出水回流對Anammox顆粒特性及其微生物群落的影響

傅慧敏,冷濟軒,翁 勛,晏 鵬,陳猷鵬

出水回流對Anammox顆粒特性及其微生物群落的影響

傅慧敏,冷濟軒,翁 勛,晏 鵬,陳猷鵬*

(重慶大學環境與生態學院,重慶 400045)

基于有無回流的EGSB反應器中厭氧氨氧化顆粒污泥的內外部結構和微生物群落差異,從傳質、活性和穩定性等角度分析了出水回流對顆粒污泥結構和功能的影響.研究表明,增加回流提供更好的水流條件使得底物能更好的與顆粒污泥接觸,反應器在氮負荷率為(3.48±0.32)kg N/(m3·d)的條件下亞硝氮和氨氮的去除率從60%和65%左右分別提高到95%以上,比厭氧氨氧化活性增加31.54%.隨著回流帶來的產氣量和顆粒活性的增加,顆粒中氣泡的內壓因孔隙體積的限制而增大,部分顆粒微觀結構發生改變,顆粒的孔隙率也從41.3%提高至59.4%.此外出水回流產生的較高剪切力和較好的傳質效應也大大增加了顆粒的穩定性.回流使得接種顆粒污泥中-屬得到了富集,其他能維持顆粒穩定性的功能細菌也能夠得到更好的生存,使顆粒在保持內部多孔結構以及高效脫氮的條件下(如),有著更好的穩定性(如),有利于顆粒污泥在實際工程應用中穩定運行.

厭氧氨氧化顆粒污泥；出水回流；傳質；孔隙結構；微生物群落

厭氧氨氧化工藝具有不需要有機物、不需要氧、污泥產率低等優點,氮去除負荷最大可達9.5kg N/(m3·d),污水處理成本較低,是一種高效低耗的脫氮工藝,具有極大的應用前景[1],且符合國家“雙碳”戰略.Anammox顆粒化污泥因生物量大、沉降性好和抗沖擊能力強等優點而備受環境工程界青睞,厭氧氨氧化顆粒污泥(AnGS)的形成和保留為厭氧菌工藝的實際應用提供了一條有效途徑[2].基于顆粒污泥的厭氧氨氧化系統已廣泛應用于世界各地的工程應用中[3].

適當的剪切力有助于厭氧菌顆粒污泥的顆粒化[4],并改善了厭氧氨氧化菌活性[5].通常,液體剪切力會通過出水回流來實現[4].回流出水提高了厭氧氨氧化的脫氮效率和工藝穩定性[6].回流出水對厭氧氨氧化進水的稀釋作用和對上升流速、水力剪切力的增強是提高厭氧氨氧化工藝性能的重要因素.目前有關回流出水對厭氧氨氧化顆粒反應器的作用研究主要在出水水質、脫氮效率、厭氧氨氧化活性以及顆粒污泥大小、表觀形貌等方面的影響研究[6-8].但鮮有研究關注出水回流對AnGS內部孔隙結構、傳質以及微生物群落結構等方面的影響,本文基于出水回流對AnGS反應器的出水水質、反應活性、胞外聚合物(EPS)、微觀形貌、內部孔隙結構以及穩定性等生理生化特征和微生物群落結構的影響,深入分析了出水回流在顆粒傳質、活性和穩定性等方面的關鍵作用,進一步探究了出水回流對顆粒污泥結構和功能的重要性,有助于理解和優化顆粒污泥體系在工程應用中的運行狀態和處理效能,以便為AnGS系統穩定高效的應用于實際污水處理工藝提供理論依據.

1 材料與方法

1.1 反應器運行

本文所用AnGS反應器為2.50L有效容積的膨脹顆粒污泥床(EGSB)反應器.具體反應器構型及尺寸如圖1所示.反應器進水和回流由蠕動泵從反應器底部泵入,內部通過溫度傳感器與加熱棒調節水溫.在2個相同大小反應器中分別設置無回流比(R1)和20:1的回流比(R2),水力停留時間(HRT)控制在7.6h,且接種顆粒的生物量均控制在24.49g/L左右.總氮濃度控制在(440±40)mg/L,反應器氮負荷率(NLR)設定為(3.48±0.32)kg N/(m3·d),反應器溫度和進水pH值分別控制在(35±1)℃和(7.5±0.1).

