溶解氧對短程硝化穩(wěn)定性及功能菌群的影響

楊 慶,楊玉兵,楊忠啟,黃斯婷,周薛揚,劉秀紅

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溶解氧對短程硝化穩(wěn)定性及功能菌群的影響

楊 慶,楊玉兵,楊忠啟,黃斯婷,周薛揚,劉秀紅*

(北京工業(yè)大學城鎮(zhèn)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)

在常溫條件下,采用序批式反應器(SBR)研究不同溶解氧(DO)濃度對短程硝化穩(wěn)定性的影響.在低DO(0.5mg/L)條件下,前75個周期可以一直維持短程硝化,亞硝積累率(NAR)在80%以上,但是隨著運行周期增加,NAR逐漸減少,到105個周期已完全變?yōu)槿滔趸?通過接種同一污泥提高DO濃度到2.5mg/L,經(jīng)過180個周期,NAR始終在90%以上,能夠長期維持短程硝化的穩(wěn)定運行.通過不同DO條件下AOB和NOB的氧半飽和常數(shù)對比分析及qPCR試驗研究,結(jié)果表明長期低DO條件下容易使的生長獲得優(yōu)勢,是影響短程硝化穩(wěn)定的重要因素,高DO條件下,AOB對溶解氧具有更高的親和力,通過提高供氧濃度的策略,可以維持短程硝化的長期穩(wěn)定.

溶解氧；短程硝化；氨氧化菌；亞硝酸鹽氧化菌；氧半飽和常數(shù)

與傳統(tǒng)硝化反硝化工藝相比,短程硝化工藝能夠節(jié)省曝氣能耗、縮短反應時間、節(jié)省反硝化碳源、減少污泥生成量等優(yōu)點[1-2],實現(xiàn)短程硝化的關(guān)鍵在于氨氧化細菌(AOB)的富集以及亞硝酸氧化菌(NOB)的抑制和淘洗[3].迄今為止,已建立了一些可行的實現(xiàn)短程硝化的控制手段和策略,主要包括低溶解氧(DO)、高溫、SRT控制、游離氨抑制、運行方式及曝氣時間控制等[4-5].普遍認為,AOB的氧半飽和常數(shù)小于NOB[6],在低DO條件下,氨氧化菌(AOB)的活性大于亞硝酸鹽氧化菌(NOB),NOB在低DO條件下受到抑制而逐步被淘汰.Blackburne等[7]基于該理論在低DO(0.4mg/L)和SRT為2.4d的條件下,實現(xiàn)90%的亞硝積累,張功良等[8]控制DO(0.9~1.5)mg/L也實現(xiàn)了短程硝化,可見大多數(shù)研究在低DO條件下實現(xiàn)了短程硝化.然而有研究表明長期低溶解氧會導致活性污泥解體和發(fā)生絲狀菌膨脹[9],此外,溶解氧濃度會影響反應器內(nèi)微生物的群落結(jié)構(gòu)與活性[10].因此,即使某些條件實現(xiàn)了短程硝化,但是并未能夠長期維持穩(wěn)定,短程硝化是實現(xiàn)一些主流脫氮技術(shù)(短程-厭氧氨氧化、CANON)的關(guān)鍵,實現(xiàn)該工藝的關(guān)鍵是維持短程硝化長期穩(wěn)定,本文采用Monod方程擬合AOB和NOB的氧半飽和常數(shù)并結(jié)合qPCR的分析方法,研究維持短程硝化長期穩(wěn)定的策略,對其實際應用具有重要作用.

