移动床生物膜反应器处理实验室污水及其细菌群落变化的研究

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随着我国高校实验室科研和教学任务的增加,实验室污水的环境污染问题也日益严重。根据实验室污水的性质和排放特点,利用改进工艺的移动床生物膜反应器(MBBR)在秋冬季节处理实验室污水,同时研究圆筒MBBR在不同有机负荷、DO、HRT、pH阶段水质处理效果。利用扫描电镜(SEM)、高通量测序技术,分析MBBR和圆筒MBBR不同环境下生物膜细菌群落结构的变化。主要研究结果如下:(1)本实验MBBR采用闷曝自然挂膜法,挂膜期间设置1号MBBR的DO=2-2.5 mg/L,2号MBBR的DO=5-5.5 mg/L。经22 d挂膜后,1号MBBR的COD去除率稳定在75.26%,NH4+-N的去除率在76.08%以上,2号MBBR的COD去除率为75.83%,NH4+-N的去除率达到86.96%。研究表明挂膜期间保持DO=2-2.5 mg/L,可以经济高效的挂膜成功。镜检生物膜能观察到多种原生动物和后生动物。利用SEM观察生物膜表面形态,挂膜前期生物膜微生物以杆状菌为主,挂膜成熟期生物膜结构致密,球状菌和杆状菌交错生长,提高生物膜的稳定性。(2)MBBR连续运行处理实验室污水达106 d,1号和2号MBBR出水COD、NH4+-N保持在41.38 mg/L和1.01 mg/L。结果表明,系统整体出水均稳定在一级A标准,反应器抗冲击负荷能力较强。MBBR不同月份样品的细菌群落测序结果显示,变形菌门(Proteobacteria)、拟杆菌门(Bacteroidetes)、浮霉菌门(Planctomycetes)是主要的优势菌门,拟杆菌门在11月、12月的含量较高,而浮霉菌门的相对丰度在11月、12月显著降低。在属水平上,1号MBBR主要的优势菌属是动胶菌属(Zoogloea)。氢噬胞菌属(Hydrogenophaga)在9月、10月相对丰度更高,而假单胞菌属(Pseudomonas)在11月、12月的含量显著增加。2号MBBR脱氯单胞菌属(Dechloromonas)、黄杆菌属(Flavobacterium)、气单胞菌属(Aeromonas)在不同月份的含量差异较大。RDA分析表明,Tw、DO、pH是影响生物膜细菌群落更替的重要环境因子。(3)圆筒MBBR处理不同有机负荷污水,出水均达到一级A标准,而且对低负荷污水处理效果更好。不同DO工况下,随着系统DO含量上升出水COD去除率下降了15.73%,而NH4+-N去除率上升41.45%。在不同HRT工况下,反应器出水水质均达到一级A标准,当HRT=10 h,COD去除率、NH4+-N去除率分别提高了13.69%、19.47%。不同pH工况下,在弱碱性环境中反应器COD去除率、NH4+-N去除率均达到最高。(4)圆筒MBBR不同阶段样品都含有丰富的细菌群落且细菌组成具有相似性,群落结构随工况环境的改变而更替。在有机负荷样品中,门水平上变形菌门占据绝对优势。属水平上,较高的有机负荷工况中黄杆菌属、动胶菌属的含量均减少。在DO阶段样品中,厚壁菌门(Firmicutes)的含量保持稳定。当DO=5mg/L时硝化螺旋菌属(Nitrospirae)成为第一大优势菌属,而黄杆菌属、动胶菌属的含量显著下降。在HRT阶段样品中,变形菌门、拟杆菌门的相对丰度较稳定,属水平变化显著的是丛毛单胞菌(Comamonas)和代尔夫特菌(Delftia)。pH样品中,芽单胞菌门(Gemmatimonadetes)在中性pH环境下含量显著升高,疣微菌门(Verrucomicrobia)的相对丰度在弱碱性环境中达到最高。综上所述,不同阶段样品生物膜都含有丰富细菌群落,群落结构随着环境条件的改变而动态变化。
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