低溫對CANON型序批式生物膜反應器脫氮的影響

王 振,朱振華,丁亞男,吳少賢,李蘇青,劉曉霞

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低溫對CANON型序批式生物膜反應器脫氮的影響

王 振1*,朱振華2,丁亞男1,吳少賢1,李蘇青1,劉曉霞3

(1.安徽農業大學資源與環境學院,農田生態保育與污染防控安徽省重點實驗室,安徽 合肥 230036；2.德州職業技術學院,山東 德州 253034；3.浙江省農業技術推廣中心,浙江 杭州 310020)

探究了4種低溫水平下基于亞硝化的全程自養脫氮(CANON)型序批式生物膜反應器(SBBR)的運行效果及其氮素轉化機制.結果表明,當CANON型SBBR在不同的低溫水平下穩定運行后,其脫氮微生物優勢菌群發生了不同程度的變化,隨之改變了系統的氮素轉化途徑及其脫氮性能.當溫度>15℃時,SBBR中AOB和anammox菌的豐度與活性未受到明顯抑制,CANON作用始終是系統脫氮的主要途徑,SBBR對TN的平均去除率亦較為理想;而當溫度<15℃時,anammox菌的豐度與活性在10,5℃下分別出現不同程度的降低,進而改變了SBBR的氮素轉化途徑,使其脫氮性能出現不同程度的惡化.在10℃時,NOB的增殖及其活性的提高使硝化/反硝化作用取代CANON作用成為SBBR脫氮的主要途徑,此時系統對TN的去除率驟降至(16.87±4.79)%;在5℃時,反硝化過程中第1步還原反應的停滯與反硝化菌對NO2--N利用率的提高使SBBR中氮素的去除依賴于CANON作用和短程硝化/反硝化作用的協同,系統對TN的去除率為(54.83±3.68)%.

序批式生物膜反應器(SBBR)；低溫；基于亞硝化的全程自養脫氮(CANON)；厭氧氨氧化；氮素轉化

基于亞硝化的全程自養脫氮(CANON)工藝是近年發展起來的一種新型脫氮工藝.該工藝依賴于好氧氨氧化菌(AOB)和厭氧氨氧化(anammox)菌的協同關系,可在單級反應體系中同時實現短程硝化與anammox反應[1].相比于傳統脫氮技術,CANON工藝可節省63%的耗氧量和將近100%的外加有機碳源[2],因而在污水生物脫氮過程中具有諸多優勢.近年來,越來越多的研究嘗試將該工藝用于城市生活污水的處理,以期為其中氮素的高效去除尋找新途徑[3-4].然而,由于該類污水的水溫相對較低且變化幅度較大(5~20℃)[5-6],CANON工藝需應對低溫帶來的挑戰.

研究表明,當CANON工藝穩定運行時,反應裝置的運行溫度宜維持在30~35℃,以確保系統內短程硝化和anammox反應之間的動態平衡[7].然而,由于CANON系統中微生物種類的多樣性及其相互間的復雜關系,當其在低溫下運行時,現有相關研究得出的結論卻并不統一.有研究指出,當溫度低于25℃時,CANON系統中的短程硝化過程易遭破壞,anammox菌的活性亦會受到不同程度的抑制,由此會影響系統的脫氮性能及其穩定性[8-9].也有研究發現,溫度的降低(30℃→12℃)雖會對anammox菌的活性產生抑制,甚至會引起亞硝酸鹽氧化菌(NOB)的增殖,但CANON系統仍能正常運行,其中的脫氮微生物優勢菌群并無顯著變化[10-12].

本文以CANON型序批式生物膜反應器(SBBR)為試驗裝置,通過改變其運行溫度,考察了不同低溫水平下系統脫氮性能及其微生物特性的變化,建立了各低溫水平下SBBR脫氮性能和微觀生物學特征之間的定量響應關系,并對不同低溫水平下系統中每種形態氮素的轉化途徑進行了解析,旨在揭示CANON工藝在不同低溫條件下的脫氮機制,進而完善該工藝的調控策略,為其高效穩定運行及工程化應用提供參考.

