加堿對豬場廢水厭氧消化液好氧處理過程酸化改進作用及其對菌群結(jié)構(gòu)的影響

王 伸， 鄧良偉， 姜奕圻， 王 霜， 徐 則 ， 鄭 丹

( 1．農(nóng)業(yè)部沼氣科學研究所， 成都 610041; 2．農(nóng)業(yè)部農(nóng)村可再生能源開發(fā)利用重點實驗室， 成都 610041)

加堿對豬場廢水厭氧消化液好氧處理過程酸化改進作用及其對菌群結(jié)構(gòu)的影響

王 伸1,2， 鄧良偉1,2， 姜奕圻1,2， 王 霜1,2， 徐 則1,2， 鄭 丹1,2

( 1．農(nóng)業(yè)部沼氣科學研究所， 成都 610041; 2．農(nóng)業(yè)部農(nóng)村可再生能源開發(fā)利用重點實驗室， 成都 610041)

豬場廢水厭氧消化液； SBR； 短程硝化； pH值； 加堿

筆者對加堿改進豬場廢水厭氧消化好氧處理效果進行了長期、比較系統(tǒng)的研究，并對加堿處理后的微生物群落進行分析。希望能為厭氧消化液好氧后處理工程應用提供參考。

1 試驗材料和方法

1.1 污泥和污水

試驗所用接種污泥來源于實驗室培養(yǎng)的好氧污泥(具有硝化、反硝化活性)。試驗進水為四川邛崍某豬場廢水處理沼氣工程厭氧反應器出水(厭氧消化液)。

1.2 試驗裝置

試驗采用SBR工藝，實驗裝置為內(nèi)徑為12 cm，外徑為18 cm，高度100 cm的有機玻璃圓柱體，總?cè)莘e11.3 L，反應容積為9.5 L。反應器外設夾套以及加熱循環(huán)水進出口各一個，通過循環(huán)電子恒溫水浴鍋(型號HH-W21，北京中興偉業(yè)儀器有限公司)內(nèi)熱水以實現(xiàn)對溫度的控制。在反應器底部布置定制的直徑為9cm的曝氣盤，曝氣盤連接空氣壓縮機(型號ACO-002，天津森森集團股份有限公司)進行曝氣。底部曝氣盤上設微型潛水泵(型號At-104，香港創(chuàng)星制品有限公司)作為攪拌裝置。采用蠕動泵(型號WT600-2J，保定蘭格集團)進行進出料。

1.3 試驗方法

處理系統(tǒng)酸化預實驗：在1個50 L桶里面加入生活污水處理廠曝氣池污泥，進水為豬場廢水厭氧消化液，只進水不出水，充分曝氣培養(yǎng)，5 d后桶里面混合pH值降至6.0以下，視為酸化。

1.4 檢測項目及分析方法

1.5 微生物高通量測序分析

從反應開始時的接種污泥、穩(wěn)定運行203 d時反應器混合液取樣。對所取樣品采用CTAB方法進行基因組DNA提取，隨后利用瓊脂糖凝膠電泳檢測其DNA的濃度和純度。使用聚合酶鏈式反應(PCR)技術擴增細菌的16SrRNA基因。以16S rRNA V3～V4 區(qū)內(nèi)338F (5′-ACTCCT ACGGGAGGCAGCA-3′)和806R (5′-GGACTAC HVGGGTWTCTAA T-3′)為特征引物。PCR 反應體系和程序(30μL)為： Phusion Master Mix(2×) 15 μL ；Primer(2μM) 3 μL(6μM) gDNA(1 ng·μL-1) 10 μL(5～10 ng) H2O 2 μL ；98℃預變性1 min；30 個循環(huán)包括(98 ℃，10 sec；50 ℃，30 sec；72 ℃，30 sec)；72℃，超純水滅菌5 min；用2%濃度的瓊脂糖凝膠進行電泳檢測PCR的產(chǎn)物；使用Thermo Scientific公司的GeneJET膠作為回收試劑盒對PCR擴增產(chǎn)物進行回收。委托北京諾禾致源生物信息科技有限公司基于Illumina Hiseq 2500平臺對PCR 擴增產(chǎn)物的高通量測序，在多樣性評估的基礎上，采用Qiime 軟件進行微生物分類學分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 反應器中混合液pH值變化

