磁環境下AAO工藝中的微生物群落演替規律

王 越,王嘉斌,*,趙培海,宋 健

(1.濟南大學土木建筑學院,山東濟南 250002;2.利津縣勝瑞城市建設集團有限公司,山東東營 257400;3.山東省環境保護科學研究設計院有限公司,山東濟南 250109)

AAO工藝被廣泛地應用于世界各地的污水處理廠以處理各種類型的水污染物,是應用最為成熟的城市污水生物處理工藝之一[1]。近些年,人們逐漸發現常規AAO工藝活性污泥的菌群結構中,進一步提升反硝化菌、硝化菌相對豐度的難度較大,其脫氮除磷效能提升遇到了瓶頸,難以滿足愈加嚴苛的氮、磷等無機污染物排放標準。

為進一步提升其處理效能,AAO工藝結構被多次改良與優化。Zhang等[2]通過AAO反應器與曝氣生物濾池結合的方式,強化了AAO反應器的反硝化過程,提升了AAO工藝對總氮的去除率。Huang等[3]通過電場與AAO工藝結合的方式,改善活性污泥中微生物的群落結構,促進了多種類型脫氮細菌的生長。吳延虎等[4]發現懸浮填料可以強化活性污泥中的優勢菌群,使其具有更強的脫氮效率。Li[5]等構建以移動床生物膜反應器(MBBR)為生物載體的AAO反應器,優化了碳源消耗和微生物群落結構。Wang等[6]利用生物膜強化的AAO反應器,使AAO具有更高的反硝化能力和更合理的菌群結構。Fan等[7]通過分段配水的方式,優化了AAO的群落結構。

近些年的研究發現,磁場作為一種穩定且高效的輔助方法,在生物脫氮方面有著巨大的潛力[8]。Wang等[9]發現靜磁場改變了膜生物反應器(MBR)內微生物種群的群落結構和相對豐度占比,使MBR具有更高的污染物去除率。Hu等[10]通過對序批式反應器(SBR)的生物磁效應研究,證明了磁場可通過提高微生物的胞外聚合物和聚羥基丁酸酯合成的方式,強化微生物電子遷移能力,提升反應器對總氮的去除率。Chen等[11]通過投加磁粉的方式,提升了MBBR硝化菌群與反硝化菌群的生物量,提升了整體的同步硝化反硝化效能,促進總氮去除。Zaidi等[12]發現磁場可以提升相關菌群的生物活性,增加污染物的去除性能和降解能力。Chen等[13]和Ceng等[14]研究發現磁場可以提升污泥指數(SVI)、污泥濃度(MLSS/MLVSS)等,加速好氧顆粒污泥(AGS)的形成,并在一定程度上改變系統中微生物的多樣性與均勻性,與無外磁場相比,磁環境下的微生物具有更高的信號轉導、細胞活力相關的功能基因表達量。AAO工藝作為厭氧、缺氧及好氧環境交替并存,好氧菌、厭氧菌、兼性厭氧菌混生的復雜生物體系,磁場對于各微生物種群的差異性影響及其對AAO處理效能的作用規律研究尚不夠深入。

本文擬在磁場環境下啟動AAO反應器,對比研究磁環境下AAO反應器啟動與污染物去除特性,解析其微生物群落結構與功能基因的變化規律,并探究其分子生物學機理,為AAO工藝群落結構優化提供新的理論參考。

1 材料與方法

反應器由有機玻璃制成(圖1),為長方體,有效容積為40 L,厭氧區、缺氧區和好氧區的體積比為1∶1∶2,配備永磁體、計量泵、循環提升泵和曝氣裝置。

圖1 反應器工藝流程

組建反應器R1、R2,其中R1作為對照組不投加磁場,R2通過角鋼架在反應器兩側固定永磁體,其對反應器施加的平均磁場強度為5 mT。反應器接種濟南市某大型污水廠的回流污泥區污泥,MLSS為3 500 mg/L;運行溫度為21～24 ℃,污泥停留時間(SRT)為15 d,水力停留時間(HRT)為16 h,曝氣池溶解氧(DO)質量濃度為2 mg/L,污泥回流比為50%,混合液回流比為200%。試驗進水采用人工模擬生活廢水,使用無水乙酸鈉、氯化銨配制進水CODCr、氨氮;碳酸氫鈉、磷酸二氫鉀、無水硫酸鎂、無水氯化鈣為活性污泥提供常量元素,投加適量花園土壤浸出液提供微量元素,并通過碳酸氫鈉補充曝氣時消耗的堿度,使出水pH值維持在7～8。

