qPCR揭示丙酸降解菌群随OLR提高的演替规律

为探讨有机负荷率（OLR）对升流式厌氧污泥床（UASB）反应器运行效能的影响及互营丙酸降解菌群的响应,以稀释的制糖废水为底物,考察了OLR升高对UASB处理效能的影响,并采用实时荧光定量PCR技术（qPCR）分析了互营丙酸降解菌群随OLR提高的演替规律.结果表明,在OLR为6.0~54.0kgCOD/（m³·d）的范围内,UASB处理制糖废水取得了良好的效果,其COD去除率为92.0%以上.qPCR检测结果表明,至少有3种已鉴定的丙酸氧化菌（Pelotomaculum schinkii,P.propionicum和Syntrophobacter sulfatireducens）存在于UASB反应器中.其中,S.sulfatireducens是主要的丙酸氧化菌,其数量为126~1.2×10³ 16S rRNA基因拷贝数/ng DNA,约占检测到丙酸氧化菌总数的47.9%~58.6%.OLR从6.0提高至54.0kgCOD/（m³·d）导致所有丙酸氧化菌数量显著减少.Methanospirillum hungatei和Methanosaeta concilii是该UASB系统中的主要氢营养型产甲烷菌和乙酸营养型产甲烷菌.与丙酸氧化菌的变化趋势相反,这两种产甲烷菌的数量均随OLR的提高而显著增加,并在OLR54.0kgCOD/（m³·d）条件下达到最大值.     

UASB反应器处理含蛋白质废水颗粒污泥形成的研究

以含蛋白质废水为基质,UASB反应器内培养颗粒污泥的试验结果表明,控制反应器出水 pH在7.2—7.5之间,出水丙酸浓度不超过300mg/L条件下,污泥负荷大于0.67kg COD/kgVSS·d时反应器内形成了颗粒污泥.MPN法计数发酵性细菌、丙酸分解菌、丁酸分解菌、乙酸裂解产甲烷菌和甲酸/H_2+CO_2,产甲烷菌的数量,只有当各类群细菌数量达到一定水平并且有合适的比例时才能形成颗粒污泥,颗粒污泥成熟后其组成相对稳定.颗粒污泥同接种污泥相比,其最大比产甲烷活性提高较大,是细菌数量增加的缘故。     

固定化甲烷八叠球菌(Methanosarcina)研究——厌氧颗粒污泥的形成

用实验室规模的UASB反应器处理豆制品废水培养厌氧颗粒污泥。通过对颗粒污泥形成过程中的产气率、进出水COD、水滞留期（HRT）、进出水挥发酸（乙酸、丙酸和丁酸）浓度、所产气体的甲烷含量等的变化分析和对颗粒污泥中优势产甲烷菌的扫描（SEM）和透射（TEM）电镜观察,阐明颗粒污泥的形成过程及特性。实验结果表明,消化器运转50d左右形成了颗粒污泥,厌氧颗粒污泥形成期间的平均产气率为5.3L/L·d,最高产气率达到了8.1L/L·d,进水和出水COD分别为3000～5500mg/L和800～3000mg/L,平均HRT为10.4h,平均出水乙酸、丙酸和丁酸浓度分别为264.1、519.8和104.6mg/L,所产气体的平均甲烷含量为60.6％,颗粒污泥为黑色,直径0.5～3.0mm不等,沉降速率为119.6m/h,其中的优势产甲烷菌为鬃毛甲烷菌（Methanosaeta）,而甲烷八叠球菌（Methanosarcina）存在甚少。     

