MBBR工艺中SNEDPR的启动及性能研究

敬双怡,宋子洋,刘 超,李卫平,李 奇,张铁军

MBBR工艺中SNEDPR的启动及性能研究

敬双怡,宋子洋,刘 超,李卫平*,李 奇,张铁军

(内蒙古科技大学能源与环境学院,内蒙古 包头 014010)

为探究同步硝化内源反硝化除磷(SNEDPR)强化移动床生物膜反应器(MBBR)工艺脱氮除磷的可行性,采用连续曝气和搅拌/曝气交替运行的MBBR反应器,以磁性填料作为载体处理模拟生活污水,考察了SNEDPR启动过程中的脱氮除磷性能,并结合荧光显微镜和高通量测序技术对各个功能菌群结构变化情况进行了分析.结果表明,经两阶段运行后,氨氮和磷去除率分别达到97.6%和85.37%,出水NO2--N、NO3--N和COD浓度分别为1.3949,3.88和20.4mg/L,同步硝化内源反硝化率(SNEDR)由0.07%逐渐升高至86.35%.好氧阶段同步硝化内源反硝化率的提高,使出水NO--N浓度下降,提高了系统的脱氮性能和厌氧阶段内碳源的储存量.荧光显微镜和高通量测序结果表明,经过53d的运行,微生物群落多样性呈显著提高,系统内GAOs、AOB、NOB丰度的提高(分别由接种污泥中的3.3%、0.84%和0.66%提高至系统内的27.08%/20.48%、1.45%/1.76%和1.05%/0.85%)和PAOs、DPAOs的存在,保证了系统的脱氮除磷性能,在MBBR工艺中实现了EBPR与SNED的耦合.

同步硝化内源反硝化(SNED)；移动式生物膜反应器；强化生物除磷；聚磷菌(PAOs)；高通量测序

采用传统活性污泥法处理低C/N比、低温城市污水时,工艺中的聚磷菌与硝化菌、反硝化菌存在污泥龄的矛盾与碳源的竞争[1-3],导致脱氮除磷能力有限.污水处理厂为实现达标排放需投加额外碳源,增加一定运行成本[4].与之相比,移动床生物膜反应器(MBBR)工艺具有负荷高、抗冲击负荷能力强、耐受低温、运行费用低等特点[5-6],但其在低C/N条件下脱氮除磷效果也受到限制[7].因此,如何在低碳源条件下实现MBBR工艺高效稳定的脱氮除磷具有重要意义.同步硝化内源反硝化除磷(SNEDPR)实现强化生物除磷(EBPR)[8-10]与同步硝化内源反硝化(SNED)[11-13]的耦合,减少对氧和碳源的需求,有效解决菌群间碳源的竞争和污泥龄的矛盾,被视为处理低C/N比污水的高效脱氮除磷途径[14].SNEDPR主要是利用反硝化聚糖菌(DGAOs)与反硝化聚磷菌(DPAOs)代替传统反硝化菌,成为反硝化过程中的优势菌群,使硝化与反硝化、除磷同时发生.有研究表明SNEDPR好氧段存在由DGAOs和DPAOs主导的同步短程硝化内源反硝化,是实现低C/N(<3)污水高效脱氮除磷的原因[15].

目前,相关的研究主要集中在悬浮生长活性污泥体系内SNEDPR的启动过程[16-17],颗粒污泥同步硝化内源反硝化脱氮除磷研究[18-19],以及在不同C/N、C/P、SRT影响因素下污泥体系内SNEDPR脱氮除磷特性的分析[20-22].有学者发现[23]MBBR在低C/N条件下TN、TP去除率保持在70%和40%左右,除磷效果不佳,还有研究[24]指出生物膜中存在的氧浓度梯度有利于DGAOs和DPAOs的生长.但是有关泥膜混合条件下SNEDPR条件下脱氮除磷性能研究相对较少,且缺乏SNEDPR强化MBBR工艺处理效果及微生物群落分析的研究.

因此,本研究以模拟低C/N比的生活污水为处理对象,采用连续曝气和搅拌/曝气交替的运行方式,在MBBR反应器内实现SNEDPR的启动,并探究该系统启动运行期间的脱氮除磷机理及SNEDR、反应体系内微生物群落结构及DGAOs、DPAOs生长情况.以期为SNEDPR强化MBBR工艺中脱氮除磷性能提供新的思路和参考.

