乙酸钠丙酸钠配比对A2/O-BCO反硝化除磷及菌群结构的影响

於 蒙,潘 婷,张 淼*,王一鑫,庞晶津,姜友法,王宝林,何成达

乙酸钠丙酸钠配比对A2/O-BCO反硝化除磷及菌群结构的影响

於 蒙1,潘 婷1,张 淼1*,王一鑫1,庞晶津2,姜友法3,王宝林3,何成达1

(1.扬州大学环境科学与工程学院,江苏 扬州 225127；2.扬州市洁源排水有限公司,江苏 扬州 225002；3.江苏扬农化工股份有限公司,江苏 扬州 225009)

采用厌氧/缺氧/好氧和生物接触氧化反应器(A2/O-BCO)组成的反硝化除磷系统处理模拟生活污水,通过调节进水乙酸钠、丙酸钠的配比(乙酸钠:丙酸钠分别为1:0,2:1,1:1,1:2和0:1),考察了系统对有机物的去除以及同步脱氮除磷的影响,同时通过高通量测序对比了不同配比下微生物菌群结构的变化.结果表明:乙酸钠丙酸钠配比对有机物和NH4+-N的去除影响较小,对厌氧段有机物的消耗和TN的去除率以及磷的释放和吸收影响较为明显;TP去除率仅为50.3%~56.8%,需进一步优化系统的运行参数.当乙酸钠:丙酸钠=1:1时,厌氧段有机物消耗量最大,占有机物流入量的61.2%,厌氧释磷量最大(23.2mg/L)且缺氧吸磷率最高(71.4%),而TN的去除效果则随丙酸钠含量的增加而增加.高通量测序结果表明:A2/O反应器中微生物多样性降低,混合碳源污泥中微生物多样性比单一碳源更丰富;驯化后的污泥中绿弯菌()和螺旋菌()减少,变形菌()和拟杆菌()增加. BCO反应器中和总占比为2.1%~31.4%且抑制亚硝酸盐氧化菌(NOB)的活性,有利于短程硝化的实现.

A2/O-BCO系统；碳源；反硝化除磷；高通量测序；微生物菌群结构

我国城市生活污水的主要特征是C/N低,碳源的不足给生活污水处理增加了难度,而传统外加碳源的方法污水处理成本高,且不能从根本上解决碳源不足的问题.而反硝化除磷工艺以其特有的“一碳两用”,有效解决了常规生物脱氮除磷工艺的碳源供求矛盾[1-2].同时该工艺还具有脱氮除磷效率高,曝气量少,剩余污泥量低等特点,受到广泛关注和研究.

通过多年的发展与探索,反硝化除磷工艺经历了从单污泥到双污泥系统的过渡,其中A2/O-生物接触氧化(A2/O-BCO)工艺就是一种新型的双污泥反硝化除磷系统.该工艺将长短泥龄分离,实现了“一碳两用”,尤其在低C/N比条件下有利于反硝化聚磷菌(DNPAOs)成为优势菌,具有脱氮除磷效率高,节省碳源和曝气量,污泥产率低等诸多优点[3].

由于碳源种类直接影响聚磷菌的代谢途径和活性[4],同时也决定聚磷菌的释磷能力和胞内贮存物的合成能力,影响反硝化除磷效能[5-8],因而对脱氮除磷效率产生较大影响.目前很多学者围绕碳源对反硝化过程的影响展开了大量研究,其中对以乙酸盐作为基质进行反硝化除磷的研究较多,丙酸盐是否具有强化除磷效果也存在争议[9-12],以乙酸钠和丙酸钠作为混合碳源的研究相对而言较少且大多数研究采用的是SBR工艺,而针对A2/O-BCO工艺的研究目前报道较少.

此外,乙酸、丙酸作为生活污水中主要的短链脂肪酸,以乙酸、丙酸的混合碳源为研究对象更具实际意义.本研究在连续流运行条件下,考察乙酸钠丙酸钠配比对A2/O-BCO工艺脱氮除磷的影响.通过碳、氮、磷在处理过程中的变化、碳平衡分析以及高通量测序技术,解析乙酸钠丙酸钠配比对微生物组成的影响,探究反应器内的微生物群落结构;通过阐明微生物群落组成,了解主要功能微生物的种类,以期为现有或新建污水处理厂的达标排放和升级改造提供思路,进而加快实现该工艺的推广与应用.

