升流式厌氧污泥床和连续流搅拌槽式反应器的废水处理效能及产甲烷菌群组成的对比分析-论文 5页

科技导报2012，30(31)研究论文(Articles)针⋯升流式厌氧污泥床和连续流搅拌槽式反应器的废水处理效能及产甲烷菌群组成的对比分析张立国’，李建政1,2i班巧英’，许一平’1．哈尔滨工业大学市政与环境工程学院，哈尔滨1500902．哈尔滨工业大学城市水资源与水环境国家重点实验室，哈尔滨150090摘要分别运行升流式厌氧污泥床(UASB)反应器和连续流搅拌槽式反应器(CSTR)并使其达到稳定运行状态。在有机负荷率(OLR)均为6．0kg·m-3·d一的条件下，对比分析了二者在稳定期的运行特性和产甲烷菌群的组成。结果表明，UASB的化学需氧量(CoD)去除率为95％，显著高于CSTR的COD去除率(84％)。然而，CSTR系统中的活性污泥的比产甲烷速率(315L·kg。‘·d。‘)和比COD去除率(0．85kg·kg一·d一)则显著高于UASB的260L·kg·d‘‘和0．67kg·kg·d。采用聚合酶链式反应一变性梯度凝胶电泳(PCR—DGGE)指纹分析技术对系统稳定期的活性污泥进行分析的结果表明，UASB系统的优势产甲烷菌为Methanosae~concilfi和Methanospirillumhungatei．而CSTR系统中的优势产甲烷菌为Methanosarcinamazefi和Methanobacteriumformicicum污泥微生物群落组成及其代谢特征的不同是造成厌氧处理系统效能差异的内在原因。UASB和CSTR在COD去除效能和污泥比活性方面各有所长，在实际应用中，须根据废水水质和预期处理程度合理选用。关键词升流式厌氧污泥床；连续流搅拌槽式反应器；处理效能；产甲烷菌群中圈分类号X703文献标识码Adoi10．39814．issn．1000-7857．2012．31．002ComparativeAnalysisoftheEficiencyandtheMethanogensCompositioninUpflowAnaerobicSludgeBlanketandContinuousStirred-TankReactorZHANGLiguo，LIJianzheng’。，BANQiaoying，xuYiping1．SchoolofMunicipalandEnvironmentalEngineering,HarbinInstituteofTechnology,Harbin15009~China2．StateKeyLaboratoryofUrbanWaterResourceandEnvironment,HarbinInstituteofTechnology,Harbin150090,ChinaAbstractTheefficiencyandthemethanogenscompositioninanUpflowAnaerobicSludgeBlanket(UASB)reactorandaContinuousStirred—TankReactorfCSTR)areinvestigatedafterachievingsteadystatesatthesameOrganicLoadingRate(0LR)of6．0kg‘m-3od一．Theresuitsshowthattheaverageremora1rateofCODreaches95％intheUASB，significantlyhigherthan84％oftheCSTR．However，thespecificmethaneproductionrateandthespecificCODremovalrateoftheactivatedsludgeare315L-kg一·d一andO．85kg·kg一·d一．respectively，intheCSTR。notablyhigherthanthoseoftheUASBof260L·kg一·d一and0．67kg·kg-1od～，respectively．Theanalysisofthemethanogenscompositionoftheactivatedsludgebypolymerasechainr℃action—denaturinggradientgelelectrophoresis(PCR—DGGE)indicatesthatMethanosaetaconciliiandMethanospirillumhung~eiarethedominantmethanogensintheUASB，whileMethanosarcinamazeiandMethanobacteriumformicicumaredominantintheCSTR．