1 材料与方法

1.1 实验装置与运行工序

本实验采用移动床生物膜反应器(MBBR,图1),由有机玻璃制备而成,高56cm,直径35cm,有效容积50L.反应器侧面设有3个出水口,方便排水和取样,底部设有排泥管.

MBBR反应器中SNEDPR启动与运行的实验研究分为两阶段:阶段Ⅰ(1～29d),采用连续曝气的运行方式,促进生物膜的形成和硝化体系的建立;阶段Ⅱ(30～53d),采用搅拌/曝气交替的多级运行方式,提高曝气效率,富集聚磷菌和聚糖菌实现同步硝化内源反硝化除磷.曝气强度由气体流量计控制,DO控制在2～4mg/L.MBBR反应器在阶段Ⅰ以16h为1周期,2d运行3周期,运行工序为:进水10min,曝气940min,出水10min;在阶段Ⅱ以24h为1周期,1d运行1周期,运行工序为:进水10min,厌氧搅拌180min,曝气150min,厌氧搅拌180min,曝气150min,厌氧搅拌180min,好氧580min,出水10min,两阶段均无闲置阶段.

图1 MBBR实验装置

1.水箱;2.排泥口;3.填料;4.搅拌桨;5.曝气盘;6.调频电机;7.气体流量计;8.曝气泵;9.取样口;10.排水口

1.2 接种污泥和实验水质

MBBR是双污泥系统,接种污泥取自包头市某污水处理厂回流污泥,接种后MBBR反应器内MLSS在3000mg/L左右,SV为42%,SVI为140mL/g.采用人工模拟生活污水配水,碳源采用无水乙酸钠(C2H3NaO2),维持进水COD为229～314mg/L,分别以氯化铵(NH4Cl)、磷酸氢二钾(K2HPO4)和磷酸二氢钾(KH2PO4)作为氮源和磷源,维持进水NH4+-N为41～66mg/L、PO43--P为5～6.3mg/L.用碳酸氢钠与盐酸调节模拟生活污水的pH值至7.3～7.5左右.每升水中加入一毫升营养液以补充微量元素[25].投加填料是以聚乙烯、羟基磷灰石与钕铁硼磁粉通过共混技术制备而成的磁性悬浮填料,填充率为30%.

1.3 检测项目与分析方法

水样经过中速滤纸(最大孔径15～20μm)过滤后测定各参数,测定方法如下:COD采用重铬酸钾法测定;NH4+-N采用纳氏试剂光度法测定;NO2--N采用N-(1-萘基)-乙二胺光度法测定;NO3--N采用紫外分光光度法测定;PO43--P采用钼锑抗分光光度法测定;MLSS与MLVSS采用重量法测定[26];pH值和DO采用雷Multy 8330便携式水质分析仪(法国PONSEL公司)测定;生物膜干重采用碱洗法[27]测定;胞外聚合物进行分层提取[28],其中TB-EPS采用加热法提取,多糖含量采用蒽酮法测定,蛋白质采用Folin-酚法测定,两者之和即为EPS总含量.

1.4 SNEDR

SNEDR用以表示在系统好氧段的氮损失情况,其计算方法见公式:

式中:ΔNH4+-N、ΔNO2－-N和ΔNO3－-N分别为系统好氧段NH4+-N、NO2－-N和NO3－-N浓度的变化量,mg/L.

1.5 多磷酸盐的染色

本实验采用DAPI染色剂对生物膜进行染色,用荧光显微镜观察,进一步确认生物膜上聚磷菌的富集情况.取若干填料于烧杯中,加入50mL去离子水,通过超声波震荡将生物膜剥离收集,将样品放置于-80℃干冰中送到科学指南针检测中心检测.剪取适量样品,放置于24mm×60mm盖玻片上,用DAPI染色剂染色,并在激发波长395～391nm和接收光范围>397nm的倒置荧光显微镜下观察[29].

