出水回流對(duì)Anammox顆粒特性及其微生物群落的影響

傅慧敏,冷濟(jì)軒,翁 勛,晏 鵬,陳猷鵬

出水回流對(duì)Anammox顆粒特性及其微生物群落的影響

傅慧敏,冷濟(jì)軒,翁 勛,晏 鵬,陳猷鵬*

(重慶大學(xué)環(huán)境與生態(tài)學(xué)院,重慶 400045)

基于有無回流的EGSB反應(yīng)器中厭氧氨氧化顆粒污泥的內(nèi)外部結(jié)構(gòu)和微生物群落差異,從傳質(zhì)、活性和穩(wěn)定性等角度分析了出水回流對(duì)顆粒污泥結(jié)構(gòu)和功能的影響.研究表明,增加回流提供更好的水流條件使得底物能更好的與顆粒污泥接觸,反應(yīng)器在氮負(fù)荷率為(3.48±0.32)kg N/(m3·d)的條件下亞硝氮和氨氮的去除率從60%和65%左右分別提高到95%以上,比厭氧氨氧化活性增加31.54%.隨著回流帶來的產(chǎn)氣量和顆?；钚缘脑黾?顆粒中氣泡的內(nèi)壓因孔隙體積的限制而增大,部分顆粒微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生改變,顆粒的孔隙率也從41.3%提高至59.4%.此外出水回流產(chǎn)生的較高剪切力和較好的傳質(zhì)效應(yīng)也大大增加了顆粒的穩(wěn)定性.回流使得接種顆粒污泥中-屬得到了富集,其他能維持顆粒穩(wěn)定性的功能細(xì)菌也能夠得到更好的生存,使顆粒在保持內(nèi)部多孔結(jié)構(gòu)以及高效脫氮的條件下(如),有著更好的穩(wěn)定性(如),有利于顆粒污泥在實(shí)際工程應(yīng)用中穩(wěn)定運(yùn)行.

厭氧氨氧化顆粒污泥；出水回流；傳質(zhì)；孔隙結(jié)構(gòu)；微生物群落

厭氧氨氧化工藝具有不需要有機(jī)物、不需要氧、污泥產(chǎn)率低等優(yōu)點(diǎn),氮去除負(fù)荷最大可達(dá)9.5kg N/(m3·d),污水處理成本較低,是一種高效低耗的脫氮工藝,具有極大的應(yīng)用前景[1],且符合國家“雙碳”戰(zhàn)略.Anammox顆?；勰嘁蛏锪看蟆⒊两敌院煤涂箾_擊能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)而備受環(huán)境工程界青睞,厭氧氨氧化顆粒污泥(AnGS)的形成和保留為厭氧菌工藝的實(shí)際應(yīng)用提供了一條有效途徑[2].基于顆粒污泥的厭氧氨氧化系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于世界各地的工程應(yīng)用中[3].

適當(dāng)?shù)募羟辛τ兄趨捬蹙w粒污泥的顆?；痆4],并改善了厭氧氨氧化菌活性[5].通常,液體剪切力會(huì)通過出水回流來實(shí)現(xiàn)[4].回流出水提高了厭氧氨氧化的脫氮效率和工藝穩(wěn)定性[6].回流出水對(duì)厭氧氨氧化進(jìn)水的稀釋作用和對(duì)上升流速、水力剪切力的增強(qiáng)是提高厭氧氨氧化工藝性能的重要因素.目前有關(guān)回流出水對(duì)厭氧氨氧化顆粒反應(yīng)器的作用研究主要在出水水質(zhì)、脫氮效率、厭氧氨氧化活性以及顆粒污泥大小、表觀形貌等方面的影響研究[6-8].但鮮有研究關(guān)注出水回流對(duì)AnGS內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)、傳質(zhì)以及微生物群落結(jié)構(gòu)等方面的影響,本文基于出水回流對(duì)AnGS反應(yīng)器的出水水質(zhì)、反應(yīng)活性、胞外聚合物(EPS)、微觀形貌、內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)以及穩(wěn)定性等生理生化特征和微生物群落結(jié)構(gòu)的影響,深入分析了出水回流在顆粒傳質(zhì)、活性和穩(wěn)定性等方面的關(guān)鍵作用,進(jìn)一步探究了出水回流對(duì)顆粒污泥結(jié)構(gòu)和功能的重要性,有助于理解和優(yōu)化顆粒污泥體系在工程應(yīng)用中的運(yùn)行狀態(tài)和處理效能,以便為AnGS系統(tǒng)穩(wěn)定高效的應(yīng)用于實(shí)際污水處理工藝提供理論依據(jù).

