低溫對(duì)生物接觸氧化反應(yīng)器硝化性能的影響

　　相比于城市，農(nóng)村居住人口密度低，因此，農(nóng)村生活污水主要采用分散處理的方式。在我國(guó)北方，分散污水處理系統(tǒng)最大的一個(gè)挑戰(zhàn)是冬季低溫期的保溫。相對(duì)于降解有機(jī)污染物的異養(yǎng)菌，將氨氮轉(zhuǎn)化為硝酸鹽的硝化功能菌屬于自養(yǎng)菌，對(duì)溫度非常敏感。亞硝化單胞菌屬和氧化亞硝酸鹽的硝化桿菌屬及硝化螺旋菌屬活性最高的溫度分別為35、38和35 ℃。當(dāng)溫度從30 ℃降至10 ℃時(shí)，氨氧化速率和亞硝酸鹽氧化速率都會(huì)出現(xiàn)大幅降低。因此，低溫期生物處理系統(tǒng)硝化性能的保障對(duì)于北方農(nóng)村生活污水處理至關(guān)重要。但針對(duì)如何在接近4 ℃的水溫條件下維持硝化功能的研究卻不多見。

　　生物接觸氧化工藝是分散型污水處理系統(tǒng)中通常采用的方式之一，具有污泥種群結(jié)構(gòu)相對(duì)穩(wěn)定，運(yùn)行維護(hù)相對(duì)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。這一特點(diǎn)有可能使系統(tǒng)在冬季低溫期維持較為穩(wěn)定的硝化細(xì)菌種群�；�于這樣一種假設(shè)，本研究在實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建了2套平行運(yùn)行的生物接觸氧化反應(yīng)器，以某城市污水廠進(jìn)水為原水研究了水溫從20 ℃降至10 ℃和5 ℃時(shí)反應(yīng)器的生物硝化性能，并分析了細(xì)菌種群、特別是硝化細(xì)菌種群的動(dòng)態(tài)變化。研究結(jié)果可為低溫下分散污水處理系統(tǒng)中硝化性能的保障提供科學(xué)基礎(chǔ)。

　　1 材料與方法

　　1.1 反應(yīng)器設(shè)計(jì)與運(yùn)行

　　實(shí)驗(yàn)室生物接觸氧化反應(yīng)器如圖1所示。反應(yīng)器有效總體積2.4 L，分為好氧區(qū)與沉淀區(qū)2個(gè)部分;其中好氧區(qū)有效體積1 L，沉淀區(qū)體積1.4 L。反應(yīng)器接種污泥為北京市某城市污水處理廠活性污泥，反應(yīng)器進(jìn)水為曝氣沉砂池后出水。反應(yīng)器內(nèi)的球形生物填料直徑約3 cm，每反應(yīng)器中含16個(gè)生物填料。平行反應(yīng)器的溶解氧濃度(DO)均控制在2 mg·L−1以上。反應(yīng)器生物掛膜成功后共運(yùn)行147 d，其中20 ℃運(yùn)行10 d，10 