圖1 兩組Anammox-EGSB 反應器示意

表1 合成廢水中各成分濃度

本實驗進水采用以NH4Cl和NaNO2作為氮源的人工合成廢水,NH4Cl和NaNO2的固定摩爾比為1:1.2,濃度分別為(200±20)mg/L和(240±20)mg/L.廢水其他各物質濃度見表1.

1.2 測試方法

1.2.1 水質檢測 反應器進出水使用0.45μm濾膜過濾后,分別采用鹽酸-萘乙二胺和水楊酸-次氯酸鹽分光光度法測定進出水中NO2--N和NH4+-N的濃度.使用流式細胞儀(CytoFLEX07060220)對出水細菌濃度進行檢測.使用熒光分光光度計(日本日立F-7000FL)測量兩組反應器中出水溶解性有機物的3D-EEM光譜,以5nm步長將激發波長從200nm增至400nm,以5nm為增量掃描發射光譜從200～550nm的記錄.光譜掃描速度為3000nm/min,發射和激發狹縫均10nm.

1.2.2 顆粒污泥表面形貌與內部孔隙結構測定 兩組反應器穩定運行90d后,每組取約5.0g濕顆粒,用無菌1×PBS緩沖液沖洗3次以去除懸浮固體,然后用2.5%戊二醛在4℃下固定4h.0.1mol/L磷酸鹽緩沖液在4℃(pH7.3)下洗滌固定顆粒3次,每次10min,最后將樣品分別在50%、70%、80%、90%和100%的乙醇/水混合物中脫水10min,冷凍干燥8h,一部分顆粒使用場發射掃描電子顯微鏡(FEI Nova400)觀察表面形貌.另一部分使用壓汞儀(美國AutoPore IV 9500型)測定顆粒的孔隙結構.

1.2.3 EPS的提取與測定 本實驗采用熱堿提取法提取EPS,將適量的顆粒用研缽破碎,加入裝有適量1M NaOH溶液的離心管,90℃水浴5min.水浴后加入1M鹽酸將pH值調至中性.將得到的混合液在低溫條件下離心12000g×10min,取上清液測定其EPS.本實驗用顆粒污泥中蛋白(PN)和多糖(PS)的量來表征EPS的量,分別采用BCA法[9]和苯酚-硫酸法[10]在562和490nm處測定PN和PS的相對變化.

1.2.4 厭氧氨氧化活性和顆粒穩定性測定 比厭氧氨氧化活性(SAA)用單位生物量的氮氣生成速率來表示.顆粒的穩定性用完整性系數(IC)表示,即以200r/min恒溫搖床5min后剩余顆粒與完整顆粒之間的比值.

1.2.5 高通量測序 兩組反應器穩定運行90d后,從反應器底部取顆粒污泥樣品0.5g,對污泥樣品中的總 DNA進行提取(上海美吉生物醫藥科技有限公司委托辦理),利用細菌16S rRNA 基因的V3-V4 區通用引物338F/806R,對上述步驟中提取的總DNA進行PCR擴增和純化,然后在Illumina測序平臺進行MiSeq PE 300高通量測序;測序得到的PE reads首先根據overlap關系進行拼接,最小overlap長度為10bp,同時對序列質量進行質控和過濾,過濾reads尾部質量值20以下的堿基,設置50bp的窗口,過濾質控后50bp以下的reads,去除含N堿基的reads,根據序列首尾兩端的barcode和引物區分樣品,并調整序列方向;區分樣本后進行OTU聚類分析和物種分類學分析,基于OTU進行多樣性指數分析和樣品物種差異分析.相關圖表采用Origin 2021和R語言(R 3.6.0)進行繪制.

2 結果與分析

2.1 反應器運行性能

如圖2所示,在反應器啟動階段,設有回流的R2中NO2--N與NH4+-N處理效率顯著高于不設回流的R1.隨著反應器的運行穩定,2組反應器出水NO2--N與NH4+-N濃度都趨于平穩,其中R1組NO2--N與NH4+-N濃度分別相對穩定在80～120和60～110mg/L,去除率分別僅有60%和65%左右,而R2組NO2--N與NH4+-N濃度分別相對穩定在0～20和0～10mg/L,去除率均達到95%以上.出水回流的增加顯著提高了反應器脫氮性能,出水更加穩定.

