不同碳源对反硝化过程中亚硝酸盐积累的影响_王义英.pdf

第 卷 第期 年月青 岛 科 技 大 学 学 报（自然科学版）（）文章编号：（）；：不同碳源对反硝化过程中亚硝酸盐积累的影响王义英，李玲玲（青岛科技大学 环境与安全工程学院，山东 青岛 ）摘要：采用葡萄糖和乙酸钠对反硝化污泥进行 的驯化培养后，通过批次试验研究不同碳源对反硝化过程中亚硝酸盐积累的影响。研究结果表明：采用葡萄糖培养的反硝化污泥以葡萄糖为碳源，反硝化过程中亚硝酸盐积累浓度较低；（）（）为时，最大积累浓度仅为 ，最大 积累率为 。采用乙酸钠培养的反硝化污泥以乙酸钠为碳源，反硝化过程中亚硝酸盐能快速积累，且积累浓度较高；（）（）为，反应至 时 积累浓度为 ，积累率达到 ；该污泥以葡萄糖为碳源，反硝化过程中亚硝酸盐积累浓度也较高；（）（）为，反应至 时，积累浓度为 ，最大 积累率达到 。采用葡萄糖和乙酸钠培养的反硝化污泥中均以 为优势属，相对丰度分别为 和 。关键词：葡萄糖；乙酸钠；反硝化；亚硝酸盐积累；菌群结构中图分类号：文献标志码：引用格式：王义英，李玲玲不同碳源对反硝化过程中亚硝酸盐积累的影响青岛科技大学学报（自然科学版），（）：，（），（）：收稿日期：作者简介：王义英（），女，硕士研究生 通信联系人 ，（，）：，（）（），（）（），青 岛 科 技 大 学 学 报（自然科学版）第 卷 ，（）（），：；厌氧氨氧化（）工艺以 为电子受体，将 直接氧化成，反应过程不需要有机碳源，其作为一种高效节能的新型生物脱氮技术近年来备受关注。所需的电子受体常通过短程硝化提供，但短程硝化不稳定，易转变为全程硝化，阻碍了工艺在实际污水处理中的应用。是反硝化过程的中间产物。近年来，不少研究发现反硝化过程中能够实现 的大量累积，因此，可以通过反硝化反应为厌氧氨氧化工艺提供所需的电子受体。反硝化过程中的积累与电子供体的特性密切相关。目前的研究主要利用有机物为反硝化反应提供电子供体，如甲醇、乙醇、乙酸盐、甘油以及葡萄糖等；此外，还可以采用污泥发酵液为反硝化菌提供有机物。葡萄糖和乙酸钠是反硝化反应常用的碳源。董晓莹 以乙酸钠为碳源培养反硝化污泥，经过 的培养后，反硝化过程中 积累率达到 ，反硝化污泥中 、和 的 相对 丰 度 分 别 为 、和 。等 研究了葡萄糖和乙酸钠对微生物群落的影响，以葡萄糖为碳源的反硝化污泥经过 的培养后，污泥中优势菌群为 、和 ，相对丰度分别为、和；以乙酸 钠 为 碳 源 的 反 硝 化 系 统 中 优 势 菌 群 为 ，其相对丰度为；个反硝化系统都未出现明显的 积累。张曼 分别以初沉池污泥和剩余污泥为种泥，采用乙酸钠为碳源，污泥培养 后，反硝化过程中积累率分别达到 和 ，为个反硝化系统中的绝对优势菌属，相对丰度分别为 和 。从已有的研究来看，不同的研究结果差异较大，其原因可能是碳源类型、碳源投加量、培养时间、培养温度等培养条件的不同导致反硝化系统菌群结构不同，致使反硝化过程中积累特性产生较大差异。由于反硝化反应的复杂性，目前对反硝化过程中亚硝酸盐积累机制尚不十分清楚。本研究分别以葡萄糖和乙酸钠为有机碳源对反硝化污泥进行 的驯化培养后，进一步采用批次实验研究碳源、（）（）比等因素对反硝化过程中亚硝酸盐积累的影响，以期能进一步阐明反硝化过程中亚硝酸盐积累机制。实验部分实验用污泥及实验用水实验所用接种污泥取自青岛市团岛污水处理厂，将污泥在实验室个的 反应器中分别以葡萄糖和乙酸钠为碳源进行驯化培养，以富集反硝化菌。以葡萄糖为碳源培养的污泥标记为，以乙酸钠为碳源培养的污泥标记为。培养污泥所用污水为人工配制污水，采用葡萄糖或乙酸钠作为碳源，以 和 作为氮源和磷源，初始浓度保持在 左右，比值保持在 左右，浓度为 ，、和 浓度分别为 、和 。反应器每天运行个周期，每周期缺氧搅拌，污泥分别以葡萄糖和乙酸钠为碳源在室温下培养 后用于批次实验；当（）（）比为时，和污泥能分别实现 和 的亚硝酸盐积累率。