裘 湛(上海城投污水處理有限公司,上海 201203)

污水處理廠冬季硝化強化與微生物種群分析

裘 湛*(上海城投污水處理有限公司,上海 201203)

針對冬季低溫抑制微生物活性導致硝化菌流失的問題,在實際污水處理廠通過兩組10萬m3/d的反應池平行運行,考察了延長污泥齡對污水處理廠的出水水質(zhì)、硝化速率和微生物種群結構的影響.研究結果表明,拉前延長污泥齡能夠明顯提升低溫階段 COD、氨氮和 TN的去除效率,硝化速率為對照組的 3倍.焦磷酸測序結果表明,延長污泥齡后系統(tǒng)的微生物種群豐度和多樣性均顯著提高;氨氧化功能菌屬Nitrosomonas(1.46%)和亞硝酸鹽氧化功能菌屬 Nitrospira(0.13%)較對照組分別提高了 12和 13倍;反硝化相關菌屬 Hyphomicrobium、Thauera、Zoogloea等的相對豐度也明顯增加.提前延長污泥齡這一方法能夠實現(xiàn)硝化菌的富集,進而提升污水處理的硝化和脫氮效率.

污泥齡；硝化；污水處理廠；微生物種群；冬季

氨氮是國家“十二五”水污染物減排規(guī)劃中新增的總量減排指標,在“十三五”生態(tài)環(huán)境保護規(guī)劃中將繼續(xù)嚴格控制氨氮,要求排放總量降低10%,并提出重點區(qū)域總氮和總磷區(qū)域性排放總量減排 10%的新要求.作為水污染控制系統(tǒng)中最重要的部分,污水處理廠對化學需氧量(COD)和氮磷的穩(wěn)定去除對于水污染物的總量減排具有非常重要的意義.眾多研究表明,城鎮(zhèn)污水進水氮素形態(tài)主要是氨氮和有機氮[1],有機氮水解為氨氮、氨氮轉變?yōu)橄鯌B(tài)氮和硝態(tài)氮反硝化為氮氣是脫氮的 3個重要環(huán)節(jié).大量污水處理廠運行現(xiàn)狀表明,由于工藝運行水平、環(huán)境條件等原因,我國污水處理廠的硝化能力普遍不足,特別是在冬季低水溫(＜15 )℃ 的情況下硝化能力會進一步惡化[2-6],這也制約了脫氮效果達到更高的目標要求[7].

在已建成的污水處理廠中,通過對污水處理廠運行參數(shù)進行優(yōu)化提升硝化效率是比較可行的方法[7].其中,普遍采用的方法包括提升溶解氧(DO)濃度[8]和延長污泥齡[3,9].提升DO濃度有助于提高硝化菌的硝化速率,然而當 DO達到一定濃度(＞4mg/L)后其促進作用將不再明顯,DO過高還可能會對生物除磷和反硝化產(chǎn)生負面作用[10-11], DO的提升也意味著曝氣能耗的上升.與之相比,延長污泥齡由于能夠顯著增加硝化菌濃度[12]而更為可行和有效.控制污泥齡既能增強亞硝酸鹽氧化菌(AOB)的活性[13],又能使低溫條件下的硝化能力快速恢復[14],還是短程硝化工藝長期穩(wěn)定運行的一種有效調(diào)控策略[15-16].但延長污泥齡會給二沉池運行帶來壓力,泥齡的控制會受到二沉池固液分離能力的限制[7].目前,針對污泥齡對硝化影響的小試研究報道很多,但在污水處理廠進行實際應用報道較少,對其微生物菌群強化效果的機理分析更鮮有報道.

本研究針對冬季低溫造成硝化效果惡化的問題,選取某多模式A2O污水處理廠平行運行的S1池和S2池(處理水量均為10萬m3/d),采用提前延長污泥齡的策略強化硝化,并重點考察了延長污泥齡對出水水質(zhì)、硝化速率以及微生物種群的影響.

