实验室规模的UASB反应器中丝状颗粒污泥膨胀外文翻译资料

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实验室规模的UASB反应器中丝状颗粒污泥膨胀

Jinye Li ^a, Baolan Hu ^a, Ping Zheng ^a,*, Mahmood Qaisar ^a, Lingling Mei ^b

浙江大学环境工程系，浙江杭州310029

b浙江省疾病预防控制中心，杭州310009

2007年4月21日收到; 2007年8月4日以修订形式收到; 于2007年8月6日接受

2007年9月19日在线提供

摘要：在实验室规模的厌氧污泥床（UASB）反应器中能观察到丝状体膨胀， 颗粒未能正常沉降并分解。 通过扫描电子显微镜（SEM）和变性梯度凝胶电泳（DGGE）技术，我们研究了造粒过程中颗粒在结构和微生物组成上的特征。 在反应器中我们发现，产生了一些高孔隙度的颗粒而不是正常的紧密颗粒，并将甲烷拟青霉和甲酸甲烷菌确定为颗粒中存在的主要产甲烷菌。 纤维状细菌的过量生长可能是引起浮游和解体的因素。

copy;2007 Elsevier Ltd.保留所有权利。

关键词：丝状细菌;膨化; 颗粒污泥;UASB

1.介绍

厌氧工艺用于处理浓缩的家庭和工业废水已经一个多世纪了，但把厌氧系统作为废水处理中的主要生物步骤（二次处理）的尝试还是不多，直到上升式厌氧污泥反应器（UASB）在70年代初期取得长足发展（Lettinga等，1980）。目前，UASB反应器是处理有机废水最常用的高效厌氧工艺（Seghezzo等，1998; Veeresh等，2005）。

UASB反应器的良好性能主要是因为形成了致密的颗粒污泥，从而确保高水平的产甲烷菌活性和优秀的沉降性能（Hulshoff Poletal，2004）。 到目前为止，许多研究人员一直将注意力集中在污泥颗粒化的初始阶段（Schmidt and Ahring，1996;Hulsho ff Pol等人，2004），但对污泥造粒后期阶段的研究很少，例如，颗粒崩解和浮现等。也正因如此，关于颗粒污泥絮凝的研究资料不多。

污泥膨胀是活性污泥系统最常见的问题之一。它通常被认为是由于丝状菌或动胶体生物体过度生长，从而影响了污泥沉降（Martins等，2004）。在实际运行中，UASB反应器中发生了类似的现象。颗粒分解且不迅速沉降，飘浮在水面上，不断被冲洗掉。不过，在厌氧条件下发生这种情况的概率要低一些。

根据研究，颗粒污泥的上浮主要是由生物反应中产生的气体囤积于颗粒的中空核心，产生浮力（Kosaric等，1990）。另外，低污泥负荷，矿物质浓度变化，以及一些化学物质的存在被认为是触发这种现象的其他因素（Yoda和Nishimura，1997）。但是，上浮颗粒污泥的微生物特性似乎在以前的工作中被忽略了，这可能是研究颗粒上浮的原理很重要的一个方面。

本文通过扫描电子显微镜（SEM）和变性梯度凝胶电泳（DGGE）的方法对颗粒的结构进行深入探究，并监测颗粒的动态微生物组成。根据污泥颗粒的特性和UASB反应器的实验结果，我们讨论了颗粒污泥上浮的几种可能原因。

2.材料和方法

2.1 实验设置

实验室规模的UASB反应器，由有机玻璃制成，工作体积为1.4L，在本实验中用于目前的研究。 三相分离器设在反应器外部。 一台蠕动泵用于流入，另一台用于再循环。循环比设定为34:1，以在反应器中实现1m / h的上升流速。 实验系统的示意图如图1所示。

