四種碳源條件下城市污水處理廠尾水深度脫氮的性能與微生物種群結(jié)構(gòu)

彭永臻， 王鳴岐， 彭 軼， 劉 瑩， 張 亮

(1.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， 水質(zhì)科學與水環(huán)境恢復工程北京市重點實驗室，北京 100024; 2.信開水環(huán)境投資有限公司， 北京 101101; 3.中山公用水務(wù)有限公司， 廣東 中山 528400)

我國一些超敏感水域如太湖、巢湖的富營養(yǎng)化程度嚴重，氮元素嚴重超標[1]. 水體氮元素含量過高是造成富營養(yǎng)化的重要原因[2-3]，因此嚴格控制超敏感水體氮素的輸入對生態(tài)環(huán)境修復至關(guān)重要. 城市污水是天然水體重要的污染源，在排放到受納水體前需要進行嚴格的處理. 雖然國家針對污水處理廠的出水制定了嚴格的排放標準，但是對于超敏感水域，即使城市污水處理廠的出水滿足一級A排放標準(GB18918—2002)，尾水中的氮元素仍足以引起這些水域富營養(yǎng)化現(xiàn)象的惡化[4]. 為實現(xiàn)敏感水域的水環(huán)境質(zhì)量提升，一些地區(qū)針對城市污水處理提出了更為嚴苛的總氮排放標準. 對于特定條件下的污水處理廠出水，要求達到我國《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB3838—2002)中Ⅲ類水標準，即出水ρ(TN)<1 mg/L. 然而，現(xiàn)有污水處理廠生化處理工藝出水穩(wěn)定達到一級A排放標準已有較大困難，為使污水處理廠最終排水滿足ρ(TN)<1 mg/L，仍需進一步優(yōu)化工藝流程以削減出水中的氮元素.

目前利用SBR進行反硝化的長期[13]及短期[14]試驗已有很多，但基于城市污水處理廠尾水水質(zhì)的研究仍較為缺乏. 城市生活污水廠尾水的低基質(zhì)條件可能對微生物生長產(chǎn)生不利影響，導致脫氮系統(tǒng)不穩(wěn)定. 因此該系統(tǒng)處理實際城市尾水的可行性仍有待進一步研究. 此外，城市尾水中生物可利用有機物含量低，通常需要外加電子供體來實現(xiàn)深度脫氮. 電子供體的種類對反硝化速率和效率具有重要影響. 近年來關(guān)于反硝化外加電子供體有許多新進展，包括新型的電子供體，如氣態(tài)電子供體(CH4、H2S)[13]、固態(tài)碳源[14]和無機電子供體(氫、硫等)[15-16]. 但目前氣態(tài)碳源反應(yīng)裝置構(gòu)造復雜昂貴，且脫氮效果不理想；固態(tài)碳源造價普遍昂貴，而其中價格低廉的植物源材料具有碳超標問題；無機電子供體普遍具有反應(yīng)速率低或操作復雜的問題. 以上碳源目前尚難以直接應(yīng)用到城市尾水處理中. 考慮到城市尾水脫氮對反硝化速率和效率的要求，投加液態(tài)碳源如甲醇[17]、乙醇、葡萄糖和乙酸鈉等仍是適宜選擇. 但是不同外碳源對系統(tǒng)的反硝化過程影響不同[18]，故需研究不同碳源對系統(tǒng)脫氮性能的影響. 除此之外，微生物種群結(jié)構(gòu)可反映碳源對系統(tǒng)影響的潛在機制. 針對微生物種群結(jié)構(gòu)的研究有助于理解不同碳源對脫氮的影響機制并促進工藝優(yōu)化.

1 材料與方法

1.1 試驗水質(zhì)

試驗用水分為進水和外碳源. 進水以實驗室規(guī)模生化反應(yīng)器出水為基礎(chǔ)，添加適量30 g/L NaNO3溶液配制成模擬水廠尾水，每日配制1次，試驗期間反應(yīng)器平均進水水質(zhì)如表1所示.

