溫度沖擊引起的絲狀菌污泥膨脹菌群特征

高春娣,韓穎璐,程麗陽,楊簫陽,畢豪華,歐家麗,彭永臻

溫度沖擊引起的絲狀菌污泥膨脹菌群特征

高春娣*,韓穎璐,程麗陽,楊簫陽,畢豪華,歐家麗,彭永臻

(北京工業(yè)大學環(huán)境與生命學部,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)

為探究溫度沖擊引起的污泥膨脹機理,以生活污水為處理對象,采用SBR工藝分別運行溫度驟降系統(tǒng)和溫度梯度降低系統(tǒng),利用Illumina MiSeq高通量測序技術(shù)分析溫度變化過程中微生物群落整體變化,并對膨脹階段優(yōu)勢絲狀菌類型進行解析.結(jié)果表明,溫度驟降系統(tǒng)優(yōu)勢絲狀菌為微絲菌(),SVI值升高至291mL/g以上,溫度梯度降低系統(tǒng)優(yōu)勢絲狀菌為Eikelboom Type 0092型絲狀菌,SVI值穩(wěn)定維持在250mL/g,因此Eikelboom Type 0092型絲狀菌適宜在溫度沖擊環(huán)境中生長繁殖.溫度沖擊方式不同導致菌群組成具有差異性,Proteobacteria相對豐度均值為39.3%,其占比在不同階段變化較小.兩個系統(tǒng)在污泥膨脹階段Actinobacteria和Chloroflexi的相對豐度占比不同.各樣本中與去除有機物相關(guān)微生物菌群豐度均值為13.6%,其相對豐度均值為2.48%,占NOB總含量80%以上.溫度梯度降低系統(tǒng)發(fā)生的Eikelboom Type 0092型絲狀菌型污泥微膨脹,其出水水質(zhì)沒有發(fā)生嚴重惡化,COD和NH4+-N的去除效果均高于溫度驟降系統(tǒng).

溫度沖擊；Eikelboom Type 0092；微生物群落；功能菌；污泥微膨脹

目前活性污泥法成本低廉、處理效果好是我國城市污水處理廠廣泛應用的處理技術(shù).活性污泥是復雜的微生物生態(tài)集合[1],常由于各種綜合環(huán)境因素引發(fā)污泥膨脹問題,影響污水處理廠穩(wěn)定運行,導致污泥性狀改變和沉降性變差[2].研究發(fā)現(xiàn),生態(tài)環(huán)境的選擇作用顯著影響微生物菌群的動態(tài)變化,進而影響污染物處理效果.大量研究表明,不同溫度下可發(fā)生不同程度的污泥膨脹,優(yōu)勢絲狀菌種類不同[3].本課題組[4]考察低溫條件下引發(fā)污泥膨脹,導致絲狀菌群豐度升高和關(guān)鍵功能菌群豐度下降,絲狀菌種類較為單一,多數(shù)微生物在低溫環(huán)境中無法生存,而微絲菌()數(shù)量增大,經(jīng)常在冬季出現(xiàn).Jiang等[5]、Wagner等[6]均發(fā)現(xiàn)Eikelboom Type 0092的大量繁殖與較低的環(huán)境溫度密切相關(guān),但不會引起嚴重的污泥膨脹.在常溫下,王杰等[7]在A/O系統(tǒng)中,A/O比為4/4時沉降性嚴重惡化Eikelboom Type 0041為優(yōu)勢絲狀菌.. spp型絲狀菌的最適溫度為30℃,在高溫環(huán)境中大量繁殖,當環(huán)境溫度持續(xù)升高至35℃,型絲狀菌大量增殖并引發(fā)污泥膨脹[3].迄今為止,已有30多種絲狀菌在污水廠被發(fā)現(xiàn)和研究,但不同絲狀菌生理特性與生存環(huán)境具有很大差異.與此同時,我國城市污水處理廠由于季節(jié)變換處于冷熱過渡時期,產(chǎn)生溫度沖擊對污水處理廠運行的穩(wěn)定性造成影響,可能引發(fā)污泥膨脹,而針對溫度沖擊引發(fā)污泥膨脹的研究較少,缺乏在溫度沖擊環(huán)境中識別活性污泥的菌群變化狀況以及優(yōu)勢絲狀菌的類別,因此完善特定絲狀菌的生理特性,深入研究污泥膨脹系統(tǒng)微生物群落多樣性變化,了解微生物群落結(jié)構(gòu)在溫度沖擊下的演變機制[8],完善污泥膨脹理論具有重要意義.本文采用SBR反應器,探究不同溫度梯度變化對系統(tǒng)沉降性的影響,對溫度沖擊環(huán)境下引發(fā)污泥膨脹的菌群動態(tài)變化以及生物多樣性進行充分研究,以期為我國大型城市污水處理廠穩(wěn)定高效運行控制策略的建立奠定堅實的科學數(shù)據(jù)基礎.