在整个研究过程中，反应器运行约110天，水力停留时间（HRT）为24小时，温度恒定30℃。

2.2 流动构成

本研究使用合成废水，蔗糖，NH₄Cl和KH₂PO₄作为碳，氮和磷源。 就化学需氧量（COD）而言，流入底物的浓度在5000mg / L和10000mg / L之间变化，并且C / N比率保持在50:1。 为了避免较高的磷酸盐浓度，C / P比率在1000：1和1000：3之间变化。 加入含HCl（25％w / w）10 ml / L，FeCl₂AElig;4H₂O 1.5 g / L，CoCl₂AElig;6H₂O 0.19 g / L，MnCl₂AElig;的微量元素溶液1 mL / L 4H₂O 0.1g / L，ZnCl₂ 0.07g / L，H₃BO₃ 0.006g / L，Na2MoO4·2H2O 0.036g / L，NiCl₂·6H₂O 0.024g / L和

CuCl₂·2H₂O 0.002g / L。 加入NaHCO₃以保持pH值在7.5和8.0之间。

图1.实验系统示意图

2.3 污泥接种

厌氧消化器的絮状污泥从中国杭州的污水处理厂取得，并用作接种物。 用孔径1.0毫米的筛网进行筛选，去除大块杂质和惰性杂质。污泥中挥发性悬浮物（VSS）和悬浮物（SS）浓度分别为19.6 g / L和48.5 g / L，VSS / SS比率为0.40。 接种一公升污泥，反应器中MLSS和MLVSS浓度分别为34.6 g / L和14.0g / L。

2.4 分析方法

使用标准方法（APHA，1997）进行pH，COD，SS和VSS的测定，天然气产量由湿式煤气表测定。沉降速度是通过记录一个颗粒在测量气瓶中下降一定距离所花时间来确定的。

使用光学显微镜（Leica DM2LB）观察微生物特性。用Leica DM2LB显微镜和数码相机（Canon S30）通过图像分析系统（QCOLite）测量颗粒活性污泥的大小。

用扫描电子显微镜检查颗粒污泥的结构和微生物组成。样品用磷酸盐缓冲液轻轻洗涤，然后用2.5％（w / v）戊二醛溶液（pH 7.0）固定3 h以上，最后用梯度系列乙醇（10％，25％ ，75％，90％和100％）。在颗粒干燥后，然后用金溅射涂覆，用SEM（Philips X30）观察。

2.5.DNA提取

在提取DNA之前，用磷酸盐缓冲液将粒状污泥洗涤数次。使用用于环境样品V2.2的3S DNA分离试剂盒（Shenergy Biocolor）提取DNA。对于每个颗粒污泥样品，每个样品提取两份DNA。

2.6.PCR放大

PCR反应在不同阶段从颗粒提取的DNA上进行，目的是获得颗粒中未确认产甲烷菌的DGGE概况。因此，使用通用的DGGE古细菌引物用于放大反应。通用引物333F和533R用于PCR放大反应（Delbes等，2001）。 GC夹，50-CGC CCG GGG CGC GCC CCG GGC GGG GCG GGG

GCA CGG GGG-30连接到正向引物333F的50端，以便使用DGGE分离片段。 PCR反应在50mu;l含有0.3mu;lTaq DNA聚合酶（5U /mu;l）（TaKaRa），5mu;l10mu;lPCR反应液（Mg2 Plus）（TaKaRa），11mu;l每种引物（ 20mu;M）（TaKaRa），4mu;LdNTPs混合物（10mM）（TaKaRa）和11mu;L提取的DNA。

使用降落PCR方案进行扩增，条件如下：在95℃进行5分钟的初始缺失;随后在95℃变性30秒;在64℃退火30s，每2个循环降低1℃;在72°C下保持30秒。重复这三个步骤20个周期。在95℃5分钟，55℃30秒和72℃30秒的条件下进行另外16个循环，然后72℃延伸7分钟。扩增产物在含有Goldenview II染料（Shenergy Biocol-或）的1.5％（m / v）琼脂糖TAE凝胶上分离并在紫外光下可见。