1 材料與方法

1.1 試驗裝置與方法

1.1.1 短程硝化SBR反應裝置 SBR反應裝置材質(zhì)為有機玻璃,有效容積19.5L,高1100mm,內(nèi)徑150mm,試驗裝置如圖1所示.每天運行一個周期,整個反應過程中,由加熱棒和溫控系統(tǒng)控制反應溫度在25℃,好氧反應階段由空氣壓縮機曝氣,低DO系統(tǒng)和高DO系統(tǒng)分別控制溶解氧濃度為(0.5±0.1)mg/L和(2.5±0.5)mg/L;缺氧階段投加乙醇作為反硝化碳源,整個反應過程一直進行攪拌,以保持系統(tǒng)內(nèi)泥水混合狀態(tài),好氧缺氧反應時間按照實時控制策略[11]運行,反應結(jié)束后沉淀30min,排水12L.

圖1 SBR試驗裝置示意

1.1.2 氧半飽和常數(shù)批次試驗裝置與方法 分別取1L低DO系統(tǒng)運行第105d和高DO系統(tǒng)運行第125d曝氣結(jié)束后的混合污泥,洗滌3次后,加入到1L燒杯中,利用磁力攪拌器攪拌,流量計控制流量,保持25℃恒定,試驗裝置如圖2.采用SBR反硝化出水作為批次試驗進水.批次試驗過程中,加入反硝化出水后,先曝氣30min以去除剩余COD,之后再加入硫酸銨或亞硝酸鈉作為基質(zhì).NH4+-N(硫酸銨):25mg/L, NO2--N(亞硝酸鈉):10mg/L,利用1mol/L NaHCO3調(diào)節(jié)初始pH值為7.8.低DO小試系統(tǒng)控制DO為0.2,0.4,0.6,0.8,1.2mg/L,高DO小試系統(tǒng)控制DO為0.2,0.6,1.2,1.8,2.4mg/L.

每一個DO濃度做3個平行周期,每個DO濃度先做AOB的氧半飽和常數(shù)(只加硫酸銨),之后再做NOB的氧半飽和常數(shù)(只加亞硝酸鈉).DO濃度從低到高.根據(jù)數(shù)據(jù)繪制得出每個DO濃度水平下的比氨氧化速率和比亞硝酸鹽氧化速率.最后用Origin擬合Monod方程,得出活性污泥中AOB和NOB的氧半飽和常數(shù).

圖2 批次試驗反應裝置

1.2 進水水質(zhì)與測定方法

1.2.1 接種污泥與進水水質(zhì) 試驗所用種泥取自穩(wěn)定運行的大型中試短程SBR內(nèi)活性污泥,污水取自北京市某家屬小區(qū)實際生活污水.進水水質(zhì)和控制參數(shù)如表1.

表1 試驗水質(zhì)情況

1.2.2 水質(zhì)測定方法 COD采用快速消解分光光度法測定; NO2--N采用N-(1-萘基) -乙二胺光度法測定[12],NO3--N采用麝香草酚分光光度法測定[12], NH4+-N采用納氏試劑分光光度法測定[12];MLSS采用濾紙重量法測定; Multi340i型便攜式多功能pH值和DO測定儀在線測定反應過程中的pH值和DO濃度.

1.3 DNA的提取與實時熒光定量PCR分析方法

提取活性污泥樣品DNA前,將樣品置于凍干機中凍干3d.稱取約0.05g凍干污泥樣品,按照FastDNA?SPIN Kit for Soil試劑盒的操作說明書提取DNA,之后利用BioSpec-nano(SHIMADZU,Japan)測定DNA濃度和純度.

將所得的質(zhì)粒標準品用滅菌純水進行10倍梯度稀釋,分別稀釋成1×102~1×109copies/μL,建立標準曲線.對于標準品和未知樣品,每個樣品分別做3個平行,并設置陰性對照,即模板用等量的無菌純水替代.qPCR反應體系為20μL,采用SYBR?Premix Ex Taq? II(Taraka,Japan)試劑.反應所使用的引物見表2,各引物反應程序分別總結(jié)如下[13]:

(1)AOB的qPCR定量,按照預變性:95℃30s;基因擴增:95℃5s,58℃30s,72℃40s (40個循環(huán));溶解曲線:95℃15s,60℃30s,95℃15s(1個循環(huán)).

