环境科学  2021, Vol. 42 Issue (7): 3422-3429   PDF    
低温驯化对自养脱氮颗粒污泥功能活性与菌群结构的影响分析
钱飞跃1, 刘雨馨1, 王建芳1,2,3, 刘文如1,2,4     
1. 苏州科技大学环境科学与工程学院, 苏州 215009;
2. 苏州科技大学天平学院, 苏州 215009;
3. 城市生活污水资源化利用技术国家地方联合工程实验室, 苏州 215009;
4. 江苏高校水处理技术与材料协同创新中心, 苏州 215009
摘要: 低温驯化是提高部分亚硝化-厌氧氨氧化(PN/A)组合工艺低温脱氮效能和运行稳定性的有效方法.为探究低温驯化对污泥特性的具体影响,本文从温度敏感性、颗粒外观形态、胞外聚合物(EPS)组成和微生物群落结构等方面,对中高温培养(30℃)和低温驯化(15℃)PN/A颗粒污泥之间的差异性进行了分析.反应热力学的研究结果表明,驯化污泥(GL)在低温区(10~20℃)的脱氮性能较中高温培养污泥(GH)有了显著提高,总无机氮去除的表观反应活化能(Ea)降低了28.4%.与GH相比,GL的平均粒径减小了25.8%,EPS含量增长了16.6%,颗粒的沉降性能明显下降.由高通量测序结果可知,GL具有更高的菌群多样性,同时,污泥中好氧氨氧化菌(Nitrosomonas)与厌氧氨氧化菌(Candidatus_Kuenenia)的丰度比值(0.04)远小于GH的0.34.这意味着颗粒污泥在低温环境中对慢速生长自养菌仍具有较强的截留能力.上述发现为解析PN/A污泥在低温条件下的自适应机制,推动组合工艺的工程化应用提供了重要参考.
关键词: 低温驯化      颗粒污泥      全自养脱氮      反应自由能      污泥形态      菌群结构     
Effects of Cold Acclimation on the Activity of Autotrophic Nitrogen Removal in Granular Sludge and Its Bacterial Population Structure
QIAN Fei-yue1 , LIU Yu-xin1 , WANG Jian-fang1,2,3 , LIU Wen-ru1,2,4     
1. School of Environmental Science and Engineering, Suzhou University of Science and Technology, Suzhou 215009, China;
2. College of Tianping, Suzhou University of Science and Technology, Suzhou 215009, China;
3. National and Local Joint Engineering Laboratory of Municipal Sewage Resource Utilization Technology, Suzhou 215009, China;
4. Jiangsu High Education Collaborative Innovation Center of Water Treatment Technology and Material, Suzhou 215009, China
Abstract: Cold acclimation is an effective approach for improving the nitrogen removal performance and operational stability of partial nitritation/ANAMMOX (PN/A) combined processes at low temperatures. To explore the specific effects of cold acclimation on the characteristics of sludge, differentiations in temperature sensitivity, granular morphology, composition of extracellular polymer substance (EPS), and bacterial community structure between PN/A granular sludges cultivated at medium-high temperature (30℃) and acclimated to low temperature (15℃) were investigated in this study. The results of reaction thermodynamics showed that the nitrogen removal performance of the granules acclimated to low temperature (GL) was significantly higher than that of those cultivated at medium-high temperature (GH) under the low temperature (10-20℃), and the apparent activation energy (Ea) of total inorganic nitrogen removal for the former was decreased by 28.4%. Compared with GH, GL had a smaller average particle size of 25.8% and higher EPS contents of 16.6%, resulting in a significant lower settling property. Based on the high-throughput sequencing results, GL exhibited a higher diversity of bacterial community, and a lower relative abundance ratio (0.04) of aerobic ammonium-oxidizing bacteria (Nitrosomonas) and anaerobic ammonium-oxidizing bacteria (Candidatus_Kuenenia) than 0.34 for GH. It indicated that the PN/A granules held a strong ability to retain slow-growing autotrophic bacteria in the system, even under low temperatures. These findings could provide meaningful references for analyzing the self-adaption mechanisms of PN/A sludge to low temperature conditions and promote the industrial application of combined processes.
Key words: cold acclimation      granular sludge      completely autotrophic nitrogen removal      apparent activation energy of reaction      sludge morphology      bacterial community structure     

