2019, Vol. 40
2. 江苏省水处理技术与材料协同创新中心, 苏州 215009;
3. 江苏省环境科学与工程重点实验室, 苏州 215009
2. Jiangsu Collaborative Innovation Center of Technology and Material of Water Treatment, Suzhou 215009, China;
3. Jiangsu Key Laboratory of Environmental Science and Engineering, Suzhou 215009, China
全程自养脱氮工艺(completely autotrophic nitrogen removal over nitrite, CANON)是近年发展起来的新型脱氮工艺[1~4].其原理是在单一反应器内, 利用好氧氨氧化细菌(AOB)[5]和厌氧氨氧化细菌(AnAOB)[6]的协同作用, 将水中的NH4+-N直接转化为N2, 该工艺不消耗有机碳源, 耗氧量低且污泥产量低, 被认为是最具发展前景的脱氮工艺[7, 8]. CANON工艺的启动方法大多是颗粒污泥技术或者是以生物膜为载体, 其原理是在颗粒污泥表面或者膜外形成好氧区以实现短程硝化, 在颗粒污泥内部或者膜内形成厌氧区以为厌氧氨氧化菌提供适宜的生存环境, 以此实现联合脱氮[9, 10].
目前CANON工艺主要应用在处理如污泥消化液等高氨氮废水[11~13], 应用于城市生活污水中还存在短程不稳定、污泥流失生物量减少、启动时间长难以稳定维持等问题[14].本研究在CSTR反应器以纤维载体为填料, 同时接种亚硝化污泥和厌氧氨氧化絮状污泥启动CANON, 并且为减少有机碳源对CANON系统的影响, 在CANON系统前端设置ABR除碳系统, 构建一体化ABR除碳-CANON耦合工艺, 用于处理城市污水, 同时采用MiSeq高通量测序技术对CANON系统启动前后的微生物进行检测, 从分子生物学角度分析接种污泥前后的菌群结构变化, 以期为CANON工艺处理城市生活污水提供宏观和微观依据.
1 材料与方法 1.1 实验装置本实验装置由有机玻璃制成, 总有效体积11 L, 反应器长52 cm, 宽8 cm, 有效高度30 cm, 由ABR除碳系统和CSTR全程自养脱氮系统(CANON)组成(如图 1). ABR系统每隔室升流区和降流区隔间宽度比为4 :1, 折流板导向角45°, 有效容积为6.5 L. CANON系统分为曝气池和沉淀池两部分组成, 有效容积分别为5.5 L和0.96 L, 反应器长17 cm, 宽8 cm, 有效高度40 cm, 采用蠕动泵连续进水, 溢流出水, 反应器内挂有带状的辫带式填料.曝气区底部装有曝气装置, 以提供溶解氧, 并使泥水充分混合.整个反应器始终置于恒温水浴箱中, 温度控制在(30±1)℃.
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图 1 实验装置示意 Fig. 1 Experimental apparatus |
ABR除碳污泥取自苏州某生活污水处理厂缺氧池污泥, ABR反应器各隔室接种污泥量约占各隔室2/3.亚硝化污泥和厌氧氨氧化污泥均来源于实验室的亚硝化反应器和厌氧氨氧化反应器, 接种污泥量均为500 mL.
采用人工配水模拟城市污水, 以(NH4)2SO4为氮源(50 mg ·L-1左右), 以乙酸钠为碳源, 加碳酸氢钠以调节pH至7.5左右.另外还包括生物所需的其他营养元素氯化钙(10 mg ·L-1)、硫酸镁(10 mg ·L-1)、磷酸氢二钾(4 mg ·L-1)及微量元素.微量元素分为微量元素Ⅰ和微量元素Ⅱ, 微量元素按照1mL ·L-1添加.微量元素Ⅰ组分(g ·L-1): EDTA 5, FeSO4 5；微量元素Ⅱ组分(g ·L-1): EDTA 15, ZnSO4 ·7H2O 0.43, CoCl2 ·6H2O 0.24, MnCl2 ·4H2O 0.99, CuSO4 ·5H2O 0.25, NaMoO4 ·2H2O 0.22, NiCl2 ·6H2O 0.19, NaSeO4 ·10H2O 0.21, H3BO4 0.014.
1.3 分析方法本实验过程中每隔1 d取水样测定, 测定项目NH4+-N:纳氏试剂分光光度法; NO2--N: N-(1-萘基)-乙二胺分光光度法; NO3--N:紫外分光光度法; MLSS、MLVSS:标准重量法; SVI: 30 min沉降法; pH: pHS-9V数显酸度计; 溶解氧: YSI550A溶氧仪.