從圖1中可以看出，反應開始時，兩個反應器的混合液都處于酸化狀態(tài)，pH值為5.7左右。其后， AA組加入堿以后pH值就在6.5以上，反應裝置不再酸化，其pH值隨加堿的變化而變化；而未加入堿的CG組，在前期出現(xiàn)波動，出現(xiàn)pH值上升現(xiàn)象，從第84天以后開始到試驗結(jié)束第203天，pH值逐漸下降，直至穩(wěn)定在5.7左右。AA組出水pH值平均值為7.9，說明改進策略能明顯抑制酸化。AA組改進原因是因為外加的堿能中和硝化過程中產(chǎn)生的酸，使其pH值能維持在6.5以上。

圖1 不同反應器曝氣結(jié)束時混合液pH值

2.2 SBR對COD的去除

圖2 不同反應器對豬場廢水厭氧消化液COD的去除

2.3 氮去除

2.3.1 氨氮去除

圖3 不同反應器對豬場廢水厭氧消化液的去除

2.3.2 氨氮轉(zhuǎn)化物

圖4 不同反應器中濃度變化情況

圖5 不同反應器中濃度變化情況

圖6 不同反應器中濃度變化情況

圖7 進水和129～201天期間CG和AA組出水中和濃度變化

圖8 不同反應器對豬場廢水厭氧消化液的去除

2.4 總磷去除

圖9顯示了SBR對豬場廢水厭氧消化液TP去除效果。從圖6可知，在試驗前期(第19周前)，進水(厭氧消化液)TP濃度為45.2 mg·L-1，CG和AA組出水TP濃度分別為58.2 mg·L-1，48.9 mg·L-1和23.8 mg·L-1，對應去除率分別為-36.1%和-19.6%。在穩(wěn)定期(第19～28周)，進水(厭氧消化液)TP濃度為37.9 mg·L-1，CG和AA組出水TP濃度分別為43.6 mg·L-1和38.3 mg·L-1，對應去除率分別為-19.4%和-7.48%。通過對比發(fā)現(xiàn)，穩(wěn)定期間酸化改進AA組，可以提高11.9%的TP去除率。出現(xiàn)AA組對TP去除率為負數(shù)的原因是在反應器中前期積累的大量的TP而沒有排除，造成后期出水濃度比進水濃度高。傳統(tǒng)的生物除磷理論[26～27]認為，生物除磷主要通過聚磷菌(Poly-P Accumulating Organisms, PAOs)在好氧條件下過量的吸磷，在厭氧條件下，水解細胞原生質(zhì)中聚合磷酸鹽(poly-P)從而釋放磷；通過排除富含磷的污泥，以此達到除磷的目的。因為去除TP是通過排除富含微生物的剩余污泥[28]，而運行203 d期間沒有排富含磷的污泥，導致污泥老化，也是磷去除效果差的又一原因。因此，在試驗運行期間沒有進行排泥和污泥老化解體是筆者試驗除磷效果差的根本原因。

