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蘇電電氣水措置網訊:1引言(Introduction
甲烷(CH4是僅次于CO2的第2種重要的溫室氣體.若何減排溫室氣體CH4成了全球關注的焦點.同時,生物脫氮是當前廢水措置領域的研究熱點.污水措置廠中通常通過硝化和反硝化實現生物脫氮,而今朝城鎮污水遍及存在C/N比低的問題,致使在反硝化過程中往往需要大年夜量的外加碳源.而在污水措置廠的厭氧措置過程中會發生大年夜量的甲烷,如能將這部分甲烷作為碳源進行利用,既減少了甲烷的排放,又節省了能源的消耗.反硝化型甲烷厭氧氧化反應(DenitrifyingAnaerobicMethaneOxidation,DAMO正是可以利用甲烷作為碳源完成反硝化脫氮的過程.DAMO過程是以甲烷為電子供體和唯一碳源,以硝酸鹽或亞硝酸鹽為電子受體的一種氧化還原反應.2006年,該過程在實驗室中得以證實(Raghoebarsingetal.,2006.在自然界中,消融于水中的甲烷主要靠甲烷氧化菌等通過生物作用得以消耗現已發現在淡水系統、濕地系統、近海海洋生態系統中(Deutzmannetal.,2011Lueskenetal.,2011Kojimaetal.,2012Wangetal.,2012Hanetal.,2013Shenetal.,2013Shenetal.,2014均有存在可以耦合甲烷厭氧氧化作用(AnaerobicOxidationofMethane,AOM和反硝化作用(Denitrification的DAMO(DenitrifyingAnaerobicMethaneOxidation,反硝化型甲烷厭氧氧化微生物.根據系統發育分析,研究者檢測到的DAMO細菌隸屬于NC10門細菌DAMO古菌則屬于甲烷厭氧氧化古菌ANME-2(Raghoebarsingetal.,2006.2017年,Wang等(2017提出了側流式、主流式兩種DAMO反應應用于污水措置廠的設想.
今朝污水措置廠進水多為低碳高氮性質,多種化工、制藥廢水及垃圾滲濾液等,都含有較高濃度的氨氮,而高濃度的氨氮會對活性污泥中的微生物起抑制作用(鄭雄柳等,2014,并會影響系統微生物菌群結構.今朝已有研究報道高濃度氨氮對活性污泥系統中硝化細菌、厭氧氨氧化細菌等微生物具有抑制作用(Zhouetal.,2011,但對DAMO微生物的影響及機理鮮見報道.如欲將DAMO工藝應用于廢水生物脫氮,探明氨氮對該過程的影響顯得尤為重要.因此,本文利用已經成功富集的以DAMO細菌為優勢菌種的系統(以下簡稱DAMO細菌系統(樓菊青等,2016為研究對象,通過短期和持久試驗,從宏觀和微觀兩個層面,研究氨氮對DAMO過程脫氮性能、微生物菌群結構的影響,綜合考察DAMO細菌對氨氮的應激性、耐受性,并探索其抑制機理.為增進對DAMO微生物脫氮機理的研究和完善DAMO理論的發展添磚加瓦,為該工藝向實際工程應用推進一步.
2試驗材料與方法(Materialsandmethods
2.1材料
2.1.1試驗系統
本文的試驗系統是基于之前已成功富集的以DAMO細菌為優勢菌種的混培物(樓菊青等,2016.所得混培物是以淡水河道(西溪河底泥、淡水湖泊(西湖底泥及水稻農田土壤的混合物為接種污泥,甲烷和亞硝酸鹽為唯一碳氮源.至本試驗止,系統已穩定運行1392d.
2.1.2試驗裝置
試驗裝置為特制的直徑為7.5cm、高度為17cm的500mL厭氧反應器.
2.2試驗方法2.2.1短期試驗方法
①分歧濃度氨氮對DAMO細菌的影響：通過批式實驗研究氨氮對以DAMO細菌為優勢菌種系統(以下簡稱DAMO細菌系統的短期影響,設3個平行試驗組和一個對照組,試驗時長7d,氨氮濃度梯度分別為50、250、500、750、1000、1250、1500mg"dotL-1.每12h取3mL水樣,利用0.22"mum微孔濾膜過濾后進行三氮(氨氮NH4+-N、硝態氮NO3--N、亞硝態氮NO2--N的測定.在最高氨氮梯度濃度試驗后,取泥水混合液10mL進行掃描電鏡分析實驗.②分歧pH體系下氨氮的影響：根據上述短期試驗結果進行批式試驗,選取750mg"dotL-1氨氮作為試驗濃度.用0.1mol"dotL-1HCl或0.1mol"dotL-1NaOH分別將pH調度為6.5、6.8、7.0、7.5、7.85個濃度并利用pH計實時監控反應器內的pH值,使其保持在相應的范圍內,每組試驗延續7d.取樣與測定同①.當T=27℃時,分歧pH體系對應的FA濃度可由公式(1計算獲得.