1 材料與方法

1.1 試驗裝置與運行方式

試驗裝置為有效容積均為6.0L的4套SBBR (圖1).各SBBR均每天運行4個周期,每個周期時長為360min,由進水期(15min)、間歇曝氣期(270min)、沉淀期(30min)、排水期(15min)和閑置期(30min)5個階段組成.各SBBR在每個周期內的進水和排水體積均為4.0L.在間歇曝氣期間,SBBR采用15min曝氣/15min攪拌的方式循環運行,充氧泵通過裝置底部的曝氣頭向系統中曝氣,曝氣速率設置為0.50L/min.

前期研究中,筆者將各系統溫度設為35℃,以生活污水為系統進水、短程硝化污泥和厭氧氨氧化污泥為種泥,采用上述運行方式強化了各SBBR中的CANON作用,使其對TN和NH4+-N的去除率均穩定在91.02%和94.16%左右.本研究將上述SBBR劃分為4組(標記為S-A、S-B、S-C和S-D),根據城市生活污水的溫度變化范圍設置4種低溫水平(20,15,10和5℃)運行.在經歷了70d的適應期后,其脫氮性能相繼趨于穩定,隨后4組SBBR進入為期181d的試驗階段.

圖1 SBBR試驗裝置

1.2 進水水質

試驗用水為安徽農業大學園區內生活污水.原水經厭氧預處理后,取上清液作為各組SBBR進水.其中COD、NH4+-N、NO2--N、NO3--N、TN和TP濃度分別為(109.40±37.72),(41.45±1.80),(0.80±0.27), (0.72±0.18),(42.97±2.85),(8.64±2.39)mg/L,進水pH值為(7.74±0.58).

1.3 分析方法

1.3.1 水樣采集及分析方法 每天采集各SBBR進出水水樣進行分析,水樣中COD、TN、NH4+-N、NO3--N和NO2--N的測定方法均參照《水和廢水監測分析方法》(第四版)[13].

1.3.2 生物膜樣品采集 各SBBR運行穩定后,定期(1次/15d)采集各系統中的生物膜樣品以用于后續相關分析.

1.3.3 亞硝酸化活性、硝酸化活性、短程反硝化活性、反硝化活性與厭氧氨氧化比活性(SAA)的測定 各SBBR中生物膜樣品的亞硝酸化活性、硝酸化活性、短程反硝化活性、反硝化活性和SAA分別利用序批式試驗進行測定[14-15].其中,短程反硝化指NO2--N被還原為N2的生物化學過程[16].測定時,各項指標的試驗周期為360min,試驗溫度同被測生物膜樣品所在SBBR的運行溫度.

1.3.4 功能基因定量分析 使用DNA試劑盒(D5625-01Omega USA)對各生物膜樣品中的DNA進行提取純化.提取后的DNA產物經紫外分光光度計測定核酸濃度和純度,置于冰箱中-20℃保存.對DNA樣品中的細菌16S rRNA以及生物脫氮過程中的關鍵功能基因(即、、、、、、和)進行熒光定量PCR測定.熒光定量PCR分析使用的儀器為Applied Biosystems StepOneTM,試驗采用SYBR Green I 熒光染料法進行測試,擴增體系如下:10μL SYBR Green I PCR master mix (Applied Biosystems, USA)、8μL DEPC處理水(Applied Biosystems)、正反向引物各0.5μL、DNA模板1μL,共20μL.每種功能基因的引物種類及反應條件均參照文獻[17]進行.

1.4 數據處理

采用SPSS 21.0對數據進行統計分析;采用單因素(one-way ANOVA)進行方差分析;利用逐步線性回歸模型解析氮素轉化速率與相關脫氮功能基因的定量響應關系;利用Origin 8.5作圖.污染物的去除率以及不同形態氮素的轉化速率均參照文獻[18]中的方法進行計算.相關數據為平均值±標準差.

2 結果與分析

2.1 運行性能

如表1所示,4種低溫水平下各系統出水中COD的平均濃度均<25.00mg/L,即試驗范圍內溫度的變化并未影響SBBR對有機物的去除效果.鑒于進水經厭氧預處理后,其有機物含量偏低,試驗期間各SBBR對COD的平均去除率維持在79.18%左右.4種低溫水平亦未對各SBBR的除磷性能產生影響.然而,各系統對進水中TP的去除效果卻均欠佳,平均去除率僅約為19.27%.主要歸因于系統中厭氧/好氧(缺氧)交替環境的缺失以及進水中有機碳源的匱乏[19].

