高盐条件下pH对同步短程硝...脱氮性能及微生物群落的影响_李萌.pdf

第 卷第期 年月中 国 海 洋 大 学 学 报 （）：，高盐条件下 对同步短程硝化反硝化脱氮性能及微生物群落的影响*李萌，刘如玲，陈进进，彭秋瑜，刘健，佘宗莲*（中国海洋大学海洋环境与生态教育部重点实验室，山东 青岛 ；青岛海泊河污水处理厂，山东 青岛 ）摘要：本研究采用复合序批式生物膜反应器（）处理高盐废水，考察了进水 对反应器性能和微生物群落结构的影响。进水 值由 降至 和 以及由 恢复到 ，对污染物去除效能和稳定性影响较小，、和总无机氮的平均去除率保持在、和 以上。进水 改变对 积累产生明显影响，为 条件下周期内 最大积累量为 ，明显高于 值为 和 时的值（和 ）。进水 由 提升至 悬浮污泥和生物膜的微生物多样性均降低。进水 为 时，反应器内相对丰度前三位的菌属为反硝化菌 （）和 （）及聚磷菌 （）；提升至 时，丰度为前三位的菌属是 （）、（）和 （）。进水 从 升高至 ，氨氧化菌属 的相对丰度由 下降到 ，反硝化菌属总丰度从 下降到 ；表明低 条件下较高丰度氨氧化菌和反硝化菌的共同作用为同步短程硝化反硝化脱氮提供了保障。关键词：高盐；同步短程硝化反硝化；微生物群落中图法分类号：文献标志码：文章编号：（）：引用格式：李萌，刘如玲，陈进进，等高盐条件下 对同步短程硝化反硝化脱氮性能及微生物群落的影响中国海洋大学学报（自然科学版），（）：，（）：*基金项目：中央高校基本科研业务费专项项目（）资助 （）收稿日期：；修订日期：作者简介：李萌（），女，硕士生，研究方向为水污染控制工程。：*通讯作者：很多行业生产过程中会产生高盐含氮废水，如海产品加工业、食品加工业、皮革工业和印染工业等。在废水生物处理系统中高盐浓度会对微生物产生高渗透压，导致细胞死亡，进而降低有机物、氮等污染物的去除效能。但近年来有研究表明，通过驯化作用微生物能够逐步适应高盐条件，例如利用序批式生物膜反应器、序批式反应器和膜生物反应器等处理高盐含氮废水实现了同步短程硝化反硝化（，），且取得良好氮去除效果。进水 值是影响废水生物处理系统脱氮效果和微生物群落组成的重要因素。一些高盐含氮废水呈酸性且 波动较大，会对生物处理产生不利影响。研究发现，在弱碱性条件下，活性污泥在污水处理系统中具有更好的有机物和氮去除效果，而酸性环境不利于微生 物的生 存，且 破 坏 了 系 统 的 运 行 稳 定 性。和 等的研究均发现，污水 值从逐步降低到，硝化作用呈线性下降趋势，在 值 时 下 降 以 上，导 致 很 低 的 氮 去 除 率（）。但另有研究显示，反应器经过长期运行，微生物通过逐步驯化可以扩大 耐受范围，有效应对 冲击作用。等 研究了 由 降低至 的冲击作用，发现 去除率先下降然后逐渐上升至 以上。等 在膜生物反应器中利用同步硝化反硝化工艺处理 为 的船舶污水，实现了较高的和 去除效率。在酸性环境中，一些不适应酸性条件的菌属丰度降低，可能会被洗脱出系统，而耐酸菌成为优势菌，这为酸性污水的生物处理提供了生物学基础。例如，和 在进水 从 降低为 时明显富集，成中国海洋大学学报 年为优势菌属；而 和 随 由中性降低至 丰度降低。迄今为止，虽然已有研究探讨了 对污水生物脱氮的影响，但尚未见有关高盐条件下 对短程硝化反硝化过程和微生物群落影响的报道。本研究利用复合序批式生物膜反应器（）处理高盐含氮废水，考察了进水 变化对同步短程硝化反硝化性能的影响，利用高通量测序技术从门和属水平分析了 改变对悬浮污泥和生物膜中微生物群落结构的影响，特别是脱氮功能菌的演变，从微生物角度阐析了进水 对氮转化过程的作用。实验方法实验装置和运行条件本实验采用个圆柱形 ，直径 、有效容积 ，反应器内部悬挂两片组合纤维填料，每个填料的直径为 、间距 ，填料比表面积为 。反应器每个运行周期历时，包括进水 、前段缺氧 、好氧 、后段缺氧 、静置 和出水 六个阶段，每个周期进水和排水量为 ，换容比为，水力停留时间为。