1 材料与方法

1.1 实验装置

本实验采用A2/O-BCO系统,该系统由原水水箱,进水泵,A2/O反应器,中间沉淀池,中间水箱,中间进水泵,生物接触氧化池以及沉淀区顺序连接而成,工艺流程如图1所示.

图1 A2/O-BCO工艺装置

A2/O反应器有效容积20L,进水流量48L/d,反应器共7个格室,分为厌氧区,缺氧区和好氧区,厌氧区和缺氧区设有搅拌;好氧区溶氧量控制在2mg/L,吸磷的同时将反硝化产生的氮气排出.A2/O反应器平均污泥浓度为4000mg/L,A2/O反应器出水进入中间沉淀池进行泥水分离,污泥回流到厌氧区.

BCO反应器由生物接触氧化池及沉淀区组成,沉淀池上清液经中间提升泵进入生物接触氧化池,硝化液经沉淀区回流到缺氧区.BCO反应器三格串联(N1,N2,N3),每格有效容积为2.8L,内置悬浮填料为圆柱体聚丙烯(尺寸:10mm×10mm),填充率45%.

1.2 试验水质及接种污泥

表1 A2/O-BCO工艺进水水质特性

试验用水为人工配制的低C/N比污水(C/N=4~ 5),详见表1.微量元素浓度(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反应器接种污泥取自扬州汤汪污水处理厂CASS反应器的生化污泥,MLSS在4500mg/L左右,SVI值约为97mL/gMLSS,沉降性较好,污泥脱氮除磷性能稳定.BCO反应器利用中间沉淀池的出水作为进水自然挂膜,实现氨氮的高效氧化.

1.3 试验方案

试验采用连续进水,整个试验历时187d,根据投加碳源的不同配比分为5个工况,具体见表2.

试验期间水温在23~26℃,污泥回流比100%,硝化液回流比300%, A2/O容积分配比为1:5:1,水力停留时间HRT为10h,污泥龄SRT为8d.在保持其他运行参数不变的条件下,考察乙酸钠丙酸钠配比对系统反硝化脱氮除磷特性的影响.为保证试验数据的可靠性,每个工况至少运行3个SRT.

表2 试验安排

1.4 检测项目与方法

反应器运行期间,定期采集水样,采用标准方法[13]对相关指标进行测定,分析项目及方法见表3.高通量测序样品分别取自接种污泥(样品编号0-2),装置运行第37d(样品编号1),第82d(样品编号2),第127d(样品编号3),第162d(样品编号4),第187d(样品编号5)以及长期运行稳定阶段BCO反应器三格的生物膜(样品编号6,7,8).其中样品1~5取自中间沉淀池,经离心,冷冻干燥处理后送样检测;样品6~8为悬浮填料上的生物膜,经超声波震荡,离心,冷冻干燥处理后送样检测.

表3 检测项目及分析方法

1.5 系统碳元素平衡分析方法

系统中有机物(C,in,mg/d)迁移转化和代谢途径主要包括以下几个方面:A2/O反应器厌氧段去除(T,An,mg/d),缺氧段反硝化和好氧段氧化(TA-O, mg/d),BCO反应器氧化(TBCO,mg/d),剩余污泥排放(T,ws,mg/d)以及出水残留(T,eff,mg/d).本研究以不同工况(工况I~V)下的稳态试验数据为基础,对A2/O-BCO系统进行碳元素的物料平衡分析(以COD记),具体计算方法如下[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分别为进水流量和剩余污泥排放量, L/d;in,RS,An,O,eff分别为进水、回流污泥携带、厌氧段、好氧段和出水COD浓度,mg/L;为污泥回流比100%;为硝化液回流比300%;WS为剩余污泥浓度,mg/L;为VSS/MLSS,在0.6~0.8之间;CV为活性污泥中COD的化学计量系数,计算中取1.48mg COD/(mg VSS)[16].