Thediversityofthemicrobialcommunitycompositionandthemetaboliccharacteristicsaretheunderlyingreasonsforthedifferenceintheperformanceoftheanaerobictreatmentsystem．TheUASBandtheCSTRhavetheirrespectiveadvantagesintheCODremovalorspecificactivitiesoftheactivatedsludge．ItiSreasonableto收稿日期：2012—09—18：修回日期：2012—10—15基金项目：国家自然科学基金项目(51178136)；城市水资源与水环境国家重点实验室基金项目(2010DX06)作者简介：张立国，博士研究生，研究方向为废水厌氧生物处理，电子信箱：zlg_733@163．corn；李建政(通信作者)，教授，研究方向为废水厌氧生物处理及资源化技术．电子信箱：~z6677@163．con23ln针研究论文(Articles)科技导报2012，30(31)chooseaperfectbioreactor(UASBorCSTR)forapracticalengineeringbasedonthequalityofthewastewaterandtherequiredextentofthetreatment．Keywordsupflowanaerobicsludgeblanket；continuousflowstirred—tankreactor；performance；methanogens0弓I言CODlO00mg·L-、水力停留时间(HRT)24h条件下启动，在达能源和环境双重危机使得绿色可再生能源的研究与开到运行稳定后，分阶段缩短HRT(20，16，12，8h)，经过150d发成为人类迫切需要解决的难题_1l。废水厌氧生物处理技术的连续运行之后，反应器在COD1000mg·L-左右、HRT8h达以其负荷高、产泥少、能耗低，且可回收沼气等诸多优点而受到运行稳定。继续保持HRT为8h不变，将进水COD提高到到人们的广泛关注翻。厌氧消化过程需要至少三类微生物的2000mg·L～，经过15d的连续运行，UASB达到稳定状态。继续参与，分别为水解发酵菌、产氢产乙酸菌以及产甲烷菌嘲。产维持运行7d，以对其稳定期的特征参数进行计算和评估。甲烷菌群的产甲烷作用是推动厌氧消化过程顺利进行的关CSTR反应器在污泥接种量为2．106g·L～、进水COD键步骤，然而由于产甲烷菌世代时间长，对环境因子(如：pH2000mg·L-左右、HRT48h条件下启动，在达到运行稳定后．值，氧化还原电位，温度等)的变化敏感，故产甲烷菌群的产分阶段缩短HRT(36，24，16h)，经过80d的连续运行之后，反甲烷作用是厌氧消化过程的限速步骤之一。因此，产甲烷菌应器在COD2000mg·L一、HRT16h达到运行稳定。然后保持群的组成及其产甲烷活性将直接影响到厌氧生物处理系统HRT为16h不变，将进水COD提高到4000mg·L～．经过20d的效能及运行稳定性。的连续运行，CSTR达到稳定状态。继续维持运行7d．以对其升流式厌氧污泥床(UASB)作为一种高效厌氧生物反应稳定期的特征参数进行计算和评估。器，其最大特点就是能够形成沉降性能良好、产甲烷活性高1．4分析项目及方法的颗粒污泥[8-9]。然而，污泥的颗粒化，不可避免地降低了微生COD、pH值、生物量和碱度(ALK)采用标准方法测定l2】，物与废水的接触面积，从而降低了微生物与有机物之间的传产气量通过湿式气体流量计(LML一1，长春汽车滤清器有限责质效能。而连续流搅拌槽式反应器(CSTR)中厌氧活性污泥成任公司)测定，气体组成和挥发酸组成采用气相色谱测定絮状结构，在传质效能方面具有更大的优越性，目前采用(SP一6800A和SP6890，山东鲁南瑞虹化工仪器有限公司)㈣。CSTR作为甲烷发酵系统的研究已有报道[1O-11]。本文在相同有1．5PCR-DGGE分析机负荷条件下比较分析了UASB和CSTR的运行特性，并采在UASB和CSTR运行达到稳定时(第165d和第100d)，用聚合酶链式反应一变性梯度凝胶电泳(PCR—DGGE)指纹分分别从反应区采集污泥样品。采用DNA提取试剂盒提取厌析技术，对比分析了两种反应系统中产甲烷菌群的组成，探氧活性污泥总DNA(MOBioLaboratories，Inc．。Carlsbad，CA，讨了产甲烷菌群的组成与反应器运行效能之间的关系，以期USA)，其PCR及DGGE分析参照Wan等㈣提供的方为实际应用中厌氧反应器类型的选择提供参考。法进行。