低盐度同步亚硝化反硝化系统厌氧/好氧持续时间对脱氮和微生物群落的影响

摘要

本研究以含盐量为1.2%的合成废水为原料，在混合序批式生物膜反应器中研究了同步硝化反硝化过程。选择不同的厌氧/好氧(An/Ae)持续时间来评估污染物的去除性能和反应器中微生物群落的演替。当An/Ae小时比为0/6.5时，有机物去除效率最高，稳态时平均化学需氧量去除率为89.6%。同样，在An/Ae小时比为1/5.5、1.5/5和2/4.5时，氮去除效率也很高，平均总氮去除率超过92%。与An/Ae小时比为0/6.5的模式相比，这意味着增加了10%以上。高通量测序分析表明，An/Ae小时比率的增加改变了高铁血红蛋白还原菌群落结构的特征。当悬浮污泥和生物膜中An/Ae时数比为0/6.5时，固氮菌属占优势，而念珠菌属占优势，An/Ae时数比为2/4.5和3/3.5。亚硝螺旋菌是一种亚硝酸盐氧化细菌，对盐度敏感，改变了An/Ae模式；这仅在完全好氧模式下的污泥样品中检测到，低百分比为0.1%。污泥和生物膜样本具有相似的细菌组成。本研究表明，在混合污泥生物膜反应器中，共生官能团可以通过固相萃取工艺实现高效脱氮除碳。

介绍

通过同步硝化反硝化(SND)从废水中去除氮被认为是传统脱氮工艺的一种高效且经济的替代方法。在SND过程中，硝化和反硝化在相同的操作条件下同时发生在一个反应器中。SND工艺可以简化操作程序，降低氧气需求和能耗(Zhang et al., 2015)。通过亚硝酸盐进行的硝化和反硝化，或同时进行的部分(或捷径)硝化和反硝化(SSND硝化和反硝化)，比通过硝酸盐进行的硝化和反硝化需要更少的氧气，消耗更少的能源和碳资源。在SPND系统中，硝化的第一步(将氨氧化成亚硝酸盐)被诱导，而第二步(将亚硝酸盐氧化转化为硝酸盐)被有效抑制，并且使用亚硝酸盐进行脱氮(Yoo et al., 1999)。SPND工艺已经在序批式反应器中实现(She et al., 2016; Yoo et al., 1999; Zheng et al., 2010)，序批式生物膜反应器(Zhang et al., 2009)，膜生物反应器(Hong et al., 2013)，到目前为止。已经进行了一些研究来确定控制SPND脱氮参数。这些参数包括温度(Zhang et al., 2009)，溶解氧（DO）水平(Yoo et al., 1999)，盐度(Wang et al., 2017a)和碳源(Wang et al., 2017b).

盐度是实现SPND的关键因素之一，因为亚硝酸盐氧化细菌（NOB）比氨氧化细菌（AOB）对盐更敏感(Liu et al., 2008; Mosquera-Corral et al., 2005;

Wang et al., 2017c).据报道，低盐度的9.0g氯化钠L^-1在增强AOB活性的同时抑制NOB活性(She et al., 2016; Zhang et al., 2010).实现了稳定的部分硝化在序批式生物膜反应器（SBBR）中，当盐浓度逐渐增加至6.5 g NaCl L^minus;1时(She et al., 2016; Zhang et al., 2010).很少有研究表明SPND过程与盐度有关。已经完成了。建立了同步硝化SBBR中的阳离子、反硝化和有机物去除过程处理含盐芥菜废水。结果表明，随着盐度的增加随着氮浓度的增加，NOB被明显抑制，部分硝化反硝化（PND）过程逐渐有助于氮的去除。它结果表明，不同的碳源对微生物群落有很大的影响，并导致不同的脱氮机理SPND工艺处理含盐废水(Wang et al., 2017b).所以到目前为止，大多数研究都集中在建立SPND过程运用SPND工艺处理含盐废水，而不是用SPND工艺处理含盐废水。研究了不同运行方式，特别是厌氧/好氧运行时间对低浓度下SPND工艺脱氮及微生物群落的影响盐度。

SND系统中常用的操作策略包括完全好氧模式和厌氧-好氧（或缺氧-好氧）。模式。前者是通过在反应中仅使用曝气来实现的阶段，后者是通过在曝气阶段之前引入预厌氧（或预缺氧）相来实现的(Zhang et al., 2015).在预厌氧阶段，进水中的有机物可以被降解在接下来的好氧阶段的需氧量可以减少。此外，在预缺氧阶段脱氮所产生的碱性条件有利于后续好氧硝化。(Hu et al., 2011).一些研究已经表明，预缺氧模式比完全好氧和好氧/缺氧模式具有更高的反硝化能力(Ersan and Erguder, 2013; Wan et al., 2009).此外，缺氧/好氧模式下的总氮去除率和SND效率分别提高了17.8%和10.1%。完全有氧模式(Zhang et al., 2015).在交替缺氧/好氧SBR，总氮去除率最高的是缺氧/好氧时间比为2/4，但除氨随着缺氧/好氧时间比的增加呈现下降趋势。(Hu et al., 2011).

