上升流速對CANON工藝穩(wěn)定性及微生物群落的影響

張 凱,孫夢俠,梁東博,王 佳,李 軍

上升流速對CANON工藝穩(wěn)定性及微生物群落的影響

張 凱,孫夢俠,梁東博,王 佳,李 軍*

(北京工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院,城市污水深度處理與資源化利用技術(shù)國家工程實驗室,北京 100124)

采用膨脹顆粒污泥床(EGSB)反應(yīng)器作為全程自養(yǎng)脫氮(CANON)工藝啟動運行的裝置,考察了不同上升流速對CANON工藝脫氮性能的影響,并對固定生物膜-活性污泥(IFAS)系統(tǒng)內(nèi)顆粒污泥粒徑的變化和生物膜上的生物量進行定量分析,同時對顆粒污泥和生物膜上的微生物進行高通量分析,探究在不同聚集體上微生物群落結(jié)構(gòu)的特點.結(jié)果表明,在連續(xù)運行過程中,上升流速由2m/h增加至6m/h的過程中,總氮去除負(fù)荷由0.20kg/(m3·d)逐漸增加至0.66kg/(m3·d),而ΔNO3--N/ΔNH4+-N的比值穩(wěn)定在0.11,成功實現(xiàn)了CANON的高效穩(wěn)定運行. 當(dāng)上升流速增加至8m/h時,CANON工藝脫氮性能失穩(wěn),總氮去除負(fù)荷(NRR)降低至0.42kg/(m3·d),污泥平均粒徑由1.3mm減小到0.9mm.上升流速恢復(fù)至6m/h后,CANON脫氮工藝脫氮性能逐漸恢復(fù),最終NRR穩(wěn)定在0.60kg/(m3·d)以上,污泥平均粒徑恢復(fù)至1.2mm,生物膜生物量的比生長速率為0.0024d-1.高通量測序顯示,顆粒污泥中主要以氨氧化細菌(AerAOB)功能菌(2.45%),和厭氧氨氧化細菌(AnAOB)功能菌(2.38%)為主要菌屬;而生物膜中主要是AnAOB功能菌(9.78%)、(4.23%),同時還檢測出少量AerAOB功能菌(0.40%).結(jié)果表明兩種微生物在不同聚集體上存在一定的差異性.

全程自養(yǎng)脫氮(CANON)；厭氧膨脹顆粒污泥床(EGSB)；上升流速;脫氮;高通量測序

單級全程自養(yǎng)脫氮(CANON)工藝具有許多優(yōu)點,如不需要有機碳源、節(jié)省曝氣、減少污泥和減少溫室氣體[1].CANON工藝是一種基于厭氧氨氧化的新型生物脫氮工藝,其中AerAOB和AnAOB能夠在一個反應(yīng)器中將NH4+-N轉(zhuǎn)換成N2[2],因此AerAOB和AnAOB這兩種微生物的和諧共存是確保CANON工藝高效穩(wěn)定運行的關(guān)鍵.Third等[3]認(rèn)為實現(xiàn)CANON工藝穩(wěn)定運行,反應(yīng)器應(yīng)具備兩個主要的條件,首先反應(yīng)器內(nèi)部可以形成體積較大的顆粒污泥或者形成生物膜.為AnAOB提供必要的厭氧環(huán)境;其次是反應(yīng)器應(yīng)具備良好的污泥截留能力,從而避免生長緩慢的自養(yǎng)型微生物AerAOB和AnAOB被淘洗出反應(yīng)器.

EGSB反應(yīng)器具有外回流增加了進水的上升流速,可以快速實現(xiàn)污泥顆粒化,進而保持反應(yīng)器中微生物的生物量,實現(xiàn)反應(yīng)器內(nèi)高效穩(wěn)定的脫氮效率[4].而近些年,生物膜-活性污泥復(fù)合工藝(IFAS)在短程硝化厭氧氨氧化領(lǐng)域引起了大家的廣泛關(guān)注[5].有研究發(fā)現(xiàn)[6-7],顆粒污泥系統(tǒng)或者生物膜系統(tǒng)中在淘洗NOB菌的同時必然伴隨著AnAOB菌的流失.在IFAS系統(tǒng)內(nèi),顆粒污泥和生物膜可以為AerAOB和AnAOB提供不同的生長微環(huán)境,IFAS系統(tǒng)內(nèi)AerAOB和NOB在活性污泥中能夠更好的獲取DO,因此在活性污泥中相對含量較高,而AnAOB則主要在生物膜上進行生長繁殖[8].在實際工程中IFAS系統(tǒng)成功實現(xiàn)了短程硝化與厭氧氨氧化耦合脫氮[9].同時有研究發(fā)現(xiàn)IFAS系統(tǒng)在實現(xiàn)短程硝化耦合厭氧氨氧化過程中對于總氮的去除負(fù)荷要比MBBR系統(tǒng)對于總氮的去除負(fù)荷高3倍左右[10].

