王 振,朱振華,丁亞男,吳少賢,李蘇青,劉曉霞

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低溫對(duì)CANON型序批式生物膜反應(yīng)器脫氮的影響

王 振1*,朱振華2,丁亞男1,吳少賢1,李蘇青1,劉曉霞3

(1.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院,農(nóng)田生態(tài)保育與污染防控安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,安徽 合肥 230036；2.德州職業(yè)技術(shù)學(xué)院,山東 德州 253034；3.浙江省農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心,浙江 杭州 310020)

探究了4種低溫水平下基于亞硝化的全程自養(yǎng)脫氮(CANON)型序批式生物膜反應(yīng)器(SBBR)的運(yùn)行效果及其氮素轉(zhuǎn)化機(jī)制.結(jié)果表明,當(dāng)CANON型SBBR在不同的低溫水平下穩(wěn)定運(yùn)行后,其脫氮微生物優(yōu)勢(shì)菌群發(fā)生了不同程度的變化,隨之改變了系統(tǒng)的氮素轉(zhuǎn)化途徑及其脫氮性能.當(dāng)溫度>15℃時(shí),SBBR中AOB和anammox菌的豐度與活性未受到明顯抑制,CANON作用始終是系統(tǒng)脫氮的主要途徑,SBBR對(duì)TN的平均去除率亦較為理想;而當(dāng)溫度<15℃時(shí),anammox菌的豐度與活性在10,5℃下分別出現(xiàn)不同程度的降低,進(jìn)而改變了SBBR的氮素轉(zhuǎn)化途徑,使其脫氮性能出現(xiàn)不同程度的惡化.在10℃時(shí),NOB的增殖及其活性的提高使硝化/反硝化作用取代CANON作用成為SBBR脫氮的主要途徑,此時(shí)系統(tǒng)對(duì)TN的去除率驟降至(16.87±4.79)%;在5℃時(shí),反硝化過(guò)程中第1步還原反應(yīng)的停滯與反硝化菌對(duì)NO2--N利用率的提高使SBBR中氮素的去除依賴于CANON作用和短程硝化/反硝化作用的協(xié)同,系統(tǒng)對(duì)TN的去除率為(54.83±3.68)%.

序批式生物膜反應(yīng)器(SBBR)；低溫；基于亞硝化的全程自養(yǎng)脫氮(CANON)；厭氧氨氧化；氮素轉(zhuǎn)化

基于亞硝化的全程自養(yǎng)脫氮(CANON)工藝是近年發(fā)展起來(lái)的一種新型脫氮工藝.該工藝依賴于好氧氨氧化菌(AOB)和厭氧氨氧化(anammox)菌的協(xié)同關(guān)系,可在單級(jí)反應(yīng)體系中同時(shí)實(shí)現(xiàn)短程硝化與anammox反應(yīng)[1].相比于傳統(tǒng)脫氮技術(shù),CANON工藝可節(jié)省63%的耗氧量和將近100%的外加有機(jī)碳源[2],因而在污水生物脫氮過(guò)程中具有諸多優(yōu)勢(shì).近年來(lái),越來(lái)越多的研究嘗試將該工藝用于城市生活污水的處理,以期為其中氮素的高效去除尋找新途徑[3-4].然而,由于該類(lèi)污水的水溫相對(duì)較低且變化幅度較大(5~20℃)[5-6],CANON工藝需應(yīng)對(duì)低溫帶來(lái)的挑戰(zhàn).

研究表明,當(dāng)CANON工藝穩(wěn)定運(yùn)行時(shí),反應(yīng)裝置的運(yùn)行溫度宜維持在30~35℃,以確保系統(tǒng)內(nèi)短程硝化和anammox反應(yīng)之間的動(dòng)態(tài)平衡[7].然而,由于CANON系統(tǒng)中微生物種類(lèi)的多樣性及其相互間的復(fù)雜關(guān)系,當(dāng)其在低溫下運(yùn)行時(shí),現(xiàn)有相關(guān)研究得出的結(jié)論卻并不統(tǒng)一.有研究指出,當(dāng)溫度低于25℃時(shí),CANON系統(tǒng)中的短程硝化過(guò)程易遭破壞,anammox菌的活性亦會(huì)受到不同程度的抑制,由此會(huì)影響系統(tǒng)的脫氮性能及其穩(wěn)定性[8-9].也有研究發(fā)現(xiàn),溫度的降低(30℃→12℃)雖會(huì)對(duì)anammox菌的活性產(chǎn)生抑制,甚至?xí)饋喯跛猁}氧化菌(NOB)的增殖,但CANON系統(tǒng)仍能正常運(yùn)行,其中的脫氮微生物優(yōu)勢(shì)菌群并無(wú)顯著變化[10-12].