不同的低溫水平可對SBBR的脫氮性能產生不同程度的影響(表1).S-A穩定運行后對TN和NH4+-N的去除率較前期研究并無顯著變化,仍分別可達(90.55±2.36)%和(93.68±3.24)%,此時系統對TN的去除率已超過CANON體系中TN去除率的理論最大值(max≈89%)[1],出水中TN、NH4+-N、NO3--N和NO2--N的濃度分別為(4.06±0.23), (2.62±0.57), (0.78±0.36)和(0.66±0.11)mg/L.與S-A相比,S-B出水中NH4+-N和NO3--N的濃度分別增至(2.67±0.72), (3.88±0.34)mg/L,但其對TN和NH4+-N的去除率仍分別達(83.29±1.50)%,(93.56± 5.83)%.上述結果表明,當系統溫度315℃時,SBBR的脫氮性能未發生顯著改變,且由S-A和S-B中各形態氮素的變化特征推斷[1]:CANON作用依然是2組系統中主要的脫氮途徑.然而,當系統溫度<15℃后,CANON型SBBR的脫氮性能出現顯著惡化.相較于S-A和S-B,S-C對TN和NH4+-N的去除率分別驟降至(16.87±4.79)%, (47.98±7.31)%,出水中NH4+-N、NO3--N和NO2--N的含量分別高達(21.56±1.81),(8.77±1.07),(5.39±0.54)mg/L.S-D對TN和NH4+-N的去除率亦遠低于S-A和S-B,分別為(54.83±3.68)%,(65.72±9.01)%.然而,由于S-D出水中NH4+-N和NO2--N的積累較S-C有所緩解,致使其脫氮性能較S-C有所提高.

表1 不同低溫水平下CANON型SBBR的運行性能

注:“-”為未計算.

2.2 脫氮功能微生物的豐度及活性

圖2表明,S-A和S-B中的細菌16S rRNA基因拷貝數并無顯著變化,分別為1.32×109,1.30× 109copies/g;而S-C和S-D中的細菌16S rRNA基因拷貝數卻分別降至6.06×108,4.40×107copies/g,即<15℃的低溫會降低SBBR中的微生物量.

和分別是參與CANON系統中NH4+-N和NO2--N轉化的關鍵基因[17],結合圖2、3可知,S-A中的和基因拷貝數分別高達3.45×105,2.59× 105copies/g,其亞硝酸化活性和SAA分別可達(7.77±1.86)mg(O2)/(gVSS·h)和(5.26± 1.26)mg(N)/ (gVSS·h).S-B中的和基因拷貝數較S-A中均無顯著變化,分別為3.17×105, 2.37×102copies/g,該系統的亞硝酸化活性和SAA較S-A卻略有下降,分別為(7.18±2.95)mg(O2)/ (gVSS·h)和(4.93±2.01)mg(N)/(gVSS·h).相較于S-A和S-B, S-C中的和基因拷貝數均出現了不同程度下降.其中,基因拷貝數降至3.00× 105copies/g,基因拷貝數則驟降至6.84× 103copies/g.與之相對應,此條件下S-C的亞硝酸化活性與SAA較上述2組SBBR分別降至(4.05±1.84) mg(O2)/(gVSS·h)和(0.17±0.02)mg(N)/(gVSS·h).對于S-D,其中的基因拷貝數較S-C并無顯著變化,仍保持在2.64×105copies/g,但其基因拷貝數卻較S-C又有所上升,穩定在1.51×105copies/g(仍低于S-A和S-B).此時,S-D的亞硝酸化活性和SAA分別為(4.53±1.73)mg(O2)/(gVSS·h)和(1.37±0.34)mg(N)/ (gVSS·h).是參與NO2--N氧化過程的關鍵基因[20].在CANON系統中,NOB的數量通常保持在較低水平,否則不利于CANON反應的進行與穩定[21].對于S-A,其中的基因拷貝數僅為7.57× 102copies/g,遠低于和的基因拷貝數,系統的硝酸化活性亦僅為(0.44±0.16)mg(O2)/(gVSS·h);與S-A相比,S-B中的基因拷貝數增至1.78× 103copies/g,但遠低于同系統中和的基因拷貝數,且S-B的硝酸化活性仍維持在(0.47± 0.25)mg(O2)/(gVSS·h);S-C中的基因拷貝數則驟增至1.31×104copies/g,其硝酸化活性亦隨之提高至(2.94±0.76)mg(O2)/(gVSS·h),顯著高于S-A和S-B.值得注意的是,當S-D在5℃下穩定運行時,其中的基因拷貝數與S-A相當,為5.36×102copies/g,其硝酸化活性亦處于極低水平,為(0.20±0.10)mg (O2)/(gVSS·h).

