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图 5 聚氨酯泡沫填料塔中不同进水S/N摩尔比下SO42-相对含量
3.5 附着在不同填料上的微生物SEM图
图 6为实验完成后不同填料上微生物SEM电镜图.从图中可知对照组A塔中填料表面光滑,发现少量生物膜结构.而实验组B、C、D塔中填料表面均有很明显的生物膜结构,而且B塔中能观察到明显黄色硫颗粒的存在.其中以聚氨酯泡沫为填料的实验组B塔中生物膜结构最复杂,对填料表面粘结的更紧密.以多面空心球为填料的实验组C塔中生物膜数量则相对要少,厚度稍薄.以鲍尔环为填料的D塔生物膜数量更少,生物膜稀疏,厚度较薄.这说明实验组B塔填料上微生物活性强,生长代谢快,因此对废水净化效果更好.这正好解释了实验组B塔表现出最好的SDD性能的原因.
图 6 不同填料上微生物SEM电镜图 (a.对照组A中填料,b.对照组B中填料,c.对照组C中填料,d.对照组D中填料)
3.6 各反应器中微生物群落结构分析
为了分析不同填料、不同进水S/N摩尔比实验后各反应器中微生物群落结构的差异,在实验完成后泄空培养基并取出反应器中部分填料,提取填料中所含微生物的DNA并进行PCR扩增,进行16S rRNA测序研究.图 7是4组反应器中属水平上微生物群落结构图.从图中可以发现,4个反应器中占绝对优势的属为Thiobacilllus,其相对丰度均高于40%.Thiobacilllus属中存在多种细菌可以将硫化物氧化成单质硫、硫酸盐或硫代硫酸盐,是脱硫系统中主要的优势属(Zhao et al., 2016).其次相对丰度较高的属是Rhodanobacter属、Arenimonas属和Truepera属,这与张跃洋等通过研究含硫废水中生物群落所得到的结果一致(张跃洋等, 2016).而且研究发现这3种属中部分细菌可在厌氧条件下以进行自养反硝化作用(Prakash et al., 2012).没有进行接种的A塔中也检测到Thiobacilllus属细菌,很可能是因为自来水中含有的少量脱硫菌被富集,这也是Thiobacilllus属相对丰度较高的原因.
图 7 4组反应器中属水平上的微生物群落结构
图 8是4组反应器中物种丰富度图,反映出Alpha水平下物种多样性.Chao1是生态学中常用来估算物种总数,是基于稀有种的一种估算方法.Simpson用来估算样本微生物多样性指数之一,既考虑了物种的丰度,也考虑了均匀性,值越高代表多样性越高.Shannon是一种基于信息理论的测量指数,结果包含物种数及均匀性两种成分,值越大说明群落多样性越高.PD是Alpha水平上最常用的系统发育多样性度量方法,其计算方法是对进化树的所有枝长求和.从图 8中可以发现,A塔中检测到的OTU,Shannon和PD值都最小,说明A塔中物种多样性最差,D塔仅稍高于A塔,B塔和C塔物种多样性最高.C塔中物种多样性高于B塔的原因可能是实验末期S2-浓度过高,暂时抑制了脱硫菌的生长,导致Thiobacilllus属相对丰度降低,其他物种相对丰度升高,从而导致C塔物种多样性更高.尽管D塔中Thiobacilllus属相对丰度高于B和C塔,但它物种多样性低,所以实际上Thiobacilllus属在体系中总体含量并不高,因此在3个实验组中得到最差的实验效果.根据保险假说理论(Yachi et al., 1999):群落的多样性越高,微生物群落之间存在越高程度的功能冗余,即包含较高适应某种胁迫的互补分类单元(OTU),从而保证在受胁迫时仍能正常的执行相应功能.这说明能取得良好SDD效果的体系中具有相同功能的微生物群落存在较高的冗余.工艺启动后微生物结构会随着外界环境的改变进行调整以维持最优工作状态,这也说明SDD工艺有着较强的适应能力(于皓等, 2013).而且16S rRNA测序结果显示,Thiobacilllus属和Rhodanobacter属、Arenimonas属、Truepera属等基本是同时存在的,这说明它们之间可能存在互生或共生关系.综合以上分析,我们认为微生物多样性越高的反应塔表现出越强的抗冲击负荷能力,拥有更好的去除效果.具体参见污水宝商城资料或http://www.dowater.com更多相关技术文档。
图 8 4组反应器中物种丰富度图
4 结论(Conclusions)
1) 使用以聚氨酯泡沫和多面空心球为填料的厌氧滴滤塔能高效的去除废水中S2-和NOx--N.而且,构建的厌氧滴滤塔有很大的工程化应用前景.
2) SDD反应前后pH变化小于0.5,反应后ORP都将升至0 mV附近.S2-去除段SO42-没有出现积累,原因是功能菌优先利用NO3--N将S2-氧化成S0,待废水中S2-去除完全后,再进一步将S0氧化成SO42-.反硝化过程中NO2--N出现一定程度积累.其原因是反硝化过程中NO3--N→NO2--N反应速度快于NO2--N→N2,但当NO3--N去除完全后NO2--N浓度迅速下降,说明SDD反应降解NO3--N的速率快于NO2--N.非生物作用能有效去除废水中S2-, 但不能去除废水中NOx--N.进水S/N比能明显影响最终硫产物比例.进水S/N比越大,产物中SO42-相对含量越低.结合实际工程考虑,应控制进水S/N摩尔比在5/3~5/2之间,S2-浓度控制538 mg˙L-1以下.
3) 微生物群落结构分析结果表明,Thiobacillus属在4组反应器上占绝对优势,其相对丰度均高于40%.其次相对丰度较高的Rhodanobacter、Arenimonas和Truepera属与厌氧反硝化作用密切相关.对4组反应器中微生物进行Alpha-多样性分析结果表明,取得较好脱硫耦联反硝化效果的体系中物种多样性指数也较高.
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