本文以CANON型序批式生物膜反應(yīng)器(SBBR)為試驗(yàn)裝置,通過(guò)改變其運(yùn)行溫度,考察了不同低溫水平下系統(tǒng)脫氮性能及其微生物特性的變化,建立了各低溫水平下SBBR脫氮性能和微觀生物學(xué)特征之間的定量響應(yīng)關(guān)系,并對(duì)不同低溫水平下系統(tǒng)中每種形態(tài)氮素的轉(zhuǎn)化途徑進(jìn)行了解析,旨在揭示CANON工藝在不同低溫條件下的脫氮機(jī)制,進(jìn)而完善該工藝的調(diào)控策略,為其高效穩(wěn)定運(yùn)行及工程化應(yīng)用提供參考.

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置與運(yùn)行方式

試驗(yàn)裝置為有效容積均為6.0L的4套SBBR (圖1).各SBBR均每天運(yùn)行4個(gè)周期,每個(gè)周期時(shí)長(zhǎng)為360min,由進(jìn)水期(15min)、間歇曝氣期(270min)、沉淀期(30min)、排水期(15min)和閑置期(30min)5個(gè)階段組成.各SBBR在每個(gè)周期內(nèi)的進(jìn)水和排水體積均為4.0L.在間歇曝氣期間,SBBR采用15min曝氣/15min攪拌的方式循環(huán)運(yùn)行,充氧泵通過(guò)裝置底部的曝氣頭向系統(tǒng)中曝氣,曝氣速率設(shè)置為0.50L/min.

前期研究中,筆者將各系統(tǒng)溫度設(shè)為35℃,以生活污水為系統(tǒng)進(jìn)水、短程硝化污泥和厭氧氨氧化污泥為種泥,采用上述運(yùn)行方式強(qiáng)化了各SBBR中的CANON作用,使其對(duì)TN和NH4+-N的去除率均穩(wěn)定在91.02%和94.16%左右.本研究將上述SBBR劃分為4組(標(biāo)記為S-A、S-B、S-C和S-D),根據(jù)城市生活污水的溫度變化范圍設(shè)置4種低溫水平(20,15,10和5℃)運(yùn)行.在經(jīng)歷了70d的適應(yīng)期后,其脫氮性能相繼趨于穩(wěn)定,隨后4組SBBR進(jìn)入為期181d的試驗(yàn)階段.

圖1 SBBR試驗(yàn)裝置

1.2 進(jìn)水水質(zhì)

試驗(yàn)用水為安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)園區(qū)內(nèi)生活污水.原水經(jīng)厭氧預(yù)處理后,取上清液作為各組SBBR進(jìn)水.其中COD、NH4+-N、NO2--N、NO3--N、TN和TP濃度分別為(109.40±37.72),(41.45±1.80),(0.80±0.27), (0.72±0.18),(42.97±2.85),(8.64±2.39)mg/L,進(jìn)水pH值為(7.74±0.58).

1.3 分析方法

1.3.1 水樣采集及分析方法 每天采集各SBBR進(jìn)出水水樣進(jìn)行分析,水樣中COD、TN、NH4+-N、NO3--N和NO2--N的測(cè)定方法均參照《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》(第四版)[13].

1.3.2 生物膜樣品采集 各SBBR運(yùn)行穩(wěn)定后,定期(1次/15d)采集各系統(tǒng)中的生物膜樣品以用于后續(xù)相關(guān)分析.

1.3.3 亞硝酸化活性、硝酸化活性、短程反硝化活性、反硝化活性與厭氧氨氧化比活性(SAA)的測(cè)定 各SBBR中生物膜樣品的亞硝酸化活性、硝酸化活性、短程反硝化活性、反硝化活性和SAA分別利用序批式試驗(yàn)進(jìn)行測(cè)定[14-15].其中,短程反硝化指NO2--N被還原為N2的生物化學(xué)過(guò)程[16].測(cè)定時(shí),各項(xiàng)指標(biāo)的試驗(yàn)周期為360min,試驗(yàn)溫度同被測(cè)生物膜樣品所在SBBR的運(yùn)行溫度.

