Оптимизация производительности и преемственность микробного сообщества в непрерывном -проточном бескислородном процессе MBBR-ААО для улучшенного удаления азота и фосфора из городских сточных вод

Оптимизация производительности и микробиология Преемственность сообщества в непрерывном-бескислородном процессе MBBR-AAO

В последние годы передовая очистка городских сточных вод и реализация вторичной переработки ресурсов стали горячими темами в области водной среды. Однако традиционные процессы удаления азота и фосфора, широко применяемые на очистных сооружениях, не только приводят к чрезмерным растратам ресурсов, но и увеличивают эксплуатационные расходы [1]. Более того, постепенное снижение соотношения углерода-к-азоту (C/N) в городских сточных водах и различия в средах обитания различных функциональных микробных сообществ стали важными ограничивающими факторами для технологий очистки воды.

Гибридный процесс MBBR с иловой-пленкой сочетает в себе процесс с использованием активированного ила и процесс с применением биопленки на суспендированном носителе для достижения повышенного обогащения функциональных микроорганизмов, решения проблем, связанных с заселением больших территорий и плохой устойчивостью к низким-температурам традиционного процесса с активным илом [2]. В 2008 году станция очистки сточных вод Уси Луцунь в провинции Цзянсу, первая станция очистки сточных вод в Китае, проведшая модернизацию и реконструкцию в соответствии со стандартами класса IA, успешно увеличила эффект очистки за счет добавления взвешенных носителей в систему отстоя [3]; Ху Юбяо и др. [4] исследовали влияние температуры на удаление аммиачного азота и органических веществ в МББР и активном иле, и результаты показали, что температура оказывает меньшее влияние на МББР, но большее влияние на активный ил; Чжан Мин и др. [5] использовали процесс A²O-MBBR для очистки бытовых сточных вод в сельской местности, добившись высоких показателей удаления ХПК, аммиачного азота, TP и TN; Чжоу Цзячжун и др. [2] посредством мелкомасштабных экспериментов-обнаружили, что DO и температура положительно коррелируют с гибридной системой MBBR с иловой-пленкой, в то время как соотношение поступающего C/N отрицательно коррелирует.

Процесс бескислородного MBBR (AM-MBBR) позволяет осуществлять одновременную денитрификацию и удаление фосфора в бескислородном резервуаре, что также является процессом денитрифицирующего удаления фосфора (DPR). По сравнению с традиционными процессами очистки сточных вод, процесс DPR может сэкономить источники органического углерода и снизить потребление кислорода. Чжан Юншэн [6] и др. разработали биопленочный реактор непрерывного-потока, и результаты показали, что при температуре 20 градусов, концентрации DO 5,5 мг/л, нагрузке 2,2 кг/(м³·сут) и периодическом режиме аэрации анаэробных 3 часа/аэробных 6 часов средние концентрации ХПК и фосфора в сточных водах составляли 76 мг/л и 0,67 мг/л, с удалением ставки 72,9% и 78,5% соответственно.

Однако в системе AAO с иловой-пленочной гибридной системой-AAO существует сложная взаимосвязь между взвешенным флокулянтным илом и прикрепленной биопленкой. Предыдущие исследования были сосредоточены на инженерных практиках, таких как торги и реконструкция очистных сооружений, но существует мало исследований по синхронной нитрификации и DPR для улучшения удаления азота и фосфора в системах непрерывного -потока осадка-пленочных гибридных AM-AAO систем, и стабильность эффективности удаления загрязняющих веществ в этом процессе с помощью технологии DPR также является одной из трудностей.

В этом исследовании были оптимизированы стратегии запуска и эксплуатации процессов с непрерывным-потоком (AAO) и непрерывным{2}}поточным-пленочным гибридным процессом (AM-AAO), основное внимание уделялось изучению влияния скорости аэрации, дозировки наполнителя, времени гидравлического удерживания (HRT), рефлюксного коэффициента нитрификационной жидкости, соотношения поступающего C/N и температуры на долгосрочную-эффективность удаления азота и фосфора из процесс AM-MBBR и эффективность удаления денитрифицирующего фосфора в бескислородном резервуаре. При этом изучали сукцессию микробных сообществ и закономерности смены функциональных микробных сообществ в активном иле и биопленке.