圖9 不同反應器對豬場廢水厭氧消化液TP的去除

2.5 微生物菌群結(jié)構(gòu)的變化

利用Hiseq高通量測序平臺對對照組和改進組污泥中微生物多樣性進行了分析。高達99.9%以上的覆蓋率表明，測序結(jié)果能真實反映樣品中的菌群分布情況。CG組和AA組得到相同的56676和57563條有效序列，平均長度為分別為420和420 bp，在99%的相似水平上可聚類產(chǎn)生1262和1286個OTU。不同污泥樣品的具體細菌群落多樣性指數(shù)如表2所示。由ACE， Chao， Simpson和Shannon指數(shù)分析可知，加堿的AA組中污泥細菌群落的豐富度和多樣性高于未加堿的CG組，同時也增加了細菌群落的均一性。對測序樣品得到的序列進行比對分析，兩組樣品在生物分類學門的水平上進行分類。由表1可知變形菌門 (Proteobacteria)和擬桿菌門(Bacteroidetes)是兩個反應器共有的優(yōu)勢菌門，CG組相對豐度為27.4%和26.2%，AA組相對豐度為35.2%和31.2%。與未加堿CG組相比，加堿的AA組使變形菌門 (Proteobacteria)和擬桿菌門(Bacteroidetes)的相對豐度有所增加，而Acidobacteria(酸桿菌門)的相對豐度急劇減小，從相對豐度28.9%減少到4.78%。

表1 樣本微生物多樣性指數(shù)

注：表中Chao和ACE指數(shù)常用來表征菌群的豐富度，數(shù)值越大，表示樣品中群落結(jié)構(gòu)越豐富。Shannon和Simpson指數(shù)常用來估算樣本中微生物的多樣性，Shannon值越大，其說明群落多樣性越高；而Simpson指數(shù)值越大，說明群落多樣性越低，均一性相對越差。

表2是CG和AA組污泥中由相對豐度所有大于1%的屬組成，共有22個屬。在CG組中，主要是好氧異養(yǎng)微生物，如Blastocatella[29],Saprospiraceae和Chitinophagacea[30-31]。其中也包含一些自養(yǎng)細菌如硝化細菌 (Nitrospira; NOB) 和Nitrosomonas(ammonium-oxidizing bacteria, AOB)[31], 也包括一些異養(yǎng)脫氮菌如Thermomona[30]和自養(yǎng)脫氮菌 (Limnobacter)[32]。 在AA組污泥中，主要不同于CG組的微生物為具有聚磷作用PHOS-HE51(17.34%)和PHOS-HE36(1.78%)[33]和好氧異養(yǎng)型的OPB35_soil_group_norank[34]和OM1clades[35]。 與CG組微生物相對豐度相比， AA組中的主要功能Nitrosomonas(AOB)的相對豐度從 0.65% 增加到5.75%, 而Nitrospira(NOB) 從 1.27% 下降到 0.01%。氨氧化細菌的富集和亞硝酸鹽細菌的下降能很好解釋在AA組出現(xiàn)亞硝酸鹽的積累。

表2 對照組和IS組污泥中相對豐度>1%的屬 (%)

注：每組加粗為反應器前三主要菌屬

3 結(jié)論

(2)不同于對照(CG)組，加堿(AA)組形成了亞硝酸積累，亞硝酸鹽積累率(NAR)為88.8%。

(3)加堿(AA)組的氨氧化細菌(Nitrosomonas)豐度(AOB)上升，亞硝酸氧化菌(NOB)豐度下降，有利于實現(xiàn)短程硝化。

[1] L Deng, P Zheng, Z Chen, Q Mahmood.organic material, nitrogen and phosphorus[J].Bioresource Technology, 2008 (99):3136-3145.

[2] D Yang, L Deng, D Zheng, L Wang, Y Liu.Separation of swine wastewater into different concentration fractions and its contribution to combined anaerobic-aerobic process[J].Journal of Environmental Management, 2016 (168):87-93.

[3] T Jin, T Zhang, Q Yan.Characterization and quantification of ammonia-oxidizing archaea (AOA) and bacteria (AOB) in a nitrogen-removing reactor using T-RFLP and qPCR[J].Appl Microbiol Biot, 2010 (87):1167-1176.

[4] B Wett, W Rauch.The role of inorganic carbon limitation in biological nitrogen removal of extremely ammonia concentrated wastewater[J].Water Research, 2003 (37):1100-1110.