1.3.4 功能基因定量分析 使用DNA試劑盒(D5625-01Omega USA)對(duì)各生物膜樣品中的DNA進(jìn)行提取純化.提取后的DNA產(chǎn)物經(jīng)紫外分光光度計(jì)測(cè)定核酸濃度和純度,置于冰箱中-20℃保存.對(duì)DNA樣品中的細(xì)菌16S rRNA以及生物脫氮過(guò)程中的關(guān)鍵功能基因(即、、、、、、和)進(jìn)行熒光定量PCR測(cè)定.熒光定量PCR分析使用的儀器為Applied Biosystems StepOneTM,試驗(yàn)采用SYBR Green I 熒光染料法進(jìn)行測(cè)試,擴(kuò)增體系如下:10μL SYBR Green I PCR master mix (Applied Biosystems, USA)、8μL DEPC處理水(Applied Biosystems)、正反向引物各0.5μL、DNA模板1μL,共20μL.每種功能基因的引物種類(lèi)及反應(yīng)條件均參照文獻(xiàn)[17]進(jìn)行.

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 21.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析;采用單因素(one-way ANOVA)進(jìn)行方差分析;利用逐步線性回歸模型解析氮素轉(zhuǎn)化速率與相關(guān)脫氮功能基因的定量響應(yīng)關(guān)系;利用Origin 8.5作圖.污染物的去除率以及不同形態(tài)氮素的轉(zhuǎn)化速率均參照文獻(xiàn)[18]中的方法進(jìn)行計(jì)算.相關(guān)數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差.

2 結(jié)果與分析

2.1 運(yùn)行性能

如表1所示,4種低溫水平下各系統(tǒng)出水中COD的平均濃度均<25.00mg/L,即試驗(yàn)范圍內(nèi)溫度的變化并未影響SBBR對(duì)有機(jī)物的去除效果.鑒于進(jìn)水經(jīng)厭氧預(yù)處理后,其有機(jī)物含量偏低,試驗(yàn)期間各SBBR對(duì)COD的平均去除率維持在79.18%左右.4種低溫水平亦未對(duì)各SBBR的除磷性能產(chǎn)生影響.然而,各系統(tǒng)對(duì)進(jìn)水中TP的去除效果卻均欠佳,平均去除率僅約為19.27%.主要?dú)w因于系統(tǒng)中厭氧/好氧(缺氧)交替環(huán)境的缺失以及進(jìn)水中有機(jī)碳源的匱乏[19].

不同的低溫水平可對(duì)SBBR的脫氮性能產(chǎn)生不同程度的影響(表1).S-A穩(wěn)定運(yùn)行后對(duì)TN和NH4+-N的去除率較前期研究并無(wú)顯著變化,仍分別可達(dá)(90.55±2.36)%和(93.68±3.24)%,此時(shí)系統(tǒng)對(duì)TN的去除率已超過(guò)CANON體系中TN去除率的理論最大值(max≈89%)[1],出水中TN、NH4+-N、NO3--N和NO2--N的濃度分別為(4.06±0.23), (2.62±0.57), (0.78±0.36)和(0.66±0.11)mg/L.與S-A相比,S-B出水中NH4+-N和NO3--N的濃度分別增至(2.67±0.72), (3.88±0.34)mg/L,但其對(duì)TN和NH4+-N的去除率仍分別達(dá)(83.29±1.50)%,(93.56± 5.83)%.上述結(jié)果表明,當(dāng)系統(tǒng)溫度315℃時(shí),SBBR的脫氮性能未發(fā)生顯著改變,且由S-A和S-B中各形態(tài)氮素的變化特征推斷[1]:CANON作用依然是2組系統(tǒng)中主要的脫氮途徑.然而,當(dāng)系統(tǒng)溫度<15℃后,CANON型SBBR的脫氮性能出現(xiàn)顯著惡化.相較于S-A和S-B,S-C對(duì)TN和NH4+-N的去除率分別驟降至(16.87±4.79)%, (47.98±7.31)%,出水中NH4+-N、NO3--N和NO2--N的含量分別高達(dá)(21.56±1.81),(8.77±1.07),(5.39±0.54)mg/L.S-D對(duì)TN和NH4+-N的去除率亦遠(yuǎn)低于S-A和S-B,分別為(54.83±3.68)%,(65.72±9.01)%.然而,由于S-D出水中NH4+-N和NO2--N的積累較S-C有所緩解,致使其脫氮性能較S-C有所提高.

表1 不同低溫水平下CANON型SBBR的運(yùn)行性能

注:“-”為未計(jì)算.

2.2 脫氮功能微生物的豐度及活性

圖2表明,S-A和S-B中的細(xì)菌16S rRNA基因拷貝數(shù)并無(wú)顯著變化,分別為1.32×109,1.30× 109copies/g;而S-C和S-D中的細(xì)菌16S rRNA基因拷貝數(shù)卻分別降至6.06×108,4.40×107copies/g,即<15℃的低溫會(huì)降低SBBR中的微生物量.