1.4 微生物高通量测序分析分别将实验前后的CANON系统中污泥采集送样, 采用FastPrep DNA提取试剂盒(QBIOGENE, USA)提取DNA, 完成基因组DNA抽提后, 利用1%琼脂糖凝胶电泳检测抽提的基因组DNA.用16S rRNA基因引物338F(ACTCCTACGGGAGG CAGCAG)和806R(GGACTACHVGGGTWTCTAAT)对细菌16S rRNA基因进行PCR扩增, PCR仪采用ABI GeneAmp® 9700型, 采用TransGen AP221-02; TransStart Fastpfu DNA Polymerase, 20 μL反应体系.反应程序为95℃预变性3 min, 95℃变性30 s, 55℃退火30 s, 72℃延伸45 s, 27个循环后, 72℃延伸10 min, 每个样品重复3次.
使用AxyPrepDNA凝胶回收试剂盒(AXYGEN公司)切胶回收PCR产物, 委托上海美吉生物医药科技有限公司完成对PCR扩增产物的高通量测序, 微生物多样性分析于上海美吉医药生物科技有限公司所提供的Ⅰ-Sanger生信分析云平台上完成.
2 结果与讨论 2.1 CANON脱氮性能混合亚硝化污泥和厌氧氨氧化污泥后, 在CANON启动过程中, 控制HRT为6 h、氨氮负荷为0.195 kg ·(m3 ·d)-1, 为避免DO对ANAMMOX菌产生影响, 且保证AOB能够利用DO进行短程硝化, 控制DO为0.5 mg ·L-1.在启动反应器的前5 d, 在进水NH4+-N为43~47 mg ·L-1时, 出水NH4+-N为21~25 mg ·L-1, NO3--N维持在6 mg ·L-1左右, 然而出水亚硝态氮却高达31~41 mg ·L-1 (如图 2).这是因为微生物所在环境的改变, 使得接种的厌氧氨氧化污泥中微生物生长繁殖受到抑制因而发生细胞自溶[15], 从而释放出大量的NH4+-N, NH4+-N又被氨氧化菌(AOB)氧化为NO2--N, 故而导致出水NO2--N较高.在随后5~10 d里, 出水NH4+-N浓度持续升高至38 mg ·L-1, 出水NO2--N下降至1 mg ·L-1以下, 出水NO3--N亦下降至2~4 mg ·L-1, 表明此时曝气量提供的DO已不能满足反应器的需求, 过低的曝气量致使大量的NH4+-N未能被AOB利用, 厌氧氨氧化菌(ANAMMOX)只能利用AOB产生的少量NO2--N与进水NH4+-N产生氮气, 总氮去除率为14%~17%, CANON脱氮效果低下.故在CANON启动的第11 d调高曝气量, 此时DO达到1.2 mg ·L-1, 出水NH4+-N迅速降低, NO2--N略有升高至5~7 mg ·L-1, NO3--N浓度基本不变, 维持在2~6 mg ·L-1, 反应器性能得以迅速提升.在接下来的40 d中, 根据出水氨氮情况的变化, 调节曝气量, DO逐渐升高至2 mg ·L-1, 出水NH4+-N稳定在2~7 mg ·L-1、NO2--N为0~3 mg ·L-1, NO3--N为2~4 mg ·L-1, TN去除率为81%~87%, 反应器性能稳定.
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图 2 出水氮浓度变化 Fig. 2 Change in effluent nitrogen concentration |
在整个CANON系统启动过程中, 出水NO3--N浓度一直较低(6 mg ·L-1以下), 说明亚硝酸盐氧化菌的活性一直处于被抑制的状态, 这是因为在整个启动过程中DO一直处于2 mg ·L-1以下, 周律等[16]在生物膜系统中考察不同浓度的溶解氧对亚硝酸盐积累的影响时发现, 当DO浓度为1.5 mg ·L-1时, 可以实现最大程度的亚硝酸盐积累; 且由于CANON反应器是一体式反应器, 系统中既有AOB和NOB又有ANAMMOX, 这样NOB除了要与AOB争夺氧气外, 还要与ANAMMOX争夺亚硝酸盐, 受到双重竞争; 除此之外反应器温度控制在(30±1)℃, 在如此高的温度下, AOB比NOB生长更快, 同时该温度也接近AnAOB的最佳生长温度, 所以在整个启动过程中, 出水NO3--N浓度始终处于6 mg ·L-1以下.
2.2 ABR除碳-CANON工艺的脱氮除碳性能由于厌氧氨氧化反应功能菌世代时间长, 生长条件苛刻, 在有机物浓度过高的情况下, 反应过程和脱氮效果极易受到影响[17], 为保证ABR段出水中有机物浓度不对后续CANON系统中ANAMMOX菌产生影响, 本实验在ABR系统和CANON系统耦合之前, 对ABR系统做单独运行.如图 3, 进水COD在300~400 mg ·L-1之间, HRT为6 h, 经过45 d运行, 出水COD由250 mg ·L-1左右逐渐下降至170 mg ·L-1左右.