目前,對于CANON工藝的研究大多集中在顆粒污泥[11]或者生物膜[12]的形式上,利用其顆粒污泥和生物膜的空間特點,為AerAOB和AnAOB分別提供好氧和厭氧的微環(huán)境,進而實現(xiàn)協(xié)同脫氮的目的.但用顆粒污泥實現(xiàn)CANON工藝的穩(wěn)定運行,存在啟動周期較長,總氮去除負(fù)荷低等缺點[13].因此本文以泥膜混合體系為載體在EGSB反應(yīng)器中實現(xiàn)CANON工藝的高效穩(wěn)定運行,探究了在EGSB反應(yīng)器中不同上升流速下,CANON工藝的脫氮性能穩(wěn)定性、顆粒污泥粒徑的變化情況和生物膜上生物量的生長曲線,并利用分子生物學(xué)16S rRNA高通量測序技術(shù),解析了在顆粒污泥和生物膜上微生物種群的多樣性以及優(yōu)勢菌群分布,同時分析了不同微生物聚集體的菌群結(jié)構(gòu)的差異性,以期為IFAS系統(tǒng)下的CANON工藝的穩(wěn)定運行提供必要的理論參考.

1 材料與方法

1.1 實驗裝置及運行條件

實驗采用EGSB反應(yīng)器作為啟動CANON工藝的反應(yīng)器,圓柱形反應(yīng)器內(nèi)徑為100mm,高度400mm,外部有水浴套筒保持內(nèi)部環(huán)境溫度恒定,反應(yīng)器的有效容積為3.3L,實驗共進行了2個過程8個階段,具體的運行條件見表1和表2.

1.2 實驗用水及接種污泥

實驗用水采用人工合成廢水,主要成分含有NH4Cl、NaHCO3、KH2PO4、MgSO4·7H2O、CaCl2·2H2O;微量元素Ⅰ:FeSO4,5g/L;EDTA,5g/L;微量元素Ⅱ:EDTA,15g/L;CuSO4·5H2O,0.2g/L; ZnSO4·7H2O,0.43g/L;CoCl2·6H2O,0.24g/L;MnCl2·4H2O,0.99g/L;NaMoO4·2H2O,0.22g/L;NiCl2·6H2O,0.19g/L;NaSeO4,0.11g/L; H3BO3,0.014g/L,微量元素Ⅰ和Ⅱ的投加量均為1mL/L;接種污泥取自實驗室運行穩(wěn)定的短程硝化污泥和載體生物膜和厭氧氨氧化污泥,接種的短程硝化污泥的污泥濃度(MLSS)為2643mg/L,載體填料表面生物膜MLSS為1876mg/L.載體填料采用聚氨酯海綿填料,載體填料為1cm的正方體,比表面積為91000m2/m3,密度為1.1g/cm3,體積填充比約為25%.

表1 間歇運行期間運行參數(shù)

1.3 分析方法

1.3.1 水質(zhì)和污泥分析 NH4+-N, NO2--N, NO3--N, MLVSS等水質(zhì)指標(biāo)由標(biāo)準(zhǔn)方法測量[14].

1.3.2 污泥粒徑的測定方法 污泥粒徑(PSD)采用篩分法[15],采用一系列10cm不銹鋼對顆粒污泥進行篩分.用緩沖溶液對污泥進行稀釋,將稀釋好的泥水混合物倒入疊加好的篩分網(wǎng)上,用去離子水進行沖洗.緩沖溶液為:(KH2PO4)=4g/L;(Na2HPO4·7H2O)=5g/L;(KH2PO4)=1.2g/L, pH=7.1.孔徑分別為2.0, 1.0, 0.6, 0.335, 0.2, 0.154, 0.1, 0.061, 0.038mm,篩子從上到下目數(shù)依次增大.