表1 試驗進水水質(zhì)Table 1 Characteristics of wastewater

試驗所用的接種污泥來自北京高碑店污水處理廠AAO工藝的回流污泥，該工藝主要處理城市生活污水. 接種后污泥質(zhì)量濃度MLSS為(2 412±107)mg/L，MLVSS為(1 557±67)mg/L.

1.2 試驗裝置及運行階段

試驗采用4個SBR進行(見圖1). 反應(yīng)器材質(zhì)為有機玻璃，高48.00 cm，內(nèi)徑17.50 cm，有效容積10 L. 使用精度為0.50 ℃的溫控探頭和自帶溫控的加熱棒共同控制系統(tǒng)溫度為25 ℃左右. 原水和外加碳源分別使用2個蠕動泵由原水箱加入. 4個反應(yīng)器分別投加乙酸鈉、葡萄糖、甲醇、乙醇作為外加碳源并分別編號為1#、2#、3#、4#. 4個反應(yīng)器運行周期相同且在整個試驗過程中保持不變. 每周期4 h，包含14 min進水、2 h攪拌、30 min排水和76 min閑置，排水比50%. 根據(jù)不同的COD/ρ(N)分為4個運行階段. 反應(yīng)各階段所用COD/ρ(N)見表2.

圖1 實驗裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of the SBR reactor

表2 試驗運行階段Table 2 Operating phase of the experiment

1.3 分析項目與方法

計算系統(tǒng)平均氮去除速率. 單位：kg/(m3·d).

1.4 高通量測序及分析方法

在運行第78天時，分別取4個反應(yīng)器攪拌均勻的狀態(tài)下的污泥樣品100 mL，離心3 min，使用凍干機在-50 ℃下進行真空凍干(LABCONCO Co.， Free Zone， USA)，隨后將4個污泥樣品和接種污泥的樣品送至上海美吉生物醫(yī)藥科技有限公司進行高通量測序分析，樣品16SrRNA中的V3-V4區(qū)被擴增，所用引物為338F (5′-ACTCCTACGGGAGGCAGCAG-3′)與 806R (5′-GGACTACHVGGGTWTCTAAT-3′). 高通量原始序列已上傳至 NCBI 數(shù)據(jù)庫，項目編號為PRJNA597417. 對獲得的5個樣品的高通量數(shù)據(jù)進行處理，以3%的差異閾值將其分類為序列聚類操作分類單元(operational taxonomic units,OTUs)，共獲得3 980個OTUs，隨后使用平臺對所獲結(jié)果進行分析.

2 結(jié)果與討論

2.1 反硝化系統(tǒng)的啟動及去除效果的達成

圖2 啟動DN-SBR系統(tǒng)的去除性能變化 removal performance in DN-SBR

表3 穩(wěn)定階段DN-SBR脫氮性能Table 3 Steady state performance of DN-SBR

2.2 反應(yīng)器污泥質(zhì)量濃度及沉降性

4個系統(tǒng)的污泥質(zhì)量濃度變化如圖3所示. 初始階段4個系統(tǒng)污泥質(zhì)量濃度均有所下降并最終穩(wěn)定，而葡萄糖作為外加碳源時系統(tǒng)的污泥質(zhì)量濃度還有所上升. 污泥質(zhì)量濃度的下降可能是由于不適宜反硝化條件的菌群被逐漸淘洗，但同時觀察到4個系統(tǒng)中VSS/SS指數(shù)均逐漸增大且污泥質(zhì)量濃度最終趨于穩(wěn)定，這表明菌群由原始混合菌群向適宜反硝化的菌群的逐漸演變和最終穩(wěn)定.

圖3 DN-SBR系統(tǒng)污泥質(zhì)量濃度動態(tài)Fig.3 Variation of sludge concentration in DN-SBR