(2)r(NOB)的16s基因qPCR定量,按照預變性:95℃30s;基因擴增:95℃5s,52℃30s,72℃40s (40個循環(huán));溶解曲線:95℃15s,60℃30s,95℃15s(1個循環(huán)).

(3)(NOS)的16s基因qPCR定量,按照預變性:95℃30s;基因擴增:95℃5s,60℃20s,72℃30s (40個循環(huán));溶解曲線:95℃15s,60℃30s,95℃15s(1個循環(huán)).

試驗完成,確認擴增效率 Efficiency 為 90%~ 120%之間,標準曲線線性關(guān)系2>0.98, 溶解曲線為單一峰,滿足以上條件后,由反應標準曲線計算得到未知樣品的定量結(jié)果.

表2 qPCR反應引物總結(jié)

2 結(jié)果與討論

2.1 不同DO條件下短程硝化維持情況

2.1.1 低DO條件下短程硝化破壞 低DO (0.5mg/L)條件下SBR的運行效果如圖3,短程硝化過程中,NO2--N的生成量隨著進水NH4+-N波動,當進水NH4+-N濃度較高時,NO2--N生成量也較高.NO3--N在運行期間生成量很小,維持在2mg/L以下.到45周期,NAR為92.8%,但是NAR隨著運行周期增加逐漸降低,說明系統(tǒng)已經(jīng)不穩(wěn)定.在105周期時,NAR明顯下降,到130周期,逐漸降低至7.3%,短程硝化已經(jīng)破壞,到162周期NAR為4.5%.短程硝化破壞后,SBR運行以全程硝化反硝化的形式運行,DO濃度和溫度控制策略不變.到185周期,依然為全程硝化,短程硝化無法恢復.

在低DO條件下,AOB和NOB的增殖速率均下降,而AOB對于有限D(zhuǎn)O的競爭力強于NOB,補償了由于低DO所造成的代謝活性下降,使得氨氧化階段沒有受到明顯的影響,即使可以實現(xiàn)短程硝化,而長期低DO將導致短程破壞.此外,這種方式以犧牲AOB的生長量為代價,在有效抑制NOB的同時也在一定程度上削弱了對NH4+-N的高效轉(zhuǎn)化,同時低DO也不利于好氧異養(yǎng)菌的生長,Regmi等[14]的試驗證明高DO(大于1.5mg/L)條件下,AOB對DO的競爭力大于NOB,Ruiz等[15]以高NH4+-N廢水為研究對象,控制DO為1.5mg/L,獲得了較高的亞硝積累率和氨氧化速率,Park等[16]的研究表明,AOB的某些種屬(如)很適合在高DO條件下生長,因此較高DO也可以實現(xiàn)穩(wěn)定的短程硝化,鑒于這些研究結(jié)果,可尋求能夠長期維持短程硝化的方法.

圖3 低DO系統(tǒng)NH4+-N、NO2--N、NO3--N去除情況

2.1.2 高DO條件下短程硝化長期維持穩(wěn)定 接種同一中試短程SBR內(nèi)活性污泥,在高DO(2.5mg/L)條件下,采用實時控制的運行方式,短程硝化SBR運行效果如圖4,出水NO2--N隨著進水NH4+-N波動,出水NO3--N低于2mg/L,亞硝累積率穩(wěn)定達到90%以上,長期運行180d,能夠維持穩(wěn)定的短程硝化.

圖4 高DO系統(tǒng)NH4+-N、NO2--N、NO3--N去除情況

2.2 不同供氧策略對維持短程硝化穩(wěn)定的影響

大多數(shù)研究表明,AOB和NOB的種群結(jié)構(gòu)對短程硝化具有重要影響,此外,通過Monod方程得出的氧半飽和常數(shù)代表了AOB和NOB對氧的親和性,因此研究兩種硝化污泥的功能菌及氧半飽和常數(shù)可進一步分析長期低DO短程破壞,而提高DO可以維持短程硝化長期穩(wěn)定的原因.