部分亚硝化-厌氧氨氧化(partial nitritation/ANAMMOX, PN/A)是一种全自养生物脱氮工艺, 其首先通过好氧氨氧化菌(AOB)将一部分氨氮氧化为亚硝态氮, 再由厌氧氨氧化菌(AMX)将剩余的氨氮和亚硝态氮转化为氮气, 并产生少量硝态氮, 理论脱氮率在85%以上[1].一般认为, 生物脱氮反应对环境温度较为敏感.在中高温条件(30~35℃)下, AOB和AMX的比生长速率可以分别达到0.81~0.85 d-1和0.002 7 d-1, 污泥脱氮活性处于最佳状态[2].当环境温度低于15℃时, PN/A污泥的增殖速率和反应活性均会大幅降低, 并容易出现亚硝盐氧化菌(NOB)过度生长, 导致厌氧氨氧化反应路径受阻等现象, 这在很大程度上限制了PN/A工艺在大规模市政污水处理中的推广应用[3, 4].

有研究表明, 经过长期驯化后, 以颗粒污泥为核心的单级PN/A反应器能够在低温环境中实现稳定的脱氮过程.Gonzalez-Martinez等[5]在260 d内将PN/A系统的反应温度由35℃逐级降低至15℃, 并使总氮去除负荷稳定在0.28~0.32 kg·(m3·d)-1.Lotti等[6]的研究表明, 经低温驯化后, PN/A颗粒污泥反应器在15℃下的处理效能仍远高于传统活性污泥法, 对总氮去除负荷可达到0.4 kg·(m3·d)-1的水平.Gilbert等[7]的研究发现, 颗粒污泥在低温适应性方面较悬浮污泥有明显优势, 前者能够在13℃下保持较高的脱氮效率, 出水中没有出现亚硝态氮的大量累积.以往的报道大多关注PN/A颗粒污泥在低温驯化过程中的性能演变, 但对污泥驯化后反应热力学特征、颗粒外观形态和微生物多样性的变化仍缺乏系统阐述.

为此, 本文将中高温培养和低温驯化后的PN/A颗粒污泥作为研究对象, 通过对比分析, 深入探究两者在环境温度敏感性、颗粒密实程度和微生物群落结构等方面的差异, 并对导致差异的可能原因进行论述, 以期为全自养生物脱氮技术在低温条件下的运行优化提供理论指导.

1 材料与方法 1.1 PN/A颗粒污泥

在本研究中, 中高温培养的PN/A颗粒污泥(GH)取自1个实验室规模的连续流反应器, 曝气区有效容积为1.7 L.进水采用无机人工配水, 以氨氮(浓度约70 mg·L-1)作为唯一氮源.运行初期, 反应器内水温控制在(30±1)℃, 氨氮容积负荷为2.2 kg·(m3·d)-1.稳定运行100 d后, 对GH进行取样, 颗粒呈现深红棕色, 总氮比去除负荷为0.25 g·(g·d)-1[8].随后, 逐级降低反应器水温至(15±1)℃, 并采取限制曝气和延长水力停留时间(HRT)等控制方法, 实现了反应器在低温条件下的稳定运行[9].低温驯化200 d后, 颗粒污泥(GL)呈棕黄色, 粒径明显减小, 总氮比去除负荷降至0.11 g·(g·d)-1.

1.2 污泥活性测定和活化能计算

在批次反应中, 控制水温分别为10、15、20、25、30和35℃.分别取10 mL颗粒污泥混合液, 装入多个配备有透气硅胶塞的150 mL锥形瓶中, 加入90 mL反应器进水(pH 7.6~7.8), 并置于机械摇床中振荡反应.控制转速为160 r·min-1, 确保溶液处于好氧状态.每隔10或20 min取样测定上清液中氨氮(NH4+-N)、硝态氮(NO3--N)和亚硝态氮(NO2--N)浓度, 并计算总无机氮(TIN)的比降解速率[q(TIN), mg·(g·h)-1], 见式(1):

(1)

式中, Δρ(TIN)为反应前后总无机氮的消耗量, mg·L-1; Δt为浓度线性变化对应的反应时间, h; MLVSS为混合液中挥发性悬浮固体浓度, mg·L-1.

依据阿伦尼乌斯(Arrhenius)方程, 对两种PN/A颗粒污泥在不同温度区间内的q(TIN)进行线性拟合, 计算相应的反应活化能Ea[8]

(2)

为表征颗粒污泥对环境温度的敏感性, 使用下式计算PN/A反应的温度系数θ[10]

(3)

式中, Ea为反应活化能, J·mol-1; R为气体常数, 8.314 J·(K·mol)-1; T为热力学温度, K.

