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(qiáng)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(dǎo)致硝化菌流失的問題,在實(shí)際污水處理廠通過兩組10萬m3/d的反應(yīng)池平行運(yùn)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(jié)構(gòu)的影響.研究結(jié)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(jié)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(guān)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?qū)崿F(xiàn)硝化菌的富集,進(jìn)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(biāo),在“十三五”生態(tài)環(huán)境保護(hù)規(guī)劃中將繼續(xù)嚴(yán)格控制氨氮,要求排放總量降低10%,并提出重點(diǎn)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(xué)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(jìn)水氮素形態(tài)主要是氨氮和有機(jī)氮[1],有機(jī)氮水解為氨氮、氨氮轉(zhuǎn)變?yōu)橄鯌B(tài)氮和硝態(tài)氮反硝化為氮?dú)馐敲摰?3個(gè)重要環(huán)節(jié).大量污水處理廠運(yùn)行現(xiàn)狀表明,由于工藝運(yùn)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(huì)進(jìn)一步惡化[2-6],這也制約了脫氮效果達(dá)到更高的目標(biāo)要求[7].

在已建成的污水處理廠中,通過對污水處理廠運(yùn)行參數(shù)進(jìn)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(dāng) DO達(dá)到一定濃度(＞4mg/L)后其促進(jìn)作用將不再明顯,DO過高還可能會(huì)對生物除磷和反硝化產(chǎn)生負(fù)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(qiáng)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(fù)[14],還是短程硝化工藝長期穩(wěn)定運(yùn)行的一種有效調(diào)控策略[15-16].但延長污泥齡會(huì)給二沉池運(yùn)行帶來壓力,泥齡的控制會(huì)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(bào)道很多,但在污水處理廠進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用報(bào)道較少,對其微生物菌群強(qiáng)化效果的機(jī)理分析更鮮有報(bào)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(yùn)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(qiáng)化硝化,并重點(diǎn)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(biāo)及測試方法

化學(xué)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(biāo)準(zhǔn)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(yīng)器中取樣過濾,連續(xù)取樣 180min,試驗(yàn)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(shí)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(yīng) PCR擴(kuò)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(zhǔn)確性及可靠性,需滿足兩個(gè)條件:(1)盡可能使用低循環(huán)數(shù)擴(kuò)增;(2)保證每個(gè)樣品擴(kuò)增的循環(huán)數(shù)一致.隨機(jī)選取具有代表性的樣品進(jìn)行預(yù)實(shí)驗(yàn),確保在最低循環(huán)數(shù)中使絕大多數(shù)樣品能夠擴(kuò)增出濃度合適的產(chǎn)物.

PCR擴(kuò)增反應(yīng)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(yīng)條件:(1) 1個(gè)循環(huán)×(95℃下 2min);(2) 25個(gè)循環(huán)× (95

學(xué)者高世琦、張家聲、胡登良等在《中國共產(chǎn)黨干部教育培訓(xùn)工作的歷史經(jīng)驗(yàn)》《90年黨的干部教育培訓(xùn)事業(yè)的回顧與思考》中集中研究了解放戰(zhàn)爭時(shí)期黨的干部培訓(xùn)制度及其基本經(jīng)驗(yàn)。解放戰(zhàn)爭時(shí)期是干部教育培訓(xùn)制度初步成熟階段。黨的干部教育培訓(xùn)思想隨著全黨指導(dǎo)思想毛澤東思想的發(fā)展而進(jìn)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(jì)和文化等領(lǐng)域的全面戰(zhàn)爭,因此解放區(qū)干部教育培訓(xùn)的重點(diǎn)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(wù)知識技能教育,迅速地培訓(xùn)大量治軍治國建設(shè)人才。

℃下 30s,55℃下 30s,72℃下 30s);(3) 72℃下5min.全部樣品按照正式實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行,每個(gè)樣品3個(gè)重復(fù),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(jié)果檢驗(yàn):參照電泳初步定量結(jié)果,將 PCR產(chǎn)物用QuantiFluor?-ST藍(lán)色熒光定量系統(tǒng)(Promega公司)進(jìn)行檢測定量,之后按照每個(gè)樣品的測序量要求,進(jìn)行相應(yīng)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(xiàng)全新的 DNA測序技術(shù),可以快速、準(zhǔn)確地測定一段較短的目標(biāo)片段.焦磷酸測序過程中的emPCR與上機(jī)測序使用的試劑盒為 RocheGS FLX Titanium emPCR與RocheGS FLX+Sequencing Method Manual_ XLR70.