反硝化過程是反硝化菌將NO3--N最終還原為N2的生物化學過程,可表述為[22]: NO3--N→NO2-- N→NO→N2O→N2.、、、、和分別是參與上述4步還原過程的關鍵基因[23].其中,和均可編碼NO3--N還原酶的催化中心,是參與反硝化過程第一步還原反應(NO3--N→NO2--N)的2種關鍵基因;而亞硝酸鹽還原酶催化NO2--N還原為NO的過程則通常是反硝化過程的限速步驟,也是區別于其他硝酸鹽代謝的標志性反應.亞硝酸鹽還原酶包括細胞色素型(由基因編碼)和Cu型(由基因編碼),對和基因的定量研究能夠準確反映出系統中反硝化菌群的豐度.另外,和基因分別編碼NO還原酶和N2O還原酶的催化中心,分別是參與反硝化過程第3、4步還原反應的關鍵基因.由圖2和圖3可知,S-A中的、、、、和基因拷貝數分別為2.09×104,3.91×103, 1.18×104,2.38×103,1.33×104,2.28×103copies/g,其短程反硝化活性與反硝化活性分別為(0.28±0.03)mg (NO2--N)/(gVSS·h)和(0.32±0.03) mg(NO3--N)/ (gVSS·h).與其他相關研究相比[24-26],S-A的反硝化性能較差.與S-A相比,上述6種功能基因在S-B中的豐度并無顯著變化,S-B的反硝化性能亦無明顯改善.隨著溫度的進一步降低,上述6種功能基因在S-C中豐度較S-A和S-B顯著升高,分別增至1.14× 105,8.74×103,2.41×105,1.03×104,6.02×104,8.48×103copies/g,其短程反硝化活性與反硝化活性相應增至(3.05±0.80)mg(NO2--N)/(gVSS·h)和(1.89±0.36)mg (NO3--N)/(gVSS·h),亦顯著高于S-A和S-B.然而, S-C的反硝化性能仍處于較低水平,究其原因,應歸因于進水中較低含量的有機碳源.在5℃的低溫水平下,6種功能基因在S-D中的豐度分別為7.48×104, 5.38×103,1.05×105,5.86×103,5.50×104,5.07×103copies/g,其短程反硝化活性為(1.41±0.36)mg(NO2--N)/ (gVSS·h),較S-C出現下降,但仍高于S-A和S-B,而反硝化活性則驟降至(0.02±0.006)mg(NO3--N)/ (gVSS·h),遠低于其他3組SBBR.

2.3 氮素轉化途徑解析

基于前述試驗結果,利用逐步線性回歸模型計算了穩定運行階段每組SBBR中不同形態氮素(即NH4+-N、NO3--N和NO2--N)轉化速率與相關脫氮功能基因(或相關脫氮功能基因組合)的定量響應關系(表2),以期解析不同低溫水平下SBBR中各形態氮素的轉化途徑.由表2可知,4組回歸模型的2值均大于0.913.