1 Материалы и методы

1.1 Экспериментальная установка и рабочие параметры

В этом исследовании использовалось устройство для проведения реакции ААО с непрерывным потоком- (рис. 1). Он был сделан из органического стекла и имел в общей сложности 7 отделений, каждое размером 10 см × 10 см × 40 см; рабочий объем составлял 21 л, а объемное соотношение каждого реакционного резервуара было анаэробный: бескислородный: аэробный=2:2:3. Механическое перемешивание применялось в анаэробных и бескислородных резервуарах; в аэробном резервуаре использовались аэрационные песчаные насадки в качестве микро-пористых аэраторов и внешняя сила для перемешивания осадка-воды, а скорость аэрации контролировалась расходомером газа. Концентрацию DO в аэробном резервуаре реактора контролировали на уровне 2–3 мг/л; вторичный отстойник представлял собой цилиндр рабочим объемом около 40 л; время удерживания ила (SRT) составляло 40 дней, а степень рефлегмации ила составляла 50%. Реактор проработал в общей сложности 263 суток (разделенных на 6 этапов работы), а для работы в режиме АМ-ААО в бескислородный резервуар добавляли полиэтиленовые наполнители, начиная со 159-го дня. Конкретные условия эксплуатации приведены в таблице 1.

(Рисунок 1. Принципиальная схема технологического оборудования AM-AAO: на рисунке показаны ведро для подачи воды, перистальтический насос, анаэробный резервуар, бескислородный резервуар, аэробный резервуар, отстойник, ведро для выпуска воды, а также внутренний рециркуляционный трубопровод, трубопроводы для рециркуляции осадка и сливные клапаны)

Таблица 1. Тип технологической системы и рабочие параметры

1.2 Качество инокулированного осадка и поступающей воды

Инокулированный ил в этом эксперименте был взят из избыточного ила, сбрасываемого из вторичного отстойника очистных сооружений. После инокуляции концентрация ила (MLSS) в реакторе составляла 2,3 г/л, а летучих твердых веществ ила (MLVSS) - 2,1 г/л.

Стоком реактора были бытовые сточные воды из ресторанов, которые добавлялись в реактор после фильтрации примесей через сетчатый фильтр. Среди загрязняющих веществ были NH₄⁺-N (35,0456,54 мг/л), NO₂⁻-N (00,42 мг/л), NO₃⁻-N (00,05 мг/л), ХПК (362,1605,1 мг/л) и PO₄³⁻-P (1~5,08 мг/л).

1.3 Объекты обнаружения и методы анализа

1.3.1 Обычные методы обнаружения

Пробы ила-воды были собраны из притока, анаэробного резервуара, бескислородного резервуара, аэробного резервуара, отстойника и сточных вод и отфильтрованы с помощью фильтровальной бумаги с размером пор 0,45 мкм. NH₄⁺-N определяли на спектрофотометре Несслера; NO₂⁻-N определяли фотометрией N-(1-нафтил)этилендиамина; NO₃⁻-N определяли ультрафиолетовой спектрофотометрией; ХПК определяли с помощью многопараметрического экспресс-детектора ХПК Lianhua 5B-3A; pH/DO и температуру определяли детектором WTW Multi3620; MLSS определяли гравиметрическим методом; MLVSS определяли методом потери веса при сжигании муфельной печи [7].

1.3.2. Экстракция и обнаружение внеклеточных полимерных веществ

Считается, что внеклеточные полимерные вещества (ЭПС) состоят из полисахаридов (ПС), белков (ПН) и гуминовых кислот (ГК). Три типа ЭПС, а именно растворимые внеклеточные полимерные вещества (S-EPS), слабосвязанные внеклеточные полимерные вещества (LB-EPS) и прочно связанные внеклеточные полимерные вещества (TB-EPS), были разделены и экстрагированы. Методом определения ФС служил сернокислотный-антронный метод, а методами определения ФН и ГК — модифицированный метод Фолина-Лоури [7].

1.3.3 Метод расчета скорости удаления загрязняющих веществ

Скорость удаления загрязняющих веществ (SRE) использовалась для характеристики общего удаления загрязняющих веществ технологической системой AM-AAO. Среди них Sinf и Seff представляют собой концентрации загрязняющих веществ в приточных и сточных водах соответственно, которые могут представлять массовые концентрации загрязняющих веществ, таких как NH₄⁺-N, NO₂⁻-N, NO₃⁻-N, COD и PO₄³⁻-P в приточных и сточных водах, мг/л.