1 材料與方法

1.1 實驗裝置

圖1 含水浴SBR試驗裝置

1.WTW3420型溶解氧儀;2.溫控器;3.制冷器;4.DO探頭;5.pH探頭;6.電動攪拌器;7.曝氣盤;8.轉(zhuǎn)子流量計;9.曝氣氣泵;10.進水閥門;11.進水蠕動泵;12.進水水箱;13.出水閥門

本試驗采用含有水浴層的序批式反應器(SBR)作為主要裝置,2個反應器容積均為3L,運行期間每個周期進水1.5L、排水1.5L,排水比為50%.水浴層連接的制冷片功率為288W,可在1h將10L水浴層的水溫由28℃降至10℃,與其配套溫控器的控溫范圍為-9～99℃,反應器上部固定電動攪拌器,其底部安裝曝氣盤與轉(zhuǎn)子流量計和空氣壓縮機連接,直接調(diào)控溶解氧(DO)量,同時配置WTW3420型溶解氧儀配有DO探頭和pH值探頭,實現(xiàn)對系統(tǒng)內(nèi)溶解氧量和pH值的實時監(jiān)測,進水口連接蠕動泵自動進水、電動閥自動出水.試驗裝置如圖1所示.

1.2 試驗水質(zhì)及接種污泥

本試驗接種污泥取自北京市高碑店污水處理廠二沉池回流污泥,接種污泥具有良好的硝化性能.進水水質(zhì)為某高校家屬區(qū)實際生活污水,平均C/N<3.0為低碳氮比生活污水,試驗水質(zhì)具體參數(shù)見表1.

表1 生活污水的水質(zhì)參數(shù)

1.3 試驗運行方案

本實驗采用2個SBR反應器平行進行,分為3個階段,試驗共進行110天,每天運行3個周期,階段一和階段三SBR1與SBR2均處于常溫階段,階段二兩個反應器采用不同的方式改變溫度,其中SBR1驟降至低溫,SBR2逐漸降低溫度再逐漸升溫.SBR1與SBR2均采用5min瞬時進水以模擬高底物濃度梯度的系統(tǒng),采用間歇曝氣的方式運行,每個周期交替運行6次,其中缺氧30min,好氧30min,好氧期間DO濃度維持在(0.4～0.6)mg/L,污泥的質(zhì)量濃度(MLSS)為 2300～3000mg/L,具體的運行方案見表2.

表2 試驗運行方案

1.4 分析指標和方法

本試驗水樣分析項目中,對化學需氧量(COD)、NH4+-N、污泥濃度(MLSS)和污泥指數(shù)(SVI值)按照國家標準(HJ/T 399-2007)與(HJ 535-2009)測定.DO和pH值采用WTW溶解氧儀(Multi3420型)測定.

為觀察膨脹泥樣,SBR1系統(tǒng)泥樣取自系統(tǒng)運行第80d,SBR2系統(tǒng)泥樣取自系統(tǒng)運行第55d和第85d,分別進行普通鏡檢和熒光原位雜交技術(shù)分析(FISH),其中普通鏡檢采用革蘭氏染色,通過OLYMPUS- BX61顯微鏡觀察,并依據(jù)Eikelboom絲狀菌手冊推測優(yōu)勢絲狀菌,熒光原位雜交技術(shù)進一步確定絲狀菌類別,所使用的寡核苷酸探針信息見表3.

為研究微生物群落變化,在兩個系統(tǒng)的不同溫度運行階段分別提取泥樣,在SBR1系統(tǒng)運行第15d、第80d和第100d提取污泥,依次編號為A1、A2和A3,在SBR2系統(tǒng)運行第15d、第40d、第55d、第70d、第85d和第100d提取污泥,依次編號為B1、B2、B3、B4、B5和B6,將凍干后的泥樣采用Fast DNA Spin Kit for Soil(QBIO gen IncCarlsba,CA美國)DNA提取試劑盒并按照其步驟提取活性污泥樣品的總DNA.

