陳重軍,汪瑤琪,姜 瀅,郭萌蕾,謝嘉瑋,謝軍祥,沈耀良,2,3

有機(jī)物對(duì)連續(xù)流Anammox脫氮及微生物群落影響

陳重軍1,2,3,4,汪瑤琪1,姜 瀅1,郭萌蕾1,謝嘉瑋1,謝軍祥1,沈耀良1,2,3

(1.蘇州科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇 蘇州 215009；2.江蘇省環(huán)境科學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 蘇州 215009；3.江蘇水處理技術(shù)與材料協(xié)同創(chuàng)新中心,江蘇 蘇州 215009；4.江蘇省厭氧生物技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 無錫 214122)

采用UASB連續(xù)流反應(yīng)器,研究了不同有機(jī)物濃度對(duì)厭氧氨氧化的脫氮性能及微生物群落結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期影響,結(jié)果表明,在COD濃度分別為0,20,40,60和80mg/L時(shí),40mg/L COD濃度條件下對(duì)厭氧氨氧化反應(yīng)的促進(jìn)程度最大,TN和COD去除率穩(wěn)定在88.5%和75.3%.在低濃度COD(20mg/L)條件下,厭氧氨氧化反應(yīng)受影響程度不明顯,而COD為60和80mg/L時(shí),系統(tǒng)脫氮性能受到不同程度的抑制.通過高通量測(cè)序技術(shù)對(duì)不同COD濃度下的微生物群落結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,結(jié)果表明不同COD濃度下,綠曲撓菌門(Chloroflexi)、浮霉菌門(Planctomycetes)、變形菌門(Proteobacteria)和放線菌門(Actinobacteria)等占據(jù)主導(dǎo),且隨著COD濃度從0增至80mg/L,浮霉菌門相對(duì)豐度從24.60%降至7.70%,其中的屬降幅最大,豐度從12.14%減至3.63%,變形菌門相對(duì)豐度從15.40%增至36.30%,其中菌屬的增幅最大,豐度從0.01%增至8.39%.

厭氧氨氧化；有機(jī)物濃度；脫氮性能；微生物群落結(jié)構(gòu)；高通量測(cè)序

厭氧氨氧化(anaerobic ammonium oxidation, Anammox) 反應(yīng)是指在厭氧或者缺氧條件下,厭氧氨氧化菌以NO2--N為電子受體,氧化NH4+-N為氮?dú)獾纳镞^程[1-3].相比傳統(tǒng)硝化-反硝化工藝,該過程可降低50%的曝氣量、100%的有機(jī)碳源以及90%的運(yùn)行費(fèi)用[4],且污泥產(chǎn)率低.以厭氧氨氧化為主體的污水處理工藝研究和開發(fā),給我國(guó)目前污水處理面臨的低碳氮比廢水脫氮難、能耗高、污泥產(chǎn)量大等問題帶來了曙光.然而,實(shí)際廢水中存在有機(jī)物,較高濃度的有機(jī)物存在會(huì)對(duì)厭氧氨氧化反應(yīng)造成不利影響,甚至受到抑制.研究表明,當(dāng)COD/N超過1.7或COD濃度超過100mg/L,將會(huì)嚴(yán)重抑制厭氧氨氧化反應(yīng)器的性能,且隨著COD濃度的增加,anammox菌的比例會(huì)下降[5-6].有機(jī)物與厭氧氨氧化系統(tǒng)接觸時(shí)間的長(zhǎng)短會(huì)對(duì)厭氧氨氧化反應(yīng)產(chǎn)生不同的作用[7],特別是在長(zhǎng)期有機(jī)物脅迫下,會(huì)對(duì)反應(yīng)器效能及微生物群落結(jié)構(gòu)造成重要影響[8].然而,關(guān)于在連續(xù)流反應(yīng)器內(nèi)有機(jī)物長(zhǎng)期作用下的脫氮規(guī)律變化、厭氧氨氧化恢復(fù)情況及污泥微生物群落動(dòng)態(tài)變化的研究報(bào)道尚少.