1.3.4 Метод секвенирования с высокой-пропускной способностью

Использовался метод высокопроизводительного секвенирования Illumina. Образцы ила из анаэробного, бескислородного и аэробного резервуаров в дни 1, 110, 194 и 237 были собраны и названы группой D01 (D01_A1, D01_A2, D01_O), группой D110 (D110_A1, D110_A2, D110_O), группой D194 (D194_A1, Д194_А2, Д194_О) и группу Д237 (Д237_А1, Д237_А2, Д237_О) соответственно; Образцы ила биопленки на 194 и 237 дни были собраны и названы М194 и М237 соответственно. Всего было проанализировано 14 проб ила на предмет изменений микробного сообщества. ДНК экстрагировали с использованием набора Fast DNA SPIN (MP Biomedicals, Санта-Ана, Калифорния, США). Область V3-V4 бактериального гена 16S рРНК амплифицировали с помощью праймеров 338F/806R. Очищенные ампликоны секвенировали на платформе Illumina MiSeq PE300 (Illumina, США) компании Shanghai Majorbio Biomedical Technology Co., Ltd. (Шанхай, Китай) [7].

2 Результаты и обсуждение

2.1 Долгосрочные-правила удаления загрязняющих веществ в процессах AAO и AM-AAO

Долгосрочное-удаление загрязняющих веществ во время работы непрерывного-процесса ААО (этап 1)3) и процесс АМ-ААО с добавлением суспендированных полиэтиленовых наполнителей (этап 4).6) показано на рисунке 2.

На этапе 1 (1~45 дней) количество высвобождаемого PO₄³⁻-P (PRA) в анаэробном резервуаре, количество поглощенного PO₄³⁻-P в бескислородном резервуаре (PUAA) и количество поглощенного PO₄³⁻-P в аэробном резервуаре (PUAO) составляло 66,06 мг, 14,22. мг и 87,81 мг соответственно, а процесс поглощения фосфора в основном достигался в аэробном резервуаре. Степень удаления NH₄⁺-N и общего неорганического азота (TIN) составила 92,85% и 86.37% соответственно, что обеспечило эффект денитрификации. После точной -настройки аэрации (DO=2~3 мг/л) эффект удаления NH₄⁺-N увеличился до 98,68%, а концентрация TIN в сточных водах и скорость удаления составили 1,75 мг/л и 95,75% соответственно, что указывает на то, что правильная регулировка DO способствует процессам нитрификации и денитрификации; эффект удаления ХПК в анаэробном резервуаре ослабел (91,60%). Кроме того, точная -настройка DO не оказала влияния на выходящие PO₄³⁻-P, в среднем 0,47 мг/л, что согласуется с выводом Yang Sijing et al. [8].

На этапе 2 (46–120 дней) после корректировки ЗГТ =8 ч эффективность удаления ХПК незначительно колебалась; максимальные значения PRA, PUAA и PUAO достигали 148,01 мг, 81,95 мг и 114,15 мг, что указывает на то, что увеличение притока не влияет на удаление фосфора и сохраняет высокие показатели удаления NH₄⁺-N и TIN. На 72-й день коэффициент рециркуляции нитрификационной жидкости увеличился до 300% и 400%. Увеличение рефлюксного числа снизило эффект удаления TIN: степень удаления составила 80,37% (300%) и 68,68% (400%) соответственно. Со 108-го по 120-й день флегмовое число нитрификационной жидкости составляло 250%. Количество удаленного ХПК в анаэробном резервуаре при коэффициенте обратного потока нитрификационной жидкости 250 % (127,1 мг/л) было выше или равно количеству других (86.2 мг/л, 124,7 мг/л и 128,0 мг/л для 200 %, 300 % и 400 % соответственно); концентрации фосфора в выходящих потоках, соответствующие различным флегмовым числам, составляли 0,52 мг/л, 0,35 мг/л и 0,06 мг/л, что указывает на то, что увеличение флегмового коэффициента нитрификационной жидкости в определенном диапазоне может способствовать удалению фосфора. Кроме того, флегмовое число 250% имело хорошие характеристики денитрификации со степенью удаления TIN 86.86%.