2.7.DGGE

用DGGE分离PCR片段，并使用BioRad DCode TM通用突变检测系统（BioRad）进行测定。 将PCR产物应用于1·TAE缓冲液中的8％（m / v）聚丙烯酰胺凝胶，浓度梯度为40-60％。 梯度由含有0-100％变性剂（7M尿素和40％（v / v）去离子甲酰胺）的聚丙烯酰胺组成。 在60℃恒温、150V下作用5.5小时形成电泳。 用SYBR Green I染料（Sigma）染色DNA并在UV光下观察。

2.8 DNA测序

使用无菌吸头从DGGE凝胶上切下来自不同样本的主要DGGE条带，用无菌eppendorf管中的TE缓冲液洗涤。 通过凝胶回收试剂盒（GenScrip）从凝胶中回收DNA，使用引物333F（不含GC夹）和533R重新扩增DNA。 DNA的克隆和测序已提交给Zeheng生物技术公司（中国上海）。

使用BLASTN搜索将获得的序列与国家生物技术信息中心（NCBI）数据库中的16S rDNA基因序列进行比较。

2.9 系统发育分析

得到的16S rRNA基因序列通过插入间隙的方法手动比对，系统发育分析使用MEGA 3.1进行（Kumar et al。，2004）。使用Kimura 2参数替代模型计算培养物之间的系统发育距离，系统发生分支由邻接树建立算法从距离矩阵生成。分枝节点的统计支持通过自举（1000次重复）获得。

3.结果

3.1 UASB反应堆的性能

UASB反应器的初始有机负荷率（OLR）为5 kg COD / m3 d，逐渐增加至10 kg COD / m³ d，进水COD浓度从5000 mg / L增加到10000 mg / L。如图2所示，运行10天后反应器的COD去除率一直处于高水平（gt; 90％），在运行期的大部分时间内平均COD值低于200 mg / L。出水的NH -N和PO₃ - P浓度列于表1。

表1.实验数据

由图所示，污泥负荷率（SLR）与OLR同步增加，运行90天后其从0.36 g COD / g VSS d增加到0.86 g COD / g VSS d，远低于报道值（Yan and Tay，1997）。在第92天，SLR达到1.65克COD /克VSS d虽然污泥耗尽，但反应器的性能就COD去除率而言仍然很好（图2和图3）。可以推测，颗粒污泥的产甲烷活性远高于采用的SLR。在整个运营期间，这可能是展现高效果的关键因素。

在第30天左右，反应堆下部出现了大量的初始颗粒。在接下来的2个月中，出水SS浓度保持在约1.0 g / L，偶尔会有部分颗粒被冲出。第92天时，SS浓度增加到2.90 g / L，更多颗粒浮出水面。第95天时，SS浓度达到3.72 g / L，下一周平均值为3.09 g / L（图2）。

图2：UASB反应器的整体性能

分别在第1、29、52、92和101天检查混合液悬浮固体（MLSS）和混合液挥发性悬浮固体（MLVSS）的浓度（图3）。

图3：实验过程中MLSS / MLVSS浓度，SLR和SRT的变化

术后30天可观察到MLSS和MLVSS浓度明显下降。在这段时间内，部分污泥不能适应反应器中的水力条件而失活。 MLSS和MLVSS浓度在接下来的60天内相对稳定，但MLVSS和MLSS的比率从0.40增加到0.66。已经证明，污泥中的挥发物含量正在增加，惰性物质正在消耗。惰性物质的消耗会对颗粒的沉降性产生一些不利的影响。

第92天后一周，MLSS和MLVSS浓度急剧下降，SS由于出水产生大量损失，近一半的颗粒污泥被水流带走，，MLSS浓度由18.27 g / L降至9.19 g / L，MLVSS浓度从11.69 g / L降至6.06 g / L。固体

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