1 材料與方法

1.1 反應(yīng)器運(yùn)行

本文所用AnGS反應(yīng)器為2.50L有效容積的膨脹顆粒污泥床(EGSB)反應(yīng)器.具體反應(yīng)器構(gòu)型及尺寸如圖1所示.反應(yīng)器進(jìn)水和回流由蠕動(dòng)泵從反應(yīng)器底部泵入,內(nèi)部通過溫度傳感器與加熱棒調(diào)節(jié)水溫.在2個(gè)相同大小反應(yīng)器中分別設(shè)置無回流比(R1)和20:1的回流比(R2),水力停留時(shí)間(HRT)控制在7.6h,且接種顆粒的生物量均控制在24.49g/L左右.總氮濃度控制在(440±40)mg/L,反應(yīng)器氮負(fù)荷率(NLR)設(shè)定為(3.48±0.32)kg N/(m3·d),反應(yīng)器溫度和進(jìn)水pH值分別控制在(35±1)℃和(7.5±0.1).

圖1 兩組Anammox-EGSB 反應(yīng)器示意

表1 合成廢水中各成分濃度

本實(shí)驗(yàn)進(jìn)水采用以NH4Cl和NaNO2作為氮源的人工合成廢水,NH4Cl和NaNO2的固定摩爾比為1:1.2,濃度分別為(200±20)mg/L和(240±20)mg/L.廢水其他各物質(zhì)濃度見表1.

1.2 測(cè)試方法

1.2.1 水質(zhì)檢測(cè) 反應(yīng)器進(jìn)出水使用0.45μm濾膜過濾后,分別采用鹽酸-萘乙二胺和水楊酸-次氯酸鹽分光光度法測(cè)定進(jìn)出水中NO2--N和NH4+-N的濃度.使用流式細(xì)胞儀(CytoFLEX07060220)對(duì)出水細(xì)菌濃度進(jìn)行檢測(cè).使用熒光分光光度計(jì)(日本日立F-7000FL)測(cè)量?jī)山M反應(yīng)器中出水溶解性有機(jī)物的3D-EEM光譜,以5nm步長將激發(fā)波長從200nm增至400nm,以5nm為增量掃描發(fā)射光譜從200～550nm的記錄.光譜掃描速度為3000nm/min,發(fā)射和激發(fā)狹縫均10nm.

1.2.2 顆粒污泥表面形貌與內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)測(cè)定 兩組反應(yīng)器穩(wěn)定運(yùn)行90d后,每組取約5.0g濕顆粒,用無菌1×PBS緩沖液沖洗3次以去除懸浮固體,然后用2.5%戊二醛在4℃下固定4h.0.1mol/L磷酸鹽緩沖液在4℃(pH7.3)下洗滌固定顆粒3次,每次10min,最后將樣品分別在50%、70%、80%、90%和100%的乙醇/水混合物中脫水10min,冷凍干燥8h,一部分顆粒使用場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(FEI Nova400)觀察表面形貌.另一部分使用壓汞儀(美國AutoPore IV 9500型)測(cè)定顆粒的孔隙結(jié)構(gòu).

1.2.3 EPS的提取與測(cè)定 本實(shí)驗(yàn)采用熱堿提取法提取EPS,將適量的顆粒用研缽破碎,加入裝有適量1M NaOH溶液的離心管,90℃水浴5min.水浴后加入1M鹽酸將pH值調(diào)至中性.將得到的混合液在低溫條件下離心12000g×10min,取上清液測(cè)定其EPS.本實(shí)驗(yàn)用顆粒污泥中蛋白(PN)和多糖(PS)的量來表征EPS的量,分別采用BCA法[9]和苯酚-硫酸法[10]在562和490nm處測(cè)定PN和PS的相對(duì)變化.

1.2.4 厭氧氨氧化活性和顆粒穩(wěn)定性測(cè)定 比厭氧氨氧化活性(SAA)用單位生物量的氮?dú)馍伤俾蕘肀硎?顆粒的穩(wěn)定性用完整性系數(shù)(IC)表示,即以200r/min恒溫?fù)u床5min后剩余顆粒與完整顆粒之間的比值.