2 结果与讨论

2.1 乙酸钠丙酸钠配比对有机物去除特性的影响

由图2可知,当乙酸钠:丙酸钠分别为1:0, 2:1, 1:1,1:2和0:1时,虽然进入系统的COD浓度有波动,但系统最终出水基本能达到《城镇污水处理厂污染物排放标准 GB 18918-2016》中的一级A标准,去除效果稳定.每一工况开始运行阶段COD去除效果会有较大波动,较上一工况去除效果而言基本呈现下降趋势:如工况I调整为工况II,工况II调整为工况III以及工况III调整为工况IV时,COD去除率均下降了10%左右,随后去除效果逐渐稳定,出水水质达标,各工况下对COD的处理效果差别不大.这表明乙酸钠丙酸钠配比对系统COD的去除效果影响较小,孙雅雯等[17]也有类似结果.

图2 不同乙酸钠丙酸钠配比下COD去除效果

从COD沿程变化(图3)来看,当进水碳源从单一碳源乙酸钠变成乙酸钠与丙酸钠的混合碳源,特别是乙酸钠:丙酸钠为1:1时,厌氧段出水COD浓度明显下降,之后继续增大丙酸钠含量,厌氧段出水COD浓度变化不显著.李洪静等[18]的研究结果也表明使用混合碳源时COD去除率略高一些,厌氧段COD下降更明显.Chen等[19]发现乙酸钠:丙酸钠为0.5~2时,可获得较好释磷效果,COD的消耗量最大.

从图中还可看出A2/O反应器COD去除率与系统最终去除率相近,表明有机物在A2/O反应器中得到了高效利用,为BCO反应器中自养型硝化菌的富集提供可能[20-21].此外系统最终出水COD浓度有时会略高于A2/O出水COD浓度,这可能是因为BCO进水有机物浓度较低,部分细胞老化、脱落,一些胞内聚合物释放在水中[22],导致COD浓度略有升高.

根据式(1)~(6)计算5个工况下系统COD物料平衡,由表4可见:不同配比条件下COD的平衡百分比均在90.0%以上,最高可达99.6%,该百分比高于A2/O-BAF工艺(92.3%)[23],表明该系统的碳平衡分析具有更高的准确性.厌氧段PAOs会充分利用碳源进行释磷,消耗内碳源[24].本系统中厌氧段有机物的消耗量占有机物流入量的30.4%~61.2%,消耗量先随丙酸钠含量的升高而升高;当丙酸钠:乙酸钠大于1后,随丙酸钠含量的升高而降低,这表明乙酸钠丙酸钠的配比会影响内碳源的消耗. Oehmen等[25]研究发现:PAOs和GAOs在吸收乙酸钠和丙酸钠的速率和效果上存在差异,丙酸钠更有利于PAOs的吸收和利用,且当碳源为混合碳源时PAOs对碳源的吸收会更彻底.与本试验中丙酸钠含量占优势时厌氧段出水COD浓度较低这一现象吻合.说明与单一碳源相比,乙酸钠与丙酸钠混合碳源可使PAOs占有更大优势,更有利于碳源的高效利用[26].

图3 不同乙酸钠丙酸钠配比下COD沿程变化规律

表4 不同乙酸钠丙酸钠配比下碳元素平衡分析

2.2 乙酸钠丙酸钠配比对氮去除特性的影响

5个工况NH4+-N,TN的去除效果见图4,可以看出,虽然进水NH4+-N和TN浓度波动较大,分别为29.3~76.7mg/L和32.4~82.2mg/L,但每个工况下NH4+-N的去除效果都能保持较高的水平.由于硝化过程是由化能自养型微生物来完成的[27],且流入BCO反应器中的几乎为难降解有机物,因而乙酸钠丙酸钠配比对BCO反应器的硝化效果影响较小,出水NH4+-N浓度均小于5mg/L,去除率在91.4%~ 100%,系统对NH4+-N负荷有着较强的抗冲击能力.