在好氧阶段用电磁空气泵将空气引入反应器底部的多孔砂头扩散器，进行供氧，用转子流量计控制供气量，使好氧阶段液相溶解氧（）浓度保持在 以上。在好氧和缺氧阶段均采用机械搅拌装置进行混合搅拌。反应器内液相温度控制在（）。实验用水本研究开始前，反应器在 盐度、为 左右、温度为 条件下运行了 天，实现了稳定的同步短程硝化反硝化脱氮过程，取得了高效的有机物和氮去除。本实验进水为人工配制的高盐废水，每升水中投加 海水晶控制盐度为 ，每 海水晶中主要物质含量为：，和 。进水 、和总磷（）浓度为 、和（分别由乙酸钠、氯化铵、磷酸二氢钾提供）。本实验分为个时期，第、和时期的进水 分别保持在 、和 ，第和时期是考察进水 值由 降为 和 对反应器性能的影响，第时期是考察 值由 恢复至 以后处理性能的恢复情况。分析方法水质测定每两天取反应器进出水水样，按照国家标准方法检测 、和浓度，总 无 机 氮（）为、和浓度之和。及溶解氧分别用便携式 计（，雷磁，中国）和溶解氧仪（，德国）测定。为了深入分析周期内反应期间氮的转化过程，每个条件下反应器性能达到稳定时，在一个周期内不同时间取液相样品，测定各种形态无机氮的浓度，并计算曝气阶段同步硝化反硝化效率，见公式（）。，（），（）。（）式中：是同步硝化反硝化效率；，（）是曝气阶段结束时反应器中 和 总浓度；，（）是 曝 气 阶 段 开 始 时 反 应 器 中和 总浓度；，（）是曝气阶段开始时反应器中 浓度；，（）是曝气阶段结束时反应器中浓度。微生物群落分析为了探究进水 改变对微生物群落结构和脱氮功能菌的影响，在阶段和结束时取悬浮污泥和生物膜样品，使用 试剂盒（，美国）提取。利用引物 （）和 （）对细菌 的高变区 进行聚合链式反应（）扩增。通过 （中国北京）的 平台进行高通量测序。结果与讨论反应器性能本实验各时期污染物去除效果如图所示。不同进水 值条件下 均保持较高且稳定的去除率，第时 期 平 均去 除率 分别 为 、和 ，表明降解有机物的异养菌对 的变化具有较强的适应能力。当进水 由 降为 时，最初 去除率明显降低，由 降为 ，但很快恢复至 ；其他时期 去除率保持在 以上；说明进水 的变化对去除没有明显影响（见图（），推测某些耐酸的氨氧化菌能够在低 条件下生存并发挥了转化氨氮的作用，这方面内容有必要进行更深入的研究。等 的研究观察到，氨氧化菌（）在较宽的进水 值范围内（）表现出良好的活性。当进水 降为 和 时，去除率在初期天均下降，最低分别降到 和 ，随后 天很快恢复到 和 ，之后继续升高至 和 左右（见图（）；为 和 条件下 平均去除率分 别 为 和 ，略 高 于 第时 期 的 ；第时期进水 值恢复至 后，去除率初期下降，随后逐步回升，平均去除率为 。期李萌，等：高盐条件下 对同步短程硝化反硝化脱氮性能及微生物群落的影响这一结果表明，本研究 去除对进水 变化具有较强的抗击能力，原因可能有三个方面，一是 中生物膜的存在缓解了 的不利影响，生物膜具有复杂的微生物群落结构，适应冲击负荷变化能力强，在应对 冲击时通常比活性污泥表现出更高的缓冲能力，；二是在本研究的序批式反应器中上一周期结束时混合液较高的 对低 进水起到了中和作用（如 节的分析）；三是低 进水条件下反应期内较高丰度的氨氧化菌和反硝化菌为氮的有效去除提供了生物学保障（见 节的分析）。前人在处理盐度为 的废水时发现进水 从 降为 和 使出水 和 浓度分别由 和 明显升高至 和 ，和 去除率降低是由于微生物降解作用受到强烈抑制，这与本研究结果不同，可能是因为本研究采用的 中活性污泥与生物膜共存，对 冲击有一定的缓冲作用。而采用膜生物反应器污泥浓度较低（），不足以应对 冲击，但他们的研究也观察到当进水 重新恢复至 时，和 去除率恢复至原来水平。图 反应器运行性能 周期内氮的转化过程为了深入探究 对氮转化的影响，在每个实验时期结束时，分析了一个周期内各种形态无机氮和 的变化，结果见图。个时期在前缺氧阶段（）和 浓 度 均 同 步 降 低，分 别 由 和 降至 和 ，且 没有和 的积累。