本文以乙酸鈉作為有機(jī)物,采用UASB連續(xù)流反應(yīng)器,通過調(diào)控不同濃度的乙酸鈉控制進(jìn)水中COD濃度,通過長(zhǎng)期有機(jī)物脅迫研究,探究有機(jī)物在連續(xù)流反應(yīng)器內(nèi)對(duì)厭氧氨氧化效能影響和恢復(fù)情況,并初步明確其微生物群落結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律,旨在為厭氧氨氧化的實(shí)際應(yīng)用提供理論參考.

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置和條件

實(shí)驗(yàn)裝置采用UASB反應(yīng)器,由有機(jī)玻璃制成,反應(yīng)區(qū)的內(nèi)徑8cm,沉淀區(qū)內(nèi)徑10cm,高127.40cm,持水高度119.90cm,有效容積為19.70L.反應(yīng)器依靠外層的水浴夾套保持溫度在(32±1)℃,整體用黑色遮陽(yáng)塑料膜蓋住避光,并通過蠕動(dòng)泵控制進(jìn)水,反應(yīng)器構(gòu)造見圖1.

圖1 UASB反應(yīng)器示意

1. 集氣管;2. 三相分離器;3. 出水口;4. 水浴加熱出水口;5. 取樣口;6. 進(jìn)水口;7. 蠕動(dòng)泵;8. 進(jìn)水管;9. 水浴加熱進(jìn)水管;10. 水浴加熱進(jìn)水口

1.2 實(shí)驗(yàn)用水和運(yùn)行條件

實(shí)驗(yàn)用水采用人工配水,UASB反應(yīng)器運(yùn)行維持進(jìn)水NH4+-N和NO2--N濃度分別為114,150mg/L. 每個(gè)階段提升進(jìn)水COD濃度分別為20, 40, 60和80mg/L,水質(zhì)穩(wěn)定后回降COD為0mg/L進(jìn)行恢復(fù),具體運(yùn)行狀況見表1.進(jìn)水pH值控制在7.5±0.5,添加KH2PO40.03g/L,MgSO40.30g/L,CaC120.18g/L, KHCO30.50g/L,1L配水添加1mL微量元素I,II,微量元素I,II配比見文獻(xiàn)[9],整個(gè)運(yùn)行周期為157d.

表1 UASB反應(yīng)器運(yùn)行工況

1.3 測(cè)試項(xiàng)目與方法

每隔2d采集反應(yīng)器進(jìn)出水,測(cè)定NH4+-N、NO2--N、NO3--N、COD濃度,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;COD采用重鉻酸鉀法[10].

微生物測(cè)試樣品共計(jì)5個(gè),分別取自研究開始前和COD濃度分別為20,40,60,80mg/L時(shí)穩(wěn)定運(yùn)行的反應(yīng)器內(nèi)混合污泥,5個(gè)樣品編號(hào)為C0、C20、C40、C60和C80.采用Illumina Misep測(cè)序平臺(tái)對(duì)5個(gè)樣品中的微生物進(jìn)行測(cè)序分析,包括DNA提取、PCR擴(kuò)增、Miseq文庫(kù)構(gòu)建和Miseq測(cè)序[11],微生物測(cè)序過程委托上海美吉生物醫(yī)藥科技有限公司完成.

2 結(jié)果與討論

2.1 有機(jī)物對(duì)厭氧氨氧化反應(yīng)器水質(zhì)的長(zhǎng)期影響分析

4個(gè)階段反應(yīng)器氮素和COD的濃度變化情況見圖2~4.第一階段,向穩(wěn)定運(yùn)行300多天的厭氧氨氧化反應(yīng)器內(nèi)添加20mg/LCOD后,初始幾天NO2--N和NH4+-N的去除情況稍有波動(dòng),隨后穩(wěn)定, NO3--N累積量均值由21.88mg/L減少至8.75mg/L.但與未添加COD的運(yùn)行狀況相比,總氮去除率未出現(xiàn)明顯變化,保持在85%左右,即20mg/LCOD的加入對(duì)厭氧氨氧化系統(tǒng)并無顯著影響.該階段中COD的平均去除率為42.8%.待反應(yīng)器內(nèi)氮素變化穩(wěn)定后,停止添加有機(jī)物以恢復(fù)厭氧氨氧化脫氮系統(tǒng).恢復(fù)期間反應(yīng)器內(nèi)脫氮菌種經(jīng)歷了適應(yīng)期和穩(wěn)定期,出水氮素在停止投加COD的前4d變化較大,之后逐步穩(wěn)定.