圖3 兩組反應器總細菌濃度及其比值日變化

此外,本文還對兩組反應器穩定期32d內的出水總細菌進行了檢測,結果如圖3所示.在32d內R2和R1的出水細菌濃度分別在0.48～1.10×106和0.77～1.50×106cell/mL之間波動,R2與R1的細菌濃度比值在0.50～0.77之間波動,平均比值為0.67.兩組細菌濃度比值產生的原因可能是由于R2組中出水回流造成的部分顆粒污泥表面的細菌剝離脫落,以及顆粒內部產氣作用造成的部分內部細菌由氣泡驅動從孔隙中逸散脫落至出水中.

如圖4所示2個反應器中出水三維熒光均出現3個峰,分別為:峰A的激發/發射波長Ex/Em位于260～280/275～325nm,指定為色氨酸蛋白類物質;峰B的Ex/Em位于270～310/375～450nm,指定為類富里酸類物質;C峰的Ex/Em位于340～360/375～425nm,指定為酪氨酸蛋白類物質.設置回流的R2組出水中的酪氨酸和色氨酸等蛋白質物質和類富里酸類物質的濃度均要高于不設回流的R1組.

2.2 顆粒污泥表面形貌

由圖5(a),(b)可知,R1組顆粒污泥表面較為粗糙,而R2組顆粒表面則比較光滑;在放大5000倍掃描電鏡觀察下發現R1組顆粒污泥表面細菌大部分被EPS包裹,表面僅存在較大的孔隙,R2組顆粒污泥表面EPS結構較少,孔隙較小,且密集的分布在細菌周圍,孔隙總數遠大于回流組的孔隙數量.其原因可能是R1組缺乏回流帶來的剪切力,無法使顆粒污泥表面的細菌脫落,故表面更粗糙;R2組顆粒由于回流帶來的較高剪切力使其表面更加緊密而光滑.

圖5 顆粒污泥掃描電圖片

2.3 EPS組分、活性及穩定性分析

EPS是AnGS中不可或缺的重要組分,適當的EPS可增強AnGS的聚集能力和穩定性[11].但過多的EPS分泌會堵塞顆粒內部孔隙,影響傳質和穩定,進而影響AnGS的活性和功能[12].EPS其主要組分為PN與PS,故本文測定兩個反應器顆粒污泥中EPS組分以及含量(用PN與PS含量表示),采用比厭氧氨氧化活性SAA和完整性系數IC來評價AnGS的活性和穩定性.

由表2可知,R1的顆粒污泥EPS中PN和PS含量分別為82.41和23.02mg/gVSS,PN與PS的比值為3.58,比厭氨氧化活性SAA和完整性系數IC分別為163.52mLN2(gVSS·d)和85.54%;相比R1,R2的PN和PS含量分別降低14.90%和75.63%,PN與PS的比值增長到4.80,其SAA和IC也相應增加了31.54%和7.96%.兩個反應器顆粒污泥的EPS、SAA和IC結果表明,無回流時,R1反應器內流體混合不足,從而產生外部傳質限制,底物在出水中積累,顆粒EPS較高,堵塞顆粒內部孔道,影響內部傳質[2].增加回流可以提供額外的水力剪切力,使得R2反應器內具有更高的顆粒外部傳質效應,沖刷顆粒表面以及內部多余的EPS,部分蛋白多糖流失,進入回流液中,避免了過多的EPS對顆粒之間以及顆粒內部孔隙的堵塞,進而使得顆粒中微生物與底物充分接觸,增加了反應時間,提高了厭氧氨氧化活性和穩定性.兩組反應器出水特性和顆粒表面形貌的結果差異也與以上結論一致.

