全程自養(yǎng)脫氮工藝(completely autotrophic nitrogen removal over nitrite, CANON)是近年發(fā)展起來的新型脫氮工藝.其原理是在單一反應(yīng)器內(nèi), 利用好氧氨氧化細菌(AOB)和厭氧氨氧化細菌(AnAOB)的協(xié)同作用, 將水中的NH4+-N直接轉(zhuǎn)化為N2, 該工藝不消耗有機碳源, 耗氧量低且污泥產(chǎn)量低, 被認為是最具發(fā)展前景的脫氮工藝. CANON工藝的啟動方法大多是顆粒污泥技術(shù)或者是以生物膜為載體, 其原理是在顆粒污泥表面或者膜外形成好氧區(qū)以實現(xiàn)短程硝化, 在顆粒污泥內(nèi)部或者膜內(nèi)形成厭氧區(qū)以為厭氧氨氧化菌提供適宜的生存環(huán)境, 以此實現(xiàn)聯(lián)合脫氮.
目前CANON工藝主要應(yīng)用在處理如污泥消化液等高氨氮廢水, 應(yīng)用于城市生活污水中還存在短程不穩(wěn)定、污泥流失生物量減少、啟動時間長難以穩(wěn)定維持等問題.本研究在CSTR反應(yīng)器以纖維載體為填料, 同時接種亞硝化污泥和厭氧氨氧化絮狀污泥啟動CANON, 并且為減少有機碳源對CANON系統(tǒng)的影響, 在CANON系統(tǒng)前端設(shè)置ABR除碳系統(tǒng), 構(gòu)建一體化ABR除碳-CANON耦合工藝, 用于處理城市污水, 同時采用MiSeq高通量測序技術(shù)對CANON系統(tǒng)啟動前后的微生物進行檢測, 從分子生物學(xué)角度分析接種污泥前后的菌群結(jié)構(gòu)變化, 以期為CANON工藝處理城市生活污水提供宏觀和微觀依據(jù).
1 材料與方法1.1 實驗裝置
本實驗裝置由有機玻璃制成, 總有效體積11 L, 反應(yīng)器長52 cm, 寬8 cm, 有效高度30 cm, 由ABR除碳系統(tǒng)和CSTR全程自養(yǎng)脫氮系統(tǒng)(CANON)組成(如圖 1). ABR系統(tǒng)每隔室升流區(qū)和降流區(qū)隔間寬度比為4 :1, 折流板導(dǎo)向角45°, 有效容積為6.5 L. CANON系統(tǒng)分為曝氣池和沉淀池兩部分組成, 有效容積分別為5.5 L和0.96 L, 反應(yīng)器長17 cm, 寬8 cm, 有效高度40 cm, 采用蠕動泵連續(xù)進水, 溢流出水, 反應(yīng)器內(nèi)掛有帶狀的辮帶式填料.曝氣區(qū)底部裝有曝氣裝置, 以提供溶解氧, 并使泥水充分混合.整個反應(yīng)器始終置于恒溫水浴箱中, 溫度控制在(30±1)℃.
圖 1
1.2 接種污泥和實驗進水
ABR除碳污泥取自蘇州某生活污水處理廠缺氧池污泥, ABR反應(yīng)器各隔室接種污泥量約占各隔室2/3.亞硝化污泥和厭氧氨氧化污泥均來源于實驗室的亞硝化反應(yīng)器和厭氧氨氧化反應(yīng)器, 接種污泥量均為500 mL.
采用人工配水模擬城市污水, 以(NH4)2SO4為氮源(50 mg ·L-1左右), 以乙酸鈉為碳源, 加碳酸氫鈉以調(diào)節(jié)pH至7.5左右.另外還包括生物所需的其他營養(yǎng)元素氯化鈣(10 mg ·L-1)、硫酸鎂(10 mg ·L-1)、磷酸氫二鉀(4 mg ·L-1)及微量元素.微量元素分為微量元素Ⅰ和微量元素Ⅱ, 微量元素按照1mL ·L-1添加.微量元素Ⅰ組分(g ·L-1): EDTA 5, FeSO4 5;微量元素Ⅱ組分(g ·L-1): EDTA 15, ZnSO4 ·7H2O 0.43, CoCl2 ·6H2O 0.24, MnCl2 ·4H2O 0.99, CuSO4 ·5H2O 0.25, NaMoO4 ·2H2O 0.22, NiCl2 ·6H2O 0.19, NaSeO4 ·10H2O 0.21, H3BO4 0.014.