1.3.3 生物膜生物量測定 載體填料生物量濃度的測定方法:從反應(yīng)器隨機選取3個載體填料,從載體填料上提取生物膜,載體填料上松散的生物膜采用鑷子進行刮取,然后將刮取完后的載體填料進行超聲至生物膜完全脫落,將超聲后的泥水混合物進行過濾,最后在105℃烘干稱重,計算平均載體上生物膜干重[5].

表2 連續(xù)運行期間運行參數(shù)

1.3.4 高通量測序 利用高通量測序技術(shù)對IFAS系統(tǒng)內(nèi)的不同微生物聚集形態(tài)進行分析.實驗采用上海生工Illumina Miseq2′300bp測序平臺進行測序分析,在V3~V4區(qū)域進行PCR擴增,擴增引物為341F:序列F:CCTACGGGNGGCWGCAG;805R:序列R:GACTACHVGGGTATCTAATCC.在97%的相似水平下對所有序列進行OTUs(Operational Taxonomic Units)劃分并與RDP(Ribosomal Database Project)數(shù)據(jù)庫比對,在門和屬水平下對菌群結(jié)構(gòu)進行分析.

2 結(jié)果與討論

2.1 CANON工藝啟動及脫氮性能

EGSB反應(yīng)器共運行了103d,共分為8個階段,前3個階段采用SBR反應(yīng)器的運行方式,通過逐漸降低進水氨氮濃度和調(diào)節(jié)停曝比的方式實現(xiàn)低氨氮濃度下的自養(yǎng)生物脫氮工藝.圖1為自養(yǎng)生物脫氮工藝啟動過程中含氮物質(zhì)的濃度變化以及亞氮積累率的變化.

如圖1所示,階段Ⅰ(第1~11d),控制停曝比為90: 90(min:min),進水NH4+-N濃度約為300mg/L,隨著接種污泥對環(huán)境的逐漸適應(yīng),AerAOB活性增加, NH4+-N濃度逐漸降低.在第11d出水NH4+-N濃度為38.7mg/L,出水NO2--N濃度為224.3mg/L,出水NO3--N濃度為11.7mg/L.如圖1(b)所示,在階段Ⅰ,氨氮去除率(ARE)由47.95%逐漸增加至86.82%,亞硝態(tài)氮積累率(NAR)由79.54%增加至91.51%,總氮去除負(fù)荷(NRE)則維持在10%以下;階段Ⅱ(第12~ 21d),添加AnAOB絮狀污泥,接種后的污泥濃度為4017mg/L,此時調(diào)控停曝比為60:100(min:min),進水NH4+-N濃度約為150mg/L,接種AnAOB污泥的第2d,如圖1(b)所示,NRE出現(xiàn)明顯的增加并維持在50%左右,由于NO2--N作為AnAOB的底物物質(zhì)被消耗,因此NAR在階段Ⅱ中明顯減少.在CANON工藝系統(tǒng)中主要是通過富集培養(yǎng)AerAOB和AnAOB進而實現(xiàn)協(xié)同脫氮的目的,大量研究通過控制溶解氧(DO)[16]、堿度(pH值)[17]、抑制劑[18]等手段抑制NO2--N向NO3--N的轉(zhuǎn)化,實現(xiàn)AerAOB的增殖和為AnAOB提供必要的底物物質(zhì),同時抑制NOB的生長[19].

如圖2所示,在階段Ⅱ中,ΔNO3--N/ΔNH4+-N明顯高于理論值0.11[20],這主要是由于ΔNO3--N的生成一部分是通過AnAOB的作用產(chǎn)生的NO3--N,還有一部分是通過NOB的作用將NO2--N轉(zhuǎn)化成的NO3--N,因此在階段Ⅲ中通過延長厭氧時間(不曝氣)和縮短好氧時間(曝氣)的方式,強化厭氧氨氧化反應(yīng)和抑制亞硝酸鹽氧化速率;階段Ⅲ(第22~39d),控制停曝比為80:90(min:min),進水NH4+-N濃度約為100mg/L,經(jīng)過18d的穩(wěn)定運行,出水NH4+-N、NO2--N和NO3--N濃度分別為5.2, 4.1和12.2mg/L, ARE和NRE分別由階段Ⅱ結(jié)束時的87.24%和50.12%增加至階段Ⅲ結(jié)束時的94.73%和78.98%.,如圖2所示,階段Ⅲ時的ΔNO3--N/ΔNH4+-N比階段Ⅱ時的ΔNO3--N/ΔNH4+-N明顯降低,說明在階段Ⅲ中NOB的活性得到了有效抑制,ΔNO3--N/ΔNH4+-N穩(wěn)定在0.11左右,表明此時在EGSB反應(yīng)中全程自養(yǎng)生物脫氮工藝運行穩(wěn)定.