实验方法（）（）比对反硝化过程亚硝酸盐积累的影响和分别以葡萄糖和乙酸钠为碳源，进水第期王义英等：不同碳源对反硝化过程中亚硝酸盐积累的影响浓度为 左右，（）（）比控制为 、和 。反应器内 为（）。采用磁力搅拌器进行搅拌，温度为（），反应时间为 。定时自反 应 器 取 样 后 离 心，分 析 上 清 液 中 的 、以及。每组实验进行次平行实验。交换碳源后反硝化过程中亚硝酸盐积累研究以乙酸钠为碳源，以葡萄糖为碳源。进水浓度为 左右，（）（）比控 制 为 和，为（），温度为（），反应时间为 。定时自 反 应 器 中 取 样 后 离 心，分 析 上 清 液 中 的 、以及 。每组实验进行三次平行实验。分析项目及方法污水与污泥分析项目及方法 采用重量法测定；采用盐酸萘乙二胺分光光度法测定；采用紫外分光光度法测定；采用过硫酸钾氧化紫外分光光度法测定；采用重铬酸钾氧化法测定。为了消除 测 定 中的 影 响，采 用 公 式（）对 进行修正。实际 测（）。（）式中，实际：修正后的化学需氧量，；测：实测的 化学 需 氧量，；（）：浓度，。菌群结构分析方法菌群结构采用高通量测序方法进行分析。将接种污泥、培养至第 的和污泥通过提取基因组、扩增、检测定量、筛选、富集文库模板 后，构 建 文 库。在 平台（，）上对所有样品的扩增基因进行测序。获得有效序列后，按照 相 似 性 对 非 重 复 序 列 进 行 操 作 分 类 单 元（）聚类，生成 表格。以各样本的 数作为物种丰富度，使用统计学的分析方法，采用 软件进行绘图，观测分析样本在不同分类水平上的群落结构。比 还原速率和 积累率计算方法比 还原速率（）和 积累率（）计算方法见式（）和式（）：（，）（，），（）（，）（，）（，）。（）式中，：还原速率，（）；：积 累 率，；（，）：时 刻浓度，；（，）：时刻 浓度，；（，）：初始 浓度，；（，）：初始 浓度，；（，）：时 刻 浓 度，；：到的间隔反应时间，；：污泥浓度，。结果与讨论（）（）比对反硝化过程中亚硝酸盐积累的影响（）（）对污泥反硝化过程中亚硝酸盐积累的影响图为 污泥中投加不同（）（）的污水后，反硝化过程中 、浓度的变化以及反硝化特性参数。由图可以看出，在反应前 内 浓度迅速下降，后 浓度逐渐趋于稳定。在实验中发现，实际测得的初始 浓度均低于理论初始浓度，其原因可能是反硝化污泥快速吸附了葡萄糖，致使所测初始 浓度偏低；其原因还需进一步研究。在反硝化过程中，随着（）（）增加，去除量也随之增加。由图（）可知，（）（）为 时，最 大 比 硝 酸 盐 还 原 速 率（）仅 为 （）；（）（）比 为时，增至 （）。此外，从图可看出，在不同（）（）下，反硝化过程中 浓度均是先增加，后趋于稳定。且随着（）（）比的增加，的最大积累浓度和 最大积累率（）也在增加。（）（）比 为 时，最 大 积 累 浓 度 为 ，为 。由于反硝化过程中 还原为 后，多数 没有进一步还原为，所以整个反应过程中浓度变化不大。（）（）对污泥反硝化过程中亚硝酸盐积累的影响图为污泥在不同（）（）下反硝化过程中 、浓度变化以及反硝化特性参数。青 岛 科 技 大 学 学 报（自然科学版）第 卷图不同（）（）比下污泥反硝化过程中 、浓度变化曲线及反硝化特性参数 ，（）（）从图可以看出，当（）（）为、和时，在 反 应 前 内 浓 度 快 速 下 降；（）（）比 为 和 时，在 反 应 前 内 浓度下降较快，此后 浓度变化不大。在不同（）（）比下，反硝化反应前 内 浓度均快速下降；且随着（）（）比的增 加，去 除 量 增 加。由 图（）可 知，（）（）比为时，仅为 （）；（）（）比为时，增至 （）。（）（）低 于 时，在反应 前 内浓度快速上升，此后浓度缓慢增加；反应 后，浓度基本不变；且随着（）（）的增加，积累量基本按比例增加。浓度在反硝化过程中变化较小，主要原因是 还原生成 后，因缺少电子供体，不能进一步还原为。（）（）为和时，浓度在反应前 内快速上升，此后逐渐降低；最大积累量分别为 和 ，与（）（）为时的 积累量接近。