表2表明,S-A中NH4+-N去除速率[(NH4+-N)]主要受2個變量的影響,即/(+)和/,且上述2變量均與(NH4+-N)呈正相關關系.如前所述, CANON作用依賴于AOB和anammox菌的相互協同作用,而和分別是參與CANON型SBBR中NH4+-N轉化的關鍵基因./(+)表明,CANON作用是S-A中NH4+-N去除的主要途徑,且anammox菌豐度與活性的保持有助于提高CANON作用在該系統中的穩定性,進而可確保S-A對NH4+-N的高效去除.與是參與硝化過程的2種關鍵功能基因,其分別參與NH4+-N和NO2--N的氧化過程[6]./表明,S-A中NO2--N積累率的增加有利于其(NH4+-N)的提高.研究認為[27],短程硝化作用的實現與穩定是CANON工藝高效運行的必要條件,該試驗結果與上述研究所得結論一致.S-A中NO3--N累積速率(NO3--N)亦主要受2個變量的影響,即/(+)、和.其中,/(+)與(NO3--N)呈正相關關系,該變量表明CANON作用可引起系統中NO3--N的累積.究其原因,源于CANON作用在進行過程中會產生11%左右的NO3--N[1].另一方面,與(NO3--N)卻呈負相關關系.研究表明,在厭氧氨氧化工藝中,當進水C/N較低時,系統中的anammox菌可通過氧化有機物進行硝酸鹽異化還原成銨(DNRA)過程[28],此過程可將anammox反應生成的NO3--N轉化為可生物再利用的銨鹽,進而能進一步提高anammox系統的NH4+-N去除性能.由可推斷,S-A中應存在由anammox菌主導的DNRA作用,該作用可緩解系統中NO3--N的累積./和/(+)是影響S-A中NO2--N累積速率(NO2--N)的2個變量.其中,前者與(NO2--N)呈正相關關系,而后者與(NO2--N)呈負相關關系./表明短程硝化作用有助于系統中NO2--N的累積,而/ (+)則表明,S-A中的NO2--N可通過CANON作用去除.基于該組回歸模型可知,CANON作用是S-A中TN去除的主要途徑.另外,當進水中有機物濃度較低且C/N亦較低時,系統中anammox菌的代謝途徑呈現多樣化,其主導的DNRA作用可進一步提高S-A的TN去除率.

S-B中(NH4+-N)和(NO2--N)仍分別受/ (+)和/、/和/ (+)此2組變量的影響,而系統中的(NO3-- N)僅受/(+)的影響.由此推斷,CANON作用依然是S-B中TN去除的主要途徑,但系統中由anammox菌主導的DNRA作用此時卻受到抑制,導致S-B出水中的NO3--N出現了一定程度的累積.

相較于S-A和S-B,S-C中的脫氮微生物優勢菌群發生顯著改變.此時其(NH4+-N)主要受/(+)和/的影響,且2變量均與(NH4+-N)呈正相關關系./(+)表明S-C中NH4+-N去除的主要途徑已由CANON作用轉變為硝化/反硝化作用,且短程硝化的發生與NO2--N的還原(即反硝化過程中的第2步還原反應)被視為是該作用的兩個限速步驟.而/表明NOB的過量增殖不利于S-C中NH4+-N的去除,究其原因,主要歸因于S-C中的DO濃度有限,過量的NOB會與AOB競爭O2,進而會對NH4+-N的氧化產生不利影響./(+)和bacterial 16S rRNA是影響S-C中(NO3--N)的2個變量.前者可反映S-C中NO3--N的積累程度,而后者則表明NOB的增殖可導致系統中的NO2--N進一步氧化為NO3--N.因而上述2變量均與(NO3--N)呈正相關關系.S-C中的(NO2--N)主要受(+)/ (+)和/的影響,且其均與(NO2--N)呈正相關關系.(+)和(+)分別是參與反硝化過程第1步和第2步還原反應的關鍵功能基因,(+)/(+)可體現反硝化過程中NO2--N的積累程度;而/反映的則是硝化過程中NO2--N的積累程度.由上述2變量可知,限氧環境與進水中有機碳源的匱乏應是導致S-C中NO2--N積累的主要原因.上述結果表明,10℃的低溫導致了CANON型SBBR中脫氮微生物優勢菌群的演替,使得硝化/反硝化作用取代CANON作用成為了S-C中TN去除的主要途徑.

表2 SBBR中氮素轉化速率與脫氮功能基因的定量響應關系

注:(NH4+-N)表示SBBR中NH4+-N的去除速率[mg/(L·h)];(NO3--N)和(NO2--N)則表示SBBR中NO3--N和NO2--N的累積速率[mg/(L·h)].

