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丙酸是有机废水厌氧生物处理过程中重要的中间代谢产物之一,它的积累对厌氧生物处理系统的运行稳定性和处理效能均具有显著的限制作用。温度、水力停留时间(HRT)和pH是废水厌氧生物处理工艺中常见的运行控制参数,也是影响厌氧微生物增殖代谢的重要生态因子。深入了解这些生态因子变化对厌氧生物处理系统中丙酸互营降解的影响和机理,有助于系统的优化调控,保障系统更加高效稳定地运行。 本文以典型厌氧生物处理反应器,即升流式厌氧污泥床(UASB)反应器的调控运行为基础,以丙酸为唯一碳源,分别考察了温度降低、HRT缩短和pH降低等胁迫条件下UASB中丙酸互营降解的特征。采用聚合酶链式反应-变性梯度凝胶电泳(PCR-DGGE)指纹分析技术和实时荧光定量PCR技术分析了UASB系统中参与丙酸降解的主要功能菌群随环境变化的演替规律,探讨了UASB系统中互营丙酸氧化菌群(丙酸氧化菌群和产甲烷菌群)演替与丙酸降解特征之间的内在联系,揭示了胁迫条件下丙酸互营降解的群落生态调节机制。 UASB启动并在进水丙酸浓度2000mg/L、HRT10h、35℃条件下达到稳定运行后,首先考察了温度逐级降低对UASB系统中丙酸互营降解特征的影响。结果表明,在35℃和30℃条件下,UASB系统的丙酸去除率为92％以上;当温度从30℃降低为25℃后,UASB经过6d的延续运行,其丙酸去除率亦可恢复到35℃时的水平;温度降低为20℃和18℃时,系统对丙酸的去除能力受到了显著影响,其稳定期的丙酸去除率比35℃时分别降低了6.1%和19.0%。HRT缩短对UASB的丙酸互营降解有一定的冲击作用,但不会显著影响系统的丙酸去除能力。在进水丙酸浓度2000mg/L条件下,每次HRT缩短都会造成系统中丙酸和乙酸的短期积累,但经过一段时间的连续运行后,UASB均能重新达到稳定运行状态,在HRT10h、8h、6h和4h的运行稳定期,其丙酸去除率分别为96.9%、95.5%、94.7%和94.1%。不同于温度和HRT胁迫,pH降低显著抑制了UASB系统的丙酸去除效能。在进水丙酸为2000mg/L、HRT6h条件下,反应区pH控制为7.5-6.8时,UASB系统对丙酸的去除率保持在93.6%以上。当污泥床pH分阶段由6.8降低为4.5时,污泥床对丙酸去除的贡献率随pH降低而降低,而悬浮层对丙酸去除的贡献率却随污泥床pH的降低而升高。在污泥床pH4.0条件下,系统严重酸化,丙酸互营氧化能力丧失。 在温度、HRT和pH的胁迫作用下,UASB系统中的微生物群落结构发生了一定的改变。当温度从35℃逐级降低至18℃时,参与丙酸降解的互营丙酸氧化菌群的组成几乎没有发生变化,但优势菌群的数量却发生了显著变化。在温度从35℃逐级降低至18℃过程中,丙酸氧化菌Pelotomaculumschinkii始终具有优势地位,但其数量在温度低于25℃时大幅度减少;而主要产甲烷菌Methanosaeta和Methanospirillum的数量在18℃条件下却显著增加。HRT缩短和pH降低均使得UASB系统中的主要优势丙酸氧化菌从P.schinkii逐渐演替为S.propionica。HRT缩短并没有使产甲烷菌的组成发生明显的演替,但氢营养型产甲烷菌随着pH降低发生了显著演替。 UASB系统对不同胁迫因子表现出不同的群落生态调节机制,尽可能维持系统的运行稳定性和丙酸去除效能。在温度降低时,UASB系统可通过主要功能菌群数量的自我调节和生物量的增加来弥补温度降低造成的代谢位能的不足,从而使系统得以维系较高的丙酸互营降解能力。在HRT胁迫条件下,UASB可通过优势丙酸氧化菌群数量的增加、生物量的提高和产甲烷菌群的稳定性等生态调节方式,保证系统对丙酸的高效降解。对于pH降低形成的胁迫,UASB系统的调节策略主要是通过优势丙酸氧化菌群的更迭和耐酸产甲烷菌的富集与更迭来适应环境pH的降低,从整体上维持一定的丙酸互营氧化能力。