1.6 高通量测序

为探究反应体系中微生物群落结构及多样性,取反应器启动时的种泥,运行53d后的生物膜及污泥絮体样品,进行3次重复采样,共采集9个样品,样品编号分别记为W、M、N,进行高通量测序,其中生物膜利用超声波震荡剥离.经离心、抽滤后的样品置于-80℃的干冰中送至上海美吉生物医药科技有限公司Illumina MiSeq平台进行16SrDNA高通量测序.高通量测序采用美国QIAGEN公司的DNeasy®PowerSoil® Pro Kit试剂盒提取生物膜样品总DNA,利用NanoDrop2000检测DNA纯度和浓度,利用1%琼脂糖凝胶电泳检测抽取的基因组DNA的完整性.选用通用引物338F(5¢-ACTCCTACGGGAGGCA- GCAG-3¢)和806R(5¢-GGACTACHVGGGTWTCTA AT-3¢)对细菌16S rDNA基因中的V3-V4进行PCR扩增.PCR反应条件参数为:95℃预变性温度下保持3min;95℃变性温度下保持30s,55℃退火温度下保持30s,72℃延伸温度下保持45s,进行27次循环扩增;72℃下终止延伸10min,10℃至反应结束.PCR扩增产物用2%琼脂糖凝胶电泳检测,使用美国AXYGEN公司的AxyPrepDNA凝胶回收试剂盒切胶回收PCR扩增产物,并对其进行检测定量分析之后,构建MiSeq文库,利用Illumina MiSeq测序平台进行高通量测序,将所得序列通过OTUs(运算分类单位)以97%的相似度进行聚类,本实验的测序工作由测序公司完成.

2 结果与分析

2.1 系统启动及运行过程中COD去除特性

从图2中可知,阶段Ⅰ(1～29d),系统进水COD浓度平均值为269.11mg/L,出水COD浓度平均值为28.03mg/L,平均去除率为89.41%,说明有机物的去除效果较好.

阶段Ⅱ(30～53d),系统进水COD浓度平均值为274.36mg/L,反应器运行条件改为搅拌/曝气交替多级运行,随后反应体系性能略有下降,主要表现为COD去除率下降,由第29d的90.77%下降至第33d的75.31%,随着反应的进行,反应体系的COD去除率逐渐恢复至90%以上.由图2观察到在经过第一次厌氧阶段之后,反应器内的COD浓度呈现出逐渐下降的趋势,COD浓度值由174mg/L下降至54mg/L.后续经过第一次好氧阶段的COD浓度值与第一次厌氧阶段COD浓度值差别较小,说明好氧段有机物消耗较少.经过3次循环后的COD浓度值不断减小,说明反应体系COD去除性能恢复,且阶段Ⅱ中COD的去除主要是在第一个循环的厌氧阶段完成.

图2 SNEDPR启动及运行过程中COD浓度变化情况

2.2 系统启动及运行过程中硝化特性、SNEDR与脱氮特性

如图3所示,阶段Ⅰ(1～29d),系统进水NH4+-N浓度平均值为50.23mg/L,出水NH4+-N浓度小于1.5mg/L,去除率均在97%以上,说明系统的硝化效果较好.系统出水NO2--N浓度平均值为(0.05±0.01) mg/L,出水NO3--N浓度呈现逐渐上升的趋势,由23.598mg/L逐渐上升至46.315mg/L,进水氨氮几乎全部转化为硝态氮,表明系统硝化作用为全程硝化.

阶段Ⅱ(30～53d),系统进水NH4+-N浓度平均值为44.80mg/L,3次循环后出水NH4+-N浓度虽然有所增加,但依然小于2mg/L,去除率保持在95%以上,这说明系统的硝化性能维持在较高水平.如图3可知,系统中大部分NH4+-N的去除主要是在第一循环周期实现,经过第一次厌氧阶段之后,NO2--N、NO3--N浓度值较小,无明显积累,说明系统中存在反硝化反应.经过第一次好氧阶段,氨氮减少的同时,NO2--N、NO3--N浓度也呈现出逐渐下降的趋势,其中NO3--N浓度值由7.653mg/L逐渐下降至0.43mg/L,且第一次好氧阶段SNEDR由0.07%逐渐升高至86.35%,证明反应体系内存在同步硝化反硝化.且3次循环后出水NO2--N、NO3--N浓度分别为1.3949和3.88mg/L,说明系统脱氮性能较好.

