劉 嘉, 左 薇, 張 軍, 李 慧, 李俐頻, 田 禹

(1.城市水資源與水環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(哈爾濱工業(yè)大學(xué)), 哈爾濱150090; 2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 市政環(huán)境工程學(xué)院，哈爾濱150090)

MBR+蠕蟲反應(yīng)器膜污染特征及微生物群落結(jié)構(gòu)

劉 嘉1,2, 左 薇2, 張 軍2, 李 慧2, 李俐頻2, 田 禹1,2

(1.城市水資源與水環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(哈爾濱工業(yè)大學(xué)), 哈爾濱150090; 2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 市政環(huán)境工程學(xué)院，哈爾濱150090)

為研究針對(duì)MBR+蠕蟲反應(yīng)器工藝中蠕蟲捕食對(duì)膜污染的影響, 在常溫下分別平行運(yùn)行MBR+蠕蟲反應(yīng)器(R1)和作為對(duì)照系統(tǒng)的MBR+空白蠕蟲反應(yīng)器(R2). 監(jiān)測(cè)R1工藝中MBR(S-MBR)和R2工藝中MBR(C-MBR)的跨膜壓力(pTM), 檢測(cè)污泥混合液及泥餅層微生物代謝產(chǎn)物的變化. 利用變性梯度凝膠電泳(DGGE)技術(shù)分析S-MBR和C-MBR中微生物種類和分布. 結(jié)果表明: S-MBR的膜污染周期為90 d, C-MBR的膜污染周期為28～37 d, 蠕蟲捕食導(dǎo)致S-MBR中SMP和EPS的多糖和蛋白質(zhì)減少. S-MBR膜絲表面是微生物菌群Alphaproteobacterium,Betaproteobacterium,Deltaproteobacterium和Geobacter, 而C-MBR膜絲表面是微生物菌群Azorhizobium,Rhodobacter,Gammaproteobacterium和Flavobacteria, 對(duì)MBR膜污染進(jìn)程起主要作用.Caldilinea可能與S-MBR膜污染減輕有關(guān). 蠕蟲捕食可改變微生物群落結(jié)構(gòu), 減緩S-MBR膜污染.

膜生物反應(yīng)器; 膜污染; 胞外聚合物; 溶解性微生物代謝產(chǎn)物; 微生物群落結(jié)構(gòu)

污水處理過程中產(chǎn)生的大量污泥容易導(dǎo)致二次環(huán)境污染, 進(jìn)一步的污泥處理和處置增加了污水處理的成本, 限制了污水處理工藝的大規(guī)模應(yīng)用. 目前, 作為一項(xiàng)有效的生態(tài)技術(shù), 利用微型動(dòng)物捕食污泥越來越受到關(guān)注[1-2]. 研究表明, 與傳統(tǒng)MBR相比, MBR+蠕蟲反應(yīng)器組合工藝具有同步廢水處理和污泥減量的特點(diǎn)[3]. 然而，關(guān)于蠕蟲捕食對(duì)MBR膜污染影響的研究較少. 隨著MBR膜污染程度的加深, 影響膜污染的微生物代謝產(chǎn)物質(zhì)量濃度增高, 如溶解性代謝產(chǎn)物(SMP)以及胞外聚合物(EPS)[4].微生物群落結(jié)構(gòu)對(duì)膜污染也具有一定影響, 膜污染發(fā)展變化過程中, 微生物群落不斷演替并最終形成分泌大量黏性物質(zhì)的優(yōu)勢(shì)種群, 此時(shí)膜污染程度最深[5-8]. 為研究蠕蟲捕食對(duì)膜污染的影響, 通過實(shí)驗(yàn)比較了MBR+蠕蟲反應(yīng)器在接種和不接種蠕蟲的不同工藝條件下, 微生物代謝產(chǎn)物及微生物群落結(jié)構(gòu)特征, 探索了微生物代謝產(chǎn)物、微生物種群結(jié)構(gòu)與膜污染之間的關(guān)系. 進(jìn)一步探討了微生物引起的膜污染機(jī)理.

