乙酸鈉丙酸鈉配比對A2/O-BCO反硝化除磷及菌群結構的影響

於 蒙,潘 婷,張 淼*,王一鑫,龐晶津,姜友法,王寶林,何成達

乙酸鈉丙酸鈉配比對A2/O-BCO反硝化除磷及菌群結構的影響

於 蒙1,潘 婷1,張 淼1*,王一鑫1,龐晶津2,姜友法3,王寶林3,何成達1

(1.揚州大學環境科學與工程學院,江蘇 揚州 225127；2.揚州市潔源排水有限公司,江蘇 揚州 225002；3.江蘇揚農化工股份有限公司,江蘇 揚州 225009)

采用厭氧/缺氧/好氧和生物接觸氧化反應器(A2/O-BCO)組成的反硝化除磷系統處理模擬生活污水,通過調節進水乙酸鈉、丙酸鈉的配比(乙酸鈉:丙酸鈉分別為1:0,2:1,1:1,1:2和0:1),考察了系統對有機物的去除以及同步脫氮除磷的影響,同時通過高通量測序對比了不同配比下微生物菌群結構的變化.結果表明:乙酸鈉丙酸鈉配比對有機物和NH4+-N的去除影響較小,對厭氧段有機物的消耗和TN的去除率以及磷的釋放和吸收影響較為明顯;TP去除率僅為50.3%~56.8%,需進一步優化系統的運行參數.當乙酸鈉:丙酸鈉=1:1時,厭氧段有機物消耗量最大,占有機物流入量的61.2%,厭氧釋磷量最大(23.2mg/L)且缺氧吸磷率最高(71.4%),而TN的去除效果則隨丙酸鈉含量的增加而增加.高通量測序結果表明:A2/O反應器中微生物多樣性降低,混合碳源污泥中微生物多樣性比單一碳源更豐富;馴化后的污泥中綠彎菌()和螺旋菌()減少,變形菌()和擬桿菌()增加. BCO反應器中和總占比為2.1%~31.4%且抑制亞硝酸鹽氧化菌(NOB)的活性,有利于短程硝化的實現.

A2/O-BCO系統；碳源；反硝化除磷；高通量測序；微生物菌群結構

我國城市生活污水的主要特征是C/N低,碳源的不足給生活污水處理增加了難度,而傳統外加碳源的方法污水處理成本高,且不能從根本上解決碳源不足的問題.而反硝化除磷工藝以其特有的“一碳兩用”,有效解決了常規生物脫氮除磷工藝的碳源供求矛盾[1-2].同時該工藝還具有脫氮除磷效率高,曝氣量少,剩余污泥量低等特點,受到廣泛關注和研究.

通過多年的發展與探索,反硝化除磷工藝經歷了從單污泥到雙污泥系統的過渡,其中A2/O-生物接觸氧化(A2/O-BCO)工藝就是一種新型的雙污泥反硝化除磷系統.該工藝將長短泥齡分離,實現了“一碳兩用”,尤其在低C/N比條件下有利于反硝化聚磷菌(DNPAOs)成為優勢菌,具有脫氮除磷效率高,節省碳源和曝氣量,污泥產率低等諸多優點[3].

由于碳源種類直接影響聚磷菌的代謝途徑和活性[4],同時也決定聚磷菌的釋磷能力和胞內貯存物的合成能力,影響反硝化除磷效能[5-8],因而對脫氮除磷效率產生較大影響.目前很多學者圍繞碳源對反硝化過程的影響展開了大量研究,其中對以乙酸鹽作為基質進行反硝化除磷的研究較多,丙酸鹽是否具有強化除磷效果也存在爭議[9-12],以乙酸鈉和丙酸鈉作為混合碳源的研究相對而言較少且大多數研究采用的是SBR工藝,而針對A2/O-BCO工藝的研究目前報道較少.

