蛭弧菌裂解污泥去除重金属和提高脱水性能的研究

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污水处理过程中,污泥中富集了大量的重金属。污水处理厂的剩余污泥直接堆放或填埋,污泥中富集的重金属不仅会危害生态环境还会经过食物链的循环积累最终影响人类的健康安全。传统的重金属去除方法或多或少存在着一些缺点,因此,探寻一种成本低、危害小的在去除重金属的同时能提高污泥脱水性能的方法显得尤为必要。蛭弧菌是一类能裂解大部分革兰氏阴性菌和少量革兰氏阳性菌的寄生型细菌,具很好的研究意义,但其在裂解剩余污泥去除重金属方面的应用尚没有报道。因此,此次研究采用从活性污泥中分离富集具有高效裂解效应的蛭弧菌,进行蛭弧菌裂解污泥的实验,获得蛭弧菌裂解污泥的最佳反应条件,重金属的最佳去除率和污泥脱水性改善效果,并在此基础上深入探讨蛭弧菌裂解污泥去除重金属的机制和影响污泥脱水性的关键因素。实验结果如下:(1)从活性污泥中筛选出了一株能够高效富集蛭弧菌的宿主菌,通过双层琼脂平板筛选出28株蛭弧菌株,并通过测定蛭弧菌裂解宿主菌时液体培养基上清液吸光度(OD600)下降率和菌泥混合培养重金属去除率,筛选出裂解效应最佳的24号菌株作为本实验的实验菌株,并鉴定其与已知蛭弧菌Bacteriovorax sp.HEA的相似度为95%。(2)通过设置不同环境条件进行污泥裂解实验,获得最佳反应条件为,反应时间24 h,酸碱度(p H值)为7,污泥浓度(MLVSS)范围为20000 mg/L~25000mg/L,溶解氧(DO)浓度为3.5 mg/L,蛭弧菌投加量为10~8PFU/m L,反应温度为30℃,此时污泥中Cu、Zn的去除率分别为45.1%和49.8%,污泥比阻(SRF)和毛细吸水时间(CST)的下降率为32.78%和25.81%,蛭弧菌可以有效裂解污泥释放其内富集的重金属,并改善污泥脱水性能。(3)分析污泥破壁指标发现,在蛭弧菌裂解污泥的过程中,污泥溶解性化学需氧量(SCOD)、溶出率(DDSCOD)与重金属去除率的变化趋势相一致,均在24 h时取得最大值,此时SCOD和DDSCOD是初始污泥的1.5倍和8倍。24 h时溶解性胞外聚合物(S-EPS)中蛋白质(PN)、多糖(PS)的占比明显增大,说明蛭弧菌裂解污泥时使得污泥中结合态EPS溶解进入液相,从而导致EPS上络合的重金属脱落,而随着结合态EPS转化为S-EPS以及污泥中微生物细胞的溶解,胞内有机化合物大量溶出,使得SCOD的含量增加。(4)通过分析蛭弧菌裂解过程中污泥脱水性与EPS中PN、PS的相关性,探讨生物裂解影响污泥脱水性的关键因素。结果发现,污泥SRF和CST与溶解态PN、PS的含量呈负相关,蛭弧菌裂解作用使得污泥中溶解态PN、PS发生改变从而影响了污泥的脱水性能。推测由于PN、PS都带有亲水性基团,当结合态EPS中PN、PS不断从污泥中脱落,污泥液相中的PN、PS含量大大增加,使得S-EPS中亲水性基团增多,水分在S-EPS中更加集中,从而改善了污泥脱水性能。(5)通过分析蛭弧菌裂解前后污泥中微生物的多样性发现,随着蛭弧菌对污泥的裂解,污泥中菌群的Shannon指数和Simpson指数呈现显著的下降趋势,,24 h时,污泥中微生物菌群的均匀性和多样性达最低值。污泥包含的菌群种类主要有变形杆菌门(Proteobacteria)、放线菌门(Actinobacteria)、拟杆菌门(Bacteroidetes)、绿弯菌门(Chloroflexi)、厚壁菌门(Firmicutes)、酸杆菌门(Acidobacteria)、疣微菌门(Verrucomicrobia)。污泥中变形杆菌门(Proteobacteria)中γ-变形菌纲(Gammaproteobacteria)、β-变形菌纲(Betaproteobacteria)、δ-变形菌纲(Deltaproteobacteria),拟杆菌门(Bacteroidetes)中鞘脂杆菌属(Sphingobacterium)、黄金杆菌属(Chryseobacterio)、紫单胞菌属(Porphyromonas),厚壁菌门(Firmicutes)梭菌目(Clostridiales)中的产氢新菌属(Ethanoligenens)的含量随着蛭弧菌对污泥的裂解而大幅下降,24 h达最低值,说明蛭弧菌主要是通过裂解此类细菌从而达到去除重金属和提高脱水性能的目的,而在蛭弧菌裂解污泥的过程中,污泥中放线菌门(Actinobacteria)、绿弯菌门(Chloroflexi)、酸杆菌门(Acidobacteria)、疣微菌门(Verrucomicrobia)的含量并未出现明显的下降趋势,说明蛭弧菌对这类细菌的裂解效应不明显。
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