本系统中出水TN几乎都是以NO3--N形式存在,各工况平均出水TN浓度分别为13.5, 12.4, 8.8, 7.7和7.0mg/L,TN平均去除率为74.2%~87.3%,且随着进水中丙酸钠含量的增加呈上升趋势.研究表明[28],缺氧段可利用的有机碳源不足会影响反硝化的进行,降低TN去除率.但是由图3可知,当乙酸钠:丙酸钠=1:0和乙酸钠:丙酸钠=2:1时,进入缺氧段的COD浓度相对较高,但TN去除率却较低,说明本试验中,外碳源浓度对反硝化反应不起主要控制作用. 且殷芳芳等[29]研究发现,较乙酸钠而言,丙酸钠具有更高的反硝化效率,能够消耗更多的NO3--N,再结合本试验结果,表明丙酸钠更有利于反硝化反应的进行.

图4 不同乙酸钠丙酸钠配比下TN,NH4+-N去除效果

2.3 乙酸钠丙酸钠配比对磷去除特性的影响

如图5所示,TP沿程变化直观地表现了乙酸钠丙酸钠配比对本系统除磷性能的影响.较单一乙酸钠而言,加入丙酸钠后厌氧释磷量、缺氧吸磷率和好氧吸磷率均明显提高,当乙酸钠:丙酸钠=1:1时各项达到最大,分别为23.2mg/L,71.4%和59.6%,继续提高丙酸钠占比,处理效果反而下降.

此外整个试验过程中,TP去除率为50.3%~ 56.8%,各工况TP平均出水浓度为2.2~2.5mg/L,远高于一级A排放标准.分析可能原因如下:①缺氧反应时间不足.潘芳等[30]采用SBR反应器,控制其缺氧反应时间,当缺氧反应时间从150min增加到270min时,除磷率显著提高,从-10.4%增加到73.6%.本试验中缺氧反应时间仅为120min,与上研究相比反应时间过短,因此较短HRT是可能性之一.②SRT较长.杨小梅等[31]对A2/O-MBBR反应器SRT的研究中表明当SRT为3d时除磷效率最高,SRT为6d时整个工艺的处理效果最优.虽与本试验在工艺以及运行参数上存在不同,但不排除SRT对本次试验除磷效果的影响,具体原因将在后续研究中逐一验证,从而不断优化A2/O-BCO系统的运行参数以达到较优的处理效果.

图5 不同乙酸钠丙酸钠配比下TP沿程变化及去除效果

2.4 乙酸钠丙酸钠配比对微生物菌群结构的影响

将种泥及每个工况运行结束后的污泥样品进行高通量测序,分别获得53360、52137、50492、32923、48098和57737有效序列,将有效序列在97%的相似性类聚,分别获得了1052、994、645、846、993和837个OTU数(表5),6个样品的覆盖度(coverage)均在99%以上,意味着该结果能够代表样品中微生物的真实情况.

如表5所示,6个样品中ACE指数、Chao指数和Shanno指数最大的均为种泥样品0-2,即物种多样性最高,而驯化后污泥多样性下降;不同乙酸钠/丙酸钠配比下,污泥样品中微生物多样性也各不相同.与生活污水相比,实验室采用的人工配水碳源固定,成分相对单一,因而生物多样性降低;其次对于不同碳源,微生物的代谢途径、利用方式不同, 也会导致微生物菌群结构的差异[32].

表5 A2/O单元中微生物多样性指数分析结果

图6为样品PCoA分析,图中每一个点为一个样本.从图中可以看出,0-2,1和2这3个样品聚集;类似地,3,4和5聚集,同时6,7和8聚集,且3个聚集点相隔较远.这一方面证明了A2/O-BCO双污泥系统实现了菌群分离的本质,另一方面也说明了乙酸钠丙酸钠配比对微生物菌群结构有较为直接的影响,使得微生物种类发生了较大差异.