图3 SNEDPR启动及运行过程中NH4+-N、NOx--N和SNEDR变化情况

2.3 系统启动及运行过程中除磷特性

从图4中可知,阶段Ⅰ(1～29d),系统进水PO43--P浓度平均值为5.36mg/L,出水PO43--P浓度平均值为0.50mg/L,去除率最高达92.72%,说明系统除磷性能较好.

阶段Ⅱ(30～53d),系统进水PO43--P浓度平均值为5.61mg/L,随着反应器运行条件的改变,反应体系磷的去除性能下降,主要表现为PO43--P去除率下降,由第29d的92.10%下降至第33d的30.01%,随后系统除磷性能逐渐恢复,去除率恢复至85.37%.聚磷菌的一个关键特征是在厌氧条件下释放磷的能力,以及随后在有氧条件下吸收磷的能力,由图4观察到经过第一次厌氧阶段之后,PO43--P浓度由11.147mg/L逐渐上升至31.107mg/L,厌氧释磷量逐渐增大.后续经过第一次好氧阶段,吸磷量逐渐增大,经过3次循环后出水PO43--P浓度逐渐减小至0.84mg/L,表明系统的除磷性能恢复良好.

图4 SNEDPR启动及运行过程中PO43--P浓度变化

2.4 生物膜上聚磷菌的鉴定

随着实验的进行,填料上的生物膜在启动前后也发生了变化,反应器启动初期,填料表面呈现白色,无明显的挂膜现象;当反应器运行20d之后,填料表面能观察到一层很薄的黄色薄膜,即认为开始挂膜,且生物膜分布的位置和厚度相对均匀.生物膜经过碱洗法处理后,测得平均每个填料上附着生长了干重8.32mg的生物膜.

为了确认PAOs在生物膜中是否存在和具有活性,对生物膜进行了聚磷菌的鉴定.PAOs存在和具有活性的一个关键是其将废水中的可溶性磷转化为生物质中的多磷酸盐颗粒的能力.有研究表明[30],4',6-二脒基-2-苯基吲哚(DAPI)是一种能够与DNA强力结合的荧光染料,菌体内的多磷酸盐和脂类物质能被高浓度DAPI(50mg/L)染色,染色后用荧光显微镜观察,DAPI-脂类的荧光较弱,几秒之后就会淬灭,而DAPI-多磷酸钠盐的荧光呈现亮黄色,不易淬灭.将反应器中剥离的生物膜用DAPI染色后,经荧光显微镜观察,结果显示样品中发出较强的黄色或绿色荧光,且长时间不淬灭,表明生物膜中积累了聚磷颗粒,即认为生物膜上已经成功富集了聚磷菌.

2.5 微生物群落结构及多样性

2.5.1 门和属水平的微生物群落结构 高通量测序结果显示,全部样品的序列数目为421961,序列碱基数目为176220066bases,平均序列长度417bp (NCBI登陆号:PRJNA810913).图5(b)显示了生物膜(M)、污泥絮体(N)和接种污泥(W)3个样本中基于OTU分类的门级微生物群落.其中生物膜和污泥絮体样品鉴定出17个主要门(>0.5%),接种污泥鉴定出10个主要门.生物膜与污泥絮体样本的微生物群落相似,最主要的门是变形菌门(Proteobacteria)、拟杆菌门(Bacteroidota)、绿弯菌门(Chloroflexi)、浮霉菌门(Planctomycetota).接种污泥的主要门是变形菌门(Proteobacteria)、拟杆菌门(Bacteroidota)、绿弯菌门(Chloroflexi)、放线菌门(Actinobacteriota).生物膜和污泥絮体中的变形菌门(45.13%～46.26%)和拟杆菌门(17.20%～22.25%)丰度显著高于接种污泥的变形菌门(17.53%)和拟杆菌门(5.96%)丰度,而它们的绿弯菌门(10.44%～9.83%)丰度低于接种污泥的绿弯菌门(18.23%)丰度.这说明虽然反应器内生物膜与污泥絮体的优势菌门与接种污泥相似,但是其功能菌群落可能发生了变化.