此外,乙酸、丙酸作為生活污水中主要的短鏈脂肪酸,以乙酸、丙酸的混合碳源為研究對象更具實際意義.本研究在連續流運行條件下,考察乙酸鈉丙酸鈉配比對A2/O-BCO工藝脫氮除磷的影響.通過碳、氮、磷在處理過程中的變化、碳平衡分析以及高通量測序技術,解析乙酸鈉丙酸鈉配比對微生物組成的影響,探究反應器內的微生物群落結構;通過闡明微生物群落組成,了解主要功能微生物的種類,以期為現有或新建污水處理廠的達標排放和升級改造提供思路,進而加快實現該工藝的推廣與應用.

1 材料與方法

1.1 實驗裝置

本實驗采用A2/O-BCO系統,該系統由原水水箱,進水泵,A2/O反應器,中間沉淀池,中間水箱,中間進水泵,生物接觸氧化池以及沉淀區順序連接而成,工藝流程如圖1所示.

圖1 A2/O-BCO工藝裝置

A2/O反應器有效容積20L,進水流量48L/d,反應器共7個格室,分為厭氧區,缺氧區和好氧區,厭氧區和缺氧區設有攪拌;好氧區溶氧量控制在2mg/L,吸磷的同時將反硝化產生的氮氣排出.A2/O反應器平均污泥濃度為4000mg/L,A2/O反應器出水進入中間沉淀池進行泥水分離,污泥回流到厭氧區.

BCO反應器由生物接觸氧化池及沉淀區組成,沉淀池上清液經中間提升泵進入生物接觸氧化池,硝化液經沉淀區回流到缺氧區.BCO反應器三格串聯(N1,N2,N3),每格有效容積為2.8L,內置懸浮填料為圓柱體聚丙烯(尺寸:10mm×10mm),填充率45%.

1.2 試驗水質及接種污泥

表1 A2/O-BCO工藝進水水質特性

試驗用水為人工配制的低C/N比污水(C/N=4~ 5),詳見表1.微量元素濃度(mg/L)如下: MgSO4·7H2O 0.45,FeCl3·6H2O 1.95,Na2MoO41.05, ZnSO4·2H2O 0.3,CuSO40.3,CoCl2·6H2O 0.3,CaCl2·2H2O 0.3.A2/O反應器接種污泥取自揚州湯汪污水處理廠CASS反應器的生化污泥,MLSS在4500mg/L左右,SVI值約為97mL/gMLSS,沉降性較好,污泥脫氮除磷性能穩定.BCO反應器利用中間沉淀池的出水作為進水自然掛膜,實現氨氮的高效氧化.

1.3 試驗方案

試驗采用連續進水,整個試驗歷時187d,根據投加碳源的不同配比分為5個工況,具體見表2.

試驗期間水溫在23~26℃,污泥回流比100%,硝化液回流比300%, A2/O容積分配比為1:5:1,水力停留時間HRT為10h,污泥齡SRT為8d.在保持其他運行參數不變的條件下,考察乙酸鈉丙酸鈉配比對系統反硝化脫氮除磷特性的影響.為保證試驗數據的可靠性,每個工況至少運行3個SRT.

表2 試驗安排

1.4 檢測項目與方法

反應器運行期間,定期采集水樣,采用標準方法[13]對相關指標進行測定,分析項目及方法見表3.高通量測序樣品分別取自接種污泥(樣品編號0-2),裝置運行第37d(樣品編號1),第82d(樣品編號2),第127d(樣品編號3),第162d(樣品編號4),第187d(樣品編號5)以及長期運行穩定階段BCO反應器三格的生物膜(樣品編號6,7,8).其中樣品1~5取自中間沉淀池,經離心,冷凍干燥處理后送樣檢測;樣品6~8為懸浮填料上的生物膜,經超聲波震蕩,離心,冷凍干燥處理后送樣檢測.