2 結果與分析

2.1 反應器啟動特性分析

兩組反應器接種啟動后,每天取樣一次測定進水、出水的CODCr、氨氮、總氮,結果如圖2～圖4所示。磁場的存在使接種污泥更快適應了新運行環境,縮短了AAO反應器的啟動過程,磁場反應器R2有更高的脫氮效率和更短的啟動時間。R1的CODCr去除率在第18 d之后穩定在90%(圖2),R2在14 d時開始穩定在90%以上。反應器運行至11 d時,R2氨氮去除率達到95%以上,而R1反應器一直緩慢提升,直到運行16 d時氨氮去除率提升至90%(圖3),之后兩反應器氨氮去除率均維持在95%以上。R2的平均總氮去除率比R1高6%,達到89%,且穩定出水時間要比R1早5 d(圖4)。

圖2 不同反應器啟動過程CODCr濃度變化及去除率

圖3 不同反應器啟動過程氨氮濃度變化及去除率

圖4 不同反應器啟動過程總氮濃度變化及去除率

在CODCr去除率相差不大的情況下,R2具有更高的總氮去除率,推測是因為磁場環境的存在,影響到了碳源的消耗途徑,有更多的碳源供給反硝化過程,從而降低了反應器出水的總氮濃度。

2.2 群落結構分析

使用因美納公司的Illumina NovaSeq測序平臺對R1、R2反應器30 d時的沉淀池污泥樣本與接種污泥留樣進行雙末端測序,引物序列為CCTAYG-GGRBGCASCAG(341F)、GGACTACNNGGGTATCT-AAT(806R)。后經過拼接過濾,操作分類單元(OTUs)聚類,進行物種注釋及豐度分析并創建小區域基因文庫,最后使用PICRUSt分析方法推斷不同菌群的基因功能。

使用Qiime(Version 1.9.1)計算原生接種污泥(R)和R1、R2生物樣本的Chao 1、Ace、Shannon、Simpson和Good′s coverage 5項α多樣性指標,對每個樣本的覆蓋度的多樣性估計如表1所示。在本研究中,所有樣品的Good′s coverage覆蓋率均為0.993,確保了其檢查測效果的真實性。

表1 3組樣品中微生物的α多樣性指標

如表1所示,R2中的微生物豐富度(由Chao 1和Ace估計)和多樣性(由Shannon和Simpson估計)較R1有較大幅度升高。說明磁場的存在有利于提升物種多樣性,使脫氮細菌分布更加豐富[10,15]。

基于樣品OUTs進行生物群落結構主成分分析(PCA),結果如圖5所示。相對于R,兩組反應器啟動成功后的微生物群落結構均發生較大變化。隨著兩組反應器的運行,表現出了物種的優勝劣汰現象,優勢菌群出現更替并不斷壯大,部分種群消亡,群落物種多樣性降低。對比R1、R2的樣品生物多樣性可以發現,磁場的存在有助于提升反應器內生物多樣性,提高群落結構的穩定性。這有可能是磁場的介入可以控制優勢菌群的持續壯大,平衡了種群間的底物競爭,為部分非優勢菌群提供了生存空間。

圖5 3組樣品中群落結構PCA分析

為進一步探究活性污泥的潛在途徑和功能,深入解析磁環境下AAO系統的工作機理,通過高通量測序的物種注釋與豐度分析,在門水平和屬水平上對樣本的物種組成和群落結構相對豐度變化規律進行了解析,如圖6～圖7所示。

圖7 屬水平微生物群落相對豐度

從門水平(圖6)看,變形菌門(Proteobacteria)、擬桿菌門(Bacteroidota)、厚壁菌門(Firmicutes)是AAO系統中活性污泥的主要構成,這3種細菌門類在污水處理工藝中COD降解和氮去除中發揮關鍵作用[16]。變形菌門是污水處理反應器、沉淀物、活性污泥中最豐富的門之一,分別占樣品的33%、75%、37%。

