处理渗滤液生物滤池的微生物群落结构动力学研究

摘要

卫生填埋是城市垃圾处理处置中最经济的途径,但随之产生的垃圾渗滤液对地下水、地表水及填埋场周围环境皆会造成严重污染。渗滤液成分复杂,处理难度大,寻找一套经济合理、适应我国垃圾渗沥液处理的工艺技术,对于我国垃圾填埋场渗滤液的处理具有重要意义。本研究采用上海老港垃圾填埋场填埋多年的陈垃圾(Aged Refuse,AR)和废弃多孔滤料(Porous Waste,PW)作为填料,通过填料不同的复配(AR和PW的配比分别为2∶1、1∶0、1∶2和0∶1),构建生物滤池反应器处理垃圾渗滤液(反应柱A、B、C、D)。研究温度(40℃、30℃、20℃、10℃和5℃)、水力负荷等参数变化对处理效果的影响;通过研究不同运行阶段反应柱填料的生物膜微生物群落结构的动态变化,分析系统中的优势菌,以及系统功能和群落结构变化的关系。主要结论如下：
　　 ⑴反应柱运行结果显示：各柱在40℃和30℃时对氨氮的平均去除率可达90％以上,当降到20℃时,以陈垃圾为主的A和B的出水氨氮开始升高,去除率均下降了45％左右,以多孔滤料为主的C和D的氨氮值在10℃时才有明显升高,去除率下降了约15％;各柱对总氮去除存在差异,其中,纯陈垃圾柱B的总氮去除率最高可达53％,而纯多孔滤料D柱却一直低于15％。表明陈垃圾有利于总氮的去除,多孔滤料有利于氨氮的转化,却不利于总氮的去除。各反应柱对低温的影响表现不同,在10℃时,D受温度影响较大,COD去除率下降了约20％,而A影响不大,下降仅6％;表明温度的变化对反应器的运行效果有着极大的关系。投加菌液后的B柱和D柱的COD去除率均明显上升,B柱升高了26％左右,而D柱升高了近40％,说明投菌对低温运行反应器的功能起到了一定的生物强化作用。
　　 ⑵微生物群落结构多样性分析表明,初始陈垃圾中细菌和AOB(氨氧化菌,Ammonia Oxidizing Bacteria)的多样性指数均很低,随系统的不断运行,多样性指数有所上升,微生物群落结构发生了变化,总体上呈现从简单到复杂的趋势。说明适合渗滤液处理的微生物类群数量增多。
　　 ⑶填料及不同的组合对反应器的微生物群落结构有较大的影响。聚类分析结果显示,A、B、C、D柱各自聚为一簇,说明填料对反应器的微生物群落结构起着最为关键的作用。其中,B、D两柱的群落结构相似性极低,不同的结构导致其功能有着明显的差异,D柱的硝化功能较好,但脱氮功能受限;而B柱具有较强的脱氮能力。这可能是由于D柱的纯多孔滤料的通透性能较强,而B柱的纯陈垃圾能够提供良好的厌氧环境所致。B柱上、中、下部位的微生物群落结构研究表明,AOB大多存在于上和中部,表明在陈垃圾反应柱中亚硝化作用可能发生在柱体上部和中部区域。
　　 ⑷温度变化对反应器的微生物群落结构的影响有如下特点。A柱在40℃和30℃时细菌群落结构相似性低,表明其中微生物的变化剧烈,温度降低到20℃和10℃后,相似性升高,表明柱中菌群结构稳定,耐低温能力较强。B柱的变化规律与A柱相同。C柱在30℃和20℃时保持着相似的群落结构,但当温度降到10℃时,菌群结构与高温相比相差较大;D柱的菌群结构同样在10℃时有了较大的波动。说明温度对纯多孔滤料柱微生物群落的影响较陈垃圾柱较大。A柱、C柱和D柱中AOB群落结构多样性较B柱的多样性指数高,B柱的群落结构变化较小,这可能是由于B柱填料通透性较A、C和D差,不适于AOB生长有关。低温投菌法强化了反应柱对有机物的去除,群落结构分析结果表明,投加的菌液改变了反应柱原有的群落结构,增强了系统的运行功能。
　　 ⑸反应柱中微生物分析结果表明,绝大多数的细菌属于变形菌门(Proteobacteria)和放线菌门(Actinobacteria),优势微生物大多为棒状杆菌科(Corynebacteriaceae)和肠杆菌科(Enterobacteriaceae),主要种属有棒状杆菌属(Corynebacterium)、志贺氏杆菌属(Shigella)和变形杆菌属(Proteus);系统中AOB多属于变形菌门(Proteobacteria),优势AOB主要为亚硝化单胞菌属(Nitrosomonas)。微生物在反应器中的分布和其功能相对应。如Comamonas sp.与芳香族化合物生物降解、硝化反硝化反应有关,和Flavobacteria bacterium出现在反应柱的上部,可能是柱体上部好氧环境所致;Desulfovibrio sp.与有机污染物和重金属生物降解有着直接关系,属于专性厌氧硫酸盐还原菌,出现在反应柱的下部,说明柱体下部出现了厌氧环境;Corynebacterium sp.BBDP21、uncultured gamma proteobacterium、Corynebacteriumsp.'Mali24'、uncultured proteobacterium clone.F27_2E_FL是低温强化实验5℃时D柱中的优势菌,这些菌在较高处理效果的反应器中出现频率较高,说明他们可能是反应系统中的高效降解菌。