1.2.5 高通量測(cè)序 兩組反應(yīng)器穩(wěn)定運(yùn)行90d后,從反應(yīng)器底部取顆粒污泥樣品0.5g,對(duì)污泥樣品中的總 DNA進(jìn)行提取(上海美吉生物醫(yī)藥科技有限公司委托辦理),利用細(xì)菌16S rRNA 基因的V3-V4 區(qū)通用引物338F/806R,對(duì)上述步驟中提取的總DNA進(jìn)行PCR擴(kuò)增和純化,然后在Illumina測(cè)序平臺(tái)進(jìn)行MiSeq PE 300高通量測(cè)序;測(cè)序得到的PE reads首先根據(jù)overlap關(guān)系進(jìn)行拼接,最小overlap長度為10bp,同時(shí)對(duì)序列質(zhì)量進(jìn)行質(zhì)控和過濾,過濾reads尾部質(zhì)量值20以下的堿基,設(shè)置50bp的窗口,過濾質(zhì)控后50bp以下的reads,去除含N堿基的reads,根據(jù)序列首尾兩端的barcode和引物區(qū)分樣品,并調(diào)整序列方向;區(qū)分樣本后進(jìn)行OTU聚類分析和物種分類學(xué)分析,基于OTU進(jìn)行多樣性指數(shù)分析和樣品物種差異分析.相關(guān)圖表采用Origin 2021和R語言(R 3.6.0)進(jìn)行繪制.

2 結(jié)果與分析

2.1 反應(yīng)器運(yùn)行性能

如圖2所示,在反應(yīng)器啟動(dòng)階段,設(shè)有回流的R2中NO2--N與NH4+-N處理效率顯著高于不設(shè)回流的R1.隨著反應(yīng)器的運(yùn)行穩(wěn)定,2組反應(yīng)器出水NO2--N與NH4+-N濃度都趨于平穩(wěn),其中R1組NO2--N與NH4+-N濃度分別相對(duì)穩(wěn)定在80～120和60～110mg/L,去除率分別僅有60%和65%左右,而R2組NO2--N與NH4+-N濃度分別相對(duì)穩(wěn)定在0～20和0～10mg/L,去除率均達(dá)到95%以上.出水回流的增加顯著提高了反應(yīng)器脫氮性能,出水更加穩(wěn)定.

圖3 兩組反應(yīng)器總細(xì)菌濃度及其比值日變化

此外,本文還對(duì)兩組反應(yīng)器穩(wěn)定期32d內(nèi)的出水總細(xì)菌進(jìn)行了檢測(cè),結(jié)果如圖3所示.在32d內(nèi)R2和R1的出水細(xì)菌濃度分別在0.48～1.10×106和0.77～1.50×106cell/mL之間波動(dòng),R2與R1的細(xì)菌濃度比值在0.50～0.77之間波動(dòng),平均比值為0.67.兩組細(xì)菌濃度比值產(chǎn)生的原因可能是由于R2組中出水回流造成的部分顆粒污泥表面的細(xì)菌剝離脫落,以及顆粒內(nèi)部產(chǎn)氣作用造成的部分內(nèi)部細(xì)菌由氣泡驅(qū)動(dòng)從孔隙中逸散脫落至出水中.

如圖4所示2個(gè)反應(yīng)器中出水三維熒光均出現(xiàn)3個(gè)峰,分別為:峰A的激發(fā)/發(fā)射波長Ex/Em位于260～280/275～325nm,指定為色氨酸蛋白類物質(zhì);峰B的Ex/Em位于270～310/375～450nm,指定為類富里酸類物質(zhì);C峰的Ex/Em位于340～360/375～425nm,指定為酪氨酸蛋白類物質(zhì).設(shè)置回流的R2組出水中的酪氨酸和色氨酸等蛋白質(zhì)物質(zhì)和類富里酸類物質(zhì)的濃度均要高于不設(shè)回流的R1組.

2.2 顆粒污泥表面形貌

由圖5(a),(b)可知,R1組顆粒污泥表面較為粗糙,而R2組顆粒表面則比較光滑;在放大5000倍掃描電鏡觀察下發(fā)現(xiàn)R1組顆粒污泥表面細(xì)菌大部分被EPS包裹,表面僅存在較大的孔隙,R2組顆粒污泥表面EPS結(jié)構(gòu)較少,孔隙較小,且密集的分布在細(xì)菌周圍,孔隙總數(shù)遠(yuǎn)大于回流組的孔隙數(shù)量.其原因可能是R1組缺乏回流帶來的剪切力,無法使顆粒污泥表面的細(xì)菌脫落,故表面更粗糙;R2組顆粒由于回流帶來的較高剪切力使其表面更加緊密而光滑.

圖5 顆粒污泥掃描電圖片

2.3 EPS組分、活性及穩(wěn)定性分析

EPS是AnGS中不可或缺的重要組分,適當(dāng)?shù)腅PS可增強(qiáng)AnGS的聚集能力和穩(wěn)定性[11].但過多的EPS分泌會(huì)堵塞顆粒內(nèi)部孔隙,影響傳質(zhì)和穩(wěn)定,進(jìn)而影響AnGS的活性和功能[12].EPS其主要組分為PN與PS,故本文測(cè)定兩個(gè)反應(yīng)器顆粒污泥中EPS組分以及含量(用PN與PS含量表示),采用比厭氧氨氧化活性SAA和完整性系數(shù)IC來評(píng)價(jià)AnGS的活性和穩(wěn)定性.