ABR启动期运行效能及互营产甲烷菌群的分布特征

为探讨厌氧折流板反应器（ABR）启动期运行效能和互营产甲烷菌群的空间分布特征,考察了ABR反应器处理制糖废水启动期的运行特征,并采用聚合酶链式反应-变性梯度凝胶电泳（PCR-DGGE）技术分析了互营产甲烷菌群在ABR各格室的分布规律.结果表明,在污泥驯化阶段,ABR的COD去除率为61.5%,出水挥发酸总量高达1808mg/L.经过2个阶段的调控运行后,ABR出水挥发酸明显降低,甲烷含量增加至55%以上,COD去除率达到了94.8%.而且ABR第2~4格室形成了沉降性能良好的颗粒污泥.PCR-DGGE检测结果表明,该ABR系统中的主要产氢产乙酸菌为Syntrophobacter和Pelotomaculum,主要分布在ABR系统第3,4格室.ABR第1,2格室的产甲烷菌主要为耐酸的氢营养型产甲烷菌（Methanoregula和Methanosphaerula）,而乙酸营养型产甲烷菌（Methanosaeta和Methanothrix）主要分布在第3,4格室.ABR系统中产甲烷菌的多样性要明显高于产氢产乙酸菌,说明当系统受到冲击时,产氢产乙酸作用比产甲烷作用更易成为限速步骤.     

阿维菌素废水工业化UASB颗粒污泥产甲烷菌群分析

产甲烷菌群是厌氧颗粒污泥的重要功能菌群,采用荧光原位杂交(fluorescencein situhybridization,FISH)技术对阿维菌素废水处理工业化UASB颗粒污泥产甲烷菌群进行分析.结果表明,不同形成阶段(不同粒径)颗粒污泥表面和内部剖面,一般产甲烷菌(methanogens)、产甲烷杆菌(Methanobacteriales)和产甲烷八叠球菌(Methanosarcinales)的分布形态相同,但相对丰度存在差异.颗粒污泥内部剖面产甲烷菌群相对丰度大于表面;产甲烷杆菌相对丰度大于产甲烷八叠球菌;颗粒污泥表面和内部剖面产甲烷菌群相对丰度范围为(25.50±8.63)%~(48.67±8.87)%;1.0~2.0 mm粒径颗粒污泥产甲烷菌群相对丰度最大,内部剖面和表面一般产甲烷菌的相对丰度分别为(47.08±8.26)%和(48.67±8.87)%.废水阿维菌素残留可能对产甲烷菌群具有抑制作用.不同粒径颗粒污泥最大比产甲烷活性范围为1.311~1.562 g/(g.d),变化趋势与COD去除率变化趋势相同,而且与产甲烷菌群相对丰度变化趋势一致,表明颗粒污泥生物活性与产甲烷菌群密切相关.     

UASB反应器中产甲烷菌对温度胁迫的响应

采用间歇培养方式探讨了升流式厌氧污泥床(UASB)反应器中不同营养类型产甲烷菌对温度胁迫的响应规律.研究结果表明,产甲烷螺旋菌(Methanospirillum)是该反应器的主要氢营养型产甲烷菌,而主要乙酸营养型产甲烷菌为产甲烷丝状菌(Methanosaeta).在35℃条件下,氢营养型和乙酸营养型产甲烷菌的累计甲烷产量分别为24.7,11.7mL,而最大产甲烷速率分别为0.74,0.18mL/h.当温度从35℃分别降低至30,25,20,15℃时,导致氢营养型产甲烷菌的累计产甲烷量分别减少了14.2%,34.0%,47.0%,57.5%,而乙酸营养型产甲烷菌的累计产甲烷量分别减少了5.1%,23.9%,45.3%,95.7%.由此可见,在20~30℃时氢营养型产甲烷菌对温度胁迫更加敏感,而在15℃以下时乙酸营养营养型产甲烷菌对温度胁迫更加敏感.     

荧光定量PCR解析酸性条件下丙酸氧化菌的演替

采用实时荧光定量PCR技术考察了UASB酸性条件下丙酸氧化菌的演替规律.结果表明,至少有3种已鉴定的丙酸氧化菌(Pelotomaculum schinkii,P.propionicum和Smithella propionica)存在于UASB反应器中.在p H值为7.5~7.1时,P.schinkii是主要的丙酸氧化菌群,其数量为(5.0~5.8)×10~3 16SrRNA基因拷贝数/ngDNA,约占检测到丙酸氧化菌总数的90.6%以上.pH从7.1降到6.8导致S.propionica数量显著增加,P.schinkii和S.propionica成为优势菌群,其数量占丙酸氧化菌总数的88.9%.在pH6.5条件下,S.propionica(74.8%)成为优势丙酸氧化菌群.当p H￡6.0时,S.propionica和P.propionicum演替为优势丙酸氧化菌,表明这两种丙酸氧化菌具有较强的耐酸性.当p H￡6.0时,丙酸氧化菌总数随pH降低而明显减少,这可能是厌氧反应器在酸性条件下发生丙酸积累的根本原因之一.     