(1
式中,cFA為FA的濃度(mg"dotL-1cNH4+為氨氮的濃度(mg"dotL-1T為溫度(℃
2.2.3持久試驗方法
氨氮對DAMO細菌的持久影響試驗以短期試驗結果為依據,將持久試驗分為連續的4個階段,每個階段7d,這4個階段的氨氮濃度按照短期試驗濃度依次遞增(李媛,2014,濃度分別為500、750、1000、1250mg"dotL-1,在28d后取樣進行高分子通量測序.
2.3分析方法2.3.1常規指標測定
NO3--N、NO2--N、NH4+-N測定方法參考《水和廢水監測分析方法》第四版(魏復盛,2002.
2.3.2微生物微觀形態結構分析
利用掃描電鏡對微生物微觀形態進行特性分析.在每個階段的短期試驗過程中,取10mL樣品,在4000r"dotmin-1條件下離心5min,取上清液,樣品措置后用掃描電子顯微鏡SEM(SU8010,Hitachi進行微生物微觀形態的特性分析.
2.3.3微生物群落結構分析
提取持久試驗前后污泥樣品中的基因組DNA,儲于-20℃以下,并利用高通量測序分析.利用上海申能博彩生物科技有限公司生產的3S柱離心式DNA抽提試劑盒進行樣品DNA的提取利用特定PCR引物進行序列擴增,全數樣本按照正式試驗條件均進行3次重復實驗參照電泳初步定量結果,將PCR產品用QuantiFluorTM-ST藍色熒光定量系統(Promega公司進行檢測定量,之后按照每個樣本的測序量要求,進行相應比例的混合通過構建Miseq文庫、Miseq測速對16SRNA序列進行測序辨別樣本后,采取RDPclassifier貝葉斯算法對97%相似水平的OUT代表序列進行分類學分析,與Silva數據庫比對,并在門、綱、屬3個水平統計每個樣品的群落組成.
3結果與討論(Resultsanddiscussion
3.1氨氮對DAMO細菌的短期影響
3.1.1氨氮對以DAMO細菌脫氮性能的影響
分歧濃度梯度(50~950mg"dotL-1的氨氮對DAMO細菌的脫氮性能影響見圖1.此中圖1a暗示分歧濃度氨氮作用下,系統內亞硝酸氮的消耗曲線,圖1b暗示分歧濃度下亞硝酸氮的消耗速率與對照組的比值,以v暗示試驗組亞硝酸氮的消耗速率,v0暗示對照組亞硝酸氮的消耗速率.此中誤差范圍由標準誤差暗示.
圖1
圖1分歧濃度NH4+-N對DAMO細菌脫氮性能的影響(a.NO2--N消耗曲線,以N計b.試驗組與對照組的比值
當控制pH實驗條件為7.0時,通過公式(1計算可知FA=4.879mg"dotL-1,由圖1可見,在一定范圍內,DAMO細菌脫氮性能隨著氨氮濃度的增加而降低.由圖1a可知,在空白對照組中,其亞硝酸鹽初始濃度為30.19mg"dotL-1,7d平均消耗速率為2.92mg"dotL-1"dotd-1.在50、250mg"dotL-1氨氮作用下,系統的亞硝酸氮的消耗速率分別為2.94mg"dotL-1"dotd-1和2.96mg"dotL-1"dotd-1.相比于對照組,消耗速率略有上升,但經過單因素方差分析后可知,其p值為0.65,大年夜于0.05,說明3組數據無顯著性差別,從而表白在50、250mg"dotL-1氨氮作用下,系統的脫氮性能并未呈現抑制或增進現象(故該兩組數據未在圖1a中暗示.而當氨氮濃度增加至500mg"dotL-1時,7d平均亞硝酸鹽消耗速率下降為2.42mg"dotL-1"dotd-1,其消耗速率為對照組的82.71%.當氨氮濃度為750mg"dotL-1時,7d平均消耗速率與對照組相比,下降了43.15%.當在1000mg"dotL-1氨氮抑制條件下,經7d的消耗后,消耗速率下降了56.20%.在1250mg"dotL-1氨氮抑制條件下,亞硝酸鹽7d平均消耗速率僅為對照組的27.27%.Dapena-Mora等的研究認為針對厭氧氨氧化細菌,氨氮的IC50為770mg"dotL-1,與本試驗結果相近(Dapena-MoraA,2007,可見,DAMO細菌對高氨氮廢水表示出較強的抗沖擊負荷的能力.這。
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