由表2可知,R1的顆粒污泥EPS中PN和PS含量分別為82.41和23.02mg/gVSS,PN與PS的比值為3.58,比厭氨氧化活性SAA和完整性系數(shù)IC分別為163.52mLN2(gVSS·d)和85.54%;相比R1,R2的PN和PS含量分別降低14.90%和75.63%,PN與PS的比值增長到4.80,其SAA和IC也相應(yīng)增加了31.54%和7.96%.兩個(gè)反應(yīng)器顆粒污泥的EPS、SAA和IC結(jié)果表明,無回流時(shí),R1反應(yīng)器內(nèi)流體混合不足,從而產(chǎn)生外部傳質(zhì)限制,底物在出水中積累,顆粒EPS較高,堵塞顆粒內(nèi)部孔道,影響內(nèi)部傳質(zhì)[2].增加回流可以提供額外的水力剪切力,使得R2反應(yīng)器內(nèi)具有更高的顆粒外部傳質(zhì)效應(yīng),沖刷顆粒表面以及內(nèi)部多余的EPS,部分蛋白多糖流失,進(jìn)入回流液中,避免了過多的EPS對(duì)顆粒之間以及顆粒內(nèi)部孔隙的堵塞,進(jìn)而使得顆粒中微生物與底物充分接觸,增加了反應(yīng)時(shí)間,提高了厭氧氨氧化活性和穩(wěn)定性.兩組反應(yīng)器出水特性和顆粒表面形貌的結(jié)果差異也與以上結(jié)論一致.

表2 兩組AnGS的EPS組分和SAA

2.4 顆粒污泥孔隙結(jié)構(gòu)分析

AnGS結(jié)構(gòu)從大到小可分為顆粒整體、亞單位、菌膠團(tuán)和單個(gè)細(xì)胞4個(gè)結(jié)構(gòu)層次[13].顆粒污泥內(nèi)部豐富的孔隙結(jié)構(gòu)分布于亞單位、菌膠團(tuán)或細(xì)胞之間.這些孔隙被EPS包圍,是基質(zhì)和產(chǎn)物(氮?dú)?的運(yùn)輸通道.顆粒污泥中基質(zhì)的傳遞依賴于顆粒污泥的多孔結(jié)構(gòu),顆粒內(nèi)部的孔隙分布也很大程度上反應(yīng)了顆粒內(nèi)部傳質(zhì)情況和顆粒穩(wěn)定性[3].本實(shí)驗(yàn)中兩組反應(yīng)器中顆粒污泥的孔隙體積分布和空隙占比如圖6示,表3展示了兩組顆粒樣品的孔隙率以及各項(xiàng)孔隙的數(shù)據(jù).

如圖6所示,實(shí)驗(yàn)組R2孔徑分布的峰值在100nm左右,大孔徑與小孔徑的占比較少,整體孔徑范圍較為集中;而對(duì)照組R1的孔隙分布曲線則有2個(gè)較大的峰值,分別為10～30nm和5000～10000nm,大孔占比相對(duì)于R2較高.由表3中也可以直觀看出,回流組R2具有59.4%的孔隙率,高于無回流組R1的41.3%,其R2的平均孔面積、平均孔體積分別是R1的1.54和2.26倍.這些結(jié)果表明,出水回流的增加,大大改變了顆粒污泥內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu),使得顆粒內(nèi)部孔隙變得更加更加豐富且均勻,避免了內(nèi)部大孔隙過多的形成,進(jìn)一步避免了內(nèi)部空洞的形成,使其變得更加高效且穩(wěn)定.

而根據(jù)Jing等[14]的研究,隨著產(chǎn)氣量和顆?；钚缘脑黾?顆粒中氣泡的內(nèi)壓因孔隙體積的限制而增大.這可能導(dǎo)致氣泡與顆粒表面之間的壓差增大.當(dāng)顆粒中的氣泡壓力增大到一定程度,可以使部分顆粒微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生改變[3],形成更多的孔隙,增加整體的顆?？紫堵?由于對(duì)照組R1中無回流,顆粒污泥之間液體流動(dòng)不暢,導(dǎo)致傳質(zhì)受限,顆粒污泥中產(chǎn)生的氮?dú)鉄o法快速擴(kuò)散,不斷聚集形成較大氣泡,EPS堵塞在污泥外部以及內(nèi)部孔隙之間,導(dǎo)致R1污泥中小孔徑的孔隙被堵塞,只能通過內(nèi)部產(chǎn)氣打開孔隙,形成一些孔徑大而稀疏的孔隙,也降低了整體顆粒污泥的孔隙率.實(shí)驗(yàn)組R2中多數(shù)孔隙是穩(wěn)定在100nm左右的小孔隙,這是由于存在回流提供的水力沖刷作用,使得多余EPS排出,回流的稀釋作用和循環(huán)作用使得底物與顆粒內(nèi)部微生物之間接觸時(shí)間和面積增加,活性提高,小孔隙之間的EPS會(huì)部分流失,形成一些小而密集的孔隙,使產(chǎn)出的氣體及時(shí)排出,形成穩(wěn)定而多孔的顆粒.