定量PCR采用SYBR-Green法,AOB、spp.、spp.和spp.所用的引物見表4.定量PCR采用20 μL體系,該體系配置按照SYBR? Premix Ex Taq ?(Takara, Dalian, China)試劑盒說明書配置,qPCR實驗所用的引物見表4.

將提取后的DNA送至上海美吉生物醫(yī)藥科技有限公司完成測序建庫工作,針對16s V3-V4區(qū)進行Miseq擴增子測序,測序數(shù)據(jù)經(jīng)拼接、質(zhì)控和去接頭后獲得優(yōu)化序列,在優(yōu)化序列的基礎上按照97%相似性對非重復序列進行OTU聚類,利用美吉云平臺iSanger進行多樣性分析,對97%相似水平的OTU代表序列進行分類學分析,在各個水平統(tǒng)計樣品的群落組成并分析樣品多樣性.

表3 FISH分析中采用的寡核苷酸探針

注:1)表示EUB探針結(jié)合其他目標菌探針一起使用,其FA濃度使用目標菌探針的FA濃度.

表4 qPCR引物的寡核苷酸序列及反應條件

2 結(jié)果與分析

2.1 不同類型絲狀菌污泥膨脹的形成

SBR1與SBR2全階段污泥容積指數(shù)變化曲線如圖2所示.兩個反應器采用相同的運行方式,在不同變溫方式下污泥沉降性能存在差異.階段一(25±0.5)℃,兩個系統(tǒng)均接種沉降性能良好,絮體緊實,經(jīng)過馴化并適應實驗室水質(zhì)和運行狀況的污泥,兩系統(tǒng)的SVI值均在70～80mL/g之間.隨著系統(tǒng)長期運行,SVI值有所升高,均在120mL/g左右.由此可見,25℃為絲狀菌與菌膠團適宜的環(huán)境溫度[3],絲狀菌在一定程度上生長,但對菌膠團生長更有利,污泥沉降性能良好,系統(tǒng)運行穩(wěn)定,未發(fā)生污泥膨脹現(xiàn)象,出水水質(zhì)較好,能有效去除污染物質(zhì).

階段二SBR1系統(tǒng)溫度驟降至(12±0.5)℃,系統(tǒng)呈現(xiàn)污泥膨脹趨勢,SVI值持續(xù)升高,長期低溫對系統(tǒng)沉降性影響較大,第76dSVI值升高至291mL/g以上,污泥絮體形態(tài)如圖3a所示,其結(jié)構(gòu)松散,絲狀菌的菌絲大量伸出菌膠團,FI指數(shù)為4,沉降性能惡化,進一步采用熒光原位雜交技術(shù)(FISH)分析,如圖3d所示,優(yōu)勢絲狀菌為微絲菌().Fan等[13]發(fā)現(xiàn)在低溫環(huán)境中,微絲菌豐度持續(xù)增加,污泥膨脹程度加劇,與本實驗結(jié)果一致,進一步說明低溫容易導致微絲菌大量繁殖.的繁殖與該生物體的基本生物學特征和細菌群落特征密切相關(guān).大量研究表明是一種生長速率較慢的絲狀菌[14],橫隔壁不見或不可見,菌絲呈彎曲狀,表面疏水,革蘭氏染色陽性[15],在菌群發(fā)育關(guān)系上屬于放線菌門[16],在低溫的環(huán)境中大量生存[17].

SBR2系統(tǒng)小梯度降溫,分別在(20±0.5)℃、(15±0.5)℃、(10±0.5)℃及(18±0.5)℃連續(xù)運行15d.當系統(tǒng)溫度為(20±0.5)℃時,SVI值大于150mL/g,FI指數(shù)為2,呈現(xiàn)污泥膨脹趨勢,之后污泥沉降性持續(xù)惡化,SVI值穩(wěn)定維持在250mL/g,FI指數(shù)本課題組升高為3,系統(tǒng)發(fā)生污泥微膨脹.隨后升高溫度至(18±0.5)℃,SVI值下降,FI指數(shù)為2,污泥的沉降性逐漸恢復,系統(tǒng)仍處于微膨脹狀態(tài).對降溫和升溫過程的活性污泥分別進行鏡檢,如圖3b、3c所示,污泥菌膠團呈分散狀,菌絲伸出絮體,大量無分支,呈直或輕微彎曲,進一步采用FISH鑒定,如圖3e、3f所示, SBR2系統(tǒng)中優(yōu)勢絲狀菌為Eikelboom Type 0092型絲狀菌.在本實驗中,由Eikelboom Type 0092型絲狀菌導致污泥膨脹,SVI值升高至250mL/g,SVI值沒有持續(xù)升高,膨脹程度有限.研究表明,Eikelboom Type 0092型絲狀菌無鞘,隔膜非清晰可見,革蘭氏陰性[15],在菌群發(fā)育關(guān)系中屬于綠彎菌門[9],在缺氧的條件下將NO2--N 代替O2作為電子受體[18],吸收降解污染物[19],常在城市污水處理廠秋冬交替時出現(xiàn).