表3 檢測項目及分析方法

1.5 系統碳元素平衡分析方法

系統中有機物(C,in,mg/d)遷移轉化和代謝途徑主要包括以下幾個方面:A2/O反應器厭氧段去除(T,An,mg/d),缺氧段反硝化和好氧段氧化(TA-O, mg/d),BCO反應器氧化(TBCO,mg/d),剩余污泥排放(T,ws,mg/d)以及出水殘留(T,eff,mg/d).本研究以不同工況(工況I~V)下的穩態試驗數據為基礎,對A2/O-BCO系統進行碳元素的物料平衡分析(以COD記),具體計算方法如下[14-15]:

T,in=in·in(1)

C,An= [in+·RS-(1+)·An]·in(2)

T,A-O=[(1+)·C+·C-(1++)·O]·in(3)

C,BCO=(1+)·(RS-eff)·in(4)

C,WS=WS·CV··WS(5)

C,eff=eff·in(6)

式中:in,WS分別為進水流量和剩余污泥排放量, L/d;in,RS,An,O,eff分別為進水、回流污泥攜帶、厭氧段、好氧段和出水COD濃度,mg/L;為污泥回流比100%;為硝化液回流比300%;WS為剩余污泥濃度,mg/L;為VSS/MLSS,在0.6~0.8之間;CV為活性污泥中COD的化學計量系數,計算中取1.48mg COD/(mg VSS)[16].

2 結果與討論

2.1 乙酸鈉丙酸鈉配比對有機物去除特性的影響

由圖2可知,當乙酸鈉:丙酸鈉分別為1:0, 2:1, 1:1,1:2和0:1時,雖然進入系統的COD濃度有波動,但系統最終出水基本能達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準 GB 18918-2016》中的一級A標準,去除效果穩定.每一工況開始運行階段COD去除效果會有較大波動,較上一工況去除效果而言基本呈現下降趨勢:如工況I調整為工況II,工況II調整為工況III以及工況III調整為工況IV時,COD去除率均下降了10%左右,隨后去除效果逐漸穩定,出水水質達標,各工況下對COD的處理效果差別不大.這表明乙酸鈉丙酸鈉配比對系統COD的去除效果影響較小,孫雅雯等[17]也有類似結果.

圖2 不同乙酸鈉丙酸鈉配比下COD去除效果

從COD沿程變化(圖3)來看,當進水碳源從單一碳源乙酸鈉變成乙酸鈉與丙酸鈉的混合碳源,特別是乙酸鈉:丙酸鈉為1:1時,厭氧段出水COD濃度明顯下降,之后繼續增大丙酸鈉含量,厭氧段出水COD濃度變化不顯著.李洪靜等[18]的研究結果也表明使用混合碳源時COD去除率略高一些,厭氧段COD下降更明顯.Chen等[19]發現乙酸鈉:丙酸鈉為0.5~2時,可獲得較好釋磷效果,COD的消耗量最大.

從圖中還可看出A2/O反應器COD去除率與系統最終去除率相近,表明有機物在A2/O反應器中得到了高效利用,為BCO反應器中自養型硝化菌的富集提供可能[20-21].此外系統最終出水COD濃度有時會略高于A2/O出水COD濃度,這可能是因為BCO進水有機物濃度較低,部分細胞老化、脫落,一些胞內聚合物釋放在水中[22],導致COD濃度略有升高.

根據式(1)~(6)計算5個工況下系統COD物料平衡,由表4可見:不同配比條件下COD的平衡百分比均在90.0%以上,最高可達99.6%,該百分比高于A2/O-BAF工藝(92.3%)[23],表明該系統的碳平衡分析具有更高的準確性.厭氧段PAOs會充分利用碳源進行釋磷,消耗內碳源[24].本系統中厭氧段有機物的消耗量占有機物流入量的30.4%~61.2%,消耗量先隨丙酸鈉含量的升高而升高;當丙酸鈉:乙酸鈉大于1后,隨丙酸鈉含量的升高而降低,這表明乙酸鈉丙酸鈉的配比會影響內碳源的消耗. Oehmen等[25]研究發現:PAOs和GAOs在吸收乙酸鈉和丙酸鈉的速率和效果上存在差異,丙酸鈉更有利于PAOs的吸收和利用,且當碳源為混合碳源時PAOs對碳源的吸收會更徹底.與本試驗中丙酸鈉含量占優勢時厭氧段出水COD濃度較低這一現象吻合.說明與單一碳源相比,乙酸鈉與丙酸鈉混合碳源可使PAOs占有更大優勢,更有利于碳源的高效利用[26].