据个实验时期周期内中国海洋大学学报 年测定结果，前缺氧阶段 浓度均较低，在 范围内，有研究表明 的溶解氧范围可以进行短程硝化，即氨氮可被氧化为亚硝态氮；此外，结合 节微生物群落结构分析可知，本研究反应器中亚硝酸盐氧化菌相对丰度很低，远低于氨氧化菌相对丰度，说明亚硝酸盐氧化过程受到抑制；因此可以推断，本研究中前缺氧阶段 浓度降低主要是短程硝化的结果；结合该阶段 浓度的同步降低，说明存在同步短程硝化反硝化作用。值得注意的是，在前缺氧阶段 值总体上随反应时间的增加而升高，特别是进水 值较低的第和时期（进水 值为 和 ），值分别由 和 升高至 和 ，原因是该阶段 浓度较高（见图），特别是前期（）碳源很充足（为 ），有利于前一个周期中残留的（）及进水中的（）进行反硝化反应而释放碱度，使 值升高。大部分 在前缺氧阶段被去除，浓度由 降至 以下。在好氧曝气阶段，前期（）浓度迅速下降，由 降至 ，第时期氨氧化率分别为 、和 （），各 进水条件下均取得良好的氨氧化效果。好氧阶段前期，由于硝化作用消耗碱度，下降，并在氨氮降解基本完成时到达谷底，随后 回升，此阶段 保持在 水平，属于氨氧化菌适宜生长的 范围；值得注意的是，在较低 进水条件下（和 ），经历前缺氧阶段较快提升后，在好氧阶段总体趋势是继续升高，基本维持在适宜氨氧化菌生长的范围（），这是保证低 进水时期仍能获得高 去除率的关键。在好氧阶段前期伴随着氨氮氧化，浓度逐步上升，在氨氮氧化基本完成时达到峰值，特别是进水 值为 的两个时期（第和时期），积累峰值分别达到 和 ；进水 值为 和 条件下，最大积累浓度分别为 和 ，明显低于进水 为 条件；好氧阶段后期，反硝化作用使 浓度逐步降低。结合四个时期好氧阶段无 明显积累现象（），可 以 得 到 结 论：为 时 期 较 高 的 积累是 还原作用较弱导致的，而非还原为 造成；进水 降低至 和 对短程反硝化产生了影响，促进了短程反硝化过程。这与相关研究一致，等 指出，相对于 值为 的进水，高 值（和 ）有利于反硝化过程 中亚硝酸盐的积累，对亚硝酸盐的进一步还原产生图周期内氮浓度和 变化：、和 图分别代表第、和时期 ：（），（），（），（）期李萌，等：高盐条件下 对同步短程硝化反硝化脱氮性能及微生物群落的影响抑制作用。本研究四个实验时期在好氧阶段 浓度均持续下降，特别是在好氧阶段前期伴随着氨氮的快速氧化 浓度迅速降低，说明存在高效同步短程硝化反硝化作用，第时期好氧阶段的同步硝化反硝化效率（）分别达到 、和 ，可知 降低没有对同步硝化反硝化效率产生不利影响。依据上述实验结果，可以得出结论，本研究条件下，进水 由 降低为 和 没有对同步短程硝化反硝化过程产生负面影响。由于 在前缺氧阶段大部分被去除，在好氧阶段 浓度较低，且变化较小，浓度为 。在 为 条件下好氧阶段后期（）比值较高（），除此之外，好氧阶段 比值均较低（基本在 以下），对反硝化脱氮有一定影响。本研究在好氧阶段能保持较好 去除效果的原因，有待进一步研究。在后缺氧阶段和沉淀阶段，和 浓度均随反应时间延长不断下降，说明此两阶段存在短程反硝化反应。与好氧阶段类似，在后缺氧阶段和沉淀阶段 浓度变化很小，结合后缺氧阶段起始时刻反应器内 比（）可知，此两阶段主要发生异养短程反硝化反应。图不同时期周期内 浓度变化 进水 对微生物群落的影响微生物丰富度和多样性第和时期实验结束时取反应器内悬浮污泥和生物膜样品，分析了 为 和 两种条件下微生物群落的丰富度和多样性，结果见表。根据微生物存在的形态和进水 值，将个样品命名为 、和 （代表悬浮污泥，代表生物膜）。个样品的高覆盖率（）表明测序结果能够合理地解释微生物群落的丰富度和多样性。进水 从 提高到 ，悬浮污泥和生物膜的 和 指数均降低，说明微生物群落多样性减少。随 升高，悬浮污泥的 和 指数下降，而生物膜的 指数升高、指数基本不变，说明较低 条件下悬浮污泥中微生物丰富度更高，而生物膜中微生物丰富度