階段三(25±0.5)℃,由于SBR1長期處于低溫環(huán)境中,溫度對系統(tǒng)的影響較大,升高溫度后,其沉降性恢復較慢.而SBR2從(18±0.5)℃升高至(25±0.5)℃,沉降性恢復較快.

由此可見,在冬季低溫環(huán)境中,系統(tǒng)的沉降性容易惡化,易誘發(fā)以為優(yōu)勢菌的污泥膨脹.小梯度降溫的方式模擬秋冬季節(jié)溫度沖擊,探究溫度沖擊對系統(tǒng)沉降性能的影響.在溫度沖擊過程中Eikelboom Type 0092型絲狀菌逐漸成為系統(tǒng)中的優(yōu)勢菌,引發(fā)污泥膨脹,但SVI值并沒有持續(xù)升高進而發(fā)生惡性膨脹.溫度沖擊導致系統(tǒng)失穩(wěn), Eikelboom Type 0092型絲狀菌對溫度的適應性強,生命力旺盛,衰減速率很慢[20],而菌膠團內(nèi)的功能菌對溫度變化較為敏感,體內(nèi)的代謝過程變化,其生長速率受到抑制.Andersen等[21]研究Eikelboom Type 0092型絲狀菌代謝過程發(fā)現(xiàn),Type 0092型絲狀菌可能將亞硝酸鹽和一氧化氮都通過亞硝酸鹽還原酶(nrfA)還原為氨,能進行化學異養(yǎng)代謝,并且在有氧條件利用呼吸殘留的有機物或厭氧儲存的糖原,或利用蛋白質(zhì)物質(zhì)的發(fā)酵厭氧生長.因此Eikelboom Type 0092型絲狀菌與菌膠團的競爭過程中處于優(yōu)勢地位,進而消耗更多基質(zhì),獲得了更高的競爭力,過度生長引發(fā)污泥膨脹.因此,Eikelboom Type 0092絲狀菌易在溫度沖擊環(huán)境中生長繁殖,進而導致污泥微膨脹,影響出水水質(zhì).

圖2 運行期間SVI值變化

圖3 革蘭氏、納氏染色與帶有熒光標記寡核苷酸探針的特異性絲狀菌FISH影像

(a)革蘭氏染色;(b)革蘭氏染色;(c)革蘭氏染色;(d)(cy3標記的MAPmix);(e) Eikelboom Type 0092 (cy3標記的CFP223);(f) Eikelboom Type 0092 (cy3標記的CFP223)

2.2 不同類型絲狀菌污泥膨脹中微生物群落特征

2.2.1 微生物穩(wěn)定性與多樣性分析 為進一步闡明溫度沖擊下微生物群落特征以及多樣性,識別菌群變化情況,選取SBR1與SBR2兩個系統(tǒng)在不同溫度階段的泥樣進行Illumina MiSeq高通量測序,多樣性分析結(jié)果和各樣本有效序列如表5所示,為便于不同樣本之間對比分析,以最小樣本序列數(shù)26864進行數(shù)據(jù)抽平.隨著溫度變化,SBR1與SBR2分別在(12±0.5)℃、(10±0.5)℃時,Shannon指數(shù)最小,物種多樣性最低.Simpson指數(shù)反映物種的豐富度和均勻度,整體來看SBR1系統(tǒng)的微生物群落豐富度與均勻度低于SBR2系統(tǒng),SBR2系統(tǒng)物種分布均勻,穩(wěn)定性高.Ace、Chao1指數(shù)變化與溫度變化趨勢相同,當溫度降低,Ace、Chao1指數(shù)呈降低趨勢,系統(tǒng)內(nèi)微生物豐富度降低,微生物種類減少,兩系統(tǒng)的沉降性變差.當溫度逐漸升高,Ace、Chao1指數(shù)升高,微生物豐富度升高,微生物種類增加,兩系統(tǒng)的沉降性恢復.