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

MBR接種污泥取自哈爾濱太平污水處理廠二沉池, 污泥經(jīng)反應(yīng)器馴化后, MLSS(混合液懸浮固體)質(zhì)量濃度控制在9 000 ～10 000 mg·L-1. 蠕蟲反應(yīng)器接種污泥為MBR產(chǎn)生的剩余活性污泥, 運(yùn)行過程中MLSS質(zhì)量濃度控制在3 000～4 000 mg·L-1. 進(jìn)水為人工模擬生活污水, COD為(337.9±17.2)mg·L-1, NH3-N為(28.2±1.4)mg·L-1, TN(總氮)為(30.5±1.2) mg·L-1, pH為7.5±0.2.

1.2 反應(yīng)器裝置

MBR+蠕蟲反應(yīng)器(R1)和作為對(duì)照系統(tǒng)的MBR+空白蠕蟲反應(yīng)器(R2)如圖1所示, R1工藝的蠕蟲反應(yīng)器接種蠕蟲, R2工藝的空白蠕蟲反應(yīng)器不接種蠕蟲. 反應(yīng)器壁的材質(zhì)為透明有機(jī)玻璃, 便于觀察反應(yīng)狀態(tài). S-MBR和C-MBR有效容積均為40 L, 都安裝一個(gè)中空纖維濾膜組件, 有效過濾面積為1 m2, 膜孔徑為0.2 μm. 蠕蟲反應(yīng)器及空白蠕蟲反應(yīng)器有效容積均為39 L, 兩個(gè)反應(yīng)器內(nèi)都均勻分布多層數(shù)個(gè)填充了聚乙烯多孔性填料的穿孔板筐, 作為蠕蟲的載體. 實(shí)驗(yàn)所用蠕蟲主要為顫蚓類, 經(jīng)馴化后接種到蠕蟲反應(yīng)器中. 蠕蟲反應(yīng)器中穿孔板的面積為0.36 m2, 蠕蟲總質(zhì)量為0.096 kg, 反應(yīng)器運(yùn)行過程中蠕蟲密度控制在濕重0.27 kg/m2左右.

圖1 MBR+蠕蟲反應(yīng)器(R1)和MBR+空白蠕蟲反應(yīng)器(R2)

Fig.1 MBR+worm reactor (R1) and MBR+worm reactor without worms (R2)

1.3 反應(yīng)器運(yùn)行

表1 工藝運(yùn)行條件Tab.1 Parameters of reactors

1.4 檢測(cè)分析方法

1.4.1 常規(guī)檢測(cè)方法

采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)方法, 每隔3 d測(cè)定S-MBR和C-MBR進(jìn)水和出水的COD、NH3-N、NO3-N、NO2-N. DO、pH和溫度，分別利用JCB-607便攜式溶解氧儀、PHSJ-3F實(shí)驗(yàn)室pH計(jì)和溫度計(jì)測(cè)定. MBR運(yùn)行過程中，利用膜組件上的真空壓力表測(cè)定pTM, 表征膜污染程度。

1.4.2 樣品處理

泥餅層分離方法: 選取膜污染周期結(jié)束時(shí)S-MBR和C-MBR反應(yīng)器上的膜絲1～2根, 截取中間位置的等長(zhǎng)段, 用等量的磷酸鹽緩沖溶液將膜絲上的泥餅層沖洗下來, 分別置于離心管中, 用于EPS和DNA提取.

膜絲表面凝膠層分離方法: 將沖洗后的膜絲放入離心管中, 加入PBS緩沖溶液進(jìn)行超聲破碎. 微生物樣品經(jīng)過超聲震動(dòng)后從膜絲表面脫離到離心管的緩沖溶液中, 按照DNA試劑盒提取方法進(jìn)行樣品中微生物DNA的提取.

1.4.3 SMP、EPS提取方法

樣品置于離心管中, 5 000 r/min離心5 min, 取上清液經(jīng)0.45 μm濾膜過濾, 所得濾液即為SMP; 用蒸餾水將離心管中剩余污泥重新定容至原體積, 混合均勻后水浴(80 ℃, 30 min), 離心(5 000 r/min, 5 min), 上清液經(jīng)0.45 μm濾膜過濾后, 濾液用于EPS分析[9].

劉康寧 男.1992年3月出生，河北石家莊人.天津大學(xué)智能與計(jì)算學(xué)部碩士研究生，主要研究方向?yàn)闊o線(長(zhǎng)距離)mesh網(wǎng)絡(luò)和無線ad hoc網(wǎng)絡(luò).

1.4.4 微生物群落結(jié)構(gòu)分析

利用PCR-DGGE分子生物學(xué)方法[10]分析S-MBR和C-MBR中微生物群落結(jié)構(gòu)特征. PCR引物為GC夾的338F和518R[11].