对3个样本通过创建热图(图5c)在属水平上对微生物群落进行比较.在属水平上,生物膜和污泥絮体最主要的属为(24.91%～17.20%),是该反应器的绝对优势菌属,与接种污泥相比,其丰度显著增加.生物膜和污泥絮体还包含其他一些菌属,如OLB12(4.95%～4.99%)、(2.17%～3.28%)、(0.19%～4.84%)、(2.10%～0.64%)、(0.54%～1.49%)、(1.05%～0.85%)等,接种污泥的优势菌属为(14.36%)、(11.17%)和(7.3%).结合图5(a)与图5(c),发现与接种污泥相比,生物膜与污泥絮体的聚糖菌和硝化菌丰度增加,聚磷菌的丰度下降,反应体系内的菌属丰度发生了显著变化,说明反应体系中的脱氮除磷的功能菌属不同.

M为生物膜,N为污泥絮体,W为接种污泥

2.5.2 微生物群落多样性 选择Sobs、Shannon、Simpson、Chao1和PD指数对反应体系内的微生物群落多样性进行评估.表1显示了运行53d的生物膜(M)、污泥絮体(N)和接种污泥(W)样本的细菌群落丰富度和多样性,由表1可知,样品的Coverage指数均>0.97,说明样本中的序列基本能被检测出,测序结果能反应出样本的真实性.Chao1在生态学中常用来估计物种总数,Shannon和Simpson多样性指数常用于反映群落alpha多样性,Shannon值越大,说明群落多样性越高,而Simpson指数值越大,说明群落多样性越低.由表1可知,生物膜的chao1指数高于接种污泥,污泥絮体和生物膜的Shannon指数高于接种污泥,Simpson指数呈现相反的结果,说明经过53d运行的反应体系中的微生物群落多样性得到了显著的提高,微生物群落结构发生显著变化,菌群复杂.

表1 系统启动前后微生物群落多样性

注:Coverage指数是指各样本文库的覆盖率,Sobs和Chao1指数反应群落丰富度,Shannon和Simpson指数反应群落多样性,PD指数是谱系多样性.

3 讨论

3.1 系统启动及运行期间的脱氮性能分析

反应器经过2个阶段的运行,成功启动SNEDPR.阶段Ⅰ,结果如图3所示,接种污泥中硝化菌的活性较好,且实验采用连续曝气的运行方式,有充足的溶解氧供应,进水氨氮大部分由硝化菌转化为硝态氮,表明经过长期好氧阶段的反应器内已经成功构建了全程硝化体系,且性能良好.由图2可知该阶段反应体系中COD去除率较高,但是出水中NO2--N、NO3--N含量损失较小,说明该阶段反应器中有机物主要是被好氧异养微生物消耗,而不是传统反硝化菌.

阶段Ⅱ,如图2和图3所示,经过第一次厌氧阶段之后,反应器中的氨氮浓度下降,但无NO2--N、NO3--N的累积,同时第一次厌氧阶段COD浓度大幅度降低,说明反应体系中存在传统反硝化菌进行反硝化.随着反应的进行,第一次厌氧阶段COD浓度的降低幅度呈现越来越大的趋势,由于在厌氧阶段,进水有机物可以用于传统的外源反硝化或者被吸收转化为内碳源储存聚合物,而第一次厌氧阶段反应器中的亚硝态氮和硝态氮含量较少,传统外源反硝化对有机物的消耗较少,因此第一次厌氧阶段COD的大幅度降低,说明大部分进水有机物转化为内碳源,反应体系中聚磷菌和聚糖菌在系统内逐渐富集,其内碳源储存特性逐渐增强.经过第一次好氧阶段,氨氮浓度继续下降,但无明显的NO2--N、NO3--N的累积,说明大部分NO2--N、NO3--N一旦产生就会通过反硝化作用被消耗,也就是说反应体系内存在同步硝化反硝化过程.同时第一次好氧阶段COD浓度与第一次厌氧阶段COD浓度差值较小,说明传统的外源反硝化在同步硝化反硝化过程中发挥作用较小,因为留给反硝化菌进行外源反硝化的碳源较少,唯一能够积极进行反硝化作用的是在厌氧阶段以内源有机底物的形式储存可溶性外源有机碳的微生物(PAOs和GAOs),聚磷菌和聚糖菌能够氧化体内积累的内碳源PHAs进行反硝化,为其糖原的合成和细胞生长提供能量.且SNEDR逐渐升高,说明系统的同步硝化内源反硝化逐渐占据优势.有研究表明[31],与外源有机物降解相比,内源有机底物降解慢的多,能够保持脱氮的持久性.经过3次循环后的出水氨氮、亚硝态氮和硝态氮的浓度较低,系统脱氮性能较好,说明采用间歇曝气的运行方式成功富集了聚磷菌和聚糖菌,实现了同步硝化内源反硝化.