圖3 不同乙酸鈉丙酸鈉配比下COD沿程變化規律

表4 不同乙酸鈉丙酸鈉配比下碳元素平衡分析

2.2 乙酸鈉丙酸鈉配比對氮去除特性的影響

5個工況NH4+-N,TN的去除效果見圖4,可以看出,雖然進水NH4+-N和TN濃度波動較大,分別為29.3~76.7mg/L和32.4~82.2mg/L,但每個工況下NH4+-N的去除效果都能保持較高的水平.由于硝化過程是由化能自養型微生物來完成的[27],且流入BCO反應器中的幾乎為難降解有機物,因而乙酸鈉丙酸鈉配比對BCO反應器的硝化效果影響較小,出水NH4+-N濃度均小于5mg/L,去除率在91.4%~ 100%,系統對NH4+-N負荷有著較強的抗沖擊能力.

本系統中出水TN幾乎都是以NO3--N形式存在,各工況平均出水TN濃度分別為13.5, 12.4, 8.8, 7.7和7.0mg/L,TN平均去除率為74.2%~87.3%,且隨著進水中丙酸鈉含量的增加呈上升趨勢.研究表明[28],缺氧段可利用的有機碳源不足會影響反硝化的進行,降低TN去除率.但是由圖3可知,當乙酸鈉:丙酸鈉=1:0和乙酸鈉:丙酸鈉=2:1時,進入缺氧段的COD濃度相對較高,但TN去除率卻較低,說明本試驗中,外碳源濃度對反硝化反應不起主要控制作用. 且殷芳芳等[29]研究發現,較乙酸鈉而言,丙酸鈉具有更高的反硝化效率,能夠消耗更多的NO3--N,再結合本試驗結果,表明丙酸鈉更有利于反硝化反應的進行.

圖4 不同乙酸鈉丙酸鈉配比下TN,NH4+-N去除效果

2.3 乙酸鈉丙酸鈉配比對磷去除特性的影響

如圖5所示,TP沿程變化直觀地表現了乙酸鈉丙酸鈉配比對本系統除磷性能的影響.較單一乙酸鈉而言,加入丙酸鈉后厭氧釋磷量、缺氧吸磷率和好氧吸磷率均明顯提高,當乙酸鈉:丙酸鈉=1:1時各項達到最大,分別為23.2mg/L,71.4%和59.6%,繼續提高丙酸鈉占比,處理效果反而下降.

此外整個試驗過程中,TP去除率為50.3%~ 56.8%,各工況TP平均出水濃度為2.2~2.5mg/L,遠高于一級A排放標準.分析可能原因如下:①缺氧反應時間不足.潘芳等[30]采用SBR反應器,控制其缺氧反應時間,當缺氧反應時間從150min增加到270min時,除磷率顯著提高,從-10.4%增加到73.6%.本試驗中缺氧反應時間僅為120min,與上研究相比反應時間過短,因此較短HRT是可能性之一.②SRT較長.楊小梅等[31]對A2/O-MBBR反應器SRT的研究中表明當SRT為3d時除磷效率最高,SRT為6d時整個工藝的處理效果最優.雖與本試驗在工藝以及運行參數上存在不同,但不排除SRT對本次試驗除磷效果的影響,具體原因將在后續研究中逐一驗證,從而不斷優化A2/O-BCO系統的運行參數以達到較優的處理效果.

圖5 不同乙酸鈉丙酸鈉配比下TP沿程變化及去除效果

2.4 乙酸鈉丙酸鈉配比對微生物菌群結構的影響

將種泥及每個工況運行結束后的污泥樣品進行高通量測序,分別獲得53360、52137、50492、32923、48098和57737有效序列,將有效序列在97%的相似性類聚,分別獲得了1052、994、645、846、993和837個OTU數(表5),6個樣品的覆蓋度(coverage)均在99%以上,意味著該結果能夠代表樣品中微生物的真實情況.