所用古细菌通用引物序列为：344F，5一ACGGGGYGCAGCAGGCGCGA一3，带GC夹；915R，5一GTGCTCCCCCG1材料与方法CCAATYCCT一3。测序结果与国家生物技术信息中心(NCBI，1．1实验装置http：／／www．dtd．nlm．nih．gov)的BlastX进行序列比对，并挑选目UASB反应器由有机玻璃制成，有效容积为11L，其反应标序列用MEGA3．1软件构建系统发育树。区和三相分离区的容积比为3：1，反应区高径比为10：1。CSTR反应器也是由有机玻璃制成，内设气一液一固三相分离装置，2结果与讨论为反应区和沉淀区一体化结构，有效容积为15L，沉淀区为2．1反应器运行特性7．5L。两套反应器外壁缠绕电热丝，并通过温控仪将内部混合UASB在启动运行165d后在进水COD2000mg·L～、HRT液的温度控制在35+1℃。沼气由气室导出，经导气管与水封8h条件下达到运行稳定状态，而CSTR则在运行lOOd后在进后由湿式气体流量计计量。水COD4000mg·L-、HRT16h条件下达到运行稳定，二者在稳1．2接种污泥及试验废水定运行期间的有机负荷率(OLR，以COD计)均为6．0kg··d～，接种污泥取自哈尔滨市某污水处理厂二沉池剩余活性其稳定期的控制参数与运行特征参数如表1所示。在OLR污泥。实验废水以某甜菜制糖厂的制糖废水加自来水稀释而6．0kg·m。·d相同的条件下，UASB的COD去除率为95％．显成，投配适量尿素和KH2PO使进水中的COD：N：P．为200：5：1，著高于CSTR的84％。从表1可知，在稳定运行期，UASB的生以小苏打将其pH值调节为7．0—7．2物量为8．5g·L～，显著高于CSTR的5．9g·L『。较高的生物量使1．3反应器运行控制废水厌氧生物处理系统具有更高的有机物去除效能㈣，这可UASB反应器在污泥接种量(MLVSS)1．412g·L～、进水能是导致UASB的COD去除率显著高于CSTR的主要原因。一24n科技导报2012，30(31)研究论文(Articles)两种连续流厌氧反应系统中的污泥持有量之所以有较大差表1UASB和CSTR反应器运行特征别。与反应器的类型有直接关系[1o--1]]。UASB系统中污泥大多Table1Summaryoftheconditionsandperformancesof以颗粒形式存在，而颗粒污泥具有良好的沉降性能，可以实UASBandCSTRreactors现HRT与固体停留时间(SRT)的有效分离，从而可以持有较高的生物量llOl。而CSTR系统，由于机械搅拌作用使得污泥主要以絮状结构存在，在水力冲刷作用下，较小的絮体容易流失，因而表现出在生物量持有水平上的有限性_l1]。另一方面，搅拌的引入，无疑会提高系统的传质效率，从而显著提高污泥的活性及污染物去除效能“。因此，CSrR系统中的活性污泥表现出了更高的比产甲烷速率和比COD去除率，分别为315L·kg·d和0．85kg·kg·d一，显著高于UASB的260L·kg·d和0．67kg·kg-·d(表1)。然而，在运行稳定期(表1)，CSTR出水中残留的乙酸和总挥发酸(VFAs)都要高于UASB。现已了解到，在含有2个及2个以上碳原子的有机物中，乙酸是唯一可以被产甲烷菌利用的．而不同的产甲烷菌对乙酸的亲和力和转化效率存在较大差别．这可能是导致UASB和CSTR系统污泥比产甲烷活性表现出较大差异的另一个原因郇81。为证实该推断，采集UASB和CSTR系统在运行稳定期的活性污泥样品，并利用注：表中数据均为稳定运行期的平均值。PCR—DGGE技术对其产甲烷菌群组成进行了解析。Note：Datainthetablearemeanva1ueofstableoperationperiod．2．2产甲烷菌群组成及系统发育分析性之间的内在联系．对UASB和CSTR稳定期的污泥样品进为了探究厌氧污泥中产甲烷菌群组成与反应器运行特行了16SrRNA基因的PCR—DGGE指纹分析。结果如图1所UASBCSTR2n。。帅'41-369l0l112l3l4l5l(b)图1古细菌指纹图谱(a)及系统发育树(b)Fig。1Fingerprintanalysis(a)andphylogenetictree(b)ofmethanogen25_n针研究论文(Articles)科技导报2012，30(31)示。从UASB和CSTR两个反应器的厌氧污泥样品中共分离甲酸作为其增殖代谢的碳源。到15个古细菌特征条带(图l(a))，其中从UASB污泥样品2．3产甲烷菌群落结构与系统运行特征的关系中分离到11个特征条带，从CSTR污泥样品中分离到5个特DGGE检测结果(表2)表明，从UASB污泥样品中检测到征条带。