1 材料與方法

1.1 污水處理廠概況

1.2 指標及測試方法

化學需氧量(COD)、總磷(TP)、總氮(TN)、氨氮(NH4+-N)、懸浮物(SS)和揮發(fā)性懸浮物(VSS)均按國家標準法測定.

1.3 硝化速率測定方法

取 1L曝氣池末端活性污泥固液分離后,向活性污泥中加入 150mg/L NaHCO3,加入適量的NH4Cl控制初始氨氮濃度約為40mg/L,調(diào)節(jié)pH值至 7～8,用蒸餾水定容至 1L后開始曝氣,控制DO為6～8mg/L,每隔15分鐘從反應器中取樣過濾,連續(xù)取樣 180min,試驗過程水浴控制溫度為20±1℃.測定過濾好的樣品 NH4+-N,將 NH4+-N值與時間作直線,直線斜率除以污泥濃度即可得到硝化速率(AUR).

1.4 微生物種群分析方法

1.4.1 DNA提取和聚合酶鏈反應 PCR擴增 首先使用OMEGA公司E.Z.N.A Soil DNA試劑盒抽提活性污泥樣品 DNA.抽提后的 DNA樣品采用 1%瓊脂糖凝膠電泳檢測質(zhì)量.按指定測序區(qū)域(16S V1～V3),合成帶有“5’ 454A、B接頭-特異引物’3”的融合引物(5′端正向引物和 3′端反向引物序列).為保證后續(xù)數(shù)據(jù)分析的準確性及可靠性,需滿足兩個條件:(1)盡可能使用低循環(huán)數(shù)擴增;(2)保證每個樣品擴增的循環(huán)數(shù)一致.隨機選取具有代表性的樣品進行預實驗,確保在最低循環(huán)數(shù)中使絕大多數(shù)樣品能夠擴增出濃度合適的產(chǎn)物.

PCR擴增反應體系為20μL,采用Trans Start Fastpfu DNA聚合酶(TransGenAP 221-02).PCR儀:ABI GeneAmp?9700型; PCR熱循環(huán)反應條件:(1) 1個循環(huán)×(95℃下 2min);(2) 25個循環(huán)× (95

學者高世琦、張家聲、胡登良等在《中國共產(chǎn)黨干部教育培訓工作的歷史經(jīng)驗》《90年黨的干部教育培訓事業(yè)的回顧與思考》中集中研究了解放戰(zhàn)爭時期黨的干部培訓制度及其基本經(jīng)驗。解放戰(zhàn)爭時期是干部教育培訓制度初步成熟階段。黨的干部教育培訓思想隨著全黨指導思想毛澤東思想的發(fā)展而進一步成熟和系統(tǒng)化。[3]解放戰(zhàn)爭是以軍事為主的涉及政治、經(jīng)濟和文化等領域的全面戰(zhàn)爭,因此解放區(qū)干部教育培訓的重點就是通過比以前更加正規(guī)系統(tǒng)的政治理論教育和業(yè)務知識技能教育,迅速地培訓大量治軍治國建設人才。

℃下 30s,55℃下 30s,72℃下 30s);(3) 72℃下5min.全部樣品按照正式實驗條件進行,每個樣品3個重復,將同一樣品的PCR產(chǎn)物混合后用2%瓊脂糖凝膠電泳檢測,使用AxyPrepDNA凝膠回收試劑盒(AXYGEN公司)切膠回收 PCR產(chǎn)物, Tris_HCL洗脫;2%瓊脂糖電泳檢測.PCR結果檢驗:參照電泳初步定量結果,將 PCR產(chǎn)物用QuantiFluor?-ST藍色熒光定量系統(tǒng)(Promega公司)進行檢測定量,之后按照每個樣品的測序量要求,進行相應比例的混合.

1.4.2 454高通量 16S rRNA基因焦磷酸測序 焦磷酸測序是一項全新的 DNA測序技術,可以快速、準確地測定一段較短的目標片段.焦磷酸測序過程中的emPCR與上機測序使用的試劑盒為 RocheGS FLX Titanium emPCR與RocheGS FLX+Sequencing Method Manual_ XLR70.