1.3 分析方法

水中NH4+-N、NO3--N和NO2--N浓度分别采用纳氏试剂光度法、紫外分光光度法和N-(1-萘基)-乙二胺光度法测定, 污泥MLVSS采用标准重量法测定[11].采用便携式pH计(METTLER TOLEDO)和溶解氧仪(HACH HQ30d型)测定溶液pH和溶解氧(DO)浓度.

使用OLYMPUS CX41型显微镜观察污泥形态变化.采用湿网筛分法测算污泥粒径分布, 具体为从反应器中取出一定量污泥样品, 经生理盐水反复清洗后, 依次经孔径2.0、1.6、1.4、1.0、0.8、0.6、0.5、0.3和0.2 mm筛网筛分, 并计算各粒径区间样品占总质量的质量分数.

通过静态沉降实验, 测定颗粒污泥沉降性能.随机选取20个颗粒污泥, 在1 L量筒(高45 cm)内测定污泥下降30 cm的沉降时间, 并计算平均沉降速率v(m·h-1).

采用甲醇-NaOH法提取颗粒污泥的胞外聚合物(EPS)[12], 其主要组分中蛋白质(PN)和多糖(PS)含量分别采用Lowry法和改进苯酚-硫酸法测定[13].

1.4 高通量测序

对GH和GL污泥, 分别采集6个平行样品, 置于-80℃条件下保存.使用试剂盒(Fast DNA Spin kit for soil, M.P., U.S.)对所有污泥样品同时进行DNA的提取.选择引物338F (5′-ACTCCTACGGG AGGCAGCA-3′)和806R (5′-GGACTACHVGGGTWT CTAAT-3′)进行16S rRNAV3-V4区基因扩增.在完成PCR扩增后, 使用AxyPrepTM DNA凝胶提取试剂盒(Axygen Biosciences, Union City, U.S.)对产物进行纯化和定量.12个样品的高通量测序在Illumina MiSeq测序平台上完成.基于测序结果, 在OTU水平上, 对样品进行α多样性分析、主坐标分析(PCoA)和ANOSIM分析(bray_curtis算法).在门和纲水平上, 对两种污泥菌群结构进行Wilcox秩和检验, 并绘制属水平的系统发育树, 方法详见文献[14].

2 结果与讨论 2.1 污泥活性对温度的敏感性

根据污泥在不同温度下的脱氮活性可知, GH的最大q(TIN)值出现在35℃条件下, 其脱氮活性随着水温的下降而显著降低, 10℃对应的q(TIN)值仅相当于35℃的4%左右, 并出现了明显的亚硝态氮累积现象.相比之下, 低温驯化使GL的最适脱氮温度降至25℃, 对应q(TIN)值分别比35℃和10℃的脱氮速率高出42.8%和97.0%.Hu等[15]和Park等[16]的研究也发现, AMX污泥经长期低温驯化(< 15℃)后, 最适反应温度会由30~35℃降至25℃左右.

图 1所示, 在低温(10~20℃)和中高温(20~35℃)区间内, 两种PN/A颗粒的ln(q)与1/T呈现线性相关.依据Arrhenius方程, 计算出不同温度区间内自养脱氮反应的表观活化能Ea, 并与已有数据进行比较, 结果如表 1所示.在本研究中, GH在20~35℃区间的Ea值约为10~20℃对应值的6.2倍, 明显高于已有报道的3.9倍均值[4, 15~17].这表明低温环境会显著抑制未经驯化污泥的自养脱氮活性.相比之下, GL在10~20℃区间的Ea值较GH降低了约28.4%, 20~35℃区间的Ea值则升高了1.1倍.尽管GL在低温区间的脱氮效能仍然较差, 但低温驯化明显降低了PN/A反应对温度变化的敏感性.

