造纸废水具有高浓度有机污染物和高钙的显著特征,因厌氧生物处理法具有能将废水中的复杂有机物分解转化成CH4和CO2等稳定物质,同时释放热量的优势,而被广泛应用于造纸废水的处理中。然而造纸废水中高浓度的C a2+在厌氧系统中易受pH等因素的影响,生成无机沉淀附着在厌氧颗粒污泥的表面或沉积于内部,造成颗粒污泥无机成分增加,活性降低甚至失活的钙化现象。厌氧颗粒污泥的钙化易造成污泥的流失、产气特性下降、微生物群落结构变化等,最终导致整个厌氧系统的瘫痪。有报道造纸废水颗粒污泥钙化现象及规律,甚至有研究不同高度的微生物菌群结构,但对于钙沉积的消除或延缓并未提出有效的策略,基于此,本文从微生物群落结构的角度出发,探究Ca2+对颗粒污泥中核心微生物产甲烷古菌群落结构的影响,继而通过富集氢营养型混合菌群菌来调控厌氧系统中的CO2水平,分析这种调控作用对颗粒污泥在Ca2+浓度、污泥结构等方面的影响,以此达到延缓颗粒污泥钙化的目的。本文主要得到以下结论:(1)Ca2+易沉积在新鲜的厌氧颗粒污泥表面或其内部(反应器运行两个月时的沉积率为64.1%)。随着运行时间的延长,颗粒污泥的钙化程度在不断加深,单位质量污泥中的有机组分减少,从而颗粒污泥的产甲烷活性下降,IC(Internal circulation)反应器的处理效果呈下降趋势;烘干后的厌氧颗粒污泥颜色由浅变深;系统中乙酸营养型产甲烷菌的比例在逐渐增加,氢营养型产甲烷菌的比例大幅度减少,且钙化程度越高,这种变化越迅速。(2)在高钙废水的长期作用下,随着厌氧颗粒污泥在反应器内高度的增加,氢营养型产甲烷菌的相对丰度降低,以Methanoregula、Methanospirillum和Methanolinea为代表,乙酸营养型产甲烷菌的相对丰度呈现递增的趋势,以Methanosarcina和Methanosaeta为例,Methanosaeta是各高度的古菌菌群系统中最主要的优势菌。在不同高度的IC中古菌的生物多样性由高到低的顺序为:5 m>2m>7m,5 m处的古菌物种更加丰富。CaCO3沉淀使颗粒污泥的产甲烷活性降低,主要表现为其对氢营养型甲烷菌具有较大的抑制作用。(3)厌氧培养富集前后乙酸营养型产甲烷菌皆为Methanosaeta,氢营养型产甲烷菌以Methanolinea、Methanoregula、Methanobacterium为优势菌群。富集培养后生物多样性减少,氢营养型产甲烷菌群在总菌群中的相对比例提高了 2.22%,检测出混合营养型的第七产甲烷古菌Methanomassiliicoccus。(4)对照试验结束后,发现添加了富集混合菌群的实验组中厌氧颗粒污泥的钙含量相对较少,形态结构上仍有较多杆菌和球菌类微生物,存在较大空穴,胶结状相对较弱,累积产甲烷量和酶活等优于对照组,氢营养产甲烷菌的相对丰度(45.96%)要大于对照组(43.86%);而两组中沉积的无机成分都为方解石形式的CaCO3,官能团种类相似。因此通过氢营养混合菌群对系统中CO2水平的调控能有效延缓颗粒污泥的钙化。