图6 OTU水平上的PCoA分析

(a)门水平

(b)属水平

图7 污泥样品的菌群分布

Fig.7 The flora distribution of sludge samples

不同污泥样品在“门”、“属”级别上的菌群分布如图7(a)和7(b)所示.其中种泥0-2的显著性菌群是:Chloroflexi(绿弯菌) (26.61%), Proteobacteria (变形菌) (21.92%), Saccharibacteria (螺旋菌) (12.49%),随着乙酸钠丙酸钠配比的改变,显著性类群不断发生变化,但Proteobacteria始终是各样品中最丰富的菌门,这与Snaidr等[33]的研究结果一致.此外,当首次加入丙酸钠后, Saccharibacteria几乎消失,意味着该菌群对丙酸钠的适应性较差.整个试验过程中Bacteroidetes(拟杆菌)逐渐取代Chloroflexi,成为A2/O系统中的第二大菌群.

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由图7(b)可见,Candidatus competibacter属随着丙酸钠比例的提高增长明显,从1.7%增长到17.5%,表明丙酸钠有利于该菌属的生长富集,这与Cai等[34]的研究结果一致.Candidatus accumlibacter是公认的一类聚磷菌,生物除磷系统中普遍存在,但本试验中几乎没有,而2.3中的结果表明系统中有聚磷菌的存在,因此推测污泥中存在某种新型的反硝化除磷菌群,具体菌属则需要通过PCR、DGGE等分子生物学分析技术做进一步分离鉴定和分析.

Plantomycetes和Nitrospirae两大门主要负责硝化,A2/O系统中这两大门比例基本为0,BCO系统中(样品6~8)总占比从1.14%增加至11.7%,再次表明A2/O-BCO系统实现了菌群的分离,硝化菌在BCO单元富集.BCO反应器3个格室中Nitrosomonas的百分比含量分别为2.1%,20.8%和14.2%,Nitrospira变化趋势与Nitrosomonas相同,最大为10.6%, Nitrospira和Nitrosomonas 2种菌的总占比最高为31.4%.事实上控制NOB的生长速率,一定程度上有利于实现短程硝化,卞伟等[35]研究表明,当NOB几乎不存在时才能实现短程硝化的稳定运行,因此如何抑制Nitrospira、Nitrosomonas的生长是维持短程硝化的关键所在.

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3 结论

3.1 乙酸钠丙酸钠配比对COD的去除效果影响较小,但对厌氧段COD的消耗影响较大,当乙酸钠:丙酸钠=1:1时,厌氧段COD消耗量达到最大,占有机物流入量的61.2%.

3.2 乙酸钠丙酸钠配比对硝化反应影响甚微, NH4+-N去除率维持在91.4%~100%,TN去除效果随着丙酸钠含量的增加而增加,丙酸钠为单一碳源时TN去除率最大为87.3%.

通过以上两种方法，可以有效控制小分子物质的产生，并及时排出产生的小分子，从而提升PP注塑件的气味、VOC水平，改善车内空气质量。

3.3 厌氧释磷量与厌氧段COD的消耗量呈正相关,当乙酸钠:丙酸钠=1:1时,释磷量和缺氧吸磷量最大,但TP去除效果可能受缺氧反应时间和SRT的影响,处理效果有待进一步增强.

3.4 微生物对碳源代谢方式的不同会导致菌群结构的差异.种泥中OTUs为1052,经驯化后污泥中OTUs降低至645,碳源的相对单一使得系统中微生物多样性下降; 乙酸钠丙酸钠配比的不同使微生物的菌群结构产生较大差异.

3.5 Proteobacteria是本试验中的优势菌群,丙酸钠对Saccharibacteria的生长有抑制作用,对Candidatus competibacter的生长有促进作用.A2/O- BCO系统能够实现菌群分离, A2/O反应器中硝化菌含量基本为0,而BCO反应器中可富集大量硝化菌,同时通过抑制NOB的生长可使短程硝化成为可能.

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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

中图分类号：X703.1

文献标识码：A

文章编号：1000-6923(2019)10-4178-08

作者简介：於 蒙(1995-),女,江苏海安人,扬州大学硕士研究生,主要从事污水生物处理理论与应用研究.发表论文1篇.

收稿日期：2019-04-06

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51808482);江苏省自然科学基金资助项目(BK20170506);博士后科学基金资助面上项目(2018M632392);江苏省水环境保护技术与装备工程实验室开放课题(W1803)

* 责任作者, 讲师, zhangmiao890606@163.com