1.3 分析方法
本實驗過程中每隔1 d取水樣測定, 測定項目NH4+-N:納氏試劑分光光度法; NO2--N: N-(1-萘基)-乙二胺分光光度法; NO3--N:紫外分光光度法; MLSS、MLVSS:標準重量法; SVI: 30 min沉降法; pH: pHS-9V數(shù)顯酸度計; 溶解氧: YSI550A溶氧儀.
1.4 微生物高通量測序分析
分別將實驗前后的CANON系統(tǒng)中污泥采集送樣, 采用FastPrep DNA提取試劑盒(QBIOGENE, USA)提取DNA, 完成基因組DNA抽提后, 利用1%瓊脂糖凝膠電泳檢測抽提的基因組DNA.用16S rRNA基因引物338F(ACTCCTACGGGAGG CAGCAG)和806R(GGACTACHVGGGTWTCTAAT)對細菌16S rRNA基因進行PCR擴增, PCR儀采用ABI GeneAmp® 9700型, 采用TransGen AP221-02; TransStart Fastpfu DNA Polymerase, 20 μL反應(yīng)體系.反應(yīng)程序為95℃預(yù)變性3 min, 95℃變性30 s, 55℃退火30 s, 72℃延伸45 s, 27個循環(huán)后, 72℃延伸10 min, 每個樣品重復(fù)3次.
使用AxyPrepDNA凝膠回收試劑盒(AXYGEN公司)切膠回收PCR產(chǎn)物, 委托上海美吉生物醫(yī)藥科技有限公司完成對PCR擴增產(chǎn)物的高通量測序, 微生物多樣性分析于上海美吉醫(yī)藥生物科技有限公司所提供的Ⅰ-Sanger生信分析云平臺上完成.
2 結(jié)果與討論2.1 CANON脫氮性能
混合亞硝化污泥和厭氧氨氧化污泥后, 在CANON啟動過程中, 控制HRT為6 h、氨氮負荷為0.195 kg ·(m3 ·d)-1, 為避免DO對ANAMMOX菌產(chǎn)生影響, 且保證AOB能夠利用DO進行短程硝化, 控制DO為0.5 mg ·L-1.在啟動反應(yīng)器的前5 d, 在進水NH4+-N為43~47 mg ·L-1時, 出水NH4+-N為21~25 mg ·L-1, NO3--N維持在6 mg ·L-1左右, 然而出水亞硝態(tài)氮卻高達31~41 mg ·L-1 (如圖 2).這是因為微生物所在環(huán)境的改變, 使得接種的厭氧氨氧化污泥中微生物生長繁殖受到抑制因而發(fā)生細胞自溶, 從而釋放出大量的NH4+-N, NH4+-N又被氨氧化菌(AOB)氧化為NO2--N, 故而導(dǎo)致出水NO2--N較高.在隨后5~10 d里, 出水NH4+-N濃度持續(xù)升高至38 mg ·L-1, 出水NO2--N下降至1 mg ·L-1以下, 出水NO3--N亦下降至2~4 mg ·L-1, 表明此時曝氣量提供的DO已不能滿足反應(yīng)器的需求, 過低的曝氣量致使大量的NH4+-N未能被AOB利用, 厭氧氨氧化菌(ANAMMOX)只能利用AOB產(chǎn)生的少量NO2--N與進水NH4+-N產(chǎn)生氮氣, 總氮去除率為14%~17%, CANON脫氮效果低下.故在CANON啟動的第11 d調(diào)高曝氣量, 此時DO達到1.2 mg ·L-1, 出水NH4+-N迅速降低, NO2--N略有升高至5~7 mg ·L-1, NO3--N濃度基本不變, 維持在2~6 mg ·L-1, 反應(yīng)器性能得以迅速提升.在接下來的40 d中, 根據(jù)出水氨氮情況的變化, 調(diào)節(jié)曝氣量, DO逐漸升高至2 mg ·L-1, 出水NH4+-N穩(wěn)定在2~7 mg ·L-1、NO2--N為0~3 mg ·L-1, NO3--N為2~4 mg ·L-1, TN去除率為81%~87%, 反應(yīng)器性能穩(wěn)定.具體聯(lián)系污水寶或參見http://m.northcarolinalenders.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。