2 結(jié)果與討論

2.1 工藝運(yùn)行效果比較

S-MBR和C-MBR連續(xù)運(yùn)行90 d, 出水COD平均分別為(26.5±5.4)和(25.9±7.3)mg·L-1, COD去除效率分別為(92.4±1.4)%和(92.6±2.0)%; NH3-N平均質(zhì)量濃度分別為(2.1±0.5)和(2.2±0.8)mg·L-1, NH3-N去除效率分別為(92.6±2.1)%和(92.1±2.8)%. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明盡管蠕蟲捕食釋放大量的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)(COD和NH3-N)[3], S-MBR仍保持較高的COD和NH3-N去除效率(見表2).

表2 S-MBR和C-MBR廢水處理效果

Tab.2 Performance of the S-MBR and the C-MBR treating the synthetic wastewater

檢測(cè)指標(biāo)進(jìn)水平均值/(mg·L-1)S-MBRC-MBR出水平均值/(mg·L-1)平均去除效率/%出水平均值/(mg·L-1)平均去除效率/%COD347.2±17.426.5±5.492.4±1.425.9±7.392.6±2.0NH3-N28.5±1.32.1±0.592.6±2.12.2±0.892.1±2.8TN29.5±3.223.5±1.420.3±3.123.2±2.121.4±2.3

2.2 膜污染分析

S-MBR和C-MBR連續(xù)運(yùn)行90 d, 分別監(jiān)測(cè)S-MBR和C-MBR的pTM變化, 如圖2所示. 當(dāng)pTM達(dá)30 kPa時(shí),一個(gè)膜污染周期結(jié)束.C-MBR的膜污染周期較短為28～37 d, 平均pTM增長(zhǎng)速率為1.0 kPa/d. S-MBR的膜污染周期較長(zhǎng)為90 d, 平均pTM增長(zhǎng)速率為0.3 kPa/d, 較C-MBR降低了70%. 由圖2可看出, 蠕蟲捕食可有效地減緩S-MBR的膜污染速率.

圖2 S-MBR和C-MBR反應(yīng)器pTM隨運(yùn)行時(shí)間變化Fig.2 Changes ofpTMin the S-MBR and C-MBR

工藝運(yùn)行至90 d時(shí), S-MBR和C-MBR反應(yīng)器pTM均達(dá)30 kPa, 分別對(duì)各MBR反應(yīng)器污泥混合液、生物膜表面泥餅層中微生物代謝產(chǎn)物的成分及其質(zhì)量濃度進(jìn)行分析, 結(jié)果如表3所示.可以看出, S-MBR污泥混合液中SMP的糖類和蛋白質(zhì)類物質(zhì)質(zhì)量濃度分別為8.1和7.9 mg·L-1, 較C-MBR低14.7%和18.6%; EPS的糖類和蛋白類物質(zhì)較C-MBR低2.5%和23.4%. S-MBR中膜表面泥餅層SMP的糖類和蛋白質(zhì)類物質(zhì)質(zhì)量濃度分別為13.5和11.7 mg·L-1, 較C-MBR低24.2%和22.5%; EPS的糖類和蛋白質(zhì)類物質(zhì)較C-MBR低3.1%和13.4%. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明, 與污泥暫時(shí)停留在空白蠕蟲反應(yīng)器中相比, 蠕蟲捕食污泥可有效地減少S-MBR中污泥混合液及膜表面泥餅層上SMP和EPS的糖類和蛋白質(zhì)類物質(zhì)質(zhì)量濃度.

表3 S-MBR和C-MBR反應(yīng)器微生物代謝產(chǎn)物Tab.3 Microbial metabolites of the S-MBR and the C-MBR mg·L-1

有研究表明, SMP和EPS在生物污染物和膜表面泥餅層形成過程中起到重要作用[12-13], 其中蛋白質(zhì)和糖類物質(zhì)可導(dǎo)致膜污染[14]. 在MBRs膜污染過程中, 膜絲上的微生物代謝產(chǎn)物及微生物菌群的黏附使膜孔阻塞, 膜通量降低. 由此推斷, S-MBR中污泥混合液及膜表面泥餅層中較低質(zhì)量濃度的糖類和蛋白質(zhì)類物質(zhì)與S-MBR的膜污染減輕有關(guān); 可以通過生態(tài)技術(shù)手段改變微生物群落結(jié)構(gòu), 降低產(chǎn)生胞外聚合物的微生物數(shù)量, 從而達(dá)到延緩膜污染的目的.