表5 不同污泥樣品的α多樣性分析

2.2.2 微生物整體多樣性分析 溫度沖擊下系統(tǒng)發(fā)生污泥膨脹,微生物群落結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,從不同的分類水平進一步分析微生物群落結(jié)構(gòu)演替,識別優(yōu)勢菌種.兩個SBR系統(tǒng)不同階段共9個活性污泥樣本中均有46個菌門,如圖4所示,其中相對豐度超過1%的菌門有15個,按相對豐度從大到小進行分析,其中變形菌門(Proteobacteria)、擬桿菌門(Bacteroidetes)、綠彎菌門(Chloroflexi)和放線菌門(Actinobacteria)均為兩種不同變溫方式SBR系統(tǒng)中的主要優(yōu)勢菌門,相對豐度占比分別為34.16%～ 45.87% (均值39.26%)、12.56%～19.96%(均值17.16%)、5.60%～12.67%(均值9.13%)和3.07%～ 15.17%(均值6.55%).Proteobacteria是活性污泥系統(tǒng)中主要的功能菌門,系統(tǒng)的沉降性能隨溫度降低逐漸惡化,但Proteobacteria相對豐度占比在不同階段變化較小,其相對豐度變化與有機物等污染物質(zhì)的去除密切相關(guān),始終為活性污泥系統(tǒng)中的主導菌門,與賀赟等[22]研究相同,低溫環(huán)境中,Proteobacteria為相對豐度最高的菌門.

活性污泥系統(tǒng)中的第二大優(yōu)勢菌群為擬桿菌門(Bacteroidetes),兩個系統(tǒng)中Bacteroidetes相對豐度隨污泥膨脹呈降低趨勢,SBR1系統(tǒng)(12±0.5)℃階段和SBR2系統(tǒng)(10±0.5)℃階段Bacteroidetes相對豐度最低.Kragelund等[23]研究表明綠彎菌門(Chloroflexi)是一種特殊的絲狀菌群,能產(chǎn)生多種胞外酶例如幾丁質(zhì)酶、葡萄糖醛酸酶和半乳糖苷酶,能在有氧條件下消耗多糖等有機物,同時可作為菌膠團骨架.實驗表明,SBR1系統(tǒng)(12±0.5)℃階段Chloroflexi相對豐度降低,SBR2系統(tǒng)階段二Eikelboom Type 0092型絲狀菌大量繁殖發(fā)生污泥膨脹,Chloroflexi相對豐度增加,其中(10±0.5)℃時其相對豐度最高.Chloroflexi對溫度的適應性強,在溫度沖擊的環(huán)境中易大量繁殖,可參與系統(tǒng)內(nèi)顆粒物質(zhì)的水解和膠體有機物的裂解,在物質(zhì)轉(zhuǎn)化過程中起重要作用,大多數(shù)菌屬不利用短鏈脂肪酸,但可利用有機物,因而其相對豐度升高時,出水水質(zhì)不會嚴重惡化,出水COD較低,水質(zhì)清澈.

SBR1系統(tǒng)(12±0.5)℃階段A2樣本中放線菌門(Actinobacteria)的相對豐度明顯高于正常運行的污泥,該系統(tǒng)在低溫發(fā)生型污泥膨脹,導致Actinobacteria相對豐度增加.SBR2系統(tǒng)在小梯度降溫的過程中,Actinobacteria相對豐度也有所增加,但總體上相對豐度低于Chloroflexi. Actinobacteria由于細胞表面疏水[24]并產(chǎn)生生物表面活性劑[25],通常會導致污泥發(fā)泡和污泥膨脹現(xiàn)象,與高春娣等[4]在低溫條件下SBR污泥膨脹中得到的研究結(jié)果較為一致.酸桿菌門(Acidobacteria)為原核微生物,具有快速吸附富集有機物的能力.在復雜多變的環(huán)境條件下,多種菌群協(xié)同作用,有效降解活性污泥系統(tǒng)內(nèi)有機物等污染物質(zhì).