表3 兩組AnGS的孔隙率以及各項(xiàng)孔隙數(shù)據(jù)

2.5 反應(yīng)器微生物群落

2.5.1 微生物多樣性及豐富度分析 兩2反應(yīng)器顆粒物種多樣性指數(shù)和覆蓋率如表4所示,兩組樣品檢測(cè)覆蓋度均在99.9%以上,因此測(cè)序結(jié)果基本上可以認(rèn)為囊括了所有菌種,具有代表性.設(shè)置出水回流的R2組相對(duì)于不設(shè)置出水回流的R1組,ACE、Chao指數(shù)和Shannon指數(shù)較低而Simpson指數(shù)較高,說明不設(shè)置出水回流的R1組樣本具有較高的生物多樣性,設(shè)置出水回流具有一定的選擇性,有利于富集反應(yīng)系統(tǒng)所需的優(yōu)勢(shì)菌種.

表4 微生物群落豐度和多樣性

2.5.2 微生物門分類水平分析 由圖7可知,在設(shè)置出水回流的R2和不設(shè)出水回流的R1中,相對(duì)豐度最大的菌門均為浮霉菌門(Planctomycetes),其占比分別達(dá)到48.13%和56.90%,浮霉菌門中包含著所有的厭氧氨氧化菌種,如屬、屬等[15].而變形菌門(Proteobacteria)的細(xì)菌在R1和R2組種總細(xì)菌中的占比分別達(dá)到17.42%和39.78%.變形菌門是細(xì)菌中最大的一門,包含了一些可以進(jìn)行硝化與反硝化的種類的細(xì)菌[16],在較高的NLR條件下,由于R1組中未設(shè)置回流比,導(dǎo)致反應(yīng)器的傳質(zhì)效果不佳基質(zhì)擴(kuò)散不均勻,部分區(qū)域可能存在亞硝酸根含量較高,而亞硝酸鹽對(duì)一些變形菌具有毒害作用,這些原因?qū)е翿2組的變形菌門占比高于R1組,而Anammox菌不會(huì)受亞硝酸鹽的毒害,可以有效利用亞硝酸鹽代謝完成各項(xiàng)生命活動(dòng),故R2組的浮霉菌門占比也略少于R1組.此外,綠彎菌門豐度在R2和R1中分別達(dá)到6.04%和13.12%,該門細(xì)菌可以充分利用死亡的細(xì)胞作為碳源[17],由于R1組出水中的NO2--N含量高出R2組,較高的NO2--N濃度對(duì)大多數(shù)細(xì)菌的生命活動(dòng)具有毒害作用,且R1內(nèi)部傳質(zhì)效果不佳,導(dǎo)致更多細(xì)菌死亡,其死亡的細(xì)胞體作為有機(jī)碳源供給綠彎菌門生命活動(dòng),導(dǎo)致R1組中的綠彎菌含量也高于R2組.

圖7 門水平的群落豐度分析

2.5.3 微生物屬分類水平分析 由圖8可知,兩組顆粒污泥中的厭氧氨氧化菌是屬和-屬,其中在R2組中屬占總種群比例42.02%,而-屬的占比不足0.1%;但在R1組中,屬占比較少,僅8.37%,然而屬的占比達(dá)到了43.19%.在無回流的R1組中,由于顆粒內(nèi)部傳質(zhì)效應(yīng)較差,使得該組中Anammox菌屬由-屬逐漸向-屬細(xì)菌轉(zhuǎn)化.而R2組中占比最高的是-屬,依然維持接種污泥中的優(yōu)勢(shì)菌屬.