和分別是參與CANON系統(tǒng)中NH4+-N和NO2--N轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵基因[17],結(jié)合圖2、3可知,S-A中的和基因拷貝數(shù)分別高達(dá)3.45×105,2.59× 105copies/g,其亞硝酸化活性和SAA分別可達(dá)(7.77±1.86)mg(O2)/(gVSS·h)和(5.26± 1.26)mg(N)/ (gVSS·h).S-B中的和基因拷貝數(shù)較S-A中均無(wú)顯著變化,分別為3.17×105, 2.37×102copies/g,該系統(tǒng)的亞硝酸化活性和SAA較S-A卻略有下降,分別為(7.18±2.95)mg(O2)/ (gVSS·h)和(4.93±2.01)mg(N)/(gVSS·h).相較于S-A和S-B, S-C中的和基因拷貝數(shù)均出現(xiàn)了不同程度下降.其中,基因拷貝數(shù)降至3.00× 105copies/g,基因拷貝數(shù)則驟降至6.84× 103copies/g.與之相對(duì)應(yīng),此條件下S-C的亞硝酸化活性與SAA較上述2組SBBR分別降至(4.05±1.84) mg(O2)/(gVSS·h)和(0.17±0.02)mg(N)/(gVSS·h).對(duì)于S-D,其中的基因拷貝數(shù)較S-C并無(wú)顯著變化,仍保持在2.64×105copies/g,但其基因拷貝數(shù)卻較S-C又有所上升,穩(wěn)定在1.51×105copies/g(仍低于S-A和S-B).此時(shí),S-D的亞硝酸化活性和SAA分別為(4.53±1.73)mg(O2)/(gVSS·h)和(1.37±0.34)mg(N)/ (gVSS·h).是參與NO2--N氧化過(guò)程的關(guān)鍵基因[20].在CANON系統(tǒng)中,NOB的數(shù)量通常保持在較低水平,否則不利于CANON反應(yīng)的進(jìn)行與穩(wěn)定[21].對(duì)于S-A,其中的基因拷貝數(shù)僅為7.57× 102copies/g,遠(yuǎn)低于和的基因拷貝數(shù),系統(tǒng)的硝酸化活性亦僅為(0.44±0.16)mg(O2)/(gVSS·h);與S-A相比,S-B中的基因拷貝數(shù)增至1.78× 103copies/g,但遠(yuǎn)低于同系統(tǒng)中和的基因拷貝數(shù),且S-B的硝酸化活性仍維持在(0.47± 0.25)mg(O2)/(gVSS·h);S-C中的基因拷貝數(shù)則驟增至1.31×104copies/g,其硝酸化活性亦隨之提高至(2.94±0.76)mg(O2)/(gVSS·h),顯著高于S-A和S-B.值得注意的是,當(dāng)S-D在5℃下穩(wěn)定運(yùn)行時(shí),其中的基因拷貝數(shù)與S-A相當(dāng),為5.36×102copies/g,其硝酸化活性亦處于極低水平,為(0.20±0.10)mg (O2)/(gVSS·h).

反硝化過(guò)程是反硝化菌將NO3--N最終還原為N2的生物化學(xué)過(guò)程,可表述為[22]: NO3--N→NO2-- N→NO→N2O→N2.、、、、和分別是參與上述4步還原過(guò)程的關(guān)鍵基因[23].其中,和均可編碼NO3--N還原酶的催化中心,是參與反硝化過(guò)程第一步還原反應(yīng)(NO3--N→NO2--N)的2種關(guān)鍵基因;而亞硝酸鹽還原酶催化NO2--N還原為NO的過(guò)程則通常是反硝化過(guò)程的限速步驟,也是區(qū)別于其他硝酸鹽代謝的標(biāo)志性反應(yīng).亞硝酸鹽還原酶包括細(xì)胞色素型(由基因編碼)和Cu型(由基因編碼),對(duì)和基因的定量研究能夠準(zhǔn)確反映出系統(tǒng)中反硝化菌群的豐度.另外,和基因分別編碼NO還原酶和N2O還原酶的催化中心,分別是參與反硝化過(guò)程第3、4步還原反應(yīng)的關(guān)鍵基因.由圖2和圖3可知,S-A中的、、、、和基因拷貝數(shù)分別為2.09×104,3.91×103, 1.18×104,2.38×103,1.33×104,2.28×103copies/g,其短程反硝化活性與反硝化活性分別為(0.28±0.03)mg (NO2--N)/(gVSS·h)和(0.32±0.03) mg(NO3--N)/ (gVSS·h).與其他相關(guān)研究相比[24-26],S-A的反硝化性能較差.與S-A相比,上述6種功能基因在S-B中的豐度并無(wú)顯著變化,S-B的反硝化性能亦無(wú)明顯改善.隨著溫度的進(jìn)一步降低,上述6種功能基因在S-C中豐度較S-A和S-B顯著升高,分別增至1.14× 105,8.74×103,2.41×105,1.03×104,6.02×104,8.48×103copies/g,其短程反硝化活性與反硝化活性相應(yīng)增至(3.05±0.80)mg(NO2--N)/(gVSS·h)和(1.89±0.36)mg (NO3--N)/(gVSS·h),亦顯著高于S-A和S-B.然而, S-C的反硝化性能仍處于較低水平,究其原因,應(yīng)歸因于進(jìn)水中較低含量的有機(jī)碳源.在5℃的低溫水平下,6種功能基因在S-D中的豐度分別為7.48×104, 5.38×103,1.05×105,5.86×103,5.50×104,5.07×103copies/g,其短程反硝化活性為(1.41±0.36)mg(NO2--N)/ (gVSS·h),較S-C出現(xiàn)下降,但仍高于S-A和S-B,而反硝化活性則驟降至(0.02±0.006)mg(NO3--N)/ (gVSS·h),遠(yuǎn)低于其他3組SBBR.