圖4 門水平細菌群落組成

在兩個系統(tǒng)的不同溫度運行階段分別提取泥樣,9個不同階段樣本在屬水平相對豐度大于0.01%以上的菌屬有593種,相對豐度大于2%的菌屬共有26種,為微生物群落主要的菌屬,屬水平分布如圖5所示.其中與去除有機物相關(guān)微生物菌群相對豐度為10.8%～17.9% (均值13.6%),各樣本間相對含量有所差異,SBR1系統(tǒng)(12±0.5)℃階段A2樣本和SBR2系統(tǒng)(10±0.5)℃階段B4樣本相對豐度最低,導致該階段出水水質(zhì)最差.對9個活性污泥樣本中能降解有機物且豐度在前三的菌屬進行分析,其中(腐螺旋菌屬)為擬桿菌門,其相對豐度為3.94%～7.23%(均值4.99%),能在低溫條件中穩(wěn)定生長并大量繁殖[26],在低溫時能在一定程度上去除有機物,降低污染物質(zhì)濃度.呈桿狀,不活動,以有機物為底物,嚴格好氧,最適溫度為30℃[27],是-proteobacteria綱的成員,其相對豐度為0.69%～ 3.75% (均值2.40%),在SBR1系統(tǒng)(12±0.5)℃階段A2樣本和SBR2系統(tǒng)(10±0.5)℃階段B4樣本相對豐度最低,低溫抑制其代謝過程,生長速率降低,含量逐漸降低.可分解有機物,為需氧微生物,對溫度的適應性強,曾在富營養(yǎng)化水庫底部沉積物中發(fā)現(xiàn)[28].綜上所述,各階段有機物去除水平與微生物菌群的多樣性密切相關(guān),活性污泥系統(tǒng)是多種微生物的集合體,當環(huán)境溫度發(fā)生劇烈改變,微生物菌群動態(tài)結(jié)構(gòu)和分布相應發(fā)生變化,菌群結(jié)構(gòu)發(fā)生演替,進而影響系統(tǒng)處理效果.本實驗9個樣本中NOB的優(yōu)勢菌屬為,其相對豐度為1.41% ～4.80%(均值2.48%),占NOB總含量80%以上,SBR2系統(tǒng)中相對豐度高于SBR1系統(tǒng),在溫度沖擊環(huán)境下適宜生存系統(tǒng)發(fā)育最為多樣,在不同的生存環(huán)境內(nèi)分布廣泛[29],但在低溫下不利于其對NO2--N的利用,豐度表現(xiàn)出顯著的季節(jié)變化,影響硝化過程的脫氮效果,功能菌群豐度下降導致系統(tǒng)污染物去除能力下降,與端正花等[26]研究相同,進一步驗證豐度與溫度密切相關(guān).

圖5 屬水平細菌群落組成

2.3 不同系統(tǒng)污染物去除分析

不同變溫方式下兩系統(tǒng)全階段污染物去除效果變化情況如圖6所示.階段一(25±0.5)℃,SBR1和SBR2的污染物去除率初期在小范圍波動但處理效果穩(wěn)定,COD平均去除率分別為75.96%、74.18%, NH4+-N平均去除率分別為92.31%、87.74%,后期COD去除率變化平穩(wěn),NH4+-N去除率有所降低.

階段二,SBR1水溫驟降至(12±0.5)℃,整個運行期間出水COD濃度增加,COD平均去除率降至50%.NH4+-N出水濃度驟然升高,去除率降低至60%以下.與SBR1相比,SBR2系統(tǒng)采取小梯度變溫方式,溫度沖擊,對系統(tǒng)產(chǎn)生沖擊,COD平均去除率為80.14%,出水NH4+-N去除率降低,平均去除率為65.61%.運行過程中EikelboomType 0092型絲狀菌數(shù)量增多,使系統(tǒng)處于微膨脹狀態(tài),菌絲或從絮體內(nèi)部伸出,或在絮體表面纏繞,產(chǎn)生網(wǎng)捕作用[30],系統(tǒng)污染物質(zhì)處理效果沒有嚴重惡化.Guo等[31]在A/O反應器處理生活污水,引發(fā)污泥微膨脹,SVI值穩(wěn)定在150～250mL/g,NH4+-N去除率下降,但COD的去除率增加,出水清澈.與降解有機污染物質(zhì)的異養(yǎng)菌相比,具有硝化功能的自養(yǎng)菌對溫度變化非常敏感.在階段二,SBR2系統(tǒng)的COD平均去除率高于NH4+-N平均去除率,SBR2系統(tǒng)NH4+-N平均去除率高于SBR1系統(tǒng)NH4+-N平均去除率.