圖8 微生物群落屬分類水平分布熱圖

屬菌在兩組中的占比有著很顯著的區(qū)別,作為本研究反應(yīng)器中主要的反硝化細(xì)菌之一[18],其在R2組中占比達(dá)到22.06%,而在R1組中幾乎不含有該屬細(xì)菌.根據(jù)Wu等人的研究,該菌可以促進(jìn)顆粒污泥中多糖的分泌,進(jìn)而使得顆粒能夠更好的凝聚,更穩(wěn)定[19].該細(xì)菌在R2組中有相當(dāng)可觀的含量,而在R1組中十分稀少,這也合理解釋了表2中R2組PN/PS的值明顯大于R1中的值.此外還有顆粒污泥中常見的反硝化細(xì)菌和(下只有屬)[20-22].其中,屬菌,在R2組中僅含1.83%,而在R1組中含有7.68%.Wang等[23]的研究表明,當(dāng)反應(yīng)器中的顆粒污泥中存在一定量的屬菌時(shí),這些異氧菌可以保護(hù)Anammox菌,如-屬和-屬免受高有機(jī)物含量高溶解氧等惡劣環(huán)境的影響.簡(jiǎn)易螺旋菌屬()在R2組中有著5.03%的占比,而在R1組中僅有0.7%,該屬細(xì)菌是具有反硝化作用與聚磷作用的兼性厭氧菌[24],由出水亞硝酸鹽氮與出水氨氮濃度可知,無回流組R1的脫氮效率較低,而硝酸鹽作為厭氧氨氧化脫氮的重要產(chǎn)物之一,在R1組中濃度較低,底物濃度低導(dǎo)致該組中簡(jiǎn)易螺旋菌較少.屬在R2組和R1組中分別有3.88%和5.01%的占比.該屬細(xì)菌發(fā)現(xiàn)較晚,根據(jù)Kawaichi等[25]的研究,該屬菌單個(gè)細(xì)胞的直徑為0.2～0.5μm,長度為2μm,形態(tài)較為固定,使用三價(jià)鐵的硝酸鹽作為末端電子受體,在有氧或厭氧條件下生長.可以脫除AnGS中細(xì)胞分泌或細(xì)胞裂解產(chǎn)生的有機(jī)物,降解屬和-屬等Anammox菌的產(chǎn)物,同時(shí)進(jìn)一步穩(wěn)定污泥的結(jié)構(gòu)[26].Lia等[27]的研究又表明假單胞菌和屬細(xì)菌是互補(bǔ)的,硝化細(xì)菌將氨氮轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮,假單胞菌作為反硝化細(xì)菌,則將硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化為N2,導(dǎo)致反應(yīng)后期NH4+的減少.在有回流的R2組中該屬細(xì)菌僅占0.35%,而在無回流的R1組中占有4.49%,可能是由于R1組出水中氨氮濃度仍然較高,其反應(yīng)底物濃度高,故該菌的占比較高;還有一種有一定含量的是屬菌,該菌在R2組中占比0.69%,在R1組中占比2.04%.根據(jù)Du等[28]的研究,該屬細(xì)菌是一種存在于活性污泥中的浮霉菌,被認(rèn)為是一種潛在的厭氧氨氧化菌株,在氨轉(zhuǎn)化中發(fā)揮作用.

圖9 微生物群落屬水平上的Fisher精確檢驗(yàn)

值,*￡0.05,**￡0.01,***￡0.001

3 討論

本文主要基于有無回流的EGSB反應(yīng)器中AnGS的內(nèi)外部結(jié)構(gòu)和微生物群落差異,從傳質(zhì)、活性和穩(wěn)定性等角度分析出水回流對(duì)顆粒污泥結(jié)構(gòu)和功能的重要性.

增加回流提供更好的水流條件使得底物能更好的與顆粒污泥接觸,極大的增加比表面積和容積利用率,進(jìn)一步使得進(jìn)水中的底物濃度下降[29].回流還會(huì)對(duì)Anammox細(xì)菌通訊信號(hào)的產(chǎn)生有積極影響,更好的水流條件使得細(xì)菌之間通過信號(hào)分子充分的進(jìn)行交流,增加了功能細(xì)菌的生長與繁殖[30].此外,研究表明較強(qiáng)的上升流速也增強(qiáng)了顆粒內(nèi)部傳質(zhì).Brito和Melo[31]研究了流體速度的瞬態(tài)轉(zhuǎn)移對(duì)生物膜內(nèi)傳質(zhì)系數(shù)的影響,發(fā)現(xiàn)在液體流動(dòng)為湍流且剪切應(yīng)力較大的情況下,流速對(duì)生物膜的厚度和密實(shí)度有顯著影響,導(dǎo)致傳質(zhì)系數(shù)不同.此外,當(dāng)體積液體的速度發(fā)生位移時(shí),內(nèi)傳質(zhì)系數(shù)平均增大.這種效應(yīng)可能是由外部流動(dòng)誘導(dǎo)的壓力梯度將液體輸送到生物膜基質(zhì)的能力驅(qū)動(dòng)的[31].因而出水回流的設(shè)置整體增加了顆?；钚院兔摰阅?