2 結(jié)果與討論

2.1 系統(tǒng)運(yùn)行情況

選取污水處理廠 S1池進(jìn)行延長污泥齡調(diào)試運(yùn)行,平行運(yùn)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(jì)算,考慮秋冬季 10月2日至12月17日共計(jì)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(yīng)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(yīng)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(huì)造成系統(tǒng)中污泥濃度的上升,對后續(xù)二沉池運(yùn)行帶來壓力.因此,在滿足全廠生產(chǎn)運(yùn)行水量要求的前提下,適當(dāng)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(yùn)行期間,考察了兩個(gè)反應(yīng)池對COD、NH4+-N和TN污染物的去除情況,結(jié)果見圖2.從圖可知,兩個(gè)反應(yīng)池對 COD去除率均較高,達(dá)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(yīng)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(yùn)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(jìn)行硝化速率測定.為了獲取更為準(zhǔn)確的結(jié)果,樣品b污泥濃縮后進(jìn)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(jié)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(jì)算結(jié)果見表1.由表1知,S1池的平均AUR為1.62mgN/(gSS·h),為平行運(yùn)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(jié)果的影響

2.4.1 種群多樣性分析 在系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí),對S1和S2池活性污泥中的微生物進(jìn)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(jié)果,對各樣品的有效序列進(jìn)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(jié)構(gòu)差異,對兩樣品進(jìn)行系統(tǒng)發(fā)育學(xué)分析,統(tǒng)計(jì)結(jié)果見圖4.由圖可知,除Elusimicrobia門和Thermotogae門分別為S1和S2中獨(dú)有外,其余18個(gè)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(gè)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(jié)構(gòu)Fig.5 Relative abundances of phylogenetic groups of in samples from reactor S1and S2at the class level

為進(jìn)一步分析兩樣品的種群結(jié)構(gòu)區(qū)別,將微生物種群細(xì)分到綱水平上進(jìn)行對比.兩樣品共獲得32個(gè)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(gè)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(yùn)行,微生物代謝基質(zhì)必然低于 S2池,這可能是兩個(gè)反應(yīng)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(dá)55%,說明δ-變形菌綱可能是強(qiáng)化硝化效率提高的主要貢獻(xiàn)者.

2.4.3 種屬水平分析 在屬分類水平上,共從兩個(gè)樣品中檢測出189個(gè)已知的屬,其中110個(gè)屬為兩種樣品所共有,占屬總數(shù)的58.2%.樣品S1有50個(gè)獨(dú)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(jié)構(gòu)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(diǎn)分析兩樣品共有屬類群中與硝化作用相關(guān)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(zhuǎn)化為硝酸鹽氮兩個(gè)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(dǎo)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(bào)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(jié)果與文獻(xiàn)結(jié)論相一致.除此之外,兩樣品中都檢測出一個(gè)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(jì) Nitrosomonas、Nitrospira和Nitrosomonadaceae-uncultured在樣品S1中的總豐度是S2的7.06倍,這一結(jié)果從微生物菌屬角度上充分說明了延長污泥齡強(qiáng)化了硝化菌群豐度,這是S1硝化效果強(qiáng)于S2的主要原因.

此外,Hyphomicrobium、Thauera、Zoogloea等反硝化相關(guān)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?dú)獾哪芰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(qiáng)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(jìn)作用.

3 結(jié)論

3.1 半年的工程實(shí)驗(yàn)結(jié)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(jié)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(guān)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(xiàng)(2013ZX07314-003)

* 責(zé)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?yàn)槲鬯畯S運(yùn)行管理與污泥處理處置技術(shù).發(fā)表論文20余篇.