3.2 系统启动及运行期间的除磷性能分析

阶段Ⅰ,如图4所示,接种污泥聚磷菌活性较好,连续的好氧阶段,聚磷菌进行好氧吸磷的过程,出水磷浓度较低,说明阶段Ⅰ强化生物除磷性能较好,实现了硝化体系与EBPR的结合.

阶段Ⅱ,如图4所示,出水磷浓度首先呈现出上升的趋势,有研究表明[32],低碳源时异养反硝化菌会优先利用污水中的有机碳源进行外源反硝化,即如图2和图3所示,第一次厌氧阶段COD浓度下降,出水NO2--N、NO3--N含量较少,说明反硝化菌进行反硝化反应,因此聚磷菌厌氧阶段释磷碳源不足,PAOs或DPAOs的内碳源储存量减少,好氧吸磷过程或反硝化除磷过程中内碳源不足,磷的去除率下降.随着反应的进行,第一次厌氧阶段系统表现出逐渐增大的磷释放趋势,在随后的第一次好氧阶段表现出磷吸收上升的趋势,磷的去除率不断上升,以及第一次厌氧阶段COD浓度大幅度下降,说明PAOs逐渐适应环境.经过3次循环后的系统出水磷浓度小于1mg/L,磷去除率可达到85.37%,说明系统的除磷性能良好.

3.3 系统启动及运行期间微生物种群分析

由图5(b)可知,经两阶段运行后,生物膜和污泥絮体中的变形菌门(Proteobacteria)占比最大,该菌门微生物具有多样的代谢机制、营养类型及形态特征,是参与污水中有机物降解和氮磷去除的最主要菌种,经常在污水系统中被检测到为优势菌门.拟杆菌门、绿弯菌门和浮霉菌门在系统微生物群落结构中占比较大,有明显的丰度变化,都与系统内污泥的形态、特性以及系统的污染物降解能力有极大的相关性.还有研究学者认为绿弯菌门(Chloroflexi)在硝化和反硝化过程中对COD分解和内碳源储存具有重要意义[14],保证了系统具有良好的脱氮除磷和有机物降解性能.

由图3可知,氨氮的去除率保持在95%以上,这是由于图5(c)观察到生物膜和絮体内存在等硝化菌属以及好氧硝化菌属,硝化菌属将氨氮氧化成NO2--N、NO3--N从而保证了反应体系在好氧条件下硝化性能的稳定.生物膜和污泥絮体内丰度显著增加的菌属以及菌属被称为反硝化聚糖菌,研究表明[33]反硝化聚糖菌可在厌氧/微氧交替的条件下发挥良好的NO2--N、NO3--N内源反硝化特性,实现氮的去除,保证了反应体系内高效的脱氮性能.生物膜和污泥絮体内存在着和等聚磷菌进行好氧吸磷,由于聚磷菌和聚糖菌在厌氧阶段会竞争碳源,导致聚磷菌数量减少.但生物膜和污泥絮体样品中出现的和等反硝化聚磷菌(DPAOs),其能够利用储存的内碳源以NO2--N或NO3--N作为电子受体超量吸磷,反应器采用搅拌/曝气多级运行方式也保证了反应体系内磷的高效去除,这也解释了图4中系统具有良好的除磷性能的现象.

结合表1可知,微生物群落多样性和结构发生显著变化,反应体系内菌群复杂,由图5(a)和图5(c)可知反应体系内存在以DGAOs为主的反硝化反应,且与闫建平[33]的研究中内源反硝化的微生物群落组成相似,以及存在好氧吸磷,硝化和反硝化(除磷)等过程证明MBBR反应器中实现SNEDPR的启动.由图5(c)可知生物膜和污泥絮体样品中的菌属均占其主导地位,且其在生物膜中的丰度较高,反硝化聚磷菌在生物膜中的丰度高于污泥絮体,这是由于生物膜存在氧浓度梯度,有利于DGAOs、DPAOs的生长.可以发现发生内源反硝化的微生物在生物膜中的丰度高于污泥絮体,认为内源反硝化主要发生在生物膜.