圖2 不同有機(jī)物濃度下氮素的變化情況

圖3 不同有機(jī)物濃度下COD的變化情況

第二階段,向進(jìn)水中投加40mg/L的COD,該階段氮素平均去除率為88%,高于第一階段的85%,出水中NO2--N和NH4+-N剩余量均值為4.21mg/L和1.80mg/L,NO3--N的累積量減至7.48mg/L.與氮素去除率提高一致,COD去除率升高至75.3%,表明反應(yīng)系統(tǒng)厭氧氨氧化菌和其他脫氮功能菌共存,共同協(xié)作提升氮素和碳素的去除率[12].隨后停止添加有機(jī)物,反應(yīng)器進(jìn)入第二階段的恢復(fù)期.

第三階段,繼續(xù)增大進(jìn)水COD濃度至60mg/L,出水NO2--N和NH4+-N濃度逐漸升高,穩(wěn)定后平均去除率降至84.4%和80.3%,TN去除率降至73.2%, COD去除率也相應(yīng)降至60.0%,表明COD為60mg/L時(shí)已經(jīng)對(duì)厭氧氨氧化反應(yīng)產(chǎn)生抑制作用.待氮素去除穩(wěn)定后,停止有機(jī)物投加,初始幾天氮素和碳素去除率變化不大,可能是反應(yīng)器內(nèi)殘留一定的有機(jī)物,隨后出水NO2--N和NH4+-N濃度逐漸降低.然而,由于該階段厭氧氨氧化系統(tǒng)受有機(jī)物影響,反應(yīng)器運(yùn)行狀況未回歸至第一階段前.

圖4 不同有機(jī)物濃度下氨氮和亞硝酸鹽氮去除率的變化情況

第四階段,繼續(xù)提高進(jìn)水有機(jī)物濃度至COD為80mg/L,經(jīng)過短暫的適應(yīng)期后,反應(yīng)器出水迅速惡化,出水NO2--N和NH4+-N濃度逐漸增加,分別由第四階段初的7.64,18.06mg/L升至78.61,59.31mg/L,TN去除率降至50%.碳素和氮素的去除情況類似,COD的去除率下降至35.5%,表明該階段厭氧氨氧化反應(yīng)受到較為嚴(yán)重的抑制.為減少對(duì)反應(yīng)器內(nèi)的厭氧氨氧化菌的抑制,在投加80mg/LCOD后的第16d開始,停止投加有機(jī)物,進(jìn)行反應(yīng)器的性能恢復(fù)試驗(yàn).與前三個(gè)階段的恢復(fù)期相比,該階段恢復(fù)期較長(zhǎng).

低濃度有機(jī)物的加入對(duì)厭氧氨氧化反應(yīng)影響不大或無明顯影響,高濃度對(duì)其有抑制或毒性作用,介于兩種情況間可能存在對(duì)其促進(jìn)作用最佳的有機(jī)物濃度[13-14].朱葛夫等[15]采用CSTR厭氧氨氧化反應(yīng)器,發(fā)現(xiàn)COD濃度小于120mg/L時(shí)可促進(jìn)厭氧氨氧化反應(yīng),但高于200mg/L時(shí)產(chǎn)生抑制效果.管勇杰等[16]考察乙酸鈉對(duì)ASBR反應(yīng)器內(nèi)厭氧氨氧化的影響,表明厭氧氨氧化活性在COD濃度為80mg/L時(shí)達(dá)到最大值.操沈彬等[17]通過批次試驗(yàn)說明當(dāng)NO2--N濃度為35mg/L左右時(shí),乙酸鈉濃度在200mg/L以下并不會(huì)對(duì)厭氧氨氧化系統(tǒng)有沖擊影響,且一定程度上促進(jìn)了厭氧氨氧化反應(yīng).也有研究表明,當(dāng)有機(jī)碳源質(zhì)量濃度大于110mg/L時(shí),會(huì)抑制厭氧氨氧化反應(yīng)[18].本研究中40mg/L的COD是UASB反應(yīng)器內(nèi)對(duì)厭氧氨氧化反應(yīng)有促進(jìn)影響效果的最佳濃度值,低于其他學(xué)者的研究結(jié)果,推測(cè)可能是反應(yīng)器類型、接種污泥不同等造成的,再加上本試驗(yàn)UASB反應(yīng)器長(zhǎng)期培養(yǎng)厭氧氨氧化污泥,試驗(yàn)開始前污泥中厭氧氨氧化菌占總細(xì)菌比例高達(dá)31.40%,其他脫氮功能菌占比較少,造成異養(yǎng)菌不能消耗掉大量有機(jī)物而為厭氧氨氧化菌生存提供有利條件.