圖1 反應(yīng)器間歇運行的氮素濃度變化

圖2 ΔNO3--N/ΔNH4+-N比的變化

2.2 連續(xù)流上升流速對反應(yīng)器脫氮性能影響

在階段Ⅳ時由SBR運行方式轉(zhuǎn)變成連續(xù)流運行,整個系統(tǒng)共運行64d.通過EGSB反應(yīng)器在不同回流比條件下改變上升流速,探究不同上升流速對CANON工藝的影響.

如圖3所示,根據(jù)EGSB反應(yīng)器設(shè)定的回流比,將此過程分為5個階段.階段Ⅳ(第40~55d),進水NH4+-N濃度約為100mg/L,控制HRT為6h,上升流速為2m/h(回流比為27.5:1).運行初期,由于運行方式從間歇運行轉(zhuǎn)變成連續(xù)運行,EGSB反應(yīng)器內(nèi)ARE和NRE分別由上一過程間歇運行結(jié)束時的94.73%和78.98%降低到69.99%和51.38%.隨著對環(huán)境的逐漸適應(yīng),出水NH4+-N和TN濃度逐漸降低,在連續(xù)運行的第15d,ARE和NRE分別提升到91.01%和72.86%.如圖4所示,在階段Ⅳ中,隨著反應(yīng)器的運行,NRR由連續(xù)運行開始時的0.22kg/(m3·d)提升到0.29kg/(m3·d),同時如圖5所示,ΔNO3--N/ ΔNH4+-N比值穩(wěn)定在0.11附近,這些表明此時EGSB反應(yīng)器內(nèi)CANON工藝運行穩(wěn)定.張肖靜[21]在CANON工藝快速啟動過程中認(rèn)為當(dāng)NRR達到0.1kg/(m3·d)以上時,則認(rèn)為CANON工藝啟動成功,同時發(fā)現(xiàn)在低氨氮條件下逐漸縮短HRT,NRR最終可達到0.95kg/(m3·d);當(dāng)逐漸增加進水NH4+-N濃度時,NRR最終可達到0.7kg/(m3·d);而采用高氨氮進水和間歇運行的方式時,NRR最終可達到0.61kg/ (m3·d),張鈴敏等[22]在采用SBR反應(yīng)器啟動CANON工藝時發(fā)現(xiàn)總氮去除負(fù)荷可達到0.25kg/(m3·d).

圖3 反應(yīng)器連續(xù)運行的氮素濃度變化

階段Ⅴ(第56~69d),進水NH4+-N濃度為100mg/L左右,控制HRT為4h,上升流速增加至4m/h(回流比為37.06:1),此時進水氨氮負(fù)荷率(ALR)由階段Ⅳ的400mg/(L·d)提升至600mg/(L·d),EGSB反應(yīng)器下部DO值變?yōu)?0.29±0.11)mg/L.如圖3所示,在HRT改變初期,出水NH4+-N濃度和出水TN濃度出現(xiàn)明顯波動,隨著反應(yīng)器運行趨于穩(wěn)定,在運行第10d,出水NH4+-N和TN濃度分別為5.2和21.1mg/L,而出水NO3--N濃度一直保持在10mg/L左右.NRR由階段Ⅳ的0.20kg/(m3·d)左右升高至階段Ⅴ的0.40kg/(m3·d)左右(圖4),實現(xiàn)了CANON工藝的高效穩(wěn)定運行,反應(yīng)器內(nèi)出水NO2--N和NO3--N濃度較低,說明此時NOB得到了有效抑制,而AerAOB和AnAOB的活性良好.