圖6 全階段運行期間污染物去除效果

階段三(25±0.5)℃,兩個系統(tǒng)升高溫度,COD去除率與NH4+-N去除率逐漸恢復.SBR1由于長期處于(12±0.5)℃低溫環(huán)境中,出水NH4+-N濃度高于SBR2.SBR2小梯度降溫的方式對硝化菌活性抑制程度較小,硝化菌活性恢復速率較快,出水NH4+-N濃度降低,但仍然低于常規(guī)出水水質(zhì).

2.4 不同系統(tǒng)硝化菌活性及豐度變化分析

比氨氧化速率(SAOR)和比亞硝氧化速率(SNOR)能夠表征硝化菌對底物的降解能力,反映其活性變化.如圖7所示,隨著兩個系統(tǒng)長期運行,AOB與NOB的活性明顯抑制,SBR1的比氨氧化速率(SAOR)從階段一(25±0.5)℃的10.94mg N/(g VSS·h)持續(xù)降低至階段二(12±0.5)℃末期的5.79mg N/(g VSS·h),這可能是導致反應器內(nèi)污染物質(zhì)NH4+-N去除性能下降的重要原因.SBR2的SAOR下降幅度小于SBR1,因此SBR2系統(tǒng)污染物去除效果優(yōu)于SBR1,該系統(tǒng)在第75～90d升高溫度至(18±0.5)℃,氨氧化菌的活性逐漸恢復,SAOR升高至7.58mg N/(g VSS·h).在階段三(25±0.5)℃兩個系統(tǒng)的AOB活性均升高,SBR1長期處于低溫環(huán)境導致AOB活性恢復程度低于SBR2.兩個系統(tǒng)起始的比亞硝氧化速率(SNOR)分別為7.01mgN/(g VSS·h)和7.25mg N/(g VSS·h),在降低溫度的過程中均發(fā)生下降,第70d分別降低至5.35mg N/(g VSS·h)和5.53mg N/(g VSS·h),在階段三比亞硝氧化速率小幅度升高,硝化效果好轉(zhuǎn).運行溫度影響微生物體內(nèi)酶的活性,整個運行期間,兩個系統(tǒng)的比氨氧化速率均大于比亞硝氧化速率,AOB比NOB對溫度的適應范圍較廣,能更好地適應環(huán)境溫度變化,保障了系統(tǒng)的硝化性能,其中溫度沖擊較小的SBR2系統(tǒng)硝化能力恢復較快,對硝化菌群的抑制作用較小.

系統(tǒng)內(nèi)AOB和NOB豐度變化直接導致出水水質(zhì)發(fā)生變化.兩系統(tǒng)內(nèi)AOB及NOB種群豐度變化情況(以干污泥計)如圖8所示.研究發(fā)現(xiàn),SBR1系統(tǒng)中AOB豐度由(25±0.5)℃時9.22×108copies/g降低至(10±0.5)℃時1.46×108copies/g,下降84.16%, SBR2系統(tǒng)中AOB豐度由(25±0.5)℃時3.29× 109copies/g降低至(12±0.5)℃時8.48×108copies/g,下降74.22%.隨著溫度降低,兩系統(tǒng)內(nèi)AOB豐度呈現(xiàn)下降趨勢,其中SBR1系統(tǒng)中AOB含量下降幅度明顯大于SBR2系統(tǒng).隨后升高溫度AOB的豐度逐漸升高,但其豐度均低于系統(tǒng)原始狀態(tài)中AOB豐度.

圖7 溫度對AOB、NOB活性的影響

全階段運行過程中兩系統(tǒng)中NOB的豐度變化趨勢與溫度變化趨勢相同,但在階段二SBR1中NOB豐度低于SBR2中NOB豐度.和是廣泛存在于污水處理系統(tǒng)中,發(fā)揮硝化作用主要NOB菌群.SBR1與SBR2的豐度由3.56×1010copies/g、2.93×1010copies/g分別下降至最低溫階段的1.10×1010copies/g、2.57× 1010copies/g,分別下降69.10%和12.29%.的豐度由3.02×109copies/g、2.66×109copies/g分別下降至最低溫階段的1.73×109copies/g、7.61× 108copies/g,分別下降42.72%和71.39%.張瓊等[12]在低溫條件下運行SBR反應器,的豐度逐漸降低.由此可見,不同的變溫方式形成的低溫環(huán)境條件下,NOB菌群結(jié)構(gòu)變化,其中起主導作用的細菌不同.長期低溫環(huán)境不利于生長繁殖,溫度沖擊環(huán)境不利于生存,這可能與兩種亞硝酸鹽氧化菌特定的代謝途徑有關(guān).