GH数据来自本研究, GH-1~GH-3数据来自文献[4, 17, 15]; GL数据来自本研究, GL-1~GL-3数据来自文献[15, 16, 17] 图 1 使用Arrhenius方程对中高温培养和低温驯化污泥的脱氮速率进行拟合 Fig. 1 Arrhenius plot for nitrogen removal rates of sludges cultivated at medium-high temperatures and acclimated to low temperatures

表 1 不同温度区间内污泥自养脱氮反应的表观活化能 Table 1 Apparent activation energy of autotrophic nitrogen removal by sludges in different temperature intervals

从工程应用的角度, 温度系数θ更适合用于表征污泥性能随反应温度的变化特征.有研究表明, 传统活性污泥和厌氧氨氧化污泥的θ值通常随温度的降低而增大[4, 18, 19].在本研究中, GH和GL在中高温区间的θ值分别为1.046和1.097, 低温区间的数值则相应升至1.317和1.218, 驯化过程使得污泥θ值的相对增幅明显减小.上述变化可以作为评判PN/A污泥是否成功适应低温环境的重要依据.

2.2 颗粒污泥形态的差异

表 2所示, 低温驯化使得PN/A颗粒污泥的粒径明显减小, 其中, 主导粒径区间由0.9~1.0 mm(占比61.3%)减小至0.2~0.5 mm(占比45.2%), 平均粒径由1.20 mm减小至0.89 mm.同时, 污泥EPS含量增加, PN/PS比值上升, 污泥结构更加松散, 边缘变得不规则(图 2).由沉降实验结果可知, GL的平均沉降速率v较驯化前(GH)降低了53.4%, 颗粒的密实程度变差.He等[20]和Guo等[21]在研究低温驯化(2.5~13℃)对厌氧氨氧化颗粒污泥性能影响时也有类似结论.

表 2 低温驯化前后PN/A颗粒污泥的形态结构特性 Table 2 Morphological characteristics of PN/A granular sludges before and after cold acclimation

图 2 低温驯化前后, PN/A颗粒污泥的外观形态对比 Fig. 2 Morphological comparison of PN/A granular sludges before and after cold acclimation

实际上, 低温环境不仅导致了自养菌生长速率和反应活性的下降, 还会使流体的黏度增大, 水力剪切作用增强, 大颗粒很难稳定存在[22].通常认为, 产生大量EPS有利于削弱低温环境对功能菌活性的胁迫作用, 是微生物聚集体自适应策略的重要体现[23, 24].作为亲水性较强的EPS组分, PN含量的持续增加将使得更多的结合水进入到微生物聚集体中, 形成密度较低的多孔絮状结构, 削弱污泥的沉降性能[25, 26].

2.3 污泥菌群结构的差异

使用MiSeq高通量测序技术对低温驯化前后PN/A颗粒污泥的菌群结构进行分析.如表 3所示, 6个GL样品中的运算分类单位(OTU)数量较GH组多出了255个, 另有384个OTU在两组中均能找到.有研究认为, 低温环境容易导致污泥中菌群多样性和丰度的降低[27, 28], 但本研究中GL组的多样性指数(高Shannon指数、低Simpson指数)和菌群丰度(Ace、Chao指数更大)均明显高于GH组.这说明改变菌群结构也是PN/A颗粒污泥适应低温条件的重要策略之一.从PCoA分析的结果上看[图 3(a)], GH组和GL组在主坐标PCoA1(贡献率57.71%)方向上呈现区域聚集性分布, 同时, OTU水平上的ANOSIM分析进一步说明了组间的显著差异[图 3(b)].

表 3 低温驯化前后, PN/A颗粒污泥的微生物多样性指数 Table 3 The α diversity indices of PN/A granular sludges before and after cold acclimation

图 3 两组污泥样品间的菌群结构差异性分析(OTU水平) Fig. 3 Difference analysis of the bacterial community structure in two sample groups(OTU level)

图 4分别给出了两组污泥样品在门和纲水平上相对丰度前15位的细菌分布情况.其中, GH组的优势菌门依次为Proteobacteria(34.8%, 丰度)、Planctomycetes(22.2%, 丰度)、Chloroflexi(16.8%, 丰度)、Bacteroidetes(17.8%, 丰度)和Acidobacteria(4.7%, 丰度).在GL组中, Planctomycetes、Chloroflexi和Acidobacteria菌门的相对丰度有所增长(1.6%~7.7%), Proteobacteria和Bacteroidetes菌门的占比则分别减少了10.2%和6.1%.在纲水平上, 低温驯化后PN/A颗粒污泥中AOB所属的γ-Proteobacteria丰度较驯化前下降了12.8%, AMX所属的Brocadiae和异养菌Anaerolineae丰度分别增长了3.0%和4.2%, NOB占比始终低于1%.