2 結果與討論

2.1 系統(tǒng)運行情況

選取污水處理廠 S1池進行延長污泥齡調(diào)試運行,平行運行的 S2池作為對照.其中,S1池自7月21日起開始降低污泥排放量,持續(xù)150d直至12月17日.S1和S2池剩余污泥排放量分別為5.49和11.03t/d,如圖1(a)所示.污泥齡調(diào)控過程中S1池和S2池污泥濃度變化如圖1(b)所示.以好氧池體積 45000m3計算,考慮秋冬季 10月2日至12月17日共計77d的數(shù)據(jù),則S1和 S2池污泥濃度平均值分別為3205和3271mg/L,而剩余污泥排放量分別為4.62和12.48t/d,相應的污泥齡分別為31.2和11.6d,S1池污泥齡為S2池的2.7倍.

圖1 S1和S2反應池(對照池)的剩余污泥排放累積量與污泥濃度變化Fig.1 Variations of excess sludge discharge and sludge concentration in reactor S1and S2 (control)

此外,由于剩余污泥排放量的減少會造成系統(tǒng)中污泥濃度的上升,對后續(xù)二沉池運行帶來壓力.因此,在滿足全廠生產(chǎn)運行水量要求的前提下,適當降低了S1池處理水量.

2.2 延長污泥齡對污染物去除率影響

在 7～12月的運行期間,考察了兩個反應池對COD、NH4+-N和TN污染物的去除情況,結果見圖2.從圖可知,兩個反應池對 COD去除率均較高,達到90.0%以上.污泥齡延長后,S1池12月份出水氨氮平均值明顯低于S2池.作為反硝化的前提,硝化效率的提升也明顯改善了 S1池的脫氮效果,其總氮去除率(50%～65%)顯著高于S2池(30%～52%).

圖2 S1和S2反應池污染物去除效率對比Fig.2 Comparison on pollutants removal of the reactor S1and S2

2.3 延長污泥齡對硝化速率影響

在運行期間,選取12月1日(樣品a)和15日(樣品b)從S1和S2池好氧池末端取活性污泥進行硝化速率測定.為了獲取更為準確的結果,樣品b污泥濃縮后進行測定.S1和 S2池活性污泥AUR測定曲線見圖3.由圖可知,污泥AUR測定曲線R2均在0.98以上,說明測定結果具有很好的可靠性.將擬合得到的直線斜率除以污泥濃度,得到的硝化速率計算結果見表1.由表1知,S1池的平均AUR為1.62mgN/(gSS·h),為平行運行的S2池的3.03倍.這說明延長污泥齡能夠提高S1池的AUR,這是出水氮污染物削減的主要原因.

圖3 S1和S2池(對照池)污泥的硝化速率測定曲線對比Fig.3 Comparison on nitrification rate curve of activated sludge from reactor S1 and S2 (control)

表1 S1和S2池的污泥硝化速率比較Table 1 Comparison on nitrification rate of activated sludge from reactor S1 and S2 (control)

2.4 延長污泥齡對微生物種群結果的影響

2.4.1 種群多樣性分析 在系統(tǒng)穩(wěn)定運行時,對S1和S2池活性污泥中的微生物進行焦磷酸測序,共得到18633和21204條有效序列.為了得到質(zhì)量更高、精確性更好的生物信息分析結果,對各樣品的有效序列進行去雜優(yōu)化,獲得 13708、13871條優(yōu)化序列(平均序列長度為474bp),優(yōu)化比率分別為 73.6%和 65.4%.兩樣品在相似性水平 0.03下的微生物種群豐度與多樣性指數(shù)如表2所示.由表可知,樣品 S1通過聚類所獲得的OTU較S2多,樣品S1表征種群豐度的Ace和Chao指數(shù)均大于S2,而且樣品S1表征種群多樣性的Shannon指數(shù)大于樣品S2,Simpson指數(shù)小于樣品S2,這表明延長污泥齡的S1池中的微生物種群豐度和多樣性均高于S2.