圖4 連續(xù)運行階段ALR、ARE、NRE和NRR的變化

階段Ⅵ(第70~81d),進水NH4+-N濃度為100mg/L左右,控制HRT為3h,上升流速提升至6m/h(回流比為41.60:1),此時進水ALR由階段Ⅴ時的600mg/(L·d)左右提升至800mg/(L·d)左右,此時出水NH4+-N濃度明顯升高,可能是由于隨著進水ALR的升高,單位時間內(nèi)對氨氮的處理量增加,因此AerAOB需氧量也應(yīng)相應(yīng)增加[23].DO是實現(xiàn)CANON工藝系統(tǒng)高效穩(wěn)定運行的重要因素.對于DO值的控制,一方面要保證AerAOB能夠?qū)⒉糠諲H4+-N轉(zhuǎn)變成NO2--N,為AnAOB提供必要的底物基質(zhì),如果DO值偏低則會抑制AerAOB的活性,進而導(dǎo)致AnAOB所需的NO2--N不足,另一方面如果DO值過高則又會促進NOB的生長導(dǎo)致NO2--N轉(zhuǎn)換成NO3--N,同時高DO值同樣會抑制AnAOB的活性,造成總氮去除率降低[24].此時將曝氣強度由0.50m3/h變?yōu)?.65m3/h,EGSB反應(yīng)器上部曝氣區(qū)域的DO值在曝氣階段增加至(0.48±0.11)mg/L,反應(yīng)器底部區(qū)域DO升高至(0.32±0.14)mg/L.如圖3所示,在第77d時,出水NH4+-N濃度出現(xiàn)降低的趨勢,并穩(wěn)定在5mg/L以下,出水NO2--N和NO3--N濃度分別在4和10mg/L左右.此時隨著進水上升流速的升高,在一定程度上增加了微生物與基質(zhì)的接觸,同時沖刷淘洗掉了自養(yǎng)生物脫氮中活性較差的絮狀污泥,進水上升流速的增加提高了反應(yīng)器內(nèi)部的脫氮性能.如圖4所示,在階段Ⅵ結(jié)束時的ARE、NRE和NRR為94.67%、80.54%和0.66kg/(m3·d), 比階段Ⅴ結(jié)束時的95.60%、78.88%和0.49kg/(m3·d)分別提高了0.6%、2.1%和34.7%.

圖5 連續(xù)運行階段ΔNO3--N/ΔNH4+-N比的變化

階段Ⅶ(第82~89d),進水NH4+-N濃度為100mg/L左右,控制HRT為3h,上升流速升高至為8m/h(回流比為56.1:1),ALR保持在800mg/(L·d)左右.反應(yīng)器運行至第88d時發(fā)現(xiàn)溢流出水中出現(xiàn)顆粒較小的顆粒污泥,在反應(yīng)器底部發(fā)現(xiàn)粒徑較大的顆粒污泥比例減少,同時如圖3和圖4所示,出水NH4+-N濃度由5.3mg/L增加至28.1mg/L,ARE、NRE和NRR分別由94.67%、80.54%和0.66kg/(m3·d)降低到74.05%、48.19%和0.42kg/(m3·d),實驗表明在EGSB反應(yīng)器中隨著進水上升流速的不斷增加,當(dāng)超過一定閾值時,CANON系統(tǒng)的脫氮性能下降.階段Ⅶ中ΔNO3--N/ΔNH4+-N比值相對較高,可能是由于流速的升高造成反應(yīng)器底部DO值出現(xiàn)升高,通過NOB的作用將一部分NO2--N轉(zhuǎn)換成NO3--N的原因.

階段Ⅷ(第90~103d),進水NH4+-N濃度為100mg/L左右,控制HRT為3h,上升流速恢復(fù)至6m/h(回流比為41.60:1),此時進水ALR為800mg/ (L·d)左右.經(jīng)過14d的恢復(fù)運行,溢流出水逐漸變清,在此之前將出水中的顆粒污泥經(jīng)沉淀后回補到反應(yīng)器中使其保持一定的生物量.如圖3、圖4所示,當(dāng)反應(yīng)器恢復(fù)運行的第5dARE和NRE開始逐漸提升并最終穩(wěn)定在90%和80%以上,說明在EGSB反應(yīng)器中在上升流速小于6m/h時(回流比為41.60:1),自養(yǎng)生物脫氮的脫氮性能隨著上升流速的增加而提高.本實驗研究表明,EGSB反應(yīng)器中選取適當(dāng)?shù)幕亓鞅?即上升流速)能夠使系統(tǒng)穩(wěn)定運行的同時提高反應(yīng)器內(nèi)的脫氮效率.有研究表明在EGSB反應(yīng)器中,上升流速在影響顆粒污泥的粒徑變化的同時對反應(yīng)器的穩(wěn)定運行具有重要影響[23].