На этапе 3 (121~158 дней) флегмовое число нитрификационной жидкости было зафиксировано на уровне 250%. На 131-й день поток притока увеличился до 5 л/ч, эффекты удаления ХПК и фосфора снизились, а концентрации в сточных водах составили 73,3 мг/л и 3,92 мг/л соответственно, что указывает на то, что увеличение потока притока привело к увеличению количества ХПК, выбрасываемого без лечения. При этом максимальные скорости удаления NH₄⁺-N и TIN составили 93,82% и 79,12% соответственно, среди которых основным загрязнителем в стоках стал NO₃⁻-N (4,70 мг/л). На 139-й день поток притока был снижен до 4 л/ч, скорость ХПК и удаления эффлюента составила 55,7 мг/л и 85,97% соответственно, что было выше, чем эффективность удаления углерода при ЗГТ=5.6 ч, что указывает на то, что снижение ЗГТ может привести к снижению эффекта удаления ХПК. Кроме того, максимальные скорости удаления NH₄⁺-N и TIN составили 100% и 97,41%, что указывает на то, что корректировка ЗГТ способствует нитрификации и денитрификации, однако чрезмерно короткая ЗГТ может привести к снижению денитрификационного эффекта. Поэтому при ЗГТ=7 ч достаточно, чтобы реакции в каждом резервуаре протекали полноценно, а значительное увеличение ЗГТ оказывает мало стимулирующего влияния на эффект денитрификации.

На 159-й день в бескислородный резервуар процесса ААО добавляли 20% суспендированных полиэтиленовых наполнителей. На этапе 4 (159~209 дней) показатели удаления ХПК и PO₄³⁻-P были улучшены. Начиная со дня 172, концентрация NH₄⁺-N в притоке увеличивалась до 64,17 мг/л (C/N=8.59), ХПК в стоках и скорость удаления составляли 77,7 мг/л и 86.06% соответственно. Причина может заключаться в том, что биопленка росла медленно, а основной вклад в удаление большей части ХПК вносил активный ил; суспендированные наполнители увеличили скорость удаления PO₄³⁻-P на 1,18%. Однако увеличение притока NH₄⁺-N в бескислородный резервуар привело к необходимости использования большего количества источников углерода для процесса денитрификации NO₃⁻-N, что не способствовало высвобождению фосфора и поглощению ПАО; в то же время данная операция не привела к полному снижению NO₃⁻-N, а минимальная концентрация в стоках составила 7,30 мг/л. На 185-й день при изменении ЗГТ на 5,6 ч было обнаружено, что эффект удаления ХПК несколько колебался, при этом степень удаления составляла 86.05%; Концентрация PO₄³⁻-P в сточных водах увеличилась на 0,05 мг/л, что сопровождалось увеличением содержания PUAA (с 13,02 мг до 18,90 мг), что указывает на то, что ил и биопленка синергически проявляют определенную эффективность удаления фосфора. Кроме того, концентрации NH₄⁺-N, NO₃⁻-N и TIN в сточных водах составляли 10,23 мг/л, 6,52 мг/л и 16,82 мг/л соответственно, что указывает на то, что снижение HRT приведет к уменьшению эффектов удаления NH₄⁺-N и TIN. На 195-й день продолжительность HRT была снова доведена до 7 часов, и в это время содержание загрязняющих веществ в сточных водах снизилось, а производительность системы по удалению азота, фосфора и органических веществ постепенно восстановилась.

На этапе 5 (210~240 суток) концентрация входящего NH₄⁺-N увеличилась до 84,06 мг/л (C/N=6.28), а активный ил по-прежнему вносил основной вклад в удаление органических веществ. Увеличение NH₄⁺-N мало повлияло на удаление ХПК. Доля ХПК, абсорбированной в анаэробном резервуаре, составила 68,02%, при этом большая часть органического вещества поглощалась ПАО в анаэробном резервуаре и синтезировалась во внутренние источники углерода (ПГА), при этом анаэробное высвобождение фосфора было полностью завершено [9]. Максимальная PRA составила 72,75 мг, а PUAA и PUAO — 35,82 мг/л и 48,20 мг/л соответственно, однако основной вклад в усвоение фосфора по-прежнему вносил аэробный резервуар. На 221-й день степень заполнения была увеличена до 30%, а концентрации NH₄⁺-N и TIN в стоках снизились на 4,49 мг/л и 5,16 мг/л соответственно; среди них на NH₄⁺-N и NO₃⁻-N приходилось 70,11% и 28,75% TIN сточных вод соответственно. На 231-й день концентрация входящего NH₄⁺-N была доведена до 66,34 мг/л, а производительность системы по удалению загрязняющих веществ была в основном стабильной.