2.3 氮素轉(zhuǎn)化途徑解析

基于前述試驗(yàn)結(jié)果,利用逐步線性回歸模型計(jì)算了穩(wěn)定運(yùn)行階段每組SBBR中不同形態(tài)氮素(即NH4+-N、NO3--N和NO2--N)轉(zhuǎn)化速率與相關(guān)脫氮功能基因(或相關(guān)脫氮功能基因組合)的定量響應(yīng)關(guān)系(表2),以期解析不同低溫水平下SBBR中各形態(tài)氮素的轉(zhuǎn)化途徑.由表2可知,4組回歸模型的2值均大于0.913.

表2表明,S-A中NH4+-N去除速率[(NH4+-N)]主要受2個(gè)變量的影響,即/(+)和/,且上述2變量均與(NH4+-N)呈正相關(guān)關(guān)系.如前所述, CANON作用依賴于AOB和anammox菌的相互協(xié)同作用,而和分別是參與CANON型SBBR中NH4+-N轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵基因./(+)表明,CANON作用是S-A中NH4+-N去除的主要途徑,且anammox菌豐度與活性的保持有助于提高CANON作用在該系統(tǒng)中的穩(wěn)定性,進(jìn)而可確保S-A對(duì)NH4+-N的高效去除.與是參與硝化過(guò)程的2種關(guān)鍵功能基因,其分別參與NH4+-N和NO2--N的氧化過(guò)程[6]./表明,S-A中NO2--N積累率的增加有利于其(NH4+-N)的提高.研究認(rèn)為[27],短程硝化作用的實(shí)現(xiàn)與穩(wěn)定是CANON工藝高效運(yùn)行的必要條件,該試驗(yàn)結(jié)果與上述研究所得結(jié)論一致.S-A中NO3--N累積速率(NO3--N)亦主要受2個(gè)變量的影響,即/(+)、和.其中,/(+)與(NO3--N)呈正相關(guān)關(guān)系,該變量表明CANON作用可引起系統(tǒng)中NO3--N的累積.究其原因,源于CANON作用在進(jìn)行過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生11%左右的NO3--N[1].另一方面,與(NO3--N)卻呈負(fù)相關(guān)關(guān)系.研究表明,在厭氧氨氧化工藝中,當(dāng)進(jìn)水C/N較低時(shí),系統(tǒng)中的anammox菌可通過(guò)氧化有機(jī)物進(jìn)行硝酸鹽異化還原成銨(DNRA)過(guò)程[28],此過(guò)程可將anammox反應(yīng)生成的NO3--N轉(zhuǎn)化為可生物再利用的銨鹽,進(jìn)而能進(jìn)一步提高anammox系統(tǒng)的NH4+-N去除性能.由可推斷,S-A中應(yīng)存在由anammox菌主導(dǎo)的DNRA作用,該作用可緩解系統(tǒng)中NO3--N的累積./和/(+)是影響S-A中NO2--N累積速率(NO2--N)的2個(gè)變量.其中,前者與(NO2--N)呈正相關(guān)關(guān)系,而后者與(NO2--N)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系./表明短程硝化作用有助于系統(tǒng)中NO2--N的累積,而/ (+)則表明,S-A中的NO2--N可通過(guò)CANON作用去除.基于該組回歸模型可知,CANON作用是S-A中TN去除的主要途徑.另外,當(dāng)進(jìn)水中有機(jī)物濃度較低且C/N亦較低時(shí),系統(tǒng)中anammox菌的代謝途徑呈現(xiàn)多樣化,其主導(dǎo)的DNRA作用可進(jìn)一步提高S-A的TN去除率.