2.3 上升流速對顆粒污泥和生物膜特性的影響

如圖6所示,階段Ⅰ為運行穩(wěn)定的短程硝化污泥和生物膜的泥膜混合體系,在階段Ⅱ時,通過接種anammox污泥的方式啟動CANON工藝.接種anammox污泥后反應(yīng)器內(nèi)的MLSS變?yōu)?158mg/L.生物膜和絮體相結(jié)合的泥膜混合系統(tǒng)中的微生物協(xié)同作用在自養(yǎng)生物脫氮過程中起到關(guān)鍵作用[25].由于AnAOB生長緩慢,世代周期較長,同時在反應(yīng)器運行過程中隨污泥的流失造成系統(tǒng)內(nèi)脫氮效能的降低.AnAOB極易聚集形成顆粒污泥,可以在顆粒污泥中存留較多的生物量,同時抗沖擊負(fù)荷強[26]. EGSB反應(yīng)器較高的上升流速可以快速實行污泥顆?；?劉勇等[23]在探究上升流速對單級自養(yǎng)脫氮EGSB反應(yīng)器性能的影響時發(fā)現(xiàn),在上升流速為7m/h時,經(jīng)過61d的運行,污泥平均粒徑由296μm增加至510μm.本實驗中在階段Ⅱ時接種的平均污泥粒徑為(0.4±0.1)mm,經(jīng)過階段Ⅳ、Ⅴ和Ⅵ不斷增加的上升流速后在階段Ⅵ結(jié)束時,EGSB反應(yīng)器內(nèi)的顆粒污泥的平均粒徑為1.3mm.但是當(dāng)上升流速增加至8m/h時(圖6中階段Ⅶ),污泥平均粒徑降低至0.9mm,同時MLSS由階段Ⅵ時的4368mg/L降低至階段Ⅶ時的4054mg/L,這可能是由于當(dāng)顆粒污泥的自身沉降速度小于進水上升流速時,顆粒污泥隨即被上升水流排出反應(yīng)器.為保持反應(yīng)器內(nèi)的生物量,在階段Ⅷ時,將階段Ⅶ淘洗掉的污泥經(jīng)沉淀后回補到反應(yīng)器中,同時使進水的上升流速降低到6m/h,經(jīng)過13d的恢復(fù)運行,最終在階段Ⅷ結(jié)束時,顆粒污泥的平均粒徑恢復(fù)至1.2mm.

圖6 IFAS系統(tǒng)中污泥粒徑和MLSS在不同階段的變化

圖7 IFAS系統(tǒng)中生物膜生物量的變化

在EGSB反應(yīng)器中載體填料生物膜上生物量的變化如圖7所示,經(jīng)過103d的運行,反應(yīng)器內(nèi)生物膜的生物量由7645mg/m2增加至9581mg/m2,生物膜上生物量的比增長速率為0.0024d-1.載體填料一方面為微生物提供了附著點,增加了功能菌的持留率,同時增強了微生物的活性,另一方面在反應(yīng)器進水上升流速逐漸增加的階段,載體填料為絮狀污泥或沉降速度小于上升流速的顆粒污泥提供了一定的截留作用,進而保證了系統(tǒng)內(nèi)的生物量.Yang等[25]研究發(fā)現(xiàn)在IFAS系統(tǒng)啟動時,絮體污泥通過絮凝作用,生物膜上生物量迅速升高至11.5mg/cm3,隨后生物膜逐漸增大,最終生物膜上的生物量達到34.8mg/ cm3,孫慶花等[27]研究發(fā)現(xiàn)在MBBR反應(yīng)器中,泥膜混合體系中總氮去除負(fù)荷約為污泥系統(tǒng)的6倍,在MBBR穩(wěn)定運行階段填料上的MLSS約為10200mg/m2,懸浮載體填料的加入成功解決了污泥流失的問題,增強了對AerAOB和AnAOB菌體的持留效果.

2.4 微生物群落結(jié)構(gòu)分析

2.4.1 門水平微生物種群變化 本實驗對穩(wěn)定運行階段Ⅷ中顆粒污泥和生物膜分別進行16S rRNA高通量分析.樣本編號分別為顆粒污泥(Slu1)和生物膜(Bio2).分析不同微生物聚集形態(tài)的群落結(jié)構(gòu).