上向流厌氧滤池(UAF)处理城市生活污水的运行效能

采用上向流厌氧滤池(UAF)处理实际生活污水,研究中温条件下水力停留时间(hydraulic retention time,HRT)对系统运行效果及优势产甲烷菌群的影响.结果表明,在35℃,HRT为24 h条件下,系统启动28 d后化学需氧量(chemical oxygen demand,COD)去除率可达75%以上. HRT由24 h降至2. 5 h的过程中,COD去除率呈现先上升后下降的趋势,在HRT为5h时最高,平均去除率为81. 71%,最高可达87. 18%,当降至2. 5 h后,COD去除率降至75. 12%.甲烷产率(每消耗单位质量底物产生的甲烷的量,以CH4/CODre计)及甲烷体积分数随HRT的降低而增高,HRT为2. 5h时为0. 30 L·g-1,甲烷体积分数维持在73%左右,经能耗核算后可得系统产能可满足蠕动泵能耗需求.对系统内主要的产甲烷菌进行定量分析表明,乙酸营养型产甲烷菌Methanosarcinales丰度最高,为优势菌群,随着HRT的逐渐降低,乙酸营养型和氢营养型产甲烷菌的丰度都有大幅度提高.     

UASB反应器处理CMC废水的启动特性研究

采用上流式厌氧污泥床(UASB)反应器,以高浓度羧甲基纤维素(CMC)废水为处理对象,研究了中温条件下UASB反应器的启动、颗粒污泥特性和废水处理效果.结果表明,采用接种颗粒污泥与消化污泥的混合泥进行培养,并逐步提高进水CMC废水浓度,运行80 d后,可实现UASB反应器的启动;当进水COD值达到4 000 mg/L,容积负荷6.86 kg/(m3.d),COD去除率在80%以上;反应器内污泥实现颗粒化,且颗粒污泥的比产甲烷活性良好.     

产甲烷改良UASB启动试验及最优水力条件研究

在中温两相厌氧工艺处理玉米酒精废水的基础上,进行产甲烷改良UASB的启动试验和颗粒污泥的培养,考察水力条件对反应器处理效果的影响。试验采用低负荷启动方式,通过增大处理量和提高进水COD浓度逐级提高容积负荷,通过强制内回流控制反应器中水力条件,使产甲烷改良UASB在最佳条件下运行。63 d后反应器中形成的污泥床颗粒化程度高,粒径>0.7 mm的颗粒污泥占82%以上,产气速率和COD去除率分别达到539 L/d和90%,产甲烷改良UASB启动顺利完成;改良UASB作为两相厌氧工艺的产甲烷相可以自行调节其进水pH,启动时pH的人工调节可以在反应器进入颗粒污泥成熟期时停止;反应器的最佳水力条件为:上升流速为0.62 m/h、回流比300%;最优操作条件下产甲烷改良UASB具有良好的抗冲击负荷能力。     

包埋固定化微生物厌氧反应器启动特性研究

为克服难降解废水厌氧微生物反应器启动初期生物易流失和启动过程缓慢的缺点,将厌氧絮状污泥进行固定化包埋作为厌氧反应器的接种污泥处理有毒难降解的PTA废水,同时考察固定化细菌在厌氧反应器启动过程中的变化特性.结果表明,经过136 d的运行,反应器在COD有机负荷为3 kg.(m3.d)-1,水力停留时间为3~4 d的运行条件下,PTA废水的COD去除率可以达到75%~85%,且系统具有比较好的稳定性和生物量保持能力.另一方面,胞外聚合物(EPS)的变化、产甲烷菌DNA特异性扩增和包埋颗粒的扫描电镜观察结果表明,虽然包埋载体在一定程度上限制了传质速度,但包埋颗粒中的厌氧微生物在微生物相和数量上都仍有显著的变化和增长.     