為新型-proteobacteriales,適宜在低溫條件中生存,可在低溫環(huán)境代替進行硝化作用,該菌豐度隨著溫度降低呈上升趨勢,豐度比與低兩個數(shù)量級,含量較低,SBR1和SBR2系統(tǒng)中豐度在最低溫階段分別為8.40×107copies/g和9.37× 107copies/g,分別增加51.08%和56.17%.研究表明,同樣存在于低溫序批式生物膜處理系統(tǒng)[32]和低溫底泥環(huán)境[33],與本實驗結(jié)果相似,進一步印證適應低溫環(huán)境.

3 結(jié)論

3.1 SBR工藝變溫方式不同引發(fā)的污泥膨脹優(yōu)勢絲狀菌類型不同.溫度驟降系統(tǒng)中優(yōu)勢絲狀菌為,SVI值升高至291mL/g以上,溫度梯度降低系統(tǒng)優(yōu)勢絲狀菌為Eikelboom Type 0092, SVI值穩(wěn)定維持在250mL/g.由此可見, Eikelboom Type 0092型絲狀菌適宜在溫度沖擊中生長繁殖,但膨脹程度較小,不易引發(fā)惡性膨脹.

3.2 微生物群落特征分析表明,變溫方式不同導致膨脹污泥系統(tǒng)菌群組成差異.Proteobacteria相對豐度均值為39.3%,其占比在不同階段變化較小.兩個系統(tǒng)污泥膨脹階段Actinobacteria和Chloroflexi的相對豐度占比不同.各樣本中與去除有機物相關(guān)微生物菌群豐度均值為13.6%,其相對豐度均值2.48%,占NOB總含量80%以上.

3.3 溫度梯度降低系統(tǒng)發(fā)生的Eikelboom Type 0092型絲狀菌型污泥微膨脹,其出水水質(zhì)沒有發(fā)生嚴重惡化,COD和NH4+-N的去除效果均高于溫度驟降系統(tǒng).

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Microbialcommunitycharacteristics offilamentous sludge bulking at temperature shocking environment.

GAO Chun-di*, HAN Ying-lu, CHENG Li-yang, YANG Xiao-yang, BI Hao-hua, OU Jia-li, PENG Yong-zhen

(National Engineering Laboratory for Advanced Municipal Wastewater Treatment and Reuse Technology, Faculty of Environment and Life, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China)., 2022,42(6)：2680～2689

Temperature is the key important factor affecting sludge bulking. To investigate the mechanism of sludge bulking at different temperature shockings, themicrobial community structure and dominant filamentous bacteria in sequencing batch reactor (SBR) treating domestic sewage under abruptly/gradually temperature decreasing conditions were analyzed by Illumina MiSeq high-throughput sequencing technology. The results showed thatwas the dominant filamentous bacteria in the abruptly temperature dropping system in which the sludge volume index (SVI) increased up to 291mL/g, while filamentous bacteria Eikelboom Type 0092 was the dominant in the gradually decreasing system in whichthe SVI was maintained at 250mL/g. Therefore, temperature shocking can provide more suitable habitat for Eikelboom Type 0092. The temperature varying process will also lead to significant differences in the community structure. The relative abundance of Proteobacteria maintained at average of 39.3%, and showed little variation, but the Actinobacteria and Chloroflexi showed totally different trends. The mean relative abundance of microorganisms related to organic matter removal was stable at 13.6%, and forit was about 2.48% accounting for more than 80% of the total NOB. Limited filamentous bulking (LFB) of Eikelboom Type 0092 caused by gradually temperature decreasing could not lead to serious deterioration of effluent quality, and removal rate of COD and NH4+-N were better than temperature abruptly dropping system.

temperature shocking；Eikelboom Type 0092；microbial community；functional bacteria；limited filamentous bulking (LFB)

X703

A

1000-6923(2022)06-2680-10

高春娣(1973-),女,河北唐山人,教授,博士,主要研究方向為城鎮(zhèn)污水深度處理與資源化利用,絲狀菌污泥膨脹機制與控制.發(fā)表論文 42篇.

2021-11-22

國家自然科學基金資助項目(51478012)

* 責任作者, 教授, gaochundi@bjut.edu.cn