表2 S1和S2污泥樣品中的種群豐度與多樣性比較(α=0.03)Table 2 Richness and diversity estimators of microbial communities in reactor S1 and S2 (α=0.03)

2.4.2 門綱水平分析 為了描述S1和S2池污泥微生物樣品在門分類水平上種群組成及結構差異,對兩樣品進行系統(tǒng)發(fā)育學分析,統(tǒng)計結果見圖4.由圖可知,除Elusimicrobia門和Thermotogae門分別為S1和S2中獨有外,其余18個門為兩樣品共有,可見兩樣品在門分類水平上區(qū)別不大.相對豐度最高的門為 Proteobacteria(變形菌)門(59.4%與74.5%),其次為Bacteroidetes(擬桿菌)門(15.6%與 14.9%),再者為 Chloroflexi(綠彎菌)門(8.4%與2.8%),這三個門分別占樣品S1和S2中有效序列的83.5%和93.2%.樣品S1中亞硝酸鹽氧化微生物(NOB)Nitrospirae門的豐度(0.13%)明顯高于樣品S2(0.01%),此外S1和S2中的相對豐度相差 80%以上的門還有 Acidobacteria (0.47%與 0.09%)、Gemmatimonadetes(1.19%與0.08%)、 Nitrospirae(0.13% 與 0.01%)和Planctomycetes (0.46%與 0.07%).延長污泥齡能夠提高NOB的相對豐度,提升S1池的硝化效率.

圖4 S1和S2樣品在門分類水平上的菌群組成及相對豐度Fig.4 Relative abundances of different phyla in samples from reactor S1 and S2

圖5 S1和S2樣品在綱分類水平的種群結構Fig.5 Relative abundances of phylogenetic groups of in samples from reactor S1and S2at the class level

為進一步分析兩樣品的種群結構區(qū)別,將微生物種群細分到綱水平上進行對比.兩樣品共獲得32個綱,相對豐度大于1%的綱見圖5.作為相對豐度最高的門,變形菌門又包含α-、β-、γ-、δ-和ε-變形菌綱五個綱.由圖5知,β-和ε-變形菌綱其在 S1(35.7%和 2.2%)中的相對豐度小于S2(51.1%和 6.2%)樣品,S1池由于長污泥齡、低水量運行,微生物代謝基質(zhì)必然低于 S2池,這可能是兩個反應池 β-變形菌綱類群分步差異較大的原因[17].α-和γ-變形菌綱在兩樣品中差別較小,而δ-變形菌綱在樣品S1中的相對豐度顯著高于S2達55%,說明δ-變形菌綱可能是強化硝化效率提高的主要貢獻者.

2.4.3 種屬水平分析 在屬分類水平上,共從兩個樣品中檢測出189個已知的屬,其中110個屬為兩種樣品所共有,占屬總數(shù)的58.2%.樣品S1有50個獨有屬,豐度較大的如Pseudoxanthomonas、Nannocystis、Rhizobacter、Mesorhizobium、Phascolarctobacterium 、 Bdellovibrio 和Burkholderia等.

圖6 樣品S1和S2在屬分類水平的種群結構比較Fig.6 Relative abundances of phylogenetic groups of in samples from reactor S1 and S2 at the genus level