表2 兩組AnGS的EPS組分和SAA

2.4 顆粒污泥孔隙結構分析

AnGS結構從大到小可分為顆粒整體、亞單位、菌膠團和單個細胞4個結構層次[13].顆粒污泥內部豐富的孔隙結構分布于亞單位、菌膠團或細胞之間.這些孔隙被EPS包圍,是基質和產物(氮氣)的運輸通道.顆粒污泥中基質的傳遞依賴于顆粒污泥的多孔結構,顆粒內部的孔隙分布也很大程度上反應了顆粒內部傳質情況和顆粒穩定性[3].本實驗中兩組反應器中顆粒污泥的孔隙體積分布和空隙占比如圖6示,表3展示了兩組顆粒樣品的孔隙率以及各項孔隙的數據.

如圖6所示,實驗組R2孔徑分布的峰值在100nm左右,大孔徑與小孔徑的占比較少,整體孔徑范圍較為集中;而對照組R1的孔隙分布曲線則有2個較大的峰值,分別為10～30nm和5000～10000nm,大孔占比相對于R2較高.由表3中也可以直觀看出,回流組R2具有59.4%的孔隙率,高于無回流組R1的41.3%,其R2的平均孔面積、平均孔體積分別是R1的1.54和2.26倍.這些結果表明,出水回流的增加,大大改變了顆粒污泥內部的孔隙結構,使得顆粒內部孔隙變得更加更加豐富且均勻,避免了內部大孔隙過多的形成,進一步避免了內部空洞的形成,使其變得更加高效且穩定.

而根據Jing等[14]的研究,隨著產氣量和顆粒活性的增加,顆粒中氣泡的內壓因孔隙體積的限制而增大.這可能導致氣泡與顆粒表面之間的壓差增大.當顆粒中的氣泡壓力增大到一定程度,可以使部分顆粒微觀結構發生改變[3],形成更多的孔隙,增加整體的顆粒孔隙率.由于對照組R1中無回流,顆粒污泥之間液體流動不暢,導致傳質受限,顆粒污泥中產生的氮氣無法快速擴散,不斷聚集形成較大氣泡,EPS堵塞在污泥外部以及內部孔隙之間,導致R1污泥中小孔徑的孔隙被堵塞,只能通過內部產氣打開孔隙,形成一些孔徑大而稀疏的孔隙,也降低了整體顆粒污泥的孔隙率.實驗組R2中多數孔隙是穩定在100nm左右的小孔隙,這是由于存在回流提供的水力沖刷作用,使得多余EPS排出,回流的稀釋作用和循環作用使得底物與顆粒內部微生物之間接觸時間和面積增加,活性提高,小孔隙之間的EPS會部分流失,形成一些小而密集的孔隙,使產出的氣體及時排出,形成穩定而多孔的顆粒.

表3 兩組AnGS的孔隙率以及各項孔隙數據

2.5 反應器微生物群落

2.5.1 微生物多樣性及豐富度分析 兩2反應器顆粒物種多樣性指數和覆蓋率如表4所示,兩組樣品檢測覆蓋度均在99.9%以上,因此測序結果基本上可以認為囊括了所有菌種,具有代表性.設置出水回流的R2組相對于不設置出水回流的R1組,ACE、Chao指數和Shannon指數較低而Simpson指數較高,說明不設置出水回流的R1組樣本具有較高的生物多樣性,設置出水回流具有一定的選擇性,有利于富集反應系統所需的優勢菌種.

表4 微生物群落豐度和多樣性

2.5.2 微生物門分類水平分析 由圖7可知,在設置出水回流的R2和不設出水回流的R1中,相對豐度最大的菌門均為浮霉菌門(Planctomycetes),其占比分別達到48.13%和56.90%,浮霉菌門中包含著所有的厭氧氨氧化菌種,如屬、屬等[15].而變形菌門(Proteobacteria)的細菌在R1和R2組種總細菌中的占比分別達到17.42%和39.78%.變形菌門是細菌中最大的一門,包含了一些可以進行硝化與反硝化的種類的細菌[16],在較高的NLR條件下,由于R1組中未設置回流比,導致反應器的傳質效果不佳基質擴散不均勻,部分區域可能存在亞硝酸根含量較高,而亞硝酸鹽對一些變形菌具有毒害作用,這些原因導致R2組的變形菌門占比高于R1組,而Anammox菌不會受亞硝酸鹽的毒害,可以有效利用亞硝酸鹽代謝完成各項生命活動,故R2組的浮霉菌門占比也略少于R1組.此外,綠彎菌門豐度在R2和R1中分別達到6.04%和13.12%,該門細菌可以充分利用死亡的細胞作為碳源[17],由于R1組出水中的NO2--N含量高出R2組,較高的NO2--N濃度對大多數細菌的生命活動具有毒害作用,且R1內部傳質效果不佳,導致更多細菌死亡,其死亡的細胞體作為有機碳源供給綠彎菌門生命活動,導致R1組中的綠彎菌含量也高于R2組.