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图 3 ABR系统进出水COD浓度变化 Fig. 3 Change in COD concentration in and out of water in the ABR system |
汪瑶琪等[18]所做研究认为有机物浓度控制在100~200 mg ·L-1之间, 可降低有机物对ANAMMOX菌活性的抑制, 傅金祥等[19]的研究结果表明, 当COD≤120 mg ·L-1时, 有机物对厌氧氨氧化不仅没有抑制作用, 反而有促进作用, 李冬等[20]在研究有机碳源对CANON工艺的影响时发现, 适量有机物(不超过150 mg ·L-1)的存在会通过增强亚硝化菌(AOB)和厌氧氨氧化菌(AnAOB)的活性和促进反硝化作用来提高氨氮和总氮的去除率, 而本实验在CANON系统中存在好氧异养菌, 好氧异养菌又能消耗一部份有机物, 所以在ABR单独运行45 d后, 对ABR系统和CANON系统进行耦合.
本实验在启动后期, 虽然有机物进入CANON系统, 但是总氮去除率并没有降低, 稳定在74%~87%(图 4), 这是因为厌氧氨氧化反应系统在有有机物的情况下, 系统内的异养反硝化菌与自养厌氧氨氧化菌可以协同作用使系统内同时发生异养反硝化反应与ANAMMOX反应.其中, ANAMMOX反应在消耗氨氮和亚硝酸盐氮的同时产生少量的硝酸盐氮, 而异养反硝化菌则可以通过反硝化将ANAMMOX反应过程中生成的硝酸盐氮降解, 从而提高系统的TN去除率, 另一方面, 适量有机物(不超过150 mg ·L-1)的存在使得异养菌适度生长, 这些异养菌产生的胞外聚合物使填料表面黏度变大, 因而有利于污泥的持留, 有利于一体式ABR除碳-CANON系统的稳定.
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图 4 耦合后一体式反应器出水氮变化 Fig. 4 Change in effluent nitrogen concentration of the integrated reactor after coupling |
利用MiSeq高通量测序平台对CANON系统实验前(刚接种亚硝化污泥和厌氧氨氧化污泥于CANON系统中)和实验后(实验进行100 d)污泥中微生物多样性进行分析, 本研究中2个样本的覆盖率均大于99.99%, 可确保本次测序结果能够代表样本中微生物群落组成.如表 1所示, Chao1和ACE指数有所增加, 表明实验后的CANON污泥拥有更高的微生物物种丰度[21]. Shannon和Simpson指数变化较小, 实验前后CANON微生物多样性略有增加[22].
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表 1 CANON系统实验前后微生物多样性变化 Table 1 Variation of microbial diversity of CANON system before and after the experiment |
如图 5, 实验前后Proteobacteria(变形菌门)、Bacteroidetes(拟杆菌门)和Chloroflxi(绿弯菌门)均为丰度较高的菌门, 而实验后Proteobacteria得到了显著提升, 由实验前的22.56%上升到61.02%, Bacteroidetes和Chloroflxi均有不同程度地减少.有研究表明[23], Proteobacteria在大多数厌氧氨氧化系统中占据主导地位, 且β-Proteobacteria纲几乎涵盖了所有类型的AOB, 这也从微生物角度解释了本实验脱氮效能提高的原因.
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图 5 启动前后, CANON系统中各菌群在门级别上的相对丰度 Fig. 5 Relative abundances of different microbial phyla in the CANON system before and after start-up |
活性恢复前, 为进一步阐明厌氧氨氧化反应器启动前后微生物群落结构的变化情况, 对纲水平下的菌群结构作进一步的分析.如图 6所示, 实验后CANON系统中γ-Protebacteria纲数量上占据绝对优势, 郑平等[24]和Heylen等[25]指出γ-Protebacteria对于系统的脱氮和反硝化有很大的贡献, 这与本实验结论一致. Sphingobacteria(鞘脂杆菌纲)与好氧反硝化关系密切, 实验前Sphingobacteria纲所占比例为34%, 实验后Sphingobacteria纲所占比例下降为6.8%, 这是因为本实验所接种的亚硝化污泥中含有大量的好氧反硝化菌, 而经过100 d实验后, 好氧反硝化菌逐渐被淘汰, 这也从侧面证明了本实验脱氮的主要方式为亚硝化与厌氧氨氧化的联合作用.
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图 6 启动前后, CANON系统中各菌群在纲级别上的相对丰度 Fig. 6 Relative abundances of different microbial classes in the CANON system before and after start-up |
(1) 通过在CSTR反应器中同时接种亚硝化和厌氧氨氧化污泥, 控制DO为0.5~2 mg ·L-1、HRT为6 h、氨氮负荷为0.195 kg ·(m3 ·d)-1、pH值为8左右等措施, 在55 d内成功启动CANON系统, TN去除率为81%~87%.
(2) ABR除碳系统出水有机物浓度(120 mg ·L-1)不会对后续CANON系统产生不利影响, 一体式ABR除碳-CANON工艺TN去除率在74%~87%, 出水COD平均浓度为40 mg ·L-1, 一体化ABR除碳-CANON工艺可以对城市污水稳定高效脱氮.
(3) CANON系统启动前后Proteobacteria门得到了显著提升, Sphingobacteria纲所占比例下降为6.8%, CANON系统中亚硝化菌和厌氧氨氧化菌不断淘汰劣势菌群成为反应器内优势菌群.
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