2.3 微生物群落與膜污染關(guān)系

反應(yīng)器的核心組成主要是活性污泥中的微生物種群[15], 微生物群落結(jié)構(gòu)的特征決定了反應(yīng)器的功能和運(yùn)行效果。反應(yīng)器運(yùn)行結(jié)束時(shí), 即第90天, S-MBR和C-MBR的膜孔被完全堵塞，膜污染周期終止. 此時(shí), 分別在S-MBR和C-MBR反應(yīng)器內(nèi)對(duì)污泥混合液、膜上泥餅層以及膜絲表面凝膠層取樣, 分析其微生物群落結(jié)構(gòu), 結(jié)果見圖3.

根據(jù)圖3, 對(duì)DGGE圖譜中主要條帶進(jìn)行測(cè)序分析, 結(jié)果如表4所示. 由圖3和表4可以看出, 無論是S-MBR還是C-MBR, 不同的生態(tài)環(huán)境微生物種群結(jié)構(gòu)也不相同. 每種微生物種群都有其自身所適應(yīng)的生態(tài)位, 并且隨著周圍環(huán)境的變化而進(jìn)行演替. 通過對(duì)比兩個(gè)MBRs相同生態(tài)位上的微生物種群發(fā)現(xiàn), S-MBR的微生物群落結(jié)構(gòu)與C-MBR中不同, 這可能與蠕蟲捕食有關(guān).

另外, S-MBR和C-MBR中污泥混合液的微生物種群結(jié)構(gòu)與其泥餅層的相似, 而與膜絲上的微生物種群基本不同. MBRs反應(yīng)器運(yùn)行過程中, 由于曝氣強(qiáng)度較高造成水力和氣流在膜的泥餅層上不斷攪動(dòng), 導(dǎo)致膜上泥餅層與污泥混合液不斷融合, 形成相似的微生物群落結(jié)構(gòu); 而膜絲表面上的微生物由于受污泥混合液的沖擊較少, 其種群結(jié)構(gòu)與污泥混合液及泥餅層的差別較大.

圖3 基于16S rDNA PCR產(chǎn)物的DGGE圖譜Fig.3 DGGE profile based on the 16S rDNA PCR products

膜污染周期結(jié)束, 膜壓30 kPa時(shí), S-MBR膜絲表面的主要微生物為Proteobacteria(變形菌門)的Alphaproteobacterium、Betaproteobacterium、Deltaproteobacterium(變形菌屬)、Geobacter(地桿菌屬), Chloroflexi(綠彎菌門)的Caldilinea(暖繩菌屬)和Bacteria; C-MBR膜絲表面的主要微生物為Proteobacteria(變形菌門)的Azorhizobium(生絲微菌屬)、Rhodobacter(紅細(xì)菌屬)、Gammaproteobacterium(變形菌屬), Bacteroidetes(擬桿菌門)的Flavobacteria(黃桿菌屬), Firmicutes(厚壁菌門)的Thermoanaerobacteriales(熱厭氧桿菌目)、Uncultured Firmicutes bacterium和Bacteria. 其中, Proteobacteria(變形菌門)和Bacteroidetes(擬桿菌門)易在膜組件形成優(yōu)勢(shì)菌群, 同時(shí)使膜組件容易發(fā)生污染[8]. 因此推斷, S-MBR和C-MBR膜絲表面上檢測(cè)到的Proteobacteria(變形菌門)和Bacteroidetes(擬桿菌門)對(duì)反應(yīng)器的膜污染具有重要作用.

另外, Proteobacteria(變形菌門)的Paracoccus(副球菌屬)為具有反硝化作用的菌屬, 表面可產(chǎn)生黏液層, 利于細(xì)胞間的黏連, 對(duì)膜污染的發(fā)展貢獻(xiàn)較大[4]. 蠕蟲反應(yīng)器中存在同步硝化反硝化過程[16], 由于捕食后污泥的回流, S-MBR的污泥混合液、 膜上泥餅層和膜絲表面上都發(fā)現(xiàn)了Paracoccus(副球菌屬), 負(fù)面影響了反應(yīng)器的膜污染進(jìn)程. 與C-MBR相比, Chloroflexi(綠彎菌門)的Caldilinea(暖繩菌屬)存在S-MBR的污泥混合液、 膜上泥餅層和膜絲表面上不同的生態(tài)環(huán)境中. Chloroflexi(綠彎菌門)可降解SMP中的碳水化合物及細(xì)胞物質(zhì), 減少其膜污染傾向, 對(duì)MBR處理城市廢水具有重要的生態(tài)意義[17]. 因此推斷, S-MBR中存在Chloroflexi(綠彎菌門)的Caldilinea(暖繩菌屬)可能與反應(yīng)器膜污染減輕有關(guān).