圖7 門水平的群落豐度分析

2.5.3 微生物屬分類水平分析 由圖8可知,兩組顆粒污泥中的厭氧氨氧化菌是屬和-屬,其中在R2組中屬占總種群比例42.02%,而-屬的占比不足0.1%;但在R1組中,屬占比較少,僅8.37%,然而屬的占比達到了43.19%.在無回流的R1組中,由于顆粒內部傳質效應較差,使得該組中Anammox菌屬由-屬逐漸向-屬細菌轉化.而R2組中占比最高的是-屬,依然維持接種污泥中的優勢菌屬.

圖8 微生物群落屬分類水平分布熱圖

屬菌在兩組中的占比有著很顯著的區別,作為本研究反應器中主要的反硝化細菌之一[18],其在R2組中占比達到22.06%,而在R1組中幾乎不含有該屬細菌.根據Wu等人的研究,該菌可以促進顆粒污泥中多糖的分泌,進而使得顆粒能夠更好的凝聚,更穩定[19].該細菌在R2組中有相當可觀的含量,而在R1組中十分稀少,這也合理解釋了表2中R2組PN/PS的值明顯大于R1中的值.此外還有顆粒污泥中常見的反硝化細菌和(下只有屬)[20-22].其中,屬菌,在R2組中僅含1.83%,而在R1組中含有7.68%.Wang等[23]的研究表明,當反應器中的顆粒污泥中存在一定量的屬菌時,這些異氧菌可以保護Anammox菌,如-屬和-屬免受高有機物含量高溶解氧等惡劣環境的影響.簡易螺旋菌屬()在R2組中有著5.03%的占比,而在R1組中僅有0.7%,該屬細菌是具有反硝化作用與聚磷作用的兼性厭氧菌[24],由出水亞硝酸鹽氮與出水氨氮濃度可知,無回流組R1的脫氮效率較低,而硝酸鹽作為厭氧氨氧化脫氮的重要產物之一,在R1組中濃度較低,底物濃度低導致該組中簡易螺旋菌較少.屬在R2組和R1組中分別有3.88%和5.01%的占比.該屬細菌發現較晚,根據Kawaichi等[25]的研究,該屬菌單個細胞的直徑為0.2～0.5μm,長度為2μm,形態較為固定,使用三價鐵的硝酸鹽作為末端電子受體,在有氧或厭氧條件下生長.可以脫除AnGS中細胞分泌或細胞裂解產生的有機物,降解屬和-屬等Anammox菌的產物,同時進一步穩定污泥的結構[26].Lia等[27]的研究又表明假單胞菌和屬細菌是互補的,硝化細菌將氨氮轉化為硝態氮,假單胞菌作為反硝化細菌,則將硝態氮轉化為N2,導致反應后期NH4+的減少.在有回流的R2組中該屬細菌僅占0.35%,而在無回流的R1組中占有4.49%,可能是由于R1組出水中氨氮濃度仍然較高,其反應底物濃度高,故該菌的占比較高;還有一種有一定含量的是屬菌,該菌在R2組中占比0.69%,在R1組中占比2.04%.根據Du等[28]的研究,該屬細菌是一種存在于活性污泥中的浮霉菌,被認為是一種潛在的厭氧氨氧化菌株,在氨轉化中發揮作用.

圖9 微生物群落屬水平上的Fisher精確檢驗

值,*￡0.05,**￡0.01,***￡0.001

3 討論

本文主要基于有無回流的EGSB反應器中AnGS的內外部結構和微生物群落差異,從傳質、活性和穩定性等角度分析出水回流對顆粒污泥結構和功能的重要性.