/(+)、/(+)和細菌16S rRNA是影響S-D中(NH4+-N)的3個變量,且其均與系統中的(NH4+-N)呈正相關關系.其中,/(+)表明CANON作用復又成為SBBR在5℃低溫水平下的一種NH4+-N去除途徑;考慮到系統中(+)豐度的降低及其NO3--N還原能力(即反硝化過程中的第1步還原反應)的下降,/(+)表明短程硝化/反硝化作用為S-D中NH4+-N去除的另一種途徑.此外,(細菌16S rRNA)表明,S-D對NH4+-N的去除效果在一定程度上依賴于系統中微生物量的高低,即在5℃的低溫水平下,CANON型SBBR中微生物量的減少已影響到其脫氮性能的提高.S-D中(NO3--N)主要受/ (+)的影響.該變量與(NO3--N)呈正相關關系,表明CANON作用可引起系統中NO3--N的積累.另外,S-D中(NO2--N)主要受/(+)和(+)/細菌16S rRNA的影響.上述2組變量均與(NO2--N)呈負相關關系,表明CANON作用和短程反硝化作用均參與了S-D中NO2--N的去除.基于該組回歸模型可知,S-D中TN的去除依賴于CANON作用和短程硝化/反硝化作用的協同.

3 討論

CANON系統除了包含協同完成脫氮功能的AOB和anammox菌之外,還存在競爭O2和NO2--N的NOB、反硝化菌以及普通異養菌[29].一旦環境條件、進水水質或運行工況等中的某一因素改變, CANON系統中的脫氮微生物優勢菌群便極有可能發生變化.本研究中,20℃的低溫并未對S-A中AOB和anammox菌的豐度與活性產生明顯抑制, CANON作用始終是系統脫氮的主要途徑,且其對TN和NH4+-N的去除效果較為理想.另外,anammox菌的代謝途徑此時呈現多樣化,其主導的DNRA作用進一步提高了系統的脫氮性能;在15℃時,S-B的亞硝酸化活性和SAA較S-A略有下降,且系統中anammox菌主導的DNRA作用亦受到抑制,從而導致S-B出水中的TN濃度較S-A為高,且其中的NO3--N出現了一定程度的積累,但CANON作用此時依然是系統中TN去除的主要途徑,S-B對TN和NH4+-N較高的去除率便得益于該作用在系統中的保持.有研究指出[12]:當CANON裝置在16~23℃下穩定運行時,系統中AOB和anammox菌的豐度較30℃時雖有所下降,但兩者仍是系統中主要的脫氮功能微生物,系統對TN的去除率與去除負荷分別可達66.90%與1.02kg/(m3·d).當CANON型SBBR在10,5℃2種低溫水平下穩定運行后,其中的脫氮微生物優勢菌群發生顯著改變,系統的脫氮性能亦出現了不同程度的惡化.Anammox作用在溫度<15℃時通常會受到較大幅度的抑制,而NOB在-2~15℃的條件下卻仍可生長繁殖且具有一定的生物活性[5,30-31].在10℃時,S-C中anammox菌的豐度與活性較20℃時大幅下降,其對NO2--N的親和力隨之降低,而系統中的NOB此時卻由于獲得競爭優勢而增殖,硝化/反硝化作用取代CANON作用成為S-C中TN去除的主要途徑.然而,由于系統中較嚴格的限氧環境及進水中有機碳源的匱乏,S-C中的硝化過程和反硝化過程進行得均不徹底,其出水中的NH4+-N和NO--N分別出現不同程度的累積,導致系統脫氮性能驟降.而在5℃時,S-D中AOB和anammox菌的豐度與活性仍均被抑制,致使NH4+-N在出水中出現積累,但由于anammox菌在此溫度條件下保持著對NOB的競爭優勢,CANON作用仍為S-D中TN去除的主要途徑.Kumar等[32]發現, anammox菌的活性在低于10℃時會被完全抑制,且此條件下anammox作用對系統脫氮的貢獻可忽略不計.然而,亦有研究[33-35]指出,anammox菌經馴化后依然能夠在低溫(<10℃)下保持一定的活性,并可實現系統中部分氮素的脫除.另一方面,S-D中反硝化菌對NO2--N的親和力有所提高,此類菌群對NO2--N競爭優勢的加強使得短程硝化/反硝化作用成為S-D中TN去除的另一途徑.值得注意的是,此時系統中反硝化過程的第1步還原反應(即NO3--N還原為NO2--N)卻基本停滯.此現象應歸咎于以下原因[36-38]:低溫條件下硝酸鹽還原酶活性的降低使得S-D中的反硝化菌對底物(即有機碳源)的親和力下降,從而阻礙了其對該類電子供體的利用.同時,進水中有機碳源的匱乏亦加劇了系統中NO3--N的積累.鑒于此,S-D的脫氮性能雖較S-C有所提升,但仍不理想.綜上所述,由于不同的低溫水平會不同程度影響SBBR中AOB、anammox菌、NOB和反硝化菌群的世代時間及其各自的關鍵酶活性,上述4種功能微生物在各系統中對底物(如O2、NO--N和有機碳源等)的相對競爭優勢便存在較大差異,進而導致各組SBBR中的脫氮微生物優勢菌群在不同的低溫水平下發生了不同程度的改變,其氮素轉化途徑及脫氮性能隨之各不相同.