对这15个特征条带回收、测序、序列比对并构建系的11个条带分属于Methanosaeta、Methanosarcina、统发育树，结果表明(图1(b))，15个特征条带代表的古菌均Methanospirillum和Methanobacterium4个产甲烷菌属．而在与广古菌门(Euryarchaeota)中的产甲烷菌最为相似，其中标CSTR污泥样品中检测出的5个条带则分属于3个产甲烷菌号为1，3，4和13的4个条带与Methanosaetaconcilii的相似属，即Methanosaeta、Methanosarcina和Methanobacterium。可性为99％以上，乙酸是其可以利用的唯一碳源。标号为见，UASB中的产甲烷菌的多样性远大于CSTR。由DGGE图2．5．6和7的4个条带与Methanosarcinamazeii的相似性为谱上各个条带的信号强度可以观察到，UASB中的产甲烷菌97％以上，而该菌具有利用乙酸、甲醇、甲胺以及HJCO：等多群的优势度也要显著高于CSTR(图1(a))。分析认为，形成这种碳源进行增殖的特性。条带14和15与Methanospirillum一差别的原因可能与反应器的结构型式和运行模式有关。在hung~ei具有98％以上的相似性，条带8。9，11和12与升流式条件下(UASB)，更有利于污泥的聚集和颗粒化，而污Methanobacteriumformicicum的相似性大于97％，条带10则与泥的颗粒化不仅可提高反应器的污泥持有量，还有利于代谢Methanobacteriumbeijingense高度相似(>99％)。据报道[4,15~1q，速率相对较慢、增殖世代长的微生物的富集㈣。而在机械搅拌产甲烷菌Methanospirillumhungatei、Methanobacterium的条件下(CSTR)，由于搅拌的剪切作用，污泥不易颗粒化，不formicicum和Methanobacteriumbeijingense只能以HJCO2和利于增殖世代长的微生物的富集『lol。表2产甲烷菌在UASB和CSTR中的区别及其主要代谢特性Table2DistributionandmetabolismcharacteristicsofmethanogensintheUASBandtheCSTR反应器的结构类型和运行方式对系统中污泥的形态结系统以Methanosaetaconcilii和Metharwspirillumhungatei为构和微生物群落结构有直接影响，进而决定了反应器的运行优势产甲烷菌时，更有利于VFAs的进一步代谢和更多甲烷特性。在UASB中，可以形成结构紧密的颗粒污泥，使系统持的生成，从而显著提高了系统的COD去除率和甲烷产量。有更高的生物量(8．5g·L。)。其COD去除率平均达到了95％CSTR系统中利用乙酸和利用HJCO、甲酸的优势产甲烷菌(表1)。而搅拌系统CSTR不利于颗粒污泥的形成，其生物量分别为Methanosarcinamazeii(条带5)和Methanobacterium(5．9g·L)远低于UASB，其COD去除率也只有84％。此外，formicicum(条带9，10)(图1)。Methanosarcinamazeii代谢乙UASB和CSTR在COD去除效能方面表现出的差异，可能也酸的K为3—5mmo1．L～，其对乙酸的亲和力远低于和系统中优势产甲烷菌的组成有直接关系。Methanosaetaconcilii旧，这意味着其代谢需要较高的乙酸浓UASB系统中利用乙酸和利用HJCO、甲酸的优势产甲度．从而导致CsTR系统出水乙酸残留量(≥85mg·L)显著烷菌分别为Metharmsaetaconcilii(条带13)和高于UASB(表1)。再者，利用HJCO2的MethanobacteriumMethanospirillumhung~ei(条带14、15)(图1)。Methanosaetaformicicum的氢分压阈值为l0一l5Pal1引，远大于concilii代谢乙酸的半饱和常数K为0．5—0．7mmol·L～，说明MethanospiriUumhungatei的氢分压阈值(3—5Pa)，而较高的其对乙酸的亲和力强l161，能够利用较低浓度的乙酸，从而使得氢分压不利于丙酸、丁酸的互营厌氧氧化，导致CSTR系统出UASB系统出水乙酸浓度维持在较低水平(≤40mg·L)(表水检测到的丙酸、丁酸浓度显著高于UASB，而COD去除率1)。而Methanospirillumhung~ei利用氢气的氢分压阈值较低和甲烷产量也因此受到限制(表1)。(3—5Pa)，可以将系统中的氢分压降低到较低的水平，进而在OLR相同的条件下，UASB系统虽然具有更高的COD促进了丙酸、丁酸等VFAs的互营厌氧氧化，因此UASB出水去除率，但其污泥的比活性(包括比产甲烷速率和比COD去中的丙酸、丁酸浓度也相对较低(表1)。