[5] B Sinha, A P Annachhatre.Partial nitrification—operational parameters and microorganisms involved[J].Reviews in Environmental Science and Bio/Technology, 2007 (6):285-313.

[6] M Muβmann, I Brito, A Pitcher, J S Sinninghe Damsté, R Hatzenpichler, A Richter, J L Nielsen, P H Nielsen, A Müller, H Daims, M Wagner, I M Head.Thaumarchaeotes abundant in refinery nitrifying sludges express amoA but are not obligate autotrophic ammonia oxidizers[J].Proc Natl Acad Sci, 2011 (108): 16771-16776.

[7] S Park, W Bae, J Chung, S C Baek.Empirical model of the pH dependence of the maximum specific nitrification rate[J].Process Biochemistry, 2007 (42):1671-1676.

[8] Metcalf I，Eddy G，Tchobanoglous F，Burton H D Stensel.Wastewater Engineering: Treatment and Reuse, 4 ed[M].McGraw-Hill Education, 2002.

[9] R A Morris.Investigation of the Optimal Dissolved CO2Concentration and pH Combination for the Growth of Nitrifying Bacteria[J].University of South Florida, 2011.

[10] A Gieseke, S Tarre, M Green, D de Beer.Nitrification in a biofilm at low pH values: role of in situ microenvironments and acid tolerance[J].Applied and Environmental Microbiology, 2006 (72):4283-4292.

[11] S Tarre, M Green.High-rate nitrification at low pH in suspended-and attached-biomass reactors[J].Applied and Environmental Microbiology, 2004(70): 6481-6487.

[12] C Grunditz, G Dalhammar.Development of nitrification inhibition assays using pure cultures of nitrosomonas and nitrobacter[J].Water Research, 2001 (35): 433-440.

[13] S A Burton, J I Prosser.Autotrophic ammonia oxidation at low pH through urea hydrolysis[J].Applied and environmental microbiology, 2001(67):2952-2957.

[14] 王 伸, 鄧良偉, 徐 則, 鄭 丹, 王 蘭, 王 霜.pH值對好氧處理及污泥性能的影響[J].中國沼氣, 2016 (34):22-26.

[15] 楊 虹, 李道棠.集約化養(yǎng)豬場沖欄水的達標處理[J].上海交通大學學報, 2000 (34):558-560.

[16] 胡啟智, 朱凰榕, 王 軍, 歐陽春飛.豬場廢水的石灰處理研究[J].安徽農(nóng)業(yè)科學, 2012 (40): 8551-8552.

[17] 方炳南, 顧欣欣, 朱 亮.常規(guī)SBR工藝對豬場沼液的處理性能研究[J].中國沼氣, 2012 (30):27-30.

[18] 王 新, 倪晉仁, 翟風敏.豬場穩(wěn)定塘廢水的IBAF脫氮影響因素研究[J].應用基礎與工程科學學報, 2006 (5):10-15.

[19] T Yamamoto, K Takaki, T Koyama, K Furukawa.Long-term stability of partial nitritation of swine wastewater digester liquor and its subsequent treatment by Anammox[J].Bioresource Technology, 2008 (99):6419-6425.

[20] G Bortone, S Gemelli, A Rambaldi, A Tilche.Nitrification, denitrification and biological phosphate removal in sequencing batch reactors treating piggery wastewater[J].Water Science Technology, 1992 (26):977-985.

[21] B Boiran, Y Couton, J Germon.Nitrification and denitrification of liquid lagoon piggery waste in a biofilm infiltration-percolation aerated system (BIPAS) reactor[J].Bioresource technology, 1996(55):63-77.

[22] W Bae, S Baek, J Chung, Y Lee.Optimal operational factors for nitrite accumulation in batch reactors[J].Biodegradation, 2001 (12):359-366.

[23] G BITTON.Wastewater Microbiology, 3ra.edic [M].New Jersey,2005.