2.2.1 低DO條件下硝化污泥功能菌群結(jié)構(gòu)分析 低DO系統(tǒng)AOB和NOB在運行期間的菌群數(shù)量如圖5,S1、S2、S3、S4分別代表接種污泥、第45、90、156個周期的污泥,隨行運行周期的增加,NAR積累逐漸降低,短程硝化轉(zhuǎn)變?yōu)槿滔趸? AOB的數(shù)量在趨勢上是逐漸增大的,由1.89× 104copies/g dry sludge增加到8.27×104copies/g dry sludge,說明AOB可能不是影響NAR積累的主要因素.同時,SBR系統(tǒng)長期在低DO條件下運行,但NOB數(shù)量并沒有降低,說明NOB生長在低DO環(huán)境中并沒有受到抑制.

NOB的菌群和豐度對短程硝化具有關(guān)鍵作用,因此,NOB菌群的2個主要種屬(和)與短程硝化的穩(wěn)定性密切相關(guān),以前的研究認為是NOB的主要種屬,而目前認為,在大多數(shù)污水處理系統(tǒng)中,是主要的種屬,由于其具有更低的亞硝半飽和常數(shù)(s= 0.25mgN/L),為(s=0.39mgN/L),在低氨氮和亞硝濃度下,更可能去主導亞硝酸鹽氧化[17-18],隨著亞硝積累率的下降,迅速生長,導致短程系統(tǒng)逐步變?yōu)槿滔趸到y(tǒng),而則適應于基質(zhì)濃度較高的環(huán)境,通過qPCR定量分析,由結(jié)果可知,從短程到全程硝化過程中,的數(shù)量基本沒有變化,而的數(shù)量卻大幅度增加,進一步說明是影響短程硝化轉(zhuǎn)變成全程硝化的重要微生物.同時,長期低DO使得NOB種群數(shù)量發(fā)生變化.在短程硝化情況良好的種泥中,NB-NOB數(shù)量為1.51×107copies/g dry sludge,而NS-NOB數(shù)量為1.10×106copies/g dry sludge,NB-NOB的數(shù)量比NS-NOB的數(shù)量多1個數(shù)量級.在低DO環(huán)境運行后,NS-NOB的數(shù)量增長明顯,達到全程硝化后,數(shù)量級遠高于NB-NOB,成為NOB的主要菌群.Liu等[10]研究表明,當DO濃度小于0.5mg/L,且SRT為40d時,NS-NOB數(shù)量遠大于NB-NOB數(shù)量,并且很快形成全程硝化,本研究結(jié)果與其類似.

圖5 低DO系統(tǒng)不同周期的菌群數(shù)量變化

2.2.2 低DO條件下硝化污泥特性 (1)低DO條件下硝化污泥的比氨氧化速率:由圖6可知,當DO濃度在0.2~2.0mg/L范圍內(nèi),初始氨氮和亞硝濃度分別為25mg/L和10mg/L時,DO濃度水平越高,氨氧化速率和亞硝酸鹽氧化速率越高,且在相同DO濃度下,亞硝酸鹽氧化速率遠大于氨氧化速率,這表明系統(tǒng)中NOB已成為優(yōu)勢菌群,使得短程硝化難以恢復,而一直保持全程硝化.