可见，厌氧生物处理除速率)却低于CSTR(表1)。分析认为，形成这一差别的原因I26n科技导报2012。30(31)研究论文fArticles)仍然与反应器的构型和运行模式相关。尽管污泥的颗粒化可anaerobicsludgebedreactortreatingbrewerywastewater【JJ．Applied以显著提高UASB的污泥持有量，但也同时降低了微生物与andEnvironmentalMicrobiology，2006，72(7)：4942—4949．[6]TabatabaciM，ZakariaMR，RahimRA，eta1．PCR—basedDGGEand废水的接触面积和传质效率，这必然导致污泥的比活性下FISHanalysisofmethanogensinananaerobiccloseddigestertankfor降而CSTR中厌氧活性污泥成絮状结构且处于紊流状态，其treatingpalm0ilmilleffluent(POME)[Jl1_ElectronicJourndof传质效能较UASB具有更大的优越性l01，从而使污泥表现出Biotechnology，2009，12(3)：1-12．更高的比活性。UASB和CSTR在污泥比活性方面表现出的[7】高瑞芳，袁旭峰，t4'芳，等．高浓度酒精废水厌氧处理工程系统中古菌多样性及其代谢特征『J1．微生物学通报，2011，38(4)：468—473．差异还可能与微生物群落组成有关。CSTR和UASB系统中GaoRuifang，YuanXufeng，WangXiaofang，eto1．MicrobiologyChina，利用乙酸的优势菌分别为Methanosarcinamazeii和2011，38(4)：468-473．Mechanosaetaconcilii．而Methanosarcinamazeii对乙酸的利用[8]LiuY，XuHL，ShowKY，eta1．Anaerobicgranulationtechnologyfor率要显著高于MethanosaetaconciliiE61，这是CSTR系统污泥的wastewatertreatmentfJ]．WorldJournalofMicrobiology&Biotechnology，比活性要显著高于UASB系统的另一个重要原因。2002，18(2)：99—113．[9】AtashiH，AjameinH，GhasemianS．Effectofoperationalanddesignparametersonremovaleficiencyofapilot—scaleUASBreactorina3结论sugarfactory[J]．WorldAppliedSciencesJournal,2010，1l(4)：451—456．(1)在有机负荷率为6．0kg·113。·d。的条件下，UASB系统[1O]LiJ，LiN，ZhangN，et．Hydmgenproductionfromorganicwastewater较CSTR系统具有更高的COD去除率，但污泥的比产甲烷速byfermentativeacidogenicactivatedsludgeunderconditionof率和比COD去除率要低于CSTR系统。continuousflow【JJ_JournalofChemicallnd~trialandEngineering,2004，55(S1)：75—79．(2)UASB系统的优势产甲烷菌为Methanosaetaconcilii[11】AntonopoulouG，GavalaHN，loannisV，et．Biofuclsgenerationfrom和Methanospirillumhungatei，CSTR系统中的优势产甲烷菌为sweetsorghum：FermentativehydrogenproductionandanaerobicMethanosarcinamazeii和Methanobacteriumformicicum．污泥微digestionoftheremainingbiomass[J]．BioresourceTechnology,2008，9生物群落组成及其代谢特征的不同是造成厌氧处理系统效(1)：110-119．[12]GreenbergAE．Standardmethodsfortheexaminationofwaterand能差异的内在原因。wastewater[M]．19thed．WashingtonDC：AmericanPublicHealth(3)反应器的结构类型和运行模式对系统中污泥的形态Association，1995．