4 结论

4.1 在MBBR反应器中可实现SNEDPR的启动,运行53d的结果表明,出水NH4+-N、NO2--N、NO3--N和COD浓度分别为1.04,1.3949,3.88, 20.4mg/L,SNEDR达到86.35%,TN去除率达到85.61%,系统具有良好的脱氮性能.

4.2 长期的好氧阶段可促进硝化体系的建立,使硝化体系能够与EBPR实现成功结合;且间歇曝气的方式,有利于促进聚磷菌和聚糖菌的富集,强化SNED作用,实现内源反硝化,进而促进系统的脱氮性能.

4.3 生物膜中的缺氧层有利于DGAOs和DPAOs的发展,可使系统保持高效的同步硝化反硝化除磷过程,同时由于生物膜的厚度产生较好的厌氧/好氧交替微环境,保证了系统的高效脱氮除磷性能.

4.4 系统启动后菌群多样性提高,群落复杂程度增大;其中反硝化聚糖菌驱动的内源反硝化是系统的主要脱氮途径,聚磷菌和反硝化聚磷菌驱动的强化生物除磷是系统的主要除磷途径.

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Start-up and performance study on the simultaneous nitrification-endogenous denitrification phosphorus removal (SNEDPR) in the biological process of the moving bed biofilm reactor (MBBR).

JING Shuang-yi, SONG Zi-yang, LIU Chao, LI Wei-ping*, LI Qi, ZHANG Tie-jun

(School of Energy and Environment, Inner Mongolia University of Science and Technology, Baotou 014010, China)., 2022,42(7)：3121～3129

This study assessed the feasibility of simultaneous nitrification, endogenous denitrification and phosphorus removal (SNEDPR) for enhancing the nitrogen and phosphorus removal by the process of moving bed biofilm reactor (MBBR), an MBBR operated alternately by continuous aeration and stirring/aeration was adopted for simulating the treatment of domestic sewage with magnetic filler as the carrier.The performance of nitrogen and phosphorus removal during SNEDPR initiation was investigated, and the structural changes of functional microflorae were analyzed by fluorescence microscopy and high-throughput sequencing technology.The results showed that after two stages of operation, the removal rates of ammonia nitrogen and phosphorus reached 97.6% and 85.37% respectively,and the NO2--N, NO3--N and COD concentrations in the effluent were 1.3949, 3.88 and 20.4mg/L respectively.The simultaneous nitrification and endogenous denitrification rate (SNEDR) increased from 0.07% to 86.35%. The improvement in SNEDR at the aerobic stage decreased the NO--N concentration in the effluent, improved the denitrification performance of the system and promoted the storage capacity of carbon source at the anaerobic stage. The fluorescence microscopy and high-throughput sequencing results showed that after 53d of operation, the diversity of microbial community was improved significantly, and at the same time, the increase in abundance for GAOs, AOB and NOB (from 3.3%, 0.84% and 0.66% in the inoculated sludge to 27.08%/20.48%, 1.45%/1.76% and 1.05%/0.85% in the system respectively) and the presence of PAOs and DPAOs guaranteed the performance of nitrogen and phosphorus removal for the system, and realized the coupling of EBPR and SNED by the MBBR process.

simultaneous nitrification-endogenous denitrification (SNED)；moving bed biofilm reactor；enhanced biological phosphorous removal；phosphorous accumulating organisms (PAOs)；high-throughput sequencing

X703.1

A

1000-6923(2022)07-3121-09

敬双怡(1978-),男,四川遂宁人,副教授,硕士,主要从事污水处理方面研究.发表论文50余篇.

2022-12-16

内蒙古自治区科技成果转化项目(2019CG075);内蒙古自治区自然科学基金资助项目(2019MS02020);内蒙古科技大学创新基金资助项目(2014QDL052)

* 责任作者, 教授, sjlwp@163.com