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2.2 污泥微生物菌群鉴定分析
通过数据分析, 认为UASB反应器内存在厌氧氨化、硝化反硝化、硫酸盐还原、脱硫反硝化, 可能还有厌氧氨氧化.为了验证上述猜测, 进行微生物菌群鉴定.通过图 5可以看出, 在门水平上主要菌群为:变形菌门(Proteobacteria)、拟杆菌门(Bacteroidetes)、厚壁菌门(Firmicutes)、绿弯菌门(Chloroflexi)、浮霉菌门(Planctomycetes)、酸杆菌门(Acidobacteria)和梭杆菌门(Fusobacteria)等, 其中, Proteobacteria所占比例最大(44.2%), 其次是Bacteroidetes(24.9%)和Firmicutes(15.8%).
图 5 UASB反应器污泥细菌在门水平上的类别
表 2列出了在属的水平上鉴定出的优势菌属、亚硝化菌(Ammonia-Oxidizing Bacteria, AOB)和硝酸菌(Nitrite-Oxidizing Bacteria, NOB)及其丰度.对其进行作用分类, 第一类包括:Clostridium、Bacillus、Lactococcus、Paludibacter、Paenibacillus.其中, 梭菌属(Clostridium)属于厚壁菌门下的厌氧菌, 多数梭菌能将糖、蛋白质等大分子有机物降解为酸、醇、CO2、H2和无机物.也有研究发现, 梭菌属可以有效降解偶氮染料, 使其脱色.芽孢杆菌属(Bacillus)属于厚壁菌门, 多为兼性厌氧化能异养菌, 具有将大分子有机物分解为低分子酸的能力.Banat等研究发现, Bacillus在厌氧条件下可以产生偶氮还原酶, 对偶氮染料表现出较高的脱色性能.乳球菌属(Lactococcus)属于厚壁菌门下兼性厌氧菌, 以碳水化合物为底物发酵产酸, 有研究将其判定为专性水解产酸菌.Paludibacter属于拟杆菌门, 能在中温厌氧条件下降解多种单糖和二糖, 产生丙酸、乙酸和少量丁酸, 而厚壁菌门下的类芽孢杆菌属(Paenibacillus)也具有同样的功能.研究显示, UASB可以将印染废水的B/C从0.2左右提高到0.4以上, 同时对色度能达到77.0%的去除率, 以上5种优势菌属的检出正好从微生物学角度说明了UASB水解酸化效果好、脱色好及其对COD有较高去除率(36.4%)的原因.
表 2 UASB反应器优势菌属及AOB、NOB及其丰度
第二类包括:Desulfobulbus、Desulfovibrio.其中, 脱硫叶菌属(Desulfobulbus)与脱硫弧菌属(Desulfovibrio)属于变形菌门下厌氧型的硫酸盐还原菌(SRB), 可利用乳酸、丙酮酸、乙醇等作为碳源, 将硫酸盐还原为硫化氢.这两种菌属的检出证实了反应器内存在硫酸盐还原, 与实验观察到SO42-减少的现象相一致.在有较高浓度硫酸盐存在的厌氧反应体系中, 一般多存在硫酸盐还原菌(SRB)与产甲烷菌(MPB)对底物(乙酸和H2)的竞争作用, 往往由于SRB对H2和乙酸有较高的亲和力而在竞争中取胜, 从而对MPB产生初级抑制, 同时硫酸盐还原产生的H2S对MPB又会产生次级抑制作用.菌种鉴定未发现产甲烷菌属, 说明产甲烷菌受到了抑制, UASB反应器很好地停留在了水解酸化阶段.
第三类包括: Thiobacillus、Arcobacter.其中, 硫杆状菌属(Thiobacillus)属变形菌门下的硫氧化细菌, 可将S2-氧化S0、SO42-, 其在种水平上的脱氮硫杆菌(Thiobacillus denitrificans)比较特殊, 是目前研究的热门细菌.Thiobacillus denitrificans特殊之处在于好氧和厌氧条件下皆能进行硫氧化, 前者进行的是单一S2-氧化, 以O2为电子受体, 可将S2-氧化成S0、SO42-, 而后者以NO3--N作为电子受体, 可将S2-氧化成S0, 同时还原NO3--N成N2, 实现的是同步脱硫反硝化.在种的水平上检测到了Thiobacillus denitrificans, 约占Thiobacillus的82%, 说明UASB反应器内存在同步脱氮除硫.而属于变形菌门的弓形杆菌属(Arcobacter)也具有脱氮除硫功能.Gevertz等在油田废水中分离得到一株能使S2-氧化成S0、NO3-好氧成NO2-的菌株, 经鉴定, 该菌株与Arcobacter属微生物最为接近.
第四类包括:Nitrosococcus、Nitrobacter、Thauera.其中, 亚硝化球菌属(Nitrosococcus)能将氨(NH4+)氧化成亚硝酸盐(NO2-), 硝化杆菌属(Nitrobacter)将NO2-继续氧化成硝酸盐(NO3-).陶厄氏菌属(Thauera)是变形菌门下的一类革兰氏阴性细菌, 具有反硝化能力, 它们的检出说明存在硝化反硝化, 解释了NO2-和NO3-在反应器内的变化情况.同时, Nitrosococcus和Nitrobacter皆是需氧型菌属, 其检出说明UASB反应器内存在有氧环境, 判断是SO42-还原脱出来的O为其生理活动营造了微弱的有氧环境.
在属的水平上未发现目前已知5种厌氧氨氧化菌属:Brocadia、Kuenenia、Scalindua、Jettenia、Anammoxoglobus, 故不认为存在厌氧氨氧化作用.
通过数据分析及菌种鉴定, 确定UASB反应器内氮、硫去除机理为硫酸盐还原、厌氧氨化、同步脱硫反硝化、硝化反硝化, 具体可理解为:废水中SO42-进入UASB反应器后在厌氧状态下由硫酸盐还原菌还原成S2-, 同时脱出O, 脱出的O可能被硝化菌捕捉参与硝化反应, 使NH4+-N氧化分解, 造成反应前期NO2--N、NO3--N增加, 但由于氨化作用的存在, NH4+-N并未出现下降, 而后, 部分NO2--N、NO3--N在反硝化细菌作用下还原成N2, 造成反应后期NO2--N、NO3--N下降和TN去除, 部分NO3--N又与S2-发生同步脱硫反硝化, 生成N2和S0, 使TN进一步去除及S2-减少.同时, 反应器内存在多种具有水解酸化作用的优势菌种, 这些异养型菌对去除COD起到了很大作用.硫酸盐还原菌与反硝化细菌也属于异养型菌, 它们在发挥各自特有功能的同时, 对COD去除也做出了一定贡献, 或者说促进了COD的去除.
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