由于碳源相对充足，浓度在整个反应过程中持续下降。交换碳源后污泥和污泥反硝化过程中亚硝酸盐的积累图为污泥以乙酸钠为碳源时反硝化过程中 、和浓 度 的 变 化。第期王义英等：不同碳源对反硝化过程中亚硝酸盐积累的影响图不同（）（）比下污泥反硝化过程中 、浓度变化曲线及反硝化特性参数 ，（）（）图污泥以乙酸钠为碳源时反硝化过程中 、和 浓度变化曲线 ，青 岛 科 技 大 学 学 报（自然科学版）第 卷从图（）可以看出，（）（）为，浓度在反应至 时达到最大，为 ；而在（）（）同样为的条件下，污泥以葡萄糖为碳源时，最大积累浓度仅为 。由图（）可知，（）（）比为时，浓 度 在 反 应 至 时 达 到 最 大，为 ；在相同（）（）下，以葡萄糖为碳源时，最大积累浓度仅为 。实验结果表明，反硝化过程中 的积累与碳源类型 有 关；对 于 同 一 污 泥，以 乙 酸 钠 为 碳 源，积累量高；而以葡萄糖作为碳源，积累量低。污泥和污泥在交换碳源前后反硝化特性参数见表。从表也可以看出，污泥以乙酸钠为碳源时，、和 最大积累浓度均明显高于同样条件下以葡萄糖为碳源时所对应的值。表污泥和污泥在交换碳源前后反硝化特性参数 项目污泥污泥以葡萄糖为碳源以乙酸钠为碳源以乙酸钠为碳源以葡萄糖为碳源（）（）最大积累浓度（）（）图为污泥以葡萄糖为碳源时反硝化过程中、浓度的变化。从图（）可以看出，（）（）为时，浓度随着反应的进行逐渐上升，反应至 时达到最大，为 ；在同样的（）（）条件下，污泥以乙酸钠为碳源，在反应至 时 达 到 最 大 积 累 浓 度，为 。（）（）为，浓度在反应至 时达到最大，为 （见图（）；在同样（）（）的条件下，污泥以乙酸钠为碳源时，最大积累浓度为 。实验结果表明，反硝化过程中的积累与污泥性能也是密切相关。葡萄糖投加到污泥中，反硝化过程中的积累量低；将葡萄糖投加到污泥中，反硝化过程中 的积累量却明显提升。但是，污泥以葡萄糖为碳源时，、和最大 积累浓度低于同样条件下以乙酸钠为碳源时所对应的值。图污泥以葡萄糖为碳源时反硝化过程中 、和 浓度变化曲线 ，碳源对反硝化系统中微生物菌群结构的影响图为污泥、污泥和接种污泥在门水平和属水平上的相对丰度。、和 指数表明，污泥的物种丰富度和多样性最低，其次是污泥，接种污泥最高。由图（）可知，是接种污泥的主要菌门，其相对丰度第期王义英等：不同碳源对反硝化过程中亚硝酸盐积累的影响为 ；、和 的 相 对 丰 度 分 别 为 、和 ，以上这些菌门是污水处理系统常见的门。当接种污泥分别以葡萄糖和乙酸钠驯化至第 时，和污泥中的 相 对 丰 度 分 别 增 大 到 和 ，是氮循环中极其重要的菌门，通常在反硝化污泥中占有很大比重，污水处理系统 中 大 约 有 的 菌 属 归 于 ；在和污泥中的相对丰度分别为 和 ，这类菌门对有机物的降解具有重要的作用。和污泥中 、和 的相对丰度都降到以下，的相对丰度也有所下降，这可能与溶解氧含量降低有关。而 在接种污泥和污泥中占比不足 ，在 污泥中却增长至 ，这可能因为 是与降解葡萄糖有关的菌门。从属水平来看（见图（），和污泥中均以 为优势属，相对丰度分别为 和 ；而 接 种 污 泥 中 相 对 丰 度 仅 为 。污泥中 、和 相 对 丰 度 分 别 为 、和 ；污泥中 、和 相对丰度分别为 、和 。图、以及接种污泥中微生物群落在门级和属级上的相对丰度 ，讨论本研究污泥以葡萄糖为碳源时，反硝化过程中亚硝酸盐积累浓度较低；（）（）为，反应至 时，最 大 积 累 浓 度 仅 为 ；而污泥以乙酸钠为碳源，（）（）比为，反硝化反应至 时，达到最大积累浓度 。两个系统在反硝化过程中亚硝酸盐积累性能差异较大；分析其原因，一方面与污泥中的菌群结构有关；不少研究发现 的积累与 菌有关，；在以 为优势菌群的污泥中硝态氮还原酶的丰度是亚硝态氮还原酶的 倍；污泥中 数量越多，越有 利 于 的 积 累。由 于 污 泥 中 的 菌相对丰度低于 污泥，所以 污泥在反硝化过程中 积累浓度低于