На этапе 6 (241–263 дня) регулировали температуру реактора, чтобы изучить ее влияние на удаление загрязняющих веществ. На 241 сутки температура снизилась до 18 градусов, степень удаления ХПК снизилась до 84,37%, но правило изменения ХПК не изменилось в связи со снижением температуры. Процент удаления в анаэробном резервуаре был самым высоким - 62,02%, на процесс денитрифицирующего удаления фосфора в бескислородном резервуаре ушло 26,72% ХПК, концентрация NO₃⁻-N в стоках аэробного резервуара составила 10,44 мг/л, а NH₄⁺-N осталось 8,50 мг/л; кроме того, на PRA меньше влияла температура, но эффективность поглощения фосфора в бескислородном резервуаре снизилась: при PUAA только 19,77 мг, а в аэробном резервуаре фосфор удалялся на 3,94 мг/л. Большинство психрофильных ПАО осуществляют аэробный процесс поглощения фосфора [10]. При дальнейшем снижении температуры до 13 градусов скорость удаления NH₄⁺-N и TIN снизилась на 6,38% и 6,25% соответственно; при этом ПУАА и ПУАО снизились на 7,77 мг и 15,00 мг соответственно, что может быть связано со снижением микробной активности, а также способности к росту и метаболизму, вызванным снижением температуры. Цзинь Юй [11] обнаружил, что когда температура ниже 14 градусов, трудно гарантировать концентрацию загрязняющих веществ в сточных водах системы.

(Рисунок 2 Удаление загрязняющих веществ в процессах ААО и АМ-ААО при длительной-эксплуатации: Включая (в) Кривые концентрации NH₄⁺-N и скорости удаления, изменяющиеся по дням эксплуатации, (г) Кривые концентрации NOₓ⁻-N, изменяющиеся по дням эксплуатации, (д) Кривые скорости удаления ТИН, изменяющиеся по дням эксплуатации. Горизонтальная ось — дни эксплуатации (0~260 д), а по вертикальным осям - ρ (NH₄⁺-N)/(мг·л⁻¹), ρ (NO₃⁻-N)/(мг·л⁻¹) и скорость удаления/% соответственно. На кривых отмечена каждая стадия операции).

2.2 Правила изменения загрязняющих веществ в типичных циклах процессов AAO и AM-AAO

Для дальнейшего изучения механизма удаления загрязняющих веществ в процессах AAO и AM-AAO были проанализированы изменения концентрации загрязняющих веществ в типичных циклах на разных этапах эксплуатации, как показано на рисунке 3.

На 42-й день (стадия 1) процесс ААО имел хорошие показатели денитрификации и удаления фосфора. Однако высокий уровень ХПК входящего потока не улучшил показатели высвобождения фосфора, и PRA в это время составляла 9,13 мг/л. Кроме того, NH₄⁺-N расходовался заранее при входе в бескислородный резервуар; затем бескислородный резервуар восстановил образующийся NO₃⁻-N до N2; однако аэробный резервуар удалил только 3,52 мг/л NH₄⁺-N, что может быть связано с длительной ЗГТ на этапе 1, приводящей к увеличению DO, возвращаемого в бескислородный резервуар, и большая часть NH₄⁺-N завершила нитрификацию в бескислородном резервуаре, что привело к попаданию низкой концентрации в аэробный резервуар.

На 118-й день (2-й этап) с уменьшением поступающего ХПК ухудшились показатели высвобождения фосфора и денитрификации. Концентрация высвобождения фосфора в анаэробном резервуаре составила 5,91 мг/л, а концентрация NO₃⁻-N в стоках аэробного резервуара - 8,20 мг/л. Концентрация PO₄³⁻-P в бескислородном резервуаре снизилась до 2,78 мг/л, что указывает на то, что PO₄³⁻-P был удален в бескислородном резервуаре. Кроме того, в это время коэффициент рециркуляции нитрификационной жидкости был зафиксирован на уровне 250%. По сравнению с флегмовым числом 300% и 400% эффективность удаления азота и фосфора, а также органических веществ в процессе была улучшена, что указывает на то, что увеличение флегмы нитрификационной жидкости в определенном диапазоне может повысить эффект удаления загрязняющих веществ.

На день 207 (этап 4) после корректировки входящего NH₄⁺-N и HRT в процессе AM-AAO степень удаления ХПК составила 86.15%; аэробный резервуар удалил 13,34 мг/л NH₄⁺-N, оставшаяся концентрация TIN составила 7,51 мг/л, образовалось 4,39 мг/л NO₃⁻-N, причем NO₃⁻-N стал доминирующим загрязнителем в сточных водах. Не было существенной разницы в степени удаления фосфора между бескислородным и аэробным резервуаром. Кроме того, увеличение входящего NH₄⁺-N не влияло на нитрификацию, но увеличение входящей концентрации TIN снижало эффективность денитрификации процесса AM-AAO, тем самым влияя на удаление TIN.