增加回流提供更好的水流條件使得底物能更好的與顆粒污泥接觸,極大的增加比表面積和容積利用率,進一步使得進水中的底物濃度下降[29].回流還會對Anammox細菌通訊信號的產生有積極影響,更好的水流條件使得細菌之間通過信號分子充分的進行交流,增加了功能細菌的生長與繁殖[30].此外,研究表明較強的上升流速也增強了顆粒內部傳質.Brito和Melo[31]研究了流體速度的瞬態轉移對生物膜內傳質系數的影響,發現在液體流動為湍流且剪切應力較大的情況下,流速對生物膜的厚度和密實度有顯著影響,導致傳質系數不同.此外,當體積液體的速度發生位移時,內傳質系數平均增大.這種效應可能是由外部流動誘導的壓力梯度將液體輸送到生物膜基質的能力驅動的[31].因而出水回流的設置整體增加了顆粒活性和脫氮性能.

隨著回流帶來的產氣量和顆粒活性的增加,顆粒中氣泡的內壓因孔隙體積的限制而增大.當顆粒中的氣泡壓力增大到一定程度,使得部分顆粒微觀結構發生改變,形成更多的孔隙,增加了整體的顆粒孔隙率.據文獻報道,基質擴散能力的差異可能與顆粒污泥內部的孔隙結構相關.根據Wu等[14]在菲克定律基礎上提出AnGS內部擴散系數(MD)與孔隙率之間的關系:

式中:代表顆粒半徑;M代表基質在水中的擴散系數;1代表基質的濃度;代表從顆粒表面到晶核的距離.從公式可知,在基質和顆粒污泥尺寸相同的條件下,顆粒污泥內部更大的孔隙率將會導致更高的基質擴散系數.回流增加的更高孔隙率導致更多的基質能進入顆粒污泥的內部,顆粒內部的厭氧氨氧化細菌能獲得更多的營養物質用于自身的生長代謝,進一步增強了顆粒污泥的活性和功能.

出水回流也大大增加了顆粒的穩定性.由顆粒表觀形貌結果可見,回流產生的較高剪切力,去除了顆粒表面松散的微生物聚集體和EPS,使得顆粒表面較為光滑,顆粒更加致密,更加穩定.從2個反應器出水總細菌對比以及出水三維熒光分析也可以得出相應的結論.此外,活性提高,顆粒內部更多的氣體產生,形成更多的氣泡聚集在顆粒內部,微小氣泡在顆粒內部的沖刷與運移作用,使得小孔隙之間的EPS部分流失,形成一些小而密集的孔隙,使產出的氣體及時排出,從而也避免了過多的EPS對顆粒之間以及顆粒內部孔隙的堵塞而上浮,形成穩定而多孔的顆粒[3].

出水回流導致顆粒污泥內外部傳質的改變影響了微生物群落的演替.從2個反應器微生物群落結果可知,回流使得顆粒污泥群落結構發生很大轉變,不設置出水回流的R1組樣本具有較高的生物多樣性,而設置出水回流使得顆粒污泥微生物群落具有一定的選擇性,有利于富集反應系統所需的優勢菌種[32].首先是優勢厭氧氨氧化菌的富集,回流使得源顆粒污泥中-屬得到了保持并進行了富集,而未加回流的R1中優勢厭氧氨氧化菌由-屬轉化成了-屬.根據Jiang等[33]的研究,-屬是一種十分嗜鹽的菌屬,根據Wouter等[34]的研究,當進水鹽度增加時,該屬細菌占比顯著增加,而本實驗中,在配水中加入的CaCl2,EDTA等鹽類物質濃度較高,也發現-Kuenenia屬相比于-屬,具有更好的亞硝酸鹽親和力,當亞硝酸鹽增加時[35],-屬能更好的抵抗高濃度亞硝酸鹽氮的抑制作用,在無回流的R1組中,由于顆粒內部傳質效應較差,包括亞硝酸鹽在內的鹽類物質無法迅速擴散而導致部分區域鹽度較高,使得該組中Anammox菌屬由-屬逐漸向-屬細菌轉化.而R2組中占比最高的是-屬,依然維持接種污泥中的優勢菌屬.這兩種厭氧氨氧化菌都具有Anammox菌所特有的厭氧氨氧化體膜結構,在膜的內側進行厭氧氨氧化反應,形成質子電化學梯度,最終合成ATP供給細胞生長發育各項生命活動[36-37].