圖 2
在整個CANON系統(tǒng)啟動過程中, 出水NO3--N濃度一直較低(6 mg ·L-1以下), 說明亞硝酸鹽氧化菌的活性一直處于被抑制的狀態(tài), 這是因為在整個啟動過程中DO一直處于2 mg ·L-1以下, 周律等在生物膜系統(tǒng)中考察不同濃度的溶解氧對亞硝酸鹽積累的影響時發(fā)現(xiàn), 當(dāng)DO濃度為1.5 mg ·L-1時, 可以實現(xiàn)最大程度的亞硝酸鹽積累; 且由于CANON反應(yīng)器是一體式反應(yīng)器, 系統(tǒng)中既有AOB和NOB又有ANAMMOX, 這樣NOB除了要與AOB爭奪氧氣外, 還要與ANAMMOX爭奪亞硝酸鹽, 受到雙重競爭; 除此之外反應(yīng)器溫度控制在(30±1)℃, 在如此高的溫度下, AOB比NOB生長更快, 同時該溫度也接近AnAOB的最佳生長溫度, 所以在整個啟動過程中, 出水NO3--N濃度始終處于6 mg ·L-1以下.
2.2 ABR除碳-CANON工藝的脫氮除碳性能
由于厭氧氨氧化反應(yīng)功能菌世代時間長, 生長條件苛刻, 在有機物濃度過高的情況下, 反應(yīng)過程和脫氮效果極易受到影響, 為保證ABR段出水中有機物濃度不對后續(xù)CANON系統(tǒng)中ANAMMOX菌產(chǎn)生影響, 本實驗在ABR系統(tǒng)和CANON系統(tǒng)耦合之前, 對ABR系統(tǒng)做單獨運行.如圖 3, 進水COD在300~400 mg ·L-1之間, HRT為6 h, 經(jīng)過45 d運行, 出水COD由250 mg ·L-1左右逐漸下降至170 mg ·L-1左右.
圖 3
汪瑤琪等所做研究認為有機物濃度控制在100~200 mg ·L-1之間, 可降低有機物對ANAMMOX菌活性的抑制, 傅金祥等的研究結(jié)果表明, 當(dāng)COD≤120 mg ·L-1時, 有機物對厭氧氨氧化不僅沒有抑制作用, 反而有促進作用, 李冬等在研究有機碳源對CANON工藝的影響時發(fā)現(xiàn), 適量有機物(不超過150 mg ·L-1)的存在會通過增強亞硝化菌(AOB)和厭氧氨氧化菌(AnAOB)的活性和促進反硝化作用來提高氨氮和總氮的去除率, 而本實驗在CANON系統(tǒng)中存在好氧異養(yǎng)菌, 好氧異養(yǎng)菌又能消耗一部份有機物, 所以在ABR單獨運行45 d后, 對ABR系統(tǒng)和CANON系統(tǒng)進行耦合.
本實驗在啟動后期, 雖然有機物進入CANON系統(tǒng), 但是總氮去除率并沒有降低, 穩(wěn)定在74%~87%(圖 4), 這是因為厭氧氨氧化反應(yīng)系統(tǒng)在有有機物的情況下, 系統(tǒng)內(nèi)的異養(yǎng)反硝化菌與自養(yǎng)厭氧氨氧化菌可以協(xié)同作用使系統(tǒng)內(nèi)同時發(fā)生異養(yǎng)反硝化反應(yīng)與ANAMMOX反應(yīng).其中, ANAMMOX反應(yīng)在消耗氨氮和亞硝酸鹽氮的同時產(chǎn)生少量的硝酸鹽氮, 而異養(yǎng)反硝化菌則可以通過反硝化將ANAMMOX反應(yīng)過程中生成的硝酸鹽氮降解, 從而提高系統(tǒng)的TN去除率, 另一方面, 適量有機物(不超過150 mg ·L-1)的存在使得異養(yǎng)菌適度生長, 這些異養(yǎng)菌產(chǎn)生的胞外聚合物使填料表面黏度變大, 因而有利于污泥的持留, 有利于一體式ABR除碳-CANON系統(tǒng)的穩(wěn)定.