На 262 день (стадия 6) температура реактора составляла 13 градусов, а степень удаления ХПК в это время составляла 83,67%. При этом в анаэробном резервуаре высвободилось 6,95 мг/л фосфора; 20,22 мг/л NH₄⁺-N было израсходовано бескислородным резервуаром и проведена денитрификация, а концентрация NO₃⁻-N в стоках бескислородного резервуара составила 5,07 мг/л; в аэробном резервуаре потеря TIN составила 1,32 мг/л; степень удаления ТИН составила 77,00%, а в сточных водах ТИН содержало 11,24 мг/л NH₄⁺-N, что указывает на то, что низкая температура снижает активность нитрифицирующих бактерий и денитрифицирующих бактерий, что приводит к неполному удалению загрязняющих веществ в сточных водах. Кроме того, PRA снизилось до 6,95 мг/л, а показатели поглощения фосфора в бескислородном резервуаре и аэробном резервуаре снизились до 2,41 мг/л и 3,61 мг/л соответственно, что указывает на то, что снижение температуры реактора ингибирует эффективность удаления фосфора ПАО, что приводит к снижению PRA в анаэробном резервуаре и высокой концентрации фосфора в сточных водах.

(Рисунок 3. Изменения загрязняющих веществ в типичных циклах: включая (a) 42-й день процесса AAO, (b) 118-й день процесса AAO, (c) День 207 процесса AM-AAO, (d) Кривые изменения концентрации загрязняющих веществ на 262 день процесса AM-AAO. Горизонтальная ось представляет собой процесс реакции, а вертикальная ось представляет собой концентрацию (мг/л) каждого загрязняющего вещества. (COD, NH₄⁺-N, NO₃⁻-N, PO₄³⁻-P))

2.3 Изменение состава и содержания внеклеточных полимерных веществ (ЭПС) в процессах ААО и АМ-ААО

В ходе эксперимента определяли и анализировали изменения в составе и содержании ЭПС на 101-й день (процесс ААО) и на 255-й день (процесс АМ-ААО), как показано на рисунке 4. В целом общее содержание ЭПС на 101 и 255 дни можно объяснить увеличением содержания ТБ-ЭПС, причем основная часть ТБ-ЭПС приходилась на ПН и ПС; на 101-й день общее содержание ЭПС в анаэробном, бескислородном и аэробном резервуарах имело тенденцию к увеличению (0,12 мг/гВСС, 0,29 мг/гВСС и 0,37 мг/гВСС соответственно); среди них содержание ЭПС значительно увеличивалось на стадии нитрификации, что может быть связано с активным метаболизмом внутренних микроорганизмов при работе системы в условиях высокого соотношения углерода-к-азоту (C/N=5.9) [12]. Однако TB-EPS играл положительную роль в образовании хлопьев ила, тогда как S-EPS и LB-EPS имели отрицательные эффекты [8]; в этом эксперименте содержание S-EPS и LB-EPS было относительно низким, что создавало условия для роста ила; в гибридной системе с непрерывным -потоком ила-пленочной гибридной системы роль хлопьевидного ила незаменима [2].

Кроме того, правила смены ПН/ПС в разных слоях ила в каждом реакторе были разными. ПН в каждом реакторе всегда было выше, чем ПС. На 101-й день отношения PN/PS в S-EPS, LB-EPS и TB-EPS ила составляли 0,06, 1,62 и 2,67 соответственно, а на 255-й день они составляли 0,03, 1,30 и 3,27, что указывает на тенденцию к увеличению отношения PN/PS от внешнего слоя к внутренний слой клеток осадка. Однако когда температура реактора снизилась до 13 градусов, общее содержание EPS в трех резервуарах показало тенденцию к увеличению (0,28 мг/гВСС, 0,41 мг/гВСС и 0,63 мг/гВСС соответственно). Причина может заключаться в том, что микроорганизмы, неспособные адаптироваться к низкой температуре, погибли или автолизовались, и эти мертвые микроорганизмы выпустили ЭПС, что привело к увеличению содержания ЭПС в иле, или низкая температура побудила некоторые психрофильные микроорганизмы секретировать больше ЭПС, чтобы адаптироваться к снижению температуры в реакторе [13].

(Рисунок 4. Изменения содержания и состава EPS на день 101 (процесс AAO) и день 255 (процесс AM-AAO): левая сторона – процесс AAO, а правая сторона – процесс AM-AAO. Горизонтальная ось — реакционный резервуар (конец анаэробного, конец бескислородного, конец аэробного) и тип EPS (S, LB, TB). Левая вертикальная ось – содержание EPS. (мг·гVSS⁻¹), а правая вертикальная ось представляет собой соотношение PN/PS. Оно включает гистограммы содержания PN, PS и общего EPS, а также линейную диаграмму соотношения PN/PS.