此外，圖4展示了4個系統(tǒng)污泥沉降性能的變化情況. 在初始運行階段，4個系統(tǒng)的SVI均有一定上升，系統(tǒng)污泥沉降性能的下降可能與較低的基質(zhì)濃度有關(guān). 隨著反應(yīng)的進行，各個反應(yīng)器的污泥沉降性能均在最后2周進入不斷好轉(zhuǎn)或較為穩(wěn)定的狀態(tài). 污泥沉降性能發(fā)生好轉(zhuǎn)，出水懸浮物質(zhì)量濃度降低，為系統(tǒng)污泥質(zhì)量濃度的穩(wěn)定提供了有利條件，并進一步說明系統(tǒng)達到相對穩(wěn)定的狀態(tài). 乙酸鈉作為外加碳源時，系統(tǒng)的污泥沉降性能變化情況最為明顯，最高值達到157.90 mL/g，已發(fā)生輕微的污泥膨脹. 這可能是由于該體系較低的有機負荷引起了絲狀菌膨脹. 張立卿等[19]的研究報道了在低有機負荷下投加乙酸鈉的反硝化除磷體系出現(xiàn)的絲狀菌膨脹現(xiàn)象. 而楊雄等[20]的研究進一步顯示，在較低的有機負荷下，隨體系反應(yīng)時間的延長，投加乙酸鈉的體系比投加葡萄糖的體系更早發(fā)生污泥膨脹.

圖4 DN-SBR系統(tǒng)污泥體積系數(shù)動態(tài)Fig.4 Dynamic changes of SVI in DN-SBR

2.3 不同碳源反硝化系統(tǒng)的高通量測序分析

表4展示了種泥及使用不同碳源培養(yǎng)78 d后的4個反硝化系統(tǒng)污泥樣本在OTUs水平上的Chao1、Shannon、Simpson、Sobs、Ace指數(shù). 數(shù)據(jù)顯示，與種泥相比，當乙酸鈉和葡萄糖為外加碳源時，系統(tǒng)的微生物多樣性大幅下降，其中以乙酸鈉系統(tǒng)最為明顯. 這可能說明在乙酸鈉系統(tǒng)中存在競爭力極強的優(yōu)勢菌種，導致其他微生物種群被逐漸淘洗；而以醇類(甲醇、乙醇)為外加碳源培養(yǎng)的樣品中微生物多樣性反而有一定上升，且乙醇系統(tǒng)微生物多樣性上升更多.

表4 樣品物種多樣性指數(shù)Table 4 Diversity statics for samples

圖5展示了接種污泥和4個SBR系統(tǒng)中微生物門水平上的組成. 與種泥相比，4種碳源培養(yǎng)下的反硝化污泥的物種組成發(fā)生顯著變化. Nitrospirae門生物通常在硝化過程中起到重要作用，而由于培養(yǎng)環(huán)境缺乏氧氣和氨氮，4種污泥中的Nitrospirae門生物幾乎被淘洗完全. 綜合看4種污泥中的物種變化，發(fā)現(xiàn)在乙酸鈉、甲醇、乙醇系統(tǒng)中，Actinobacteria門生物占比均明顯下降，而在葡萄糖系統(tǒng)中，該門生物占比由種泥中的25%提升至45%，這可能說明Actinobacteria門生物在葡萄糖代謝中具有重要作用. Ito等[21]采用MAR-FISH方法對厭氧消化污泥進行研究，結(jié)果顯示所構(gòu)建的克隆文庫中有一半都是Actinobacteria門生物，故認為其為主要的葡萄糖降解生物. 同樣地，F(xiàn)irmicutes門生物在葡萄糖、甲醇、乙醇系統(tǒng)中的相對豐度顯著下降，而在乙酸鈉系統(tǒng)中由種泥的19%提升至94%，具有絕對優(yōu)勢的占比說明Firmicutes門生物在乙酸鈉為碳源的反硝化系統(tǒng)中可能具有強競爭優(yōu)勢，且應(yīng)具有反硝化功能. Firmicutes門是厭氧環(huán)境下重要的反硝化菌[22-23]. Deng等[24]以乙酸鈉為外加碳源，使用SBR懸浮培養(yǎng)系統(tǒng)進行反硝化反應(yīng)，硝態(tài)氮去除率在高碳氮比條件下接近100%，而Firmicutes門生物占據(jù)優(yōu)勢地位. 以上結(jié)果和本研究共同說明了Firmicutes門生物在乙酸鈉為碳源的反硝化系統(tǒng)中具有優(yōu)勢作用，可能與高進水碳氮比條件下形成的厭氧環(huán)境有關(guān). 種泥中的結(jié)果也與以上現(xiàn)象一致，這2個菌門的生物在種泥中均占有較大比例，而種泥所處環(huán)境為生活污水，其中常含有較高含量糖類，該種泥原有工藝中也需投加乙酸鈉作為補充碳源.