[24] M H Gerardi.Nitrification and denitrification in the activated sludge process [M].New York：Wiley Interscience，2003.

[25] S E Jorgensen, B Fath.Encyclopedia of Ecology [M].Elsevier， 2008.

[26] G L Leung.N Tam.Operation strategy of a sequencing batch reactor for simultaneous removal of wastewater organic matter and nutrients[J].Resources, Conservation and Recycling, 1994 (11):209-223.

[27] D T Sponza, H Atalay.Influence of nitrate and COD on phosphorus, nitrogen and dinitrotoluene (DNT) removals under batch anaerobic and anoxic conditions[J].Anaerobe, 2004 (10):287-293.

[28] S Won, C Ra.Biological nitrogen removal with a real-time control strategy using moving slope changes of pH (mV)-and ORP-time profiles[J].Water Research, 2011 (45):171-178.

[29] M Tank, D A Bryant.Chloracidobacterium thermophilum gen nov sp nov an anoxygenic microaerophilic chlorophotoheterotrophic acidobacterium[J].International Journal of Systematic Evolutionary Microbiology, 2015 (65):1426-1433.

[30] Y Yue, J Liu, B Ma, L Ye, W Bo, Y Peng.Improving municipal wastewater nitrogen and phosphorous removal by feeding sludge fermentation products to sequencing batch reactor (SBR) [J].Bioresource Technology, 2016 (222):326-334.

[31] J Meng, J Li, J Li, K Sun, P Antwi, K Deng, C Wang, G Buelna.Efficiency and bacterial populations related to pollutant removal in an upflow microaerobic sludge reactor treating manure-free piggery wastewater with low COD/TN ratio[J].Bioresource Technology, 2016 (201):166-173.

[32] S Deng, D Li, X Yang, W Xing, J Li, Q Zhang.Biological denitrification process based on the Fe(0)-carbon micro-electrolysis for simultaneous ammonia and nitrate removal from low organic carbon water under a microaerobic condition[J].Bioresource Technology, 2016(219):677-686.

[33] S A Baldwin, M Khoshnoodi, M Rezadehbashi, M Taupp, S Hallam, A Mattes, H Sanei.The microbial community of a passive biochemical reactor treating arsenic, zinc, and sulfate-rich seepage[J].Frontiers in Bioengineering Biotechnology, 2015(3).

[34] P F Dunfield, A Yuryev, P Senin, A V Smirnova, M B Stott, S Hou, B Ly, J H Saw, Z Zhou, Y Ren.Methane oxidation by an extremely acidophilic bacterium of the phylum Verrucomicrobia[J].Nature, 2007 (450):879-882.

[35] R O, S J, J MSM, L C.Metagenomic potential for and diversity of N-cycle driving microorganisms in the Bothnian Sea sediment[J].Microbiology Open, 2017.

AlleviatingAcidificationofAerobicPost-treatmentofDigestedPiggeryWastewaterbyAddingAlkaliandItsInfluenceonMicrobialCommunity

WANGShen1,2，DENGLiang-wei1,2，JIANGYi-qi1,2，WANGShuang1,2，XUZe1,2，ZHENGDan1,2

( 1．BiogasInstituteofMinistryofAgriculture，Chengdu610041，China; 2.LaboratoryofDevelopmentandApplicationofRuralRenewableEnergy，MinistryofAgriculture，Chengdu610041，China)

Digested effluent； SBR； shortcut nitrification； pH； Adding alkali

2017-10-09

項目來源： 國家生豬技術產(chǎn)業(yè)體系(CARS-36-10B)； 國家自然科學基金(31572450)

王 伸(1990-)，男，安徽亳州人，在讀碩士，主要研究方向為農(nóng)村廢棄物處理技術，E-mail：ws55185366@163.com

鄧良偉，E-mail：dengliangwei@caas.cn

S216.4; X703

A

1000-1166(2017)06-0003-07