如表5所示,6個樣品中ACE指數、Chao指數和Shanno指數最大的均為種泥樣品0-2,即物種多樣性最高,而馴化后污泥多樣性下降;不同乙酸鈉/丙酸鈉配比下,污泥樣品中微生物多樣性也各不相同.與生活污水相比,實驗室采用的人工配水碳源固定,成分相對單一,因而生物多樣性降低;其次對于不同碳源,微生物的代謝途徑、利用方式不同, 也會導致微生物菌群結構的差異[32].

表5 A2/O單元中微生物多樣性指數分析結果

圖6為樣品PCoA分析,圖中每一個點為一個樣本.從圖中可以看出,0-2,1和2這3個樣品聚集;類似地,3,4和5聚集,同時6,7和8聚集,且3個聚集點相隔較遠.這一方面證明了A2/O-BCO雙污泥系統實現了菌群分離的本質,另一方面也說明了乙酸鈉丙酸鈉配比對微生物菌群結構有較為直接的影響,使得微生物種類發生了較大差異.

圖6 OTU水平上的PCoA分析

(a)門水平

(b)屬水平

圖7 污泥樣品的菌群分布

Fig.7 The flora distribution of sludge samples

不同污泥樣品在“門”、“屬”級別上的菌群分布如圖7(a)和7(b)所示.其中種泥0-2的顯著性菌群是:Chloroflexi(綠彎菌) (26.61%), Proteobacteria (變形菌) (21.92%), Saccharibacteria (螺旋菌) (12.49%),隨著乙酸鈉丙酸鈉配比的改變,顯著性類群不斷發生變化,但Proteobacteria始終是各樣品中最豐富的菌門,這與Snaidr等[33]的研究結果一致.此外,當首次加入丙酸鈉后, Saccharibacteria幾乎消失,意味著該菌群對丙酸鈉的適應性較差.整個試驗過程中Bacteroidetes(擬桿菌)逐漸取代Chloroflexi,成為A2/O系統中的第二大菌群.

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由圖7(b)可見,Candidatus competibacter屬隨著丙酸鈉比例的提高增長明顯,從1.7%增長到17.5%,表明丙酸鈉有利于該菌屬的生長富集,這與Cai等[34]的研究結果一致.Candidatus accumlibacter是公認的一類聚磷菌,生物除磷系統中普遍存在,但本試驗中幾乎沒有,而2.3中的結果表明系統中有聚磷菌的存在,因此推測污泥中存在某種新型的反硝化除磷菌群,具體菌屬則需要通過PCR、DGGE等分子生物學分析技術做進一步分離鑒定和分析.

Plantomycetes和Nitrospirae兩大門主要負責硝化,A2/O系統中這兩大門比例基本為0,BCO系統中(樣品6~8)總占比從1.14%增加至11.7%,再次表明A2/O-BCO系統實現了菌群的分離,硝化菌在BCO單元富集.BCO反應器3個格室中Nitrosomonas的百分比含量分別為2.1%,20.8%和14.2%,Nitrospira變化趨勢與Nitrosomonas相同,最大為10.6%, Nitrospira和Nitrosomonas 2種菌的總占比最高為31.4%.事實上控制NOB的生長速率,一定程度上有利于實現短程硝化,卞偉等[35]研究表明,當NOB幾乎不存在時才能實現短程硝化的穩定運行,因此如何抑制Nitrospira、Nitrosomonas的生長是維持短程硝化的關鍵所在.

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3 結論

3.1 乙酸鈉丙酸鈉配比對COD的去除效果影響較小,但對厭氧段COD的消耗影響較大,當乙酸鈉:丙酸鈉=1:1時,厭氧段COD消耗量達到最大,占有機物流入量的61.2%.

3.2 乙酸鈉丙酸鈉配比對硝化反應影響甚微, NH4+-N去除率維持在91.4%~100%,TN去除效果隨著丙酸鈉含量的增加而增加,丙酸鈉為單一碳源時TN去除率最大為87.3%.