2.2 有機(jī)物對(duì)厭氧氨氧化反應(yīng)器微生物群落結(jié)構(gòu)的影響分析

2.2.1 各濃度下微生物豐度和多樣性分析 樣品C0、C20、C40、C60和C80序列數(shù)均在30087~36891間,有機(jī)物脅迫下對(duì)序列數(shù)變化影響不大(表2). Chao和ACE指數(shù)表示樣品微生物群落豐富度,值越大代表物種總數(shù)越多;Shannon指數(shù)反映了基于物種數(shù)量的群落種類多樣性,指數(shù)越大表明群落的復(fù)雜程度越高;Simpson指數(shù)體現(xiàn)了優(yōu)勢(shì)物種生物量占群落生物總量的比重,該指數(shù)越大表明優(yōu)勢(shì)菌群生物量占總生物量比重越大[19].由此,樣品C40所含微生物種類較其他樣品少,優(yōu)勢(shì)菌群占比大,也就是說添加40mg/L的COD,反應(yīng)器內(nèi)微生物種群復(fù)雜度降低,功能優(yōu)勢(shì)菌群占比突出.

表2 UASB反應(yīng)器污泥細(xì)菌豐度變化情況

2.2.2 各COD濃度下微生物門分類水平的相對(duì)豐度變化 各COD濃度下污泥樣品微生物在門豐度上占比較多的依次為綠曲撓菌門(Chloroflexi)、變形菌門(Proteobacteria)、浮霉菌門(Planctomycetes)和放線菌門(Actinobacteria),表明加入有機(jī)物后反應(yīng)器內(nèi)主要菌群種類并未改變,僅在優(yōu)勢(shì)占比上有所變動(dòng)(圖5).其中,綠曲撓菌門常在厭氧氨氧化反應(yīng)器中檢出,具有固碳功能,能將CO2固定為丙酮酸,但在厭氧氨氧化反應(yīng)器中承擔(dān)何種角色還未可知[20-21].反應(yīng)器中脫氮功能菌為變形菌門和浮霉菌門,而厭氧氨氧化菌主要存在于浮霉菌門中,浮霉菌門在所有細(xì)菌數(shù)目中的占比可反映出厭氧氨氧化菌的生存狀態(tài).