圖6 低DO濃度水平下的氨氧化速率和亞硝酸鹽氧化速率曲線

種屬的亞硝酸鹽氧化菌為-對策者生長,這種物種值較小,生長速率較低,但是對底物基質(zhì)的親和力較強.而種屬的亞硝酸鹽氧化菌正好相反,它是-對策者,這種物種具有較高的生長速率,但對底物基質(zhì)的親和力較弱[21].因此,在低DO條件下,種屬比種屬更能競爭溶解氧,其生長速率更高,故而會導致以為優(yōu)勢種群的NOB的氧半飽和常數(shù)小于AOB.另一方面,據(jù)報道缺乏對抗氧脅迫的保護機制,這也可能是因為其起源于缺氧或微氧環(huán)境中導致[22].本研究中,NOB的氧半飽和常數(shù)小于一般值(1.2~1.5)mg/L,為0.280mgO2/L,且與AOB的氧半飽和常數(shù)基本相同,這是NOB種群中為優(yōu)勢種群造成的,這與功能菌的結(jié)果一致.綜合以上分析可知,低DO有利于SBR反應器中種屬的生長,最終導致低DO條件短程硝化破壞.

圖7 低DO系統(tǒng)AOB和NOB的Monod方程擬合結(jié)果

2.2.3 高DO條件下硝化污泥功能菌群結(jié)構(gòu) 菌群數(shù)量如圖8,S1、S2、S3、S4分別代表接種污泥、第78、106、146個周期的污泥,隨著運行周期的增加,亞硝積累率始終維持在90%以上,形成穩(wěn)定的短程硝化,AOB的數(shù)量隨運行周期增加呈現(xiàn)增長趨勢,由3.177×104copies/g干污泥增加到2.655× 105copies/g干污泥,這與低DO系統(tǒng)的結(jié)果相同.這表明溶解氧的高低不會對AOB產(chǎn)生抑制作用,隨著運行周期的增加,高DO系統(tǒng)中的數(shù)量呈增加趨勢,由8.511×105copies/g干污泥增加到5.657×106copies/g干污泥,Huang等[23]研究表明高DO(大于1.0mg/L)環(huán)境有利于的增長,本研究結(jié)果與其類似,然而的數(shù)量基本沒有變化,且小于的數(shù)量,說明高DO可以抑制的生長,即使高DO系統(tǒng)中NOB的數(shù)量遠高于AOB,但是依然可以形成穩(wěn)定的短程硝化,進一步說明AOB在菌群中的數(shù)量不是影響穩(wěn)定短程硝化的主要原因,因此,通過提高DO的控制策略,抑制種屬的亞硝酸鹽氧化菌的生長,便可以達到長期穩(wěn)定短程硝化的目的.

圖8 高DO系統(tǒng)運行期間的菌群數(shù)量及NAR變化

2.2.4 高DO條件下硝化污泥特性 (1)高DO條件下硝化污泥的比氨氧化速率:圖9中,初始氨氮濃度為25mg/L時,DO濃度由0.2mg/L升高到0.6mg/L,氨氧化速率極大的增加,由31.7mgN/(gVSS·h)升高到45.5mgN/(gVSS·h)當DO濃度在(0.6~2.4) mg/L范圍內(nèi),隨著DO濃度升高,氨氧化速率升高,但變化較小,而在高DO條件下,可以維持較高的比氨氧化速率.與低DO全程硝化相比,相同DO下,短程硝化具有更高的比氨氧化速率,說明長期高DO運行的短程硝化污泥AOB具有更高的活性.該短程硝化污泥基本沒有NOB的作用,NOB的活性受到抑制.

圖9 高DO濃度水平下的氨氧化速率曲線

(2)高DO條件下硝化污泥的氧半飽和常數(shù):圖10為高DO系統(tǒng)內(nèi)AOB的Monod方程,利用Origin擬合后得出AOB的Monod方程為

式中:vmax=267.55mgN/(L·d),KO2,AOB=(0.064±0.008) mgO2/L(95%的置信區(qū)間).由于是短程硝化污泥,故基本沒有亞硝酸鹽氧化作用.從結(jié)果可以看出,AOB的氧半飽和常數(shù)低于理論值(0.2~0.4)mg/L,這表明AOB對溶解氧具有很高的親和力.以前的研究發(fā)現(xiàn)Nitrosomonas是AOB的主要菌種,Kim等[24]報道Nitrosomonas-like AOB對溶解氧有極高的親和力,這也可能是造成氧半飽和常數(shù)較低的原因.Bao等[25]的研究發(fā)現(xiàn),在高DO環(huán)境下,短程硝化AOB/NOB的豐度極大地增加,在高DO條件下,AOB更有能力競爭溶解氧,隨著AOB菌群豐富的增加,這導致溶解氧優(yōu)先用于氨氧化,NOB的活性受到抑制.本研究在高DO條件下,短程硝化污泥始終保持穩(wěn)定,這與AOB對氧的高親和力有極大關(guān)系.