结构和微生物群落结构有直接影响．进而决定了反应器的运[13]¨J，ZhengG，HeLeto1．Hydrogen-producingcapabilityofanaerobic行特性。UASB和CSTR在COD去除效能和污泥比活性方面activatedsludgeinthreetypesoffermentationsinacontinuousstirred—各有所长，在实际应用中，须根据废水水质和预期处理程度tankreactor叫．BiotechnologyAdvance，2009，27(5)：573-577．【14】WanC，DuM，LeeD，eto1．Electrokineticremediationandmicrobial合理选用。communityshiftof口一cyclodextrin-dissolvedpetroleumhydrocarbon—contaminatedsoil[J]．AppliedMicrobiologyandBiotechn6logy，2011，89参考文献(References)(6)：2019—2025．【1】AngenentLLKarimK，AI-DahhanMHet以Productionofbioenergy[15]SchauerNL，FerryJG．MetabolismofformateinMcthanobacteriumandbiochemicalsfromindustrialandagriculturalwafitewater．Trendsinformicium【J】．JournalofBacteriology，1980，142(3)：800—807．Biotechnology，2004，22(9)：477—485．[16]MaK，LiuXL，DongXZ．Methanobacteriumbeijingensesp．nov．，a[2】NishioN，NakashimadaY．Recentdevelopmentofanaerobicdigestionnovelmethanogenisolatedfromanaerobicdigesters[J]．Internationalprocessesforenergyrecoveryfromwastes[J1．JoumalofBioscienceandJournalofSystematicandEvolutionaryMicrobiology，2005，55(1)：Bioengineering,2007．103(2)：105—112．325—329．【3]BrionesA，RaskinL．Diversityanddynamicsofmicrobialcommunitiesin[17】郭晓磊，胡勇有，高孔荣．厌氧颗粒污泥及其形成机理『J]．给水排水，engineeredenvironmentsandtheirimplicationsforprocessstability【JJ．2000，26(1)：33～38．CurrentOpinioninBiotechnology，2003，14(31：270—276．GuoXiaolei，HuYongyou，GaoKongrong．WarerandWastewaterJLiuY，WhitmanWB．Metabolic，phylogenetic，andecologicaldiversityEngineering,2000，26(1)：33—38．ofthemethanogenicarchaea[Jl_AnnualsofNewYorkAcademyof[18]ThaucrRK，KasterAK，SeedorfH，etMethanogenicarchaea：Sciences，2008，1125：171—189．EcologicallyrelevantdifferencesinenergyconservationlJJ．Nature[5】DiazEE，StaresAJM，AmilsR，eta1．PhenotypicpropertiesandReviewsMicrobiology,2008，6(8)：579—591．microbialdiversityofmethanogenicgranulesfromafull—scaleupflow(责任编辑岳臣)《科技导报》“卷首语”栏目征稿“卷首语”栏目每期邀请一位中国科学院院士和中国工程院院士就重大科技现象、事件，以及学科发展趋势、科学研究热点和前沿问题等，撰文发表个人的见解、意见和评论。本栏目欢迎院士投稿，每篇文章约2000字，同时请提供作者学术简历、工作照和签名电子文档。投稿信箱~kjdbbjb@cast．org．cn。27一