S-B中(NH4+-N)和(NO2--N)仍分別受/ (+)和/、/和/ (+)此2組變量的影響,而系統(tǒng)中的(NO3-- N)僅受/(+)的影響.由此推斷,CANON作用依然是S-B中TN去除的主要途徑,但系統(tǒng)中由anammox菌主導(dǎo)的DNRA作用此時(shí)卻受到抑制,導(dǎo)致S-B出水中的NO3--N出現(xiàn)了一定程度的累積.

相較于S-A和S-B,S-C中的脫氮微生物優(yōu)勢(shì)菌群發(fā)生顯著改變.此時(shí)其(NH4+-N)主要受/(+)和/的影響,且2變量均與(NH4+-N)呈正相關(guān)關(guān)系./(+)表明S-C中NH4+-N去除的主要途徑已由CANON作用轉(zhuǎn)變?yōu)橄趸?反硝化作用,且短程硝化的發(fā)生與NO2--N的還原(即反硝化過(guò)程中的第2步還原反應(yīng))被視為是該作用的兩個(gè)限速步驟.而/表明NOB的過(guò)量增殖不利于S-C中NH4+-N的去除,究其原因,主要?dú)w因于S-C中的DO濃度有限,過(guò)量的NOB會(huì)與AOB競(jìng)爭(zhēng)O2,進(jìn)而會(huì)對(duì)NH4+-N的氧化產(chǎn)生不利影響./(+)和bacterial 16S rRNA是影響S-C中(NO3--N)的2個(gè)變量.前者可反映S-C中NO3--N的積累程度,而后者則表明NOB的增殖可導(dǎo)致系統(tǒng)中的NO2--N進(jìn)一步氧化為NO3--N.因而上述2變量均與(NO3--N)呈正相關(guān)關(guān)系.S-C中的(NO2--N)主要受(+)/ (+)和/的影響,且其均與(NO2--N)呈正相關(guān)關(guān)系.(+)和(+)分別是參與反硝化過(guò)程第1步和第2步還原反應(yīng)的關(guān)鍵功能基因,(+)/(+)可體現(xiàn)反硝化過(guò)程中NO2--N的積累程度;而/反映的則是硝化過(guò)程中NO2--N的積累程度.由上述2變量可知,限氧環(huán)境與進(jìn)水中有機(jī)碳源的匱乏應(yīng)是導(dǎo)致S-C中NO2--N積累的主要原因.上述結(jié)果表明,10℃的低溫導(dǎo)致了CANON型SBBR中脫氮微生物優(yōu)勢(shì)菌群的演替,使得硝化/反硝化作用取代CANON作用成為了S-C中TN去除的主要途徑.

表2 SBBR中氮素轉(zhuǎn)化速率與脫氮功能基因的定量響應(yīng)關(guān)系

注:(NH4+-N)表示SBBR中NH4+-N的去除速率[mg/(L·h)];(NO3--N)和(NO2--N)則表示SBBR中NO3--N和NO2--N的累積速率[mg/(L·h)].

/(+)、/(+)和細(xì)菌16S rRNA是影響S-D中(NH4+-N)的3個(gè)變量,且其均與系統(tǒng)中的(NH4+-N)呈正相關(guān)關(guān)系.其中,/(+)表明CANON作用復(fù)又成為SBBR在5℃低溫水平下的一種NH4+-N去除途徑;考慮到系統(tǒng)中(+)豐度的降低及其N(xiāo)O3--N還原能力(即反硝化過(guò)程中的第1步還原反應(yīng))的下降,/(+)表明短程硝化/反硝化作用為S-D中NH4+-N去除的另一種途徑.此外,(細(xì)菌16S rRNA)表明,S-D對(duì)NH4+-N的去除效果在一定程度上依賴于系統(tǒng)中微生物量的高低,即在5℃的低溫水平下,CANON型SBBR中微生物量的減少已影響到其脫氮性能的提高.S-D中(NO3--N)主要受/ (+)的影響.該變量與(NO3--N)呈正相關(guān)關(guān)系,表明CANON作用可引起系統(tǒng)中NO3--N的積累.另外,S-D中(NO2--N)主要受/(+)和(+)/細(xì)菌16S rRNA的影響.上述2組變量均與(NO2--N)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,表明CANON作用和短程反硝化作用均參與了S-D中NO2--N的去除.基于該組回歸模型可知,S-D中TN的去除依賴于CANON作用和短程硝化/反硝化作用的協(xié)同.