圖5 DN-SBR系統(tǒng)中門水平上的微生物種群組成Fig.5 Microorganism composition at phylum level in DN-SBRs

在反應(yīng)初期，葡萄糖反應(yīng)器中的硝態(tài)氮除了稀釋作用外幾乎沒有下降，即反硝化幾乎沒有發(fā)生，但COD有明顯消耗現(xiàn)象. 這可能是由于在培養(yǎng)初期，葡萄糖系統(tǒng)中能夠利用或吸附葡萄糖的主要為無明顯反硝化作用的微生物，當增大供給的碳源量至COD/ρ(N)=12時，反硝化微生物富集，硝態(tài)氮被高效去除. 污泥培養(yǎng)過程中微生物群落的變化情況與之一致. 種泥中Actinobacteria門已有25%相對豐度，培養(yǎng)78d后其相對豐度繼續(xù)提高至45%，該類微生物可降解葡萄糖，但是不以硝態(tài)氮為電子受體；而起始時種泥中Patescibacteria門相對豐度非常低，對資源的競爭能力可能相對很弱，而培養(yǎng)78 d后其相對豐度增長至44%，與Actinobacteria門幾乎相當. Patescibacteria門是2018年來提議組建的超級類群，該門生物的專門研究目前還比較少，在本試驗中可能起到反硝化作用. 但是目前尚未見到該類微生物具有直接與反硝化性能相關(guān)的報道[25]. 葡萄糖系統(tǒng)中該門生物在綱水平上主要為Saccharimonadia綱，據(jù)報道該綱生物可能與有機物代謝相關(guān)且易在高氮條件下聚集[26]，結(jié)合該門生物在甲醇、乙醇系統(tǒng)中增加的現(xiàn)象，猜想該門生物可能具有利用有機物進行反硝化的作用.

相比于乙酸鈉系統(tǒng)和葡萄糖系統(tǒng)，甲醇和乙醇系統(tǒng)在門水平上的種群分布具有較高的相似性. 2個系統(tǒng)中Proteobacteria門相對豐度均有顯著提升且占據(jù)主導地位，而Proteobacteria門中包含常見的反硝化功能菌[27]，可能與系統(tǒng)反硝化性能的提升密切相關(guān). Chloroflexi和Patescibacteria門相對豐度也均有一定提升，這2個門的生物可能與醇的代謝相關(guān)，Chloroflexi門生物本身是重要的反硝化相關(guān)門類，其中的Anaerolineaceae科、Caldilineaceae科、JG30-KF-CM45目生物具有反硝化功能[26]，而這些生物在2個系統(tǒng)的Chloroflexi門生物中占比較高，可能發(fā)揮一定反硝化作用，而考慮到Pastescibacteria門在葡萄糖系統(tǒng)中的表現(xiàn)，該門生物可能具有有機物利用和反硝化作用.

甲醇和乙醇系統(tǒng)的種群結(jié)構(gòu)也存在一定差異. 甲醇系統(tǒng)中Chloroflexi門相對豐度明顯高于乙醇系統(tǒng)，而Bacteroidetes門顯著較低. 甲醇系統(tǒng)的環(huán)境可能利于Chloroflexi門生物的生長.

3 結(jié)論

本研究對在4種碳源條件下，SBR城市尾水深度脫氮系統(tǒng)的性能和微生物種群結(jié)構(gòu)進行了探究，主要結(jié)論如下.

3) 碳源種類對該系統(tǒng)微生物種群組成具有顯著影響. 乙酸鈉和葡萄糖為碳源的系統(tǒng)污種群結(jié)構(gòu)單一，其中Firmicutes門微生物占據(jù)乙酸鈉系統(tǒng)微生物總量的94%，Actinobacteria門和Patescibacteria門分別占據(jù)葡萄糖系統(tǒng)微生物總量的45%和44%；與之相反，甲醇、乙醇系統(tǒng)中微生物種群的多樣性有所上升.