為了便于分析了解樣品測序結(jié)果中菌屬的信息,對檢測結(jié)果的序列進行歸類,通常對相似水平在97%下的OUTs進行生物信息分析.本實驗對系統(tǒng)內(nèi)的活性污泥和生物膜樣本中的OUTs的數(shù)量和物種多樣性的統(tǒng)計見表3.在Bio2中的OUTs數(shù)量多于Slu1中OUTs的數(shù)量,其中Chao1指數(shù)通常用來估計物種的總數(shù),也證明了在生物膜中的物種比活性污泥中相對較多.而較高的Shannon指數(shù)和較低的Simpson指數(shù)表明在活性污泥和生物膜中都具有較高的群落多樣性.

表3 不同微生物聚集體的群落豐度和多樣性指數(shù)

注:Slu1表示顆粒污泥, Bio2表示生物膜,下同.

EGSB系統(tǒng)內(nèi)顆粒污泥和載體填料生物膜中的微生物在門水平上的組成及其相對豐度如圖8所示,其中主要的菌群種類相似,共檢測出10個相對豐度較高的菌門,分別為變形菌門(Proteobacteria),浮霉菌門(Planctomycetes),擬桿菌門(Bacteroidetes),綠彎菌門(Chloroflexi),酸桿菌門(Acidobacteria),放線菌門(Actinobacteria),伊格氏桿菌門(Ignavibacteriae),芽單胞菌門(Gemmatimonadetes),疣微菌門(Verrucomicrobia),硝化螺旋菌門(Nitrospirae).在全程自養(yǎng)生物脫氮系統(tǒng)內(nèi),AerAOB菌屬于Proteobacteria門屬[28],而AnAOB菌共有5個屬9個菌種,均屬于浮霉菌門(Planctomycetes)[29].在顆粒污泥和生物膜2個樣本中Proteobacteria相對豐度分別為50.45%和39.67%;Planctomycetes相對豐度分別為9.59%和17.85%.其中變形菌門微生物在顆粒污泥中的相對豐度高于生物膜,而浮霉菌門微生物在生物膜中的相對豐度高于顆粒污泥,但是這2種門水平下的微生物均在各自的組成中占比最大.

圖8 門水平物種相對豐度分布

圖9 屬水平物種相對豐度分布

2.4.2 屬水平微生物種群變化 為進一步探究顆粒污泥和生物膜上微生物菌種的差異性,對其屬水平上的微生物組成以及相對豐度進行了考察.如圖9所示,在顆粒污泥中共檢測出3種AnAOB菌屬,分別為(2.38%)、(0.05%)和(0.001%);檢測出AerAOB菌屬2種,分別為(0.28%)和(2.45%);同時還檢測出(0.10%)屬于NOB菌屬.張志強等[30]在厭氧氨氧化MBR反應(yīng)器中發(fā)現(xiàn)在混合液污泥中的相對豐度為14.73%,而和的相對豐度分別為0.22%和0.09%,發(fā)現(xiàn)在不同反應(yīng)器以及不同工藝下出現(xiàn)了相同菌屬不同豐度的情況.在載體填料的生物膜中共檢測出3種AnAOB菌屬,分別為(9.78%)、(4.23%)和(0.004%),可以發(fā)現(xiàn)生物膜上的AnAOB菌屬相對豐度相對高于顆粒污泥中的AnAOB菌屬的相對豐度;檢測出1種AerAOB菌屬為(0.40%).檢測結(jié)果表明,在EGSB反應(yīng)器上升流速增加的試驗過程中,載體填料不僅對小顆粒污泥起到了截留作用,同時為厭氧氨氧化菌提供了聚集環(huán)境,在保證系統(tǒng)內(nèi)生物量的同時, 增加了反應(yīng)器的運行效率,因此IFAS更有利于實現(xiàn)AerAOB和AnAOB的協(xié)同脫氮的作用.

3 結(jié)論

3.1 本實驗以短程硝化泥膜混合體系和厭氧氨氧化污泥啟動CANON工藝,在EGSB反應(yīng)器內(nèi)前3個階段采用SBR運行方式,經(jīng)過39d的運行,最終ARE和NRE分別為94.73%和78.98%,ΔNO3--N/ ΔNH4+-N穩(wěn)定在0.11左右,CANON工藝成功實現(xiàn)了在EGSB反應(yīng)器內(nèi)的穩(wěn)定運行.