隨著回流帶來的產(chǎn)氣量和顆?；钚缘脑黾?顆粒中氣泡的內(nèi)壓因孔隙體積的限制而增大.當(dāng)顆粒中的氣泡壓力增大到一定程度,使得部分顆粒微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生改變,形成更多的孔隙,增加了整體的顆?？紫堵?據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道,基質(zhì)擴(kuò)散能力的差異可能與顆粒污泥內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)相關(guān).根據(jù)Wu等[14]在菲克定律基礎(chǔ)上提出AnGS內(nèi)部擴(kuò)散系數(shù)(MD)與孔隙率之間的關(guān)系:

式中:代表顆粒半徑;M代表基質(zhì)在水中的擴(kuò)散系數(shù);1代表基質(zhì)的濃度;代表從顆粒表面到晶核的距離.從公式可知,在基質(zhì)和顆粒污泥尺寸相同的條件下,顆粒污泥內(nèi)部更大的孔隙率將會(huì)導(dǎo)致更高的基質(zhì)擴(kuò)散系數(shù).回流增加的更高孔隙率導(dǎo)致更多的基質(zhì)能進(jìn)入顆粒污泥的內(nèi)部,顆粒內(nèi)部的厭氧氨氧化細(xì)菌能獲得更多的營養(yǎng)物質(zhì)用于自身的生長代謝,進(jìn)一步增強(qiáng)了顆粒污泥的活性和功能.

出水回流也大大增加了顆粒的穩(wěn)定性.由顆粒表觀形貌結(jié)果可見,回流產(chǎn)生的較高剪切力,去除了顆粒表面松散的微生物聚集體和EPS,使得顆粒表面較為光滑,顆粒更加致密,更加穩(wěn)定.從2個(gè)反應(yīng)器出水總細(xì)菌對(duì)比以及出水三維熒光分析也可以得出相應(yīng)的結(jié)論.此外,活性提高,顆粒內(nèi)部更多的氣體產(chǎn)生,形成更多的氣泡聚集在顆粒內(nèi)部,微小氣泡在顆粒內(nèi)部的沖刷與運(yùn)移作用,使得小孔隙之間的EPS部分流失,形成一些小而密集的孔隙,使產(chǎn)出的氣體及時(shí)排出,從而也避免了過多的EPS對(duì)顆粒之間以及顆粒內(nèi)部孔隙的堵塞而上浮,形成穩(wěn)定而多孔的顆粒[3].

出水回流導(dǎo)致顆粒污泥內(nèi)外部傳質(zhì)的改變影響了微生物群落的演替.從2個(gè)反應(yīng)器微生物群落結(jié)果可知,回流使得顆粒污泥群落結(jié)構(gòu)發(fā)生很大轉(zhuǎn)變,不設(shè)置出水回流的R1組樣本具有較高的生物多樣性,而設(shè)置出水回流使得顆粒污泥微生物群落具有一定的選擇性,有利于富集反應(yīng)系統(tǒng)所需的優(yōu)勢(shì)菌種[32].首先是優(yōu)勢(shì)厭氧氨氧化菌的富集,回流使得源顆粒污泥中-屬得到了保持并進(jìn)行了富集,而未加回流的R1中優(yōu)勢(shì)厭氧氨氧化菌由-屬轉(zhuǎn)化成了-屬.根據(jù)Jiang等[33]的研究,-屬是一種十分嗜鹽的菌屬,根據(jù)Wouter等[34]的研究,當(dāng)進(jìn)水鹽度增加時(shí),該屬細(xì)菌占比顯著增加,而本實(shí)驗(yàn)中,在配水中加入的CaCl2,EDTA等鹽類物質(zhì)濃度較高,也發(fā)現(xiàn)-Kuenenia屬相比于-屬,具有更好的亞硝酸鹽親和力,當(dāng)亞硝酸鹽增加時(shí)[35],-屬能更好的抵抗高濃度亞硝酸鹽氮的抑制作用,在無回流的R1組中,由于顆粒內(nèi)部傳質(zhì)效應(yīng)較差,包括亞硝酸鹽在內(nèi)的鹽類物質(zhì)無法迅速擴(kuò)散而導(dǎo)致部分區(qū)域鹽度較高,使得該組中Anammox菌屬由-屬逐漸向-屬細(xì)菌轉(zhuǎn)化.而R2組中占比最高的是-屬,依然維持接種污泥中的優(yōu)勢(shì)菌屬.這兩種厭氧氨氧化菌都具有Anammox菌所特有的厭氧氨氧化體膜結(jié)構(gòu),在膜的內(nèi)側(cè)進(jìn)行厭氧氨氧化反應(yīng),形成質(zhì)子電化學(xué)梯度,最終合成ATP供給細(xì)胞生長發(fā)育各項(xiàng)生命活動(dòng)[36-37].