通過以上兩種方法，可以有效控制小分子物質的產生，并及時排出產生的小分子，從而提升PP注塑件的氣味、VOC水平，改善車內空氣質量。

3.3 厭氧釋磷量與厭氧段COD的消耗量呈正相關,當乙酸鈉:丙酸鈉=1:1時,釋磷量和缺氧吸磷量最大,但TP去除效果可能受缺氧反應時間和SRT的影響,處理效果有待進一步增強.

3.4 微生物對碳源代謝方式的不同會導致菌群結構的差異.種泥中OTUs為1052,經馴化后污泥中OTUs降低至645,碳源的相對單一使得系統中微生物多樣性下降; 乙酸鈉丙酸鈉配比的不同使微生物的菌群結構產生較大差異.

3.5 Proteobacteria是本試驗中的優勢菌群,丙酸鈉對Saccharibacteria的生長有抑制作用,對Candidatus competibacter的生長有促進作用.A2/O- BCO系統能夠實現菌群分離, A2/O反應器中硝化菌含量基本為0,而BCO反應器中可富集大量硝化菌,同時通過抑制NOB的生長可使短程硝化成為可能.

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Effect of the ratios of sodium acetate to sodium propionate on denitrifying phosphorus removal characteristics in the A2/O-BCO process.

YU Meng1, PAN Ting1, ZHANG Miao1* WANG Yi-xin1, PANG Jing-jin2, JIANG You-fa3, WANG Bao-lin3, HE Cheng-da1

(1.College of Environmental Science and Engineering, Yangzhou University, Yangzhou 225127, China；2.Yangzhou Jieyuan Drainage Company Limited, Yangzhou 225002, China；3.Jiangsu Yangnong Chemical Company Limited, Yangzhou 225009, China). China Environmental Science, 2019,39(10)：4178~4185

Abstract：A denitrifying phosphorus removal system combining anaerobic/anoxic/oxic (A2/O) with biological contact oxidation process (BCO) was used to treat synthetic wastewater. By adjusting the ratio of sodium acetate to sodium propionate (sodium acetate:sodium propionate=1:0,2:1,1:1,1:2 and 0:1), the organic matter removal and denitrifying phosphorus removal characteristics of the system were investigated. The results showed that the ratio of sodium acetate to sodium propionate revealed a negligible effect on organic matter and NH4+-N removals, but the influences on organic consumption in the anaerobic stage, total nitrogen removal as well as the phosphorus release and absorption were obvious. The operation parameters of the system need to be further optimized due to the low phosphorus removal of 50.3%~56.8%. When the sodium acetate/sodium propionate was 1:1, the organic matter consumption in the anaerobic section was the highest, accounting for 61.2% of the total organic matter input, with the maximum anaerobic phosphorus releaseamount(23.2mg/L) and anoxic phosphorus uptake rate (71.4%). However, the TN removal increased with the addition of sodium propionate. High-throughput sequencing results showed that the microbial diversity in the A2/O reactor was lower, while the mixed carbon source sludge was more abundant than that of the single carbon source. Particularly, the amount of Chloroflexi and Saccharibacteria reduced while the Proteobacteria and Bacteroidetes increased in the domesticated sludge. The total proportion of nitrifying bacteria in the BCO reactor was 2.1%~31.4%, and the ammonia oxidizing bacteria (AOB) was dominate which favoured the realization of short-cut nitrification.

Key words：A2/O-BCO process；carbon source；denitrifying phosphorus removal；high-throughput sequencing；microbial community structure

中圖分類號：X703.1

文獻標識碼：A

文章編號：1000-6923(2019)10-4178-08

作者簡介：於 蒙(1995-),女,江蘇海安人,揚州大學碩士研究生,主要從事污水生物處理理論與應用研究.發表論文1篇.

收稿日期：2019-04-06

基金項目：國家自然科學基金資助項目(51808482);江蘇省自然科學基金資助項目(BK20170506);博士后科學基金資助面上項目(2018M632392);江蘇省水環境保護技術與裝備工程實驗室開放課題(W1803)

* 責任作者, 講師, zhangmiao890606@163.com