3.2 EGSB反應(yīng)器在連續(xù)運行過程中,當(dāng)上升流速由2m/h增加至6m/h時,污泥平均粒徑由0.68mm逐漸增加1.3mm,同時NRR也逐漸由0.20kg/(m3·d)增加至0.66kg/(m3·d);上升流速增加至8m/h時,MLSS由上一階段的4368mg/L減少至4054mg/L,NRR降低至0.42kg/(m3·d)左右,同時顆粒污泥出現(xiàn)解體,平均粒徑減小至0.9mm.載體填料上生物膜的生長情況結(jié)合指數(shù)函數(shù)的特性分析,生物膜生物量的比生長速率為0.0024d-1.

3.3 取EGSB反應(yīng)器運行結(jié)束時顆粒污泥和載體填料上生物膜的菌群進行分析,其顆粒污泥中AerAOB主要為屬(2.45%)、屬(0.28%),AnAOB主要為a屬(2.38%);生物膜中AnAOB主要為屬(9.78%)、屬(4.23%),AerAOB為屬(0.40%).顆粒污泥中AerAOB相對豐度占比較大,而生物膜中主要以AnAOB為主.兩種不同的微生物聚集體在菌群聚集形態(tài)上存在一定的差異性.

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The Effect of upflow velocity on CANON process stability and microbial community.

ZHANG Kai, SUN Meng-xia, LIANG Dong-bo, WANG Jia, LI Jun*

(The College of Architecture and Civil Engineering, Beijing University of Technology, National Engineering Laboratory of Urban Sewage Advanced Treatment and Resource Utilization Technology, Beijing 100124, China).2021,41(4)：1737~1745

Expanded Granular Sludge Bed (EGSB) reactor was used as the start-up device of the CANON process in this experiment, in the effects of different upflow velocity on the nitrogen removal performance of the Completely Autotrophic Nitrogen removal Over Nitrite (CANON) process was investigated. The change of particle size of granular sludge in Integrated Fixed-film and Activated Sludge (IFAS) system and the biomass of biofilm were quantitatively analyzed. In addition, high-throughput sequencing analysis was carried out for microorganisms on granular sludge and biofilm to explore the characteristics of microbial community structure on different aggregates. The results showed that the total nitrogen removal rate (NRR) increased from 0.20kg/(m3·d) to 0.66kg/(m3·d) in the continuous operation process when the upflow velocity increased from 2m/h to 6m/h. The ratio of ΔNO3--N/ΔNH4+-N was steadily kept at 0.11, a realization of the efficient and stable operation of CANON. When the upflow velocity increased to 8m/h, the nitrogen removal performance of CANON process was unstable, the NRR decreased to 0.42kg/(m3·d), and the average particle size of sludge decreased from 1.3mm to 0.9mm. When the upflow velocity restored back to 6m/h, the nitrogen removal performance of CANON process gradually recovered. Ultimately, the NRR was stabilized at 0.60kg/(m3·d), the average particle size of sludge was restored to 1.2mm, and the specific growth rate of biofilm biomass was 0.0024d-1. High throughput sequencing showed that Aerobic Ammonia Oxidation Bacteria (AerAOB) functional bacteria(2.45%) and Anaerobic Ammonia Oxidation Bacteria (AnAOB) functional bacteria(2.38%) were the main genera in the granular sludge. The main bacteria in the biofilm were AnAOB functional bacteria(9.78%) and(4.23%), while a small amount of AerAOB functional bacteria(0.40%) were also detected. The results suggested that there were some differences in two microorganisms in different aggregates.

completely autotrophic nitrogen removal over nitrite (CANON)；expanded granular sludge bed (EGSB)；upflow velocity；nitrogen removal；high-throughput sequencing

X703.5

A

1000-6923(2021)04-1737-09

張 凱(1990-),男,河北邢臺人,北京工業(yè)大學(xué)博士研究生,主要從事污水處理及資源化研究.發(fā)表論文3篇.

2020-09-14

水體污染控制與治理科技重大專項(2018ZX07701001-25)

* 責(zé)任作者, 教授, 18811069614@163.com