生物脱氮反应器的硝化和反硝化效率与微生物群落的多样性和分布密切相关。高通量测序技术已成功用作分子技术，用于评估活性污泥和生物膜中微生物群落的多样性、结构和功能，并确定微生物对环境变化的反应动力学(Tang et al., 2018; Zhang et al., 2017). Zhang et al. (2018)，利用Illumina MiSeq测序分析运行过程中的连续流反应器中厌氧/好氧/缺氧过程中的微生物群落。结果表明，在科水平上，主要的细菌是红细胞科、无患子科和科莫纳科，它们共同参与了系统的脱氮过程。在另一项研究中，高通量测序被应用于分析CANON系统中高盐度条件下功能微生物群落（AOB、NOB和厌氧氨氧化细菌）的动力学(Wang et al., 2017c).然而，高通量测序技术尚未应用探索SPND过程中交替的厌氧/好氧生境用于处理低盐度废水。

间隙曝气是以序批模式运行的反应器的典型特征，对于SND或SPND进程交替有氧/无氧条件是有益的。SPND工艺是在间歇曝气移动床膜生物反应器中实现的，在该反应器中研究了硝化特性(Yang and Yang, 2011).在另一项研究中，间歇曝气用于在人工湿地中实现SPND过程(Hou et al., 2017).由于间隙曝气的优势，丁苯橡胶和SBBR橡胶已被用作典型的固体颗粒污泥法或固体颗粒污泥法。近年来，混合序批式生物膜反应器(HSBBR)引起了人们的兴趣，因为它可以基于反应器中s-污泥和生物膜的相互作用通过SND有效地脱氮(Lo et al., 2010).在本研究中，在低盐度条件下通过SPND工艺发展的的HSBBR运行不同的厌氧/好氧时数比。中采用16srrna基因高通量测序技术对其动态进化进行了研究，在SPND系统，随着厌氧时间的延长，微生物群落的数量和结构不断增加。它的主要研究的目的是：（1）确定SPND工艺脱氮的适宜An/Ae小时比；（2）揭示微生物的变化高铁厌氧污泥和生物膜的群落在低盐度下持续时间增加，（3）确定增加脱氮所需的功能微生物反应器中的厌氧持续时间，（4）探讨 SPND系统处理含盐废水及其控制策略从微生物生态学的角度。

第二章 材料和方法

2.1反应器和实验方法

该实验是在HSBBR中进行的，HSBBR先前以从0.0%到1.2%的盐度运行了155天，以建立稳定的SPND过程。反应器的直径为19厘米，高度为33厘米，工作容积为7.0升(图1)。将两片柔软的组合载体(由聚乙烯醇缩甲醛纤维和聚丙烯环制成)附在一根绳子上，并悬挂在反应器中。每个载体的直径为14厘米，比表面积为1236m²m^-3。HSBBR每天分三个8小时循环运行。每个循环包含六个阶段:喂食(15分钟)、厌氧、好氧、沉淀(60分钟)、倾析(10分钟)和闲置(5分钟)。在一个循环中，包括厌氧和好氧阶段的反应时间为6.5小时(390分钟)。在这项研究之前，进行了确定适当反应时间的实验。前期研究结果表明，曝气6.5h即可实现铵的完全氧化和较高的化学需氧量去除率，因此本研究将1期反应时间固定为6.5h。为了比较在不同An/Ae时间比下操作的HSBBR的性能在随后的周期中，循环保持不变，而反应阶段的厌氧持续时间增加。该实验将划分为七个时期，具有不同的An/Ae时间比率，如表1.使用时间控制装置实现自动操作。在投料阶段，向反应器中投入3.5L的废水，在倾析阶段，泵出相似体积的废水，产生16h的水力停留时间（HRT）。在一段时间内达到稳定性能后，随着厌氧时间的延长，An/Ae时间比发生变化。COD和TN去除率接近恒定，偏差小于5%，性能稳定。在不同的时期，反应器中的微生物需要不同的时间来适应增长厌氧时间的长短和反应器能否达到稳定状态，所以七个周期运行的天数不同。厌氧相在无曝气的搅拌条件下进行。在好氧阶段，空气由连接到位于反应器底部的多孔扩散器的压缩机（360ml/min）提供。厌氧阶段总是先于好氧阶段。在整个实验过程中，使用HSBBR中的恒温加热器将温度保持在25plusmn;2°C。采用低盐度模拟生活污水的合成废水作为反应器的进水。合成废水的COD/L约为400mg，NH4~ N/L约为40mg，与青岛市某污水处理厂的进水相似。废水组成如下（每升）：0.8g NaAc、0.15g NH4Cl、0.05g K2HPO4和12g海水晶体（相当于1.2%盐度）。海水晶体的主要成分为（每10g）：5.3gcl-、3.3g Na 、0.62g SO42-、0.3g Mg² 、0.1g K 和0.09g Ca² 。合成废水的ph值为7.65～7.95。