圖7列舉了屬水平上相對豐度前30的細菌種類,其中前10相對豐度的菌群幾乎均與脫氮反應相關。在添加磁場后,變形菌門中的固氮螺旋菌屬(Azospira)的相對豐度從1%上升至7%,明顯高于R1和R反應器。文獻[17]表明固氮螺旋菌屬作為一種重要的反硝化菌屬,其可在缺氧和微嗜氧下進行脫氮反應?？梢栽趨捬鯒l件下以硝態氮為電子受體進行厭氧呼吸的嗜氫菌屬(Hydrogenophaga)與可以進行反硝化的OLB8屬[18-19]相對豐度均提升至4%左右;聚糖假絲酵母菌屬(Candidatuscompetibacter)(相對豐度占比為4%)和陶厄氏菌屬(Thauera)(相對豐度占比為1%)在污水處理系統中是主要的短程反硝化菌屬[20]。上述具有反硝化能力的菌屬的相對豐度占比總和從R1的小于5%上升至R2的20%,表明磁場環境的存在有助于反硝化菌群的繁衍。磁場對反硝化菌屬的正向作用大幅提升了系統的反硝化能力,這也較好解釋了R2總氮去除率上升的原因。R2中變形菌門的絲硫菌屬(Thiothrix)的相對豐度由61%下降至3%,絲硫菌屬常在膨脹污泥中被大量檢出,在生物量相同的情況下絲狀菌提高了污泥的表觀黏度,導致污泥膨脹。磁環境下絲硫菌屬生存受到抑制,說明磁場對絲硫菌屬的增殖與活性有重大影響,通過這種方式,磁場環境能改善部分由絲硫菌屬引起的污泥膨脹。在前10相對豐度屬種群中,擬桿菌門中的OLB12在磁環境中相對豐度有所上升,而變形菌門的Ellin6067相對豐度則出現下降,這兩種具有硝化能力的菌屬在總相對豐度上保持均衡,所以R1與R2反應器表現出了相差無幾的氨氮去除率。

2.3 功能基因分析

為進一步解析磁場對AAO工藝的影響機理,使用PICRUSt判斷磁環境下AAO系統中的細菌潛在功能,分析結果如圖8～圖9所示。新陳代謝(49.43%～49.74%)是菌群最重要的功能基因,其次是遺傳信息處理,占16.76%～17.17%,環境信息處理基因和細胞過程基因也占有較大地位,剩余基因類別的相對豐度低于5%(圖8)。5 mT磁場環境下的AAO中微生物功能基因與接種污泥和對照AAO存在顯著差異(圖9)。

圖8 一級功能基因雷達圖

圖9 3組樣品微生物一級功能基因PCA

由圖10可知,膜運輸是R與R1中相對豐度最高的基因類別,膜運輸作為一級功能基因中環境信息處理的主要途徑,能幫助微生物獲取更多有機物。R2中的膜運輸類基因豐度出現明顯下降,說明磁場可通過抑制膜運輸基因的表達來減少部分異養微生物(如Thiothrix等)對有機碳源的獲取量。由此,有機碳源競爭力偏弱的反硝化菌群獲得了更多的攝取碳源的機會,進而提升反硝化菌群在AAO中的競爭力,這也較好解釋了圖4中R2反應器反硝化菌群總相對豐度上升的現象。磁環境下,細胞運動類基因相對豐度較R1提升75%,說明磁場有助于提升細胞的活性,促進底物的捕獲與代謝,這也是R2反應器能更快啟動的重要原因。

圖10 二級功能基因相對豐度

3 結論

(1)磁場對AAO工藝的啟動過程有較明顯影響,兩組反應器接種運行30 d內,磁環境下的AAO成功啟動所需的天數較無磁場少5 d,平均總氮去除率比無磁場環境的AAO反應器高6%。

(2)磁場會影響到AAO反應器的微生物群落結構,通過高通量測序發現磁場環境下AAO反應器具有反硝化能力的菌群相對豐度大幅上升,其相對豐度占比從R1的5%上升至R2的20%,從而有效提升了總氮去除效能;變形菌門中的絲硫菌屬相對豐度占比出現大幅下降,磁場表現出抑制絲狀菌過度繁殖的作用。

(3)基因預測分析表明,磁場通過刺激細胞運動,使細胞更具活力,從而縮短反應器啟動時間;磁場抑制了膜運輸類基因的表達,提高了反硝化過程對機碳源的競爭力,提升了反硝化菌群的相對豐度。