3 結(jié)論

3.1 低DO條件下,SBR在短程硝化運行過程中,隨著運行周期的增加,亞硝積累率從100%逐漸降至4.5%,說明在長期運行過程中低DO條件并不利于短程硝化實現(xiàn)長期穩(wěn)定,這是由于AOB和NOB菌群結(jié)構(gòu)發(fā)生變化造成的.通常認為,低DO條件更有利于實現(xiàn)短程硝化,但是長期低DO條件會導致短程硝化破壞,而通過提高溶解氧濃度,短程硝化可以長期維持穩(wěn)定.

3.2 低DO系統(tǒng)內(nèi)AOB和NOB的氧半飽和常數(shù)分別為0.281mgO2/L和0.280mgO2/L,兩者非常接近,并且NOB的生長速率遠大于AOB,故NOB作為優(yōu)勢菌發(fā)揮作用.高DO系統(tǒng)內(nèi)AOB的氧半飽和常數(shù)為0.064mgO2/L,表明AOB對溶解氧有極高的親和力.并且在高DO環(huán)境下,可以維持很高的氨氧化速率.

3.3 在低DO系統(tǒng)種泥中,數(shù)量大于,而隨著亞硝積累率的下降,數(shù)量逐漸增大并超過數(shù)量,說明低DO條件下容易使Nitrospira的生長獲得優(yōu)勢是影響短程硝化穩(wěn)定的重要因素,而在長期高DO條件下,可以抑制的生長,即使高DO系統(tǒng)中NOB的數(shù)量遠高于AOB,但是依然可以形成穩(wěn)定的短程硝化.

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Effect of dissolved oxygen on the stability and functional microbial communities of the partial nitrification.

YANG Qing, YANG Yu-bing, YANG Zhong-qi, HUANG Si-ting, ZHOU Xue-yang, LIU Xiu-hong*

(National Engineering Laboratory for Advanced Municipal Wastewater Treatment and Reuse Technology, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China)., 2018,38(9)：3328~3334

The stability of partial nitrification at different dissolved oxygen (DO) concentration was studied in SBR at room temperature. Under the low DO concentration of 0.5mg/L, the partial nitrification kept stable for 75cycles with the nitrite accumulation rate (NAR) higher than 80%. Until 105cycles, the NAR gradually decreased and the partial nitrification transformed to the complete nitrification. However, using the same sludge, the partial nitrification kept long-term stable of 180cycles under the DO concentration of 2.5mg/L. Furthermore, NAR was higher than 90%. These results indicated under high DO concentration, the stable operation of partial nitrification can be maintained for a long period of time. The oxygen half saturation constant of AOB and NOB, and qPCR tests indicated that low DO might be benefit to the growth ofthat resulted in the unstable of the partial nitrification. Moreover, under high DO concentration, AOB had higher affinity for oxygen. Therefore, high oxygen concentration could maintain long-term stability of partial nitrification.

dissolved oxygen；partial nitrification；ammonia-oxidizing bacteria；nitrite-oxidizing bacteria；half-saturation constants of oxygen

X703

A

1000-6923(2018)09-3328-07

楊 慶(1979-),男,黑龍江哈爾濱人,副教授,博士,主要從事污水生物處理研究.發(fā)表論文90余篇.

2018-01-23

國家自然科學基金資助項目(51508561);北京市自然科學基金資助項目(8182012)

* 責任作者, 副研究員, lxhfei@163.com