表4 16S rDNA序列比對(duì)結(jié)果Tab.4 Results of the 16S rDNA sequences

3 結(jié) 論

1)MBR+蠕蟲反應(yīng)器工藝能顯著降低膜污染速率, 延長(zhǎng)膜污染周期. S-MBR膜污染周期為90 d, 膜污染速率為0.3 kPa/d; C-MBR為28～37 d, 1.0 kPa/d.

2)蠕蟲捕食污泥可有效地減少M(fèi)BR污泥混合液及膜表面泥餅層中SMP和EPS的糖類和蛋白質(zhì)類物質(zhì)質(zhì)量濃度.

3)S-MBR膜絲表面的主要微生物為Proteobacteria(變形菌門)的Alphaproteobacterium、Betaproteobacterium、Deltaproteobacterium(變形菌屬)、Geobacter(地桿菌屬); 而C-MBR膜絲表面主要是Proteobacteria(變形菌門)的Azorhizobium(生絲微菌屬)、Rhodobacter(紅細(xì)菌屬)、Gammaproteobacterium(變形菌屬), Bacteroidetes(擬桿菌門)的Flavobacteria(黃桿菌屬). 二者的微生物群落結(jié)構(gòu)明顯不同.

4) S-MBR污泥混合液、 泥餅層和膜絲上均檢測(cè)到Chloroflexi(綠彎菌門)的Caldilinea(暖繩菌屬), 可能與反應(yīng)器的膜污染減輕有關(guān).

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Analysis of membrane fouling and microbial community structure in an MBR+worm reactor

LIU Jia1,2，ZUO Wei2，ZHANG Jun2, LI Hui2, LI Lipin2, TIAN Yu1,2

(1.State Key Laboratory of Urban Water Resource and Environment (Harbin Institute of Technology), Harbin 150090, China;2.School of Municipal and Environmental Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150090, China)

To study the effects of worm predation on membrane fouling in an MBR+worm reactor, an MBR+worm reactor with worm (R1) and an MBR+worm reactor without worm (R2) were operated in parallel. Variation of transmembrane pressure (pTM) and microbial metabolites were studied in the MBR (S-MBR) of the R1 and the MBR (C-MBR) of the R2. Denatured gradient gel electrophoresis (DGGE) was used for analyzing the composition and distribution of microbial community in the S-MBR and the C-MBR. The results showed that the membrane fouling cycles of the S-MBR and the C-MBR were 90 d and 28-37 d, respectively. Worm predation decreased the polysaccharide and proteins in the soluble microbial products (SMP) and extracellular polymeric substances (EPS) of the S-MBR.Alphaproteobacterium,Betaproteobacterium,Deltaproteobacterium,Geobacteron the membrane wire surface of the S-MBR andAzorhizobium,Rhodobacter,Gammaproteobacterium,Flavobacteriaon the membrane wire surface of the C-MBR played an important role in the membrane fouling.Caldilineawas suggested to be related to the membrane fouling alleviation of the S-MBR. Worm predation changed the microbial community structure of the S-MBR, resulting in membrane fouling alleviation.

MBR; membrane fouling; EPS; SMP; microbial community structure

10.11918/j.issn.0367-6234.2017.02.006

2016-06-19

水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)(2013ZX07201007);黑龍江省杰出青年科學(xué)基金(JC201303);哈爾濱工業(yè)大學(xué)城市水資源與水環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目(2014DX03);哈爾濱工業(yè)大學(xué)城市水資源與水環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金(QA201207)

劉 嘉 (1983—)，女，博士研究生； 田 禹 (1968—)，女，博士生導(dǎo)師，長(zhǎng)江學(xué)者特聘教授

左 薇，zuoweistar@163.com； 田 禹，hit_tianyu@163.com

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0367-6234(2017)02-0032-05