圖 4
2.3 微生物菌群結(jié)構(gòu)變化
利用MiSeq高通量測序平臺對CANON系統(tǒng)實驗前(剛接種亞硝化污泥和厭氧氨氧化污泥于CANON系統(tǒng)中)和實驗后(實驗進行100 d)污泥中微生物多樣性進行分析, 本研究中2個樣本的覆蓋率均大于99.99%, 可確保本次測序結(jié)果能夠代表樣本中微生物群落組成.如表 1所示, Chao1和ACE指數(shù)有所增加, 表明實驗后的CANON污泥擁有更高的微生物物種豐度. Shannon和Simpson指數(shù)變化較小, 實驗前后CANON微生物多樣性略有增加.
表 1 CANON系統(tǒng)實驗前后微生物多樣性變化
如圖 5, 實驗前后Proteobacteria(變形菌門)、Bacteroidetes(擬桿菌門)和Chloroflxi(綠彎菌門)均為豐度較高的菌門, 而實驗后Proteobacteria得到了顯著提升, 由實驗前的22.56%上升到61.02%, Bacteroidetes和Chloroflxi均有不同程度地減少.有研究表明, Proteobacteria在大多數(shù)厭氧氨氧化系統(tǒng)中占據(jù)主導(dǎo)地位, 且β-Proteobacteria綱幾乎涵蓋了所有類型的AOB, 這也從微生物角度解釋了本實驗脫氮效能提高的原因.
圖 5
活性恢復(fù)前, 為進一步闡明厭氧氨氧化反應(yīng)器啟動前后微生物群落結(jié)構(gòu)的變化情況, 對綱水平下的菌群結(jié)構(gòu)作進一步的分析.如圖 6所示, 實驗后CANON系統(tǒng)中γ-Protebacteria綱數(shù)量上占據(jù)絕對優(yōu)勢, 鄭平等和Heylen等指出γ-Protebacteria對于系統(tǒng)的脫氮和反硝化有很大的貢獻, 這與本實驗結(jié)論一致. Sphingobacteria(鞘脂桿菌綱)與好氧反硝化關(guān)系密切, 實驗前Sphingobacteria綱所占比例為34%, 實驗后Sphingobacteria綱所占比例下降為6.8%, 這是因為本實驗所接種的亞硝化污泥中含有大量的好氧反硝化菌, 而經(jīng)過100 d實驗后, 好氧反硝化菌逐漸被淘汰, 這也從側(cè)面證明了本實驗脫氮的主要方式為亞硝化與厭氧氨氧化的聯(lián)合作用.
圖 6
3 結(jié)論
(1) 通過在CSTR反應(yīng)器中同時接種亞硝化和厭氧氨氧化污泥, 控制DO為0.5~2 mg ·L-1、HRT為6 h、氨氮負荷為0.195 kg ·(m3 ·d)-1、pH值為8左右等措施, 在55 d內(nèi)成功啟動CANON系統(tǒng), TN去除率為81%~87%.
(2) ABR除碳系統(tǒng)出水有機物濃度(120 mg ·L-1)不會對后續(xù)CANON系統(tǒng)產(chǎn)生不利影響, 一體式ABR除碳-CANON工藝TN去除率在74%~87%, 出水COD平均濃度為40 mg ·L-1, 一體化ABR除碳-CANON工藝可以對城市污水穩(wěn)定高效脫氮.
(3) CANON系統(tǒng)啟動前后Proteobacteria門得到了顯著提升, Sphingobacteria綱所占比例下降為6.8%, CANON系統(tǒng)中亞硝化菌和厭氧氨氧化菌不斷淘汰劣勢菌群成為反應(yīng)器內(nèi)優(yōu)勢菌群.(來源：環(huán)境科學(xué) 作者：李田)