2.4 Микробное разнообразие и правила преемственности популяционной динамики сообщества

Результаты высокопроизводительного секвенирования показали, что количество последовательностей в 14 образцах ила составило 1 027 419, а количество последовательностей OTU в каждом образце показано в таблице 2. Охват образцов превышал 0,995, что указывает на высокую точность результатов секвенирования. Группа D01 описала первоначальную структуру микробного сообщества с высоким индексом Ace, что указывает на то, что ил имел высокое видовое разнообразие микробов на начальном этапе-системы. С переходом системы от процесса ААО к процессу АМ-ААО индекс Асе уменьшался, а богатство микробного сообщества в системе АМ-ААО уменьшалось. Кроме того, снизился индекс Симпсона, что свидетельствует об уменьшении разнообразия микробного сообщества. По изменению индекса Ace общая численность видов микробного сообщества биопленки бескислородного аквариума имела тенденцию к снижению; снижение индекса Шеннона свидетельствовало об уменьшении разнообразия микробного сообщества биопленки.

Таблица 2. Изменение индекса микробного разнообразия

The main phyla with relative abundance >Было проанализировано 10% из 14 образцов (рис. 5а). Доминирующим типом в группе D01 были Actinobacteriota (25,76%32,90%), Протеобактерии (21,98%27,16%), Бактероидоты (15,50%18,36%) и фирмикуты (10,37%).13,77%); однако относительная численность Actinobacteriota (16,89%19,16%) и фирмикуты (3,83%)6,52%) в группе D110 снизилась, а относительная численность протеобактерий увеличилась (32,96%~40,75%). В системе процессов АМ-ААО количество Actinobacteriota быстро снижалось, даже до менее 3% в группе D237, тогда как Proteobacteria (33,72%43,54%), Бактероидоты (17,40%24.19%), and Chloroflexi (12.46%~12.77%) have become the phyla with relatively high abundances. In addition, in sample M194, the phyla with relative abundance >10% составили Proteobacteria (35,26%) и Bacteroidota (30,61%), что указывает на сходство структуры микробного сообщества биопленки со структурой активного ила. В образце М237 относительная численность Firmicutes снизилась до менее 2%, а численность Acidobacteriota (5,33%) увеличилась.

By creating a heat map (Figure 5b), the 14 samples were compared at the genus level (relative abundance >3%). Установлено, что в группе Д01 доминантными родами были Candidatus_Microthrix (11,32%20,65%), norank_f__norank_o__norank_c__SJA-28 (3,97%6,36%), трихококк (6,99%9,95%) и орнитинибактеры (3,99%).6,41%); после того, как система работала в процессе AM-AAO, относительная численность Candidatus_Microthrix резко упала до 0,02% (группа D237); в то время как norank_f__norank_o__norank_c__SJA-28 демонстрировал тенденцию сначала к увеличению, а затем к снижению (группа D237, 1,91%2,91%). Когда процесс шел стабильно, Azospira стала одним из относительно доминирующих родов (группа D237, 7,37%18,41%). Кроме того, роды биопленок были в основном аналогичны илу, а относительная численность norank_f__norank_o__Run-SP154 в M194 и M237 составляла 6,61% ~ 7,66% и 7,43% соответственно.

Всего для анализа в системе были выбраны 12 родов и 1 семейство аммиак-окисляющих бактерий (АОБ), нитрит{3}}окисляющих бактерий (НОБ), гликоген{4}}аккумулирующих организмов (ГАО) и фосфор-аккумулирующих организмов (ПАО) (табл. 3). Установлено, что в группе Д01 нитросомонады (0,02%0,03%), Эллин6067 (0,01%0,02%) и Нитроспира (0,04%0,07%) может обеспечить эффективность окисления NH₄⁺-N. Снижение Nitrosomonas и Nitrospira в группе D110 может быть обусловлено высоким коэффициентом внутреннего рефлюкса, но Ellin6067 (0,01%0,02%) не был нарушен. В группе D194 система работала в процессе AM-AAO, и снижение HRT вымывало NOB и некоторое количество AOB. Увеличение притока аммиачного азота может быть причиной увеличения относительной численности трех вышеупомянутых родов в группе D237 (рис. 5б). Кроме того, АОБ (Нитросомонас и Эллин6067, 0,03%0,07%) и НОБ (Нитроспира, 0,01%0,02%) в образце M237 показало небольшое увеличение, что указывает на то, что биопленка помогает системе ила достичь процесса денитрификации.