3 討論

CANON系統(tǒng)除了包含協(xié)同完成脫氮功能的AOB和anammox菌之外,還存在競(jìng)爭(zhēng)O2和NO2--N的NOB、反硝化菌以及普通異養(yǎng)菌[29].一旦環(huán)境條件、進(jìn)水水質(zhì)或運(yùn)行工況等中的某一因素改變, CANON系統(tǒng)中的脫氮微生物優(yōu)勢(shì)菌群便極有可能發(fā)生變化.本研究中,20℃的低溫并未對(duì)S-A中AOB和anammox菌的豐度與活性產(chǎn)生明顯抑制, CANON作用始終是系統(tǒng)脫氮的主要途徑,且其對(duì)TN和NH4+-N的去除效果較為理想.另外,anammox菌的代謝途徑此時(shí)呈現(xiàn)多樣化,其主導(dǎo)的DNRA作用進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的脫氮性能;在15℃時(shí),S-B的亞硝酸化活性和SAA較S-A略有下降,且系統(tǒng)中anammox菌主導(dǎo)的DNRA作用亦受到抑制,從而導(dǎo)致S-B出水中的TN濃度較S-A為高,且其中的NO3--N出現(xiàn)了一定程度的積累,但CANON作用此時(shí)依然是系統(tǒng)中TN去除的主要途徑,S-B對(duì)TN和NH4+-N較高的去除率便得益于該作用在系統(tǒng)中的保持.有研究指出[12]:當(dāng)CANON裝置在16~23℃下穩(wěn)定運(yùn)行時(shí),系統(tǒng)中AOB和anammox菌的豐度較30℃時(shí)雖有所下降,但兩者仍是系統(tǒng)中主要的脫氮功能微生物,系統(tǒng)對(duì)TN的去除率與去除負(fù)荷分別可達(dá)66.90%與1.02kg/(m3·d).當(dāng)CANON型SBBR在10,5℃2種低溫水平下穩(wěn)定運(yùn)行后,其中的脫氮微生物優(yōu)勢(shì)菌群發(fā)生顯著改變,系統(tǒng)的脫氮性能亦出現(xiàn)了不同程度的惡化.Anammox作用在溫度<15℃時(shí)通常會(huì)受到較大幅度的抑制,而NOB在-2~15℃的條件下卻仍可生長(zhǎng)繁殖且具有一定的生物活性[5,30-31].在10℃時(shí),S-C中anammox菌的豐度與活性較20℃時(shí)大幅下降,其對(duì)NO2--N的親和力隨之降低,而系統(tǒng)中的NOB此時(shí)卻由于獲得競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)而增殖,硝化/反硝化作用取代CANON作用成為S-C中TN去除的主要途徑.然而,由于系統(tǒng)中較嚴(yán)格的限氧環(huán)境及進(jìn)水中有機(jī)碳源的匱乏,S-C中的硝化過(guò)程和反硝化過(guò)程進(jìn)行得均不徹底,其出水中的NH4+-N和NO--N分別出現(xiàn)不同程度的累積,導(dǎo)致系統(tǒng)脫氮性能驟降.而在5℃時(shí),S-D中AOB和anammox菌的豐度與活性仍均被抑制,致使NH4+-N在出水中出現(xiàn)積累,但由于anammox菌在此溫度條件下保持著對(duì)NOB的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì),CANON作用仍為S-D中TN去除的主要途徑.Kumar等[32]發(fā)現(xiàn), anammox菌的活性在低于10℃時(shí)會(huì)被完全抑制,且此條件下anammox作用對(duì)系統(tǒng)脫氮的貢獻(xiàn)可忽略不計(jì).然而,亦有研究[33-35]指出,anammox菌經(jīng)馴化后依然能夠在低溫(<10℃)下保持一定的活性,并可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中部分氮素的脫除.另一方面,S-D中反硝化菌對(duì)NO2--N的親和力有所提高,此類(lèi)菌群對(duì)NO2--N競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的加強(qiáng)使得短程硝化/反硝化作用成為S-D中TN去除的另一途徑.值得注意的是,此時(shí)系統(tǒng)中反硝化過(guò)程的第1步還原反應(yīng)(即NO3--N還原為NO2--N)卻基本停滯.此現(xiàn)象應(yīng)歸咎于以下原因[36-38]:低溫條件下硝酸鹽還原酶活性的降低使得S-D中的反硝化菌對(duì)底物(即有機(jī)碳源)的親和力下降,從而阻礙了其對(duì)該類(lèi)電子供體的利用.同時(shí),進(jìn)水中有機(jī)碳源的匱乏亦加劇了系統(tǒng)中NO3--N的積累.鑒于此,S-D的脫氮性能雖較S-C有所提升,但仍不理想.綜上所述,由于不同的低溫水平會(huì)不同程度影響SBBR中AOB、anammox菌、NOB和反硝化菌群的世代時(shí)間及其各自的關(guān)鍵酶活性,上述4種功能微生物在各系統(tǒng)中對(duì)底物(如O2、NO--N和有機(jī)碳源等)的相對(duì)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)便存在較大差異,進(jìn)而導(dǎo)致各組SBBR中的脫氮微生物優(yōu)勢(shì)菌群在不同的低溫水平下發(fā)生了不同程度的改變,其氮素轉(zhuǎn)化途徑及脫氮性能隨之各不相同.