进水浓度对UASB颗粒污泥形成的影响研究

采用人工葡萄糖配水,在相同的操作条件下,研究了进水浓度对UASB反应器颗粒污泥形成的影响。试验结果表明,9000mg/L COD的高浓度进水能够培养出良好的颗粒污泥,颗粒直径1.0—2.5mm(大多为2.0mm),SVI 16.03 ml/g,沉降性能良好.颗粒化过程在二个多月的试验周期内基本完成。反应器容积负荷达30.8kg COD/m~3·d,COD去除率大于85％.而采用1000mg/L COD的低浓度进水,也能培养出颗粒污泥但过程较慢,颗粒直径较小,约0.5—1.5mm,反应器容积负荷最高为10.2kg COD/m~3·d,COD去除率约75％。本文还就处理实际废水时的操作控制技术进行了分析讨论。     

HRT对糖蜜废水发酵产氢的影响

采用自制的UASB反应器,以糖蜜废水为底物,接种絮状污泥进行HRT对发酵制氢的影响研究.结果表明:在温度为(37±1)℃,进水COD浓度为4 000 mg/L,出水pH为4.6～5的条件下,HRT在8～6 h范围时,反应器的产气速率和产氢速率达到最大并保持稳定,平均值分别为41 L/d和21 L/d左右,氢气含量稳定在...     

厌氧氨氧化工艺在UASB反应器中的启动运行研究

利用UASB反应器进行了厌氧氨氧化工艺的启动运行研究。以自配高氮低碳废水为进水,普通厌氧污泥为接种污泥,在温度35℃,pH7.5～8.0的条件下连续运行220d,成功实现了厌氧氨氧化工艺的启动,氨氮容积负荷为0.43kg/(m~3·d)时,氨氮的去除率最高达88.3％,扫描电镜的观察结果表明,厌氧氨氧化污泥中的细菌以形状不规则的短杆菌为主。     

产氢产乙酸和产甲烷反应对厌氧消化的限速作用

为明晰厌氧消化过程的主要限速步骤,分别以丁酸、乙酸、H₂/CO₂为基质,在37℃和pH 5.00~9.00条件下对厌氧活性污泥进行培养,依据Shelford耐受定律对食丁酸产氢产乙酸菌（SBOB）、乙酸营养型产甲烷菌（ACM）和氢营养型产甲烷菌（HTM）的pH值生态幅及基质转化速率进行分析.结果表明,SBOB、ACM和HTM的pH值生态幅分别为6.19~8.59、5.50~7.74和4.39~9.23,其代谢最适pH值分别为7.39、6.62和6.81.在最适pH值条件下,厌氧活性污泥对丁酸、乙酸、H₂/CO₂的转化速率分别为0.86、1.04和1.09gCOD_equ/（gMLVSS·d）.可见,与产甲烷菌相比,产氢产乙酸菌的pH值生态幅更窄,基质转化速率更慢,对厌氧消化过程具有更为显著的限制作用.     

林可霉素生产废水的厌氧生物处理工艺

采用单相中温升流式厌氧污泥床(UASB)反应器厌氧生物工艺处理含有有毒难降解有机物的林可霉素生产废水.当进水COD 8000～14000 mg/L,HRT约10h时,COD容积负荷可达20～35kg/(m³·d),COD去除率为50%～55%.适时调整并维持较高的表面水力负荷[0.2～0.4 m³/(m²·h)]、较高的进水有机基质浓度(COD为2000～3000mg/L)和污泥COD负荷[0.2～0.5 kg/(kg·d)],并适当延长启动驯化时间可培养出沉降性好、污泥活性较高的颗粒污泥.废水厌氧生物降解动力学符合Monod方程,动力学常数V_max=1.3 d^-1,K_s=8133mg/L.废水中不可生物降解物质占总COD的比例约为30%,这是废水COD去除率偏低的重要因素.