В группе D01 присутствовал широкий спектр ПАО, включая Acinetobacter, Candidatus_Accumulibacter, Candidatus_Microthrix, Defluviimonas, Pseudomonas и Tetrasphaera. Изменения Candidatus_Microthrix (10,93%~11,88%) и ПАО с относительной численностью<5% in group D110 may be the reasons for the decrease of PRA in Stage 2. In group D194, the relative abundances of Candidatus_Microthrix and Tetrasphaera decreased to 0.711,14 и 0,31%0,39% [14]. В группе D237 Candidatus_Microthrix был почти элиминирован (0,02%), а ПАО, которые заменили его для осуществления функции удаления фосфора, были Дефлувиимонас (0,70%1,07%) и дехлоромонады (0,95%).1,06%); Кроме того, было подтверждено, что семейство Comamonadaceae обладает способностью удалять фосфор [8], а относительная численность Comamonadaceae в анаэробном или бескислородном резервуаре была относительно высокой, примерно в два раза больше, чем в аэробном резервуаре. Кроме того, Candidatus_Competibacter и Defluviicoccus были доминирующими родами ГАО во всех образцах, но численность этих двух родов в группе D01 была<1%. In the remaining samples, the growth of Defluviicoccus lagged behind that of Candidatus_Competibacter. In group D237, the abundances of the two genera were 2.96%~3.89% and 0.54%~0.57%, respectively. GAOs are considered to compete with PAOs for organic matter, thereby causing the deterioration of biological phosphorus removal performance, but recent studies have found that GAOs can carry out endogenous denitrification to achieve denitrification (the average TIN removal rate was 83.08% when the system was stable) [7].

(Рисунок 5. Состав микробного сообщества: (а) Гистограмма относительной численности на уровне типа. Горизонтальная ось — образец, а вертикальная ось — относительная численность/%. Он включает в себя основные типы, такие как Actinobacteriota и Proteobacteria; (b) Тепловая карта относительной численности на уровне рода. Горизонтальная ось — образец, а вертикальная ось — доминирующие роды. Глубина цвета указывает уровень относительной численности)

Таблица 3. Содержание функциональных групп в 14 биологических образцах

3 вывода

Используя в качестве объекта очистки реальные сточные воды, были оптимизированы условия работы процесса АМ-ААО. Было обнаружено, что когда процесс проводился в условиях HRT=7 ч, температуры около 25 градусов, внутреннего рефлюкса =250%, SRT=40 d, рефлюкса ила =50% и скорости заполнения бескислородного резервуара =30%, эффект удаления загрязняющих веществ был лучшим. Максимальная степень удаления NH₄⁺-N составила 98,57%; концентрация NO₃⁻-N в стоках, концентрация PO₄³⁻-P, скорость удаления TIN и скорость удаления ХПК составляли 6,64 мг/л, 0,42 мг/л, 83,08% и 86.16% соответственно.

В анаэробном резервуаре хорошо выполнялись процессы удаления органических веществ и высвобождения фосфора: одновременно удалялось 64,51% ХПК и высвобождалось 9,77 мг/л фосфора; бескислородный резервуар показал хорошие реакции удаления денитрифицирующего фосфора; в аэробном резервуаре происходили полные процессы нитрификации и поглощения фосфора, при этом степень удаления NH₄⁺-N и PUAO составляла 97,85% и 59,12 мг соответственно.

Когда процесс АМ-ААО работал стабильно, увеличение АОБ (Ellin6067 и Nitrosomonas, 0,02%~0,04% → 0,04%0,12%) и НОБ (Нитроспира, 00.01% → 0.02%0,04%) обеспечили достаточный ход нитрификации, а скорость удаления NH₄⁺-N увеличилась на 8,35%; ГАО (Candidatus_Competibacter и Defluviicoccus, 1,31%1.61% → 3.49%4,46%) доминировал в процессе эндогенной денитрификации; рост ПАО (Defluviimonas, Dechromonas и семейства Comamonadaceae, 3,29%)8,67% → 3,79%~9,35%) было причиной сохранения хороших показателей удаления фосфора; Кроме того, структура микробного сообщества биопленки бескислородного резервуара была в основном аналогична структуре активного ила, что в совокупности гарантировало эффективность удаления азота и фосфора системой.