图 4 两组污泥样品中丰度前15的细菌组成差异分析 Fig. 4 Statistical analyses of top 15 taxa in two sample groups

图 5为PN/A颗粒污泥在属水平上的系统发育树.尽管Candidatus_Brocadia属AMX被认为具有很强的低温适应能力, 其在运行温度10~18℃的A/O颗粒污泥反应器[29]、气提式反应器[30]和上流式厌氧污泥床(UAnSB)[31, 32]中都有检出, 但本研究中Candidatus_Kuenenia始终是占绝对主导的AMX菌属.根据Dosta等[33]的测算, Candidatus_Kuenenia脱氮反应的活化能Ea约为63 kJ·mol-1, 这与GL在高温区间的Ea值61.62 kJ·mol-1(表 1)非常接近.另外, GL组中AOB(Nitrosomonas)与AMX(Candidatus_Kuenenia)的丰度比值为0.03, 明显小于GH组的0.34.在低温环境中, 占据颗粒表面的AOB生长速率放缓, 经水力剪切和碰撞摩擦后, AOB菌簇容易从污泥上脱落并随出水淘洗, 造成相对丰度下降.相比之下, 位于颗粒内层的AMX获得了较好的保护, 有利于发生缓慢富集过程.有研究表明, 在13~16℃条件下, Candidatus_Kuenenia在厌氧氨氧化颗粒污泥中仍可持续增殖, 相对丰度可达42.4%~55.2%, 使系统脱氮效率稳定在60%~80%[20, 23].此外, GH和GL中反硝化菌Denitratisoma的占比相差不大, 但低温驯化使Haliangiumnorank_Caldilineaceae出现了明显的富集现象.有研究认为, 后两种菌属可利用AMX细胞残体作为生长基质, 发生部分反硝化反应, 参与生物脱氮过程[34, 35].

图 5 PN/A颗粒污泥的微生物系统发育树(属水平) Fig. 5 Microbial phylogenetic tree (genus level) of PN/A granules

与Gilbert等[7]的报道相似, 本研究中低温驯化并未改变PN/A污泥中的AMX菌属类型, 同时, AMX丰度的增长并不能直接解释脱氮反应自由能Ea的显著变化.为此, Rattray等[35]的研究认为, 低温驯化改变了AMX中重要细胞器——厌氧氨氧化体(ANAMMOXOSOME)的膜结构.当水温由20℃降至12℃时, AMX可通过调高C20-梯烷脂肪酸产量, 抑制C18-梯烷脂肪酸形成, 改变生物膜的双层结构, 以适应温度变化.Lin等[36]使用代谢蛋白组学技术, 从蛋白质表达的层面, 对不同AMX菌属在低温环境中的自适应策略进行了表征.结果表明, 当温度由35℃降至20℃时, Candidatus_Kuenenia细胞中与脱氮相关的蛋白酶表达(NirS、HZS和HDH)没有发生明显改变, 但继续降至15℃时, 类脱氢酶(kustc0824和kustc0827)丰度降低, 并导致电子流失衡, 氨氧化和亚硝酸盐还原速率均受到抑制, 负责能量供给的功能蛋白数量也相应减少.在经过低温驯化后, 上述电子流失衡现象有可能得到缓解, 污泥通过优化AMX菌群的功能性结构, 可以有效提高系统的脱氮效能.类似地, 在低温环境中, Candidatus_Jettenia属AMX可以通过调节自身基因转录水平, 由翻译启动因子(IF-3)形成大量负责能量供给的功能蛋白, 以驱动自养脱氮反应.目前, 关于低温驯化对自养脱氮反应调控机制的影响仍有待进一步研究.

3 结论

(1) 经低温驯化后, PN/A颗粒污泥进行脱氮反应的最适温度由原先的35℃下降至25℃.在10~20℃条件下, GL的反应自由能Ea较GH降低了28.4%, 前者的θ值也更小.这意味着低温驯化显著降低了PN/A颗粒污泥对环境温度的敏感性.

(2) 低温驯化使得GL的平均粒径较GH减小了25.8%, EPS含量的增长有利于维持颗粒污泥结构的稳定性, 但也使颗粒的沉降性能显著降低, 平均沉降速率v减小了53.4%.

(3) 低温驯化并未改变PN/A颗粒污泥中的AOB和AMX菌属类型, 但GL中菌群多样性有所提高.Candidatus_Kuenenia属AMX在颗粒污泥中的有效富集是实现菌群功能结构优化, 适应低温环境的重要基础.

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