4 結論

4.1 當溫度315℃時,CANON型SBBR中AOB和anammox菌的豐度與活性未受到明顯抑制,CANON作用始終是系統脫氮的主要途徑,系統在20,15℃下穩定運行時其對TN的去除率分別為(90.55±2.36)%和(83.29±1.50)%.

4.2 當溫度<15℃時,SBBR中的脫氮微生物優勢菌群會因anammox菌的豐度與活性受到顯著抑制而明顯改變,隨之會影響系統的氮素轉化途徑及其脫氮性能.在10℃時,NOB的增殖及其活性的提高使硝化/反硝化作用取代CANON作用成為SBBR脫氮的主要途徑,此時系統對TN的去除率驟降至(16.87± 4.79)%;而在5℃時,反硝化過程中第1步還原反應的停滯與反硝化菌對NO2--N利用率的提高使SBBR中TN的去除依賴于CANON作用和短程硝化/反硝化作用的協同,系統對TN的去除率為(54.83± 3.68)%.

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Effect of low temperature on nitrogen removal in a sequencing batch biofilm reactor with CANON process.

WANG Zhen1*, ZHU Zhen-hua2, DING Ya-nan1, WU Shao-xian1, LI Su-qing1, LIU Xiao-xia3

(1.Anhui Province Key Laboratory of Farmland Ecological Conservation and Pollution Prevention, School of Resources and Environment, Anhui Agricultural University, Hefei 230036, China；2.Dezhou Vocational and Technical College, Dezhou 253034, China；3.Zhejiang Agricultural Technology Extension Center, Hangzhou 310020, China)., 2019,39(4)：1533~1541

The treatment performance and underlying molecular mechanisms of nitrogen transformation in a sequencing batch biofilm reactor (SBBR) with the complete autotrophic nitrogen removal over nitrite (CANON) process were investigated at four different low temperatures in this study. After each system achieved the stable stutus in the low temperature environment, different low temperatures resulted in different degrees of variations in the nitrogen removal performance and transformation pathways of the SBBRs, which was mainly because the original dominant bacterial communities for nitrogen removal in the system changed with the temperature during the operation. When the temperature was above 15°C, the abundances and activities of aerobic ammonia oxidizing bacteria (AOB) and anammox bacteria in the SBBR had not been significantly inhibited, the CANON process was the dominant methanism in the nitrogen removal, and the ideal average removal rates of total nitrogen were also achieved. When the temperature was below 15°C, the abundance and activitity of anammox bacteria experienced different degrees of reduction at 10 and 5°C, which led to the change of main pathway for nitrogen transformation in SBBRs, thus the various degrees of deterioration in the nitrogen removal performance. At 10°C, the proliferation and increased activities of nitrite oxidizing bacteria (NOB) made the nitrification/denitrification process replaced CANON to become the primary route of TN removal in the SBBR with the TN removal efficiency of the system declined to (16.87±4.79)%. At 5°C, the stagnation of reduction process in the 1ststage of denitrification and the increased capacity of denitrifiers to compete for NO2--N caused the removal of nitrogen in SBBR to rely on both the CANON process and the nitrification/denitrification process. The nitrogen removal rate at this status was (54.83±3.68)% in the system.

sequencing batch biofilm reactor (SBBR)；low temperature；completely autotrophic nitrogen removal over nitrite (CANON)；anammox；nitrogen transformation

X703.1

A

1000-6923(2019)04-1533-09

2018-09-10

國家自然科學基金資助項目(51508002);安徽省重點研究與開發計劃項目(201834040011);農田生態保育與污染防控安徽省重點實驗室開放基金項目(FECPP201704);安徽省高校優秀青年人才支持計劃項目(gxyqZD2017016)

*責任作者, 副教授, zwang@ahau.edu.cn

王 振(1985-),男,山東德州人,副教授,博士,主要從事污水生物資源化處理與回用技術研究.發表論文30余篇.