HSBBR中的混合液挥发性悬浮固体（MLVSS），MLVSS / MLSS比和污泥体积指数（SVI）为1740 mg / L，在本研究开始时分别为0.79和202 mL / g。每周将反应器中的一部分悬浮污泥排放至将反应器中的MLSS浓度保持在2000 mg / L附近。该实验的污泥保留时间（SRT）约为96天。

表格1

2.2 分析方法

每隔两天采集一次HSBBR的进出口样品，研究其对COD、氨氮（NH4~ N）和总氮（TN）的去除效果。此外，在一个运行周期内，每隔15分钟或30分钟从反应器中采集液体样本，以评估COD、NH4 的循环曲线，亚硝酸盐氮（NO^2--N）、硝酸盐氮（NO3^--N）和总氮（TN）。同时记录了溶解氧和pH值的变化。COD（重铬酸钾法）、NH4~ N、NO₂^--N和NO₃^-根据水和废水的监测和分析方法，对样品进行N浓度分析（第四版）中国。TN由NH4之和计算用pH探针（PHB-4，中国）和DO检测器(Oxi 330i, WTW, Germany)

厌氧或好氧阶段的SND效率通过公式计算。（1）。该公式通常用于计算SND 效率(Zhang et al., 2015; Ding et al., 2017; Ma et al., 2017).

其中ESND是SND效率；氮氧化物，e(氮毫克/升)是亚硝酸盐中的氮和厌氧或好氧阶段结束时的硝酸盐；氮氧化物，即亚硝酸盐中的氮和厌氧或好氧开始时的硝酸盐阶段；NH₄，i (N mg/L)是厌氧或好氧阶段开始时的铵态氮；NH₄，e (氮毫克/升)是厌氧或好氧阶段结束时的氨氮。

在上式中，未考虑微生物生长的氮损失，因为在反应阶段通过微生物吸收除去了少量氮。本研究计算了通过生物量同化过程去除的氮量。结果表明，一个循环中被吸收的氮量仅占总氮去除量的0.56-0.62％。因此，与以前的研究类似(Third et al., 2003).在一个HSBBR循环中微生物生长的氮损失被认为可以忽略不计。

2.3 微生物群落分析

为了揭示实验期间的微生物群落及其演替，在周期1、5和7结束时从反应器中同时收集s-污泥和生物膜样品，分别对应于0/6.5、2/4.5和3/3.5的An/Ae小时比率。根据氮变换和操作模式，周期1、5和7是选择的三个具有代表性的脱氮差的过程，两者都良好的硝化和反硝化作用，较差的硝化作用。在第一阶段(即本实验的初始阶段)，由于反应阶段处于完全好氧阶段，发生反硝化作用较差，导致总氮去除率低(80.15%)。随厌氧时间的增加，反硝化能力和总氮去除率也随之提高。在第5阶段，有效硝化和反硝化作用均为由于达到了合适的厌氧/好氧时间比，导致了高的总氮去除效率(92.3%)。尽管第4阶段的TN去除效率(93.0%)比第5阶段略高，但第4阶段的好氧时间(5.0h)更长可能导致氧消耗量增加。基于这些比较，第5阶段被认为是具有代表性的实验阶段，具有高的总氮去除率和低的能耗。在第7阶段(即实验的最后阶段)，降低NH4 -N硝化能力导致总氮去除率下降(85.4%)，反映了厌氧时间延长对脱氮的影响。

当反应器中的液体充分混合后，从安装在液体高度中间的出口收集S污泥样品。生物膜样品是从生物膜的外层到内层收集的混合物。根据制造商的说明，使用PowerSoil DNA分离试剂盒（MoBio Laboratories，Carlsbad，CA，USA），直接从S-污泥和生物膜样品中提取基因组DNA。用引物组515F和907R（

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