此外,有無回流的影響導致了其他微生物種群的改變,使得微生物群落向著適合反應器內部運行條件和自身運行效能的方向發展.出水回流導致的反應器傳質變化,增強了反應器出水性能和運行效能.反應器內部底物濃度的改變進而影響了微生物群落結構.回流帶來的良好運行效能避免了高濃度亞硝氮和氨氮對大多數細菌的毒害作用,進而降低了能利用死亡的細胞作為碳源的綠彎菌門豐度;較好的厭氧氨氧化活性也產生了一定的厭氧氨氧化產物硝氮,良好運行效能也為常見反硝化菌(、)提供了良好的生存條件,厭氧氨氧化菌和反硝化菌協同作用進一步促進了脫氮性能和反應器的運行效能.回流的增加,除了保證優勢脫氮菌群的富集外,還使得一些能維持顆粒穩定性的細菌能夠得到更好的生存,使顆粒在保持內部多孔高效脫氮的條件下有著更好的穩定性(如),有利于顆粒污泥在實際工程應用中穩定運行.

4 結論

4.1 增加出水回流可以提供額外的水力剪切力,提高了傳質效應,保證了反應器在NLR為(3.16～3.79) kg N/(m3d)的條件下亞硝氮和氨氮的去除率從60%和65%左右分別提高到95%以上,比厭氧氨氧化活性SAA增加了31.54%.

4.2 隨著回流帶來的產氣量和顆粒活性的增加,顆粒中氣泡的內壓因孔隙體積的限制而增大,部分顆粒微觀結構發生改變,顆粒的孔隙率也從41.3%提高到了59.4%.

4.3 出水回流產生的較高剪切力和較好的傳質效應,避免了過多的EPS對顆粒之間以及顆粒內部孔隙的堵塞而上浮,因為也大大增加了顆粒的穩定性.

4.4 回流使得顆粒污泥群落結構發生很大轉變,回流使得源顆粒污泥中-屬得到了保持并進行了富集,還使得一些能維持顆粒穩定性的細菌能夠得到更好的生存,使顆粒在保持內部多孔高效脫氮的條件下,有著更好的穩定性.

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The effects of effluent reflux on characteristics and microbial community of anammox granular sludge.

FU Hui-min, LENG Ji-xuan, WENG Xun, YAN Peng, CHEN You-peng*

(College of Environment and Ecology, Chongqing University, Chongqing 400045, China)., 2022,42(4)：1663～1671

From the perspectives of mass transfer, anammox activity and stability, this study evaluated the effect of effluent reflux on the structure and function of Anammox granular sludge (AnGS) in EGSB reactor with or without reflux. The results showed that increased reflux provided better flow conditions, which enabled the substrate to better contact with granular sludge. When nitrogen load rate ranged from (3.16to 3.79) kg/N·(m3·d), the original removal rates of nitrite (60%) and ammonia nitrogen (65%) were increased to more than 95% and the specific anammox activity increased by 31.54%. With the increased gas production and granular activity by reflux, the internal pressure of bubbles in AnGS was increased due to the limited pore volume. The microstructure of AnGS was changed and the porosity of AnGS was increased from 41.3% to 59.4%. In addition, the higher shear force and better mass transfer effect caused by effluent reflux greatly improved the stability of AnGS. The effluent reflux maintained and enriched-in the seed AnGS, and enabled some bacteria maintaining the stability of the AnGS and improving viability. The internal porous structure and efficient nitrogen removal of the AnGS (such as) leads to better stability (such as), which is conducive to the stable operation of AnGS in practical engineering applications.

anammox granular sludge；effluent reflux；mass transfer；pore structure；microbial community

X703

A

1000-6923(2022)04-1663-09

傅慧敏(1992-),男,河南林州人,重慶大學博士研究生,主要從事環境微生物機理研究.發表論文1篇.

2021-09-03

國家自然科學基金資助項目(21876016)

*責任作者, 教授, ypchen@cqu.edu.cn