圖5 各COD濃度下細(xì)菌在門層面上的群落組成變化情況

隨著有機(jī)物濃度的增加,浮霉菌門的相對(duì)豐度總體呈現(xiàn)降低趨勢(shì),而變形菌門相對(duì)豐度逐漸增高(圖6).當(dāng)反應(yīng)器進(jìn)水基質(zhì)中未添加有機(jī)物時(shí),浮霉菌門相對(duì)豐度占比高達(dá)24.60%,是厭氧氨氧化反應(yīng)系統(tǒng)內(nèi)絕對(duì)優(yōu)勢(shì)菌群.當(dāng)COD濃度增至20,40mg/L時(shí),浮霉菌門的相對(duì)豐度減小,變形菌門相對(duì)豐度有增長(zhǎng)趨勢(shì),但幅度變化不大,均在15%左右波動(dòng).有機(jī)物濃度持續(xù)增大,兩種脫氮功能菌所占百分比差異不斷增大,變形菌門成為反應(yīng)器優(yōu)勢(shì)種群,浮霉菌門在有機(jī)物的影響下受到抑制,其中當(dāng)COD=80mg/L時(shí),浮霉菌門占比銳減至7.70%,而變形菌門增至36.30%.有機(jī)物濃度的增高,會(huì)直接影響厭氧氨氧化反應(yīng)器內(nèi)微生物的群落結(jié)構(gòu),且抑制浮霉菌門微生物的生長(zhǎng).有機(jī)物的加入打破了厭氧氨氧化菌作為優(yōu)勢(shì)菌的地位,有機(jī)物加入促使反硝化菌數(shù)量增加[22-23].本研究當(dāng)COD濃度為20mg/L時(shí),厭氧氨氧化反應(yīng)的脫氮功能無明顯影響,而厭氧氨氧化菌所在的浮霉菌門豐度已減至9.80%,可能是因?yàn)榉磻?yīng)器內(nèi)污泥含量較多,菌體基數(shù)較大,對(duì)反應(yīng)基質(zhì)中的氮素去除影響并不明顯.而當(dāng)COD濃度為40mg/L時(shí),變形菌門和浮霉菌門相對(duì)豐度占比未有明顯變化,但氮素去除率從85.1%增至88.5%,反應(yīng)器內(nèi)細(xì)菌種群類別減少,復(fù)雜度降低,這與表2的結(jié)果相對(duì)應(yīng).然而,當(dāng)COD濃度增至60mg/L以上,變形菌門利用系統(tǒng)內(nèi)的有機(jī)物快速增殖,消耗基質(zhì),雖然浮霉菌門相對(duì)比例有所上升,但推測(cè)一定程度上抑制了浮霉菌門的活性,造成TN去除率降低.

圖6 各COD濃度下浮霉菌門和變形菌門占比變化情況

2.2.3 各COD濃度下微生物屬分類水平的相對(duì)豐度變化 將主要脫氮功能菌浮霉菌門和變形菌門下的菌群進(jìn)行屬層面上的分析,見圖7.浮霉菌門中占比較多的為、和SM1A02,均為常見的種屬[24-25].屬以亞硝酸為能源,以CO2為碳源,最早是在荷蘭的污水處理廠污泥中發(fā)現(xiàn)的,是第一個(gè)被富集鑒定的ANAMMOX菌種[26].與屬一致,屬以CO2為唯一碳源,通過氧化 NO2--N為 NO3--N獲得能量,最初是在德國(guó)斯圖加特廢水處理滴濾池中發(fā)現(xiàn)的[27].隨著有機(jī)物濃度的增大,屬豐度一直呈現(xiàn)下降趨勢(shì),所占百分比從12.14%降至3.63%,但卻一直是浮霉菌門中的主導(dǎo)菌屬,可能是因其是生物進(jìn)化策略中的R型策略者,擁有更高的生長(zhǎng)率[28].而其他三種菌屬均呈現(xiàn)先下降后小幅度升高最后又降低的趨勢(shì). 4種菌屬中SM1A02占比變化最小,表明有機(jī)物濃度對(duì)SM1A02菌屬的豐度影響最小.

變形菌門中、Unclassfied、、和菌屬是所有菌屬中比例較大的5類菌.蛭弧菌()一般具有噬菌的特性,但在厭氧氨氧化反應(yīng)器內(nèi)的作用還需進(jìn)一步研究.伯克氏菌屬()廣泛存在于自然環(huán)境中,一般在高溫環(huán)境中被檢測(cè)到,本文研究裝置置于(32±1)℃,為該菌的生長(zhǎng)提供了適宜條件[29].具有反硝化性能,在有機(jī)碳源存在的厭氧環(huán)境中常被檢測(cè)到[30].叢毛單胞菌科()異養(yǎng)菌,可以降解有機(jī)物,有機(jī)物增加會(huì)提升其相對(duì)豐度[31].假單胞菌屬()大部分有機(jī)化能異養(yǎng)菌,呼吸代謝,也有兼性化能自養(yǎng)菌,能利用H2或CO2作為能源.分子氧是普遍的電子受體,部分能利用硝酸鹽作為電子受體進(jìn)行反硝化[31].其中菌屬增幅最大,其豐度從未添加有機(jī)物時(shí)的0.01%增至COD=80mg/L時(shí)的8.39%,而菌屬是在反應(yīng)器氮素去除效果最好的時(shí)候比例減至最低(1.89%),其他菌屬變化規(guī)律尚不明顯,具體原因還有待進(jìn)一步研究.