4 結(jié)論

4.1 當(dāng)溫度315℃時(shí),CANON型SBBR中AOB和anammox菌的豐度與活性未受到明顯抑制,CANON作用始終是系統(tǒng)脫氮的主要途徑,系統(tǒng)在20,15℃下穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)其對(duì)TN的去除率分別為(90.55±2.36)%和(83.29±1.50)%.

4.2 當(dāng)溫度<15℃時(shí),SBBR中的脫氮微生物優(yōu)勢(shì)菌群會(huì)因anammox菌的豐度與活性受到顯著抑制而明顯改變,隨之會(huì)影響系統(tǒng)的氮素轉(zhuǎn)化途徑及其脫氮性能.在10℃時(shí),NOB的增殖及其活性的提高使硝化/反硝化作用取代CANON作用成為SBBR脫氮的主要途徑,此時(shí)系統(tǒng)對(duì)TN的去除率驟降至(16.87± 4.79)%;而在5℃時(shí),反硝化過(guò)程中第1步還原反應(yīng)的停滯與反硝化菌對(duì)NO2--N利用率的提高使SBBR中TN的去除依賴于CANON作用和短程硝化/反硝化作用的協(xié)同,系統(tǒng)對(duì)TN的去除率為(54.83± 3.68)%.

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Effect of low temperature on nitrogen removal in a sequencing batch biofilm reactor with CANON process.

WANG Zhen1*, ZHU Zhen-hua2, DING Ya-nan1, WU Shao-xian1, LI Su-qing1, LIU Xiao-xia3

(1.Anhui Province Key Laboratory of Farmland Ecological Conservation and Pollution Prevention, School of Resources and Environment, Anhui Agricultural University, Hefei 230036, China；2.Dezhou Vocational and Technical College, Dezhou 253034, China；3.Zhejiang Agricultural Technology Extension Center, Hangzhou 310020, China)., 2019,39(4)：1533~1541

The treatment performance and underlying molecular mechanisms of nitrogen transformation in a sequencing batch biofilm reactor (SBBR) with the complete autotrophic nitrogen removal over nitrite (CANON) process were investigated at four different low temperatures in this study. After each system achieved the stable stutus in the low temperature environment, different low temperatures resulted in different degrees of variations in the nitrogen removal performance and transformation pathways of the SBBRs, which was mainly because the original dominant bacterial communities for nitrogen removal in the system changed with the temperature during the operation. When the temperature was above 15°C, the abundances and activities of aerobic ammonia oxidizing bacteria (AOB) and anammox bacteria in the SBBR had not been significantly inhibited, the CANON process was the dominant methanism in the nitrogen removal, and the ideal average removal rates of total nitrogen were also achieved. When the temperature was below 15°C, the abundance and activitity of anammox bacteria experienced different degrees of reduction at 10 and 5°C, which led to the change of main pathway for nitrogen transformation in SBBRs, thus the various degrees of deterioration in the nitrogen removal performance. At 10°C, the proliferation and increased activities of nitrite oxidizing bacteria (NOB) made the nitrification/denitrification process replaced CANON to become the primary route of TN removal in the SBBR with the TN removal efficiency of the system declined to (16.87±4.79)%. At 5°C, the stagnation of reduction process in the 1ststage of denitrification and the increased capacity of denitrifiers to compete for NO2--N caused the removal of nitrogen in SBBR to rely on both the CANON process and the nitrification/denitrification process. The nitrogen removal rate at this status was (54.83±3.68)% in the system.

sequencing batch biofilm reactor (SBBR)；low temperature；completely autotrophic nitrogen removal over nitrite (CANON)；anammox；nitrogen transformation

X703.1

A

1000-6923(2019)04-1533-09

2018-09-10

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51508002);安徽省重點(diǎn)研究與開(kāi)發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(201834040011);農(nóng)田生態(tài)保育與污染防控安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金項(xiàng)目(FECPP201704);安徽省高校優(yōu)秀青年人才支持計(jì)劃項(xiàng)目(gxyqZD2017016)

*責(zé)任作者, 副教授, zwang@ahau.edu.cn

王 振(1985-),男,山東德州人,副教授,博士,主要從事污水生物資源化處理與回用技術(shù)研究.發(fā)表論文30余篇.