. At last， the microbe of bp78 become the climax community. When the membrane fouling is through the slow rising period and steady rising period， the pressure （pTM） and the diversity of microbial community structure showed a significant positive correlation. When membrane fouling was in the rapid rising stage， top community appeared on the surface of the membrane silk， and microbial community diversity decreased significantly. At this point， the diversity of microbial community structure showed weakly related with the membrane pressure. The evenness of microbial community on membrane surface increased firstly and then decreased as membrane pressure rose， and the microbe continued to adhere on the membrane surface firstly， and then competed with each other until the top community appeared.

anaerobic membrane bioreactor；membrane fouling；terminal restriction fragment length polymorphism；microbes community structure；biodiversity

X703.1

A

1000-6923（2015）01-0110-06

隋力新（1987-），男，遼寧鐵嶺人，哈爾濱工業(yè)大學碩士研究生，主要從事污水處理方面研究.

2014-04-19

國家自然科學基金（21177033）

* 責任作者， 教授， gaodw@hit.edu.cn