圖7 各COD濃度下浮霉菌門和變形菌門的群落組成(屬)相對(duì)百分比

3 結(jié)論

3.1 在40mg/L COD濃度條件下對(duì)厭氧氨氧化反應(yīng)的促進(jìn)程度最大,TN和COD去除率穩(wěn)定在88.5%和75.3%.在低濃度COD(20mg/L)條件下,厭氧氨氧化反應(yīng)受影響程度不明顯,而COD為60,80mg/L時(shí),系統(tǒng)脫氮性能受到不同程度的抑制.

3.2 通過高通量測(cè)序技術(shù)對(duì)不同COD濃度下的微生物群落結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,結(jié)果表明不同COD濃度下,綠曲撓菌門(Chloroflexi)、浮霉菌門(Planctomycetes)、變形菌門(Proteobacteria)和放線菌門(Actinobacteria)等占據(jù)主導(dǎo),且隨著COD濃度從0升至80mg/L,浮霉菌門相對(duì)豐度從24.60%降至7.70%,其中的屬降幅最大,豐度從12.14%減小至3.63%,變形菌門相對(duì)豐度從15.40%增至36.30%,其中菌屬的增幅最大,豐度從0.01%增至8.39%.

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Effects of organic matter on nitrogen removal and microbial community in anammox reactor.

CHEN Chong-jun1,2,3,4, WANG Yao-qi1, JIANG Ying1, GUO Meng-lei1, XIE Jia-wei1, XIE Jun-xiang1, SHEN Yao-liang1,2,3

(1.School of Environmental Science and Engineering, Suzhou University of Science and Technology, Suzhou 215009, China；2.Jiangsu Provincial Key Laboratory of Environmental Science and Engineering, Suzhou 215009, China；3.Jiangsu Collaborative Innovation Center of Technology and Material of Water Treatment, Suzhou 215009, China；4.Jiangsu Key Laboratory of Anaerobic Biotechnology, Wuxi 214122, China)., 2019,39(12)：5049~5055

The UASB continuous flow reactor was used to study the long-term effects of different organic concentrations on the anammox nitrogen removal and microbial community structure. The results showed that the 40mg/L of COD concentration provided the most promotion to anammox reaction among the COD concentration levels with 0, 20, 40, 60 and 80mg/L. At this concentration, the TN and COD removal rates were stabilized at 88.5% and 75.3%, respectively. Under a lower level (20mg/L), the anammox reaction was not affected significantly. However, the nitrogen removal performance was inhibited when the COD concentrations were higher at 60 and 80mg/L. The microbial community structure under different COD concentrations was analyzed by high-throughput sequencing technology. The results indicated that the Chloroflexi, Planctomycetes, Proteobacteria and Actinobacteria were always dominated under different COD concentrations, their relative abundance varied in different scenarios. The relative abundance of Planctomycetes was decreased from 24.60% to 7.70% with the increase of COD concentration (0 to 80mg/L). Among them,declined fastest, and the abundance was decreased from 12.14% to 3.63%. The relative abundance of Proteobacteria was increased from 15.40% to 36.30%, among whichhad the biggest increase from 0.01% to 8.39%.

anammox；organic matter concentration；nitrogen removal；microbial community；high throughput sequencing

X703

A

1000-6923(2019)12-5049-07

陳重軍(1984-),男,浙江義烏人,蘇州科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院副教授,主要從事廢水生物處理技術(shù)與機(jī)制研究.發(fā)表論文50余篇.

2019-05-16

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51508366,51308367);江蘇省環(huán)境科學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金(Zd1804);江蘇省厭氧生物技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金(KFLAB201701)

* 責(zé)任作者, 副教授, chongjunchen@163.com