此外,有無回流的影響導(dǎo)致了其他微生物種群的改變,使得微生物群落向著適合反應(yīng)器內(nèi)部運(yùn)行條件和自身運(yùn)行效能的方向發(fā)展.出水回流導(dǎo)致的反應(yīng)器傳質(zhì)變化,增強(qiáng)了反應(yīng)器出水性能和運(yùn)行效能.反應(yīng)器內(nèi)部底物濃度的改變進(jìn)而影響了微生物群落結(jié)構(gòu).回流帶來的良好運(yùn)行效能避免了高濃度亞硝氮和氨氮對(duì)大多數(shù)細(xì)菌的毒害作用,進(jìn)而降低了能利用死亡的細(xì)胞作為碳源的綠彎菌門豐度;較好的厭氧氨氧化活性也產(chǎn)生了一定的厭氧氨氧化產(chǎn)物硝氮,良好運(yùn)行效能也為常見反硝化菌(、)提供了良好的生存條件,厭氧氨氧化菌和反硝化菌協(xié)同作用進(jìn)一步促進(jìn)了脫氮性能和反應(yīng)器的運(yùn)行效能.回流的增加,除了保證優(yōu)勢(shì)脫氮菌群的富集外,還使得一些能維持顆粒穩(wěn)定性的細(xì)菌能夠得到更好的生存,使顆粒在保持內(nèi)部多孔高效脫氮的條件下有著更好的穩(wěn)定性(如),有利于顆粒污泥在實(shí)際工程應(yīng)用中穩(wěn)定運(yùn)行.

4 結(jié)論

4.1 增加出水回流可以提供額外的水力剪切力,提高了傳質(zhì)效應(yīng),保證了反應(yīng)器在NLR為(3.16～3.79) kg N/(m3d)的條件下亞硝氮和氨氮的去除率從60%和65%左右分別提高到95%以上,比厭氧氨氧化活性SAA增加了31.54%.

4.2 隨著回流帶來的產(chǎn)氣量和顆?；钚缘脑黾?顆粒中氣泡的內(nèi)壓因孔隙體積的限制而增大,部分顆粒微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生改變,顆粒的孔隙率也從41.3%提高到了59.4%.

4.3 出水回流產(chǎn)生的較高剪切力和較好的傳質(zhì)效應(yīng),避免了過多的EPS對(duì)顆粒之間以及顆粒內(nèi)部孔隙的堵塞而上浮,因?yàn)橐泊蟠笤黾恿祟w粒的穩(wěn)定性.

4.4 回流使得顆粒污泥群落結(jié)構(gòu)發(fā)生很大轉(zhuǎn)變,回流使得源顆粒污泥中-屬得到了保持并進(jìn)行了富集,還使得一些能維持顆粒穩(wěn)定性的細(xì)菌能夠得到更好的生存,使顆粒在保持內(nèi)部多孔高效脫氮的條件下,有著更好的穩(wěn)定性.

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The effects of effluent reflux on characteristics and microbial community of anammox granular sludge.

FU Hui-min, LENG Ji-xuan, WENG Xun, YAN Peng, CHEN You-peng*

(College of Environment and Ecology, Chongqing University, Chongqing 400045, China)., 2022,42(4)：1663～1671

From the perspectives of mass transfer, anammox activity and stability, this study evaluated the effect of effluent reflux on the structure and function of Anammox granular sludge (AnGS) in EGSB reactor with or without reflux. The results showed that increased reflux provided better flow conditions, which enabled the substrate to better contact with granular sludge. When nitrogen load rate ranged from (3.16to 3.79) kg/N·(m3·d), the original removal rates of nitrite (60%) and ammonia nitrogen (65%) were increased to more than 95% and the specific anammox activity increased by 31.54%. With the increased gas production and granular activity by reflux, the internal pressure of bubbles in AnGS was increased due to the limited pore volume. The microstructure of AnGS was changed and the porosity of AnGS was increased from 41.3% to 59.4%. In addition, the higher shear force and better mass transfer effect caused by effluent reflux greatly improved the stability of AnGS. The effluent reflux maintained and enriched-in the seed AnGS, and enabled some bacteria maintaining the stability of the AnGS and improving viability. The internal porous structure and efficient nitrogen removal of the AnGS (such as) leads to better stability (such as), which is conducive to the stable operation of AnGS in practical engineering applications.

anammox granular sludge；effluent reflux；mass transfer；pore structure；microbial community

X703

A

1000-6923(2022)04-1663-09

傅慧敏(1992-),男,河南林州人,重慶大學(xué)博士研究生,主要從事環(huán)境微生物機(jī)理研究.發(fā)表論文1篇.

2021-09-03

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(21876016)

*責(zé)任作者, 教授, ypchen@cqu.edu.cn