本文重點分析兩樣品共有屬類群中與硝化作用相關的菌群豐度.硝化作用包括氨氮被AOB氧化為亞硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮再在NOB作用下轉化為硝酸鹽氮兩個階段[10].Nitrosomonas和Nitrosospira屬是 AOB的主要組成類群,其中Nitrosomonas具有較低底物親和力但卻保持較高的最大活性,這一生理特征導致 Nitrosomonas比Nitrosospira更容易在高氨氮濃度下獲得優(yōu)勢生長[18-20].Nitrospira和Nitrobacter是NOB的主要組成部分.從圖6知,在本研究中檢測到的AOB和 NOB 菌 屬 分 別 是 Nitrosomonas和Nitrospira,Nitrosomonas和Nitrospira在樣品S1中的相對豐度(1.46%和 0.13%)顯著高于樣品S2(0.12%和 0.01%).據(jù)報道,Nitrosomonas和 Nitrospira是生活污水處理系統(tǒng)中AOB和NOB的優(yōu)勢菌屬[4,21-23],本文結果與文獻結論相一致.除此之外,兩樣品中都檢測出一個屬于亞硝化單胞菌科的Nitrosomonadaceae-uncultured屬,該屬在樣品 S1中的相對豐度(0.38%)也高于S2(0.15%),合計 Nitrosomonas、Nitrospira和Nitrosomonadaceae-uncultured在樣品S1中的總豐度是S2的7.06倍,這一結果從微生物菌屬角度上充分說明了延長污泥齡強化了硝化菌群豐度,這是S1硝化效果強于S2的主要原因.

此外,Hyphomicrobium、Thauera、Zoogloea等反硝化相關菌屬在樣品S1中的豐度也高于S2.其中Thauera是β-變形菌綱下的一類廣泛存在于污水處理系統(tǒng)中的功能菌群,能夠以硝氮或亞硝氮為電子受體并將其還原為氮氣的能力[24],有些 Thauera菌株還具有降解芳香族化合物的能力[25].這些菌屬豐度增強對于系統(tǒng)硝化能力的提升和水質(zhì)的改善,也起到了重要的促進作用.

3 結論

3.1 半年的工程實驗結果表明,提前將污泥齡由11.6d延長至32.2d能夠明顯提升冬季低溫階段 COD、氨氮和 TN的去除效率,硝化速率由0.54mgN/(gSS·h)增加至1.62mgN/(gSS·h).

3.2 焦磷酸測序結果表明,延長污泥齡后系統(tǒng)的微生物種群豐度和多樣性均顯著提高;氨氧化功能菌屬 Nitrosomonas(1.46%)和亞硝酸鹽氧化功能菌屬Nitrospira(0.13%)較對照組分別提高了12和13倍;反硝化相關菌屬Hyphomicrobium、Thauera、Zoogloea等的相對豐度也明顯增加.

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Nitrification enhancement and microbial community structure analysis for a full-scale wastewater treatment plant in winter.

QIU Zhan*(Shanghai Chengtou Wastewater Treatment Co., Ltd., Shanghai 201203, China). China Environmental Science, 2017,37(9)：3549～3555

Two 100,000m3/d bioreactors in a full-scale wastewater treatment plant (WWTP) were operated in parallel to investigate the effect of prolonging sludge retention time (SRT) on effluent quality, nitrification rate and microbial community structure in winter. The results showed that prolonging SRT in advance greatly enhanced removal efficiencies of COD, ammonia nitrogen and total nitrogen, as well as increased the nitrification rate as thrice of the control bioreactor. Further analysis by pyrosequencing showed that the abundance and diversity of microbial populations significantly increased by prolonging SRT. Compared to the control bioreactor, the relative abundance of Nitrosomonas (ammonia oxidizing bacteria, 1.46%) and Nitrospira (nitrifying oxidizing bacteria, 0.13%) were increased by 12 and 13 times, respectively. Prolonging SRT also enriched denitrifying bacteria, including Hyphomicrobium, Thauera and Zoogloea, etc. These results indicated that prolonging SRT in advance significantly enhanced nitrifying microbial communities, which resulted in the enhancement in the nitrification and denitrification efficiency of the full-scale WWTP.

sludge retention time；nitrification；wastewater treatment plant；microbial community；winter

X703.5

A

1000-6923(2017)09-3549-07

2017-02-24

水體污染控制與治理專項(2013ZX07314-003)

* 責任作者, 高級工程師, wnclg@sina.cn

裘 湛(1977-),男,浙江杭州人,高級工程師,博士,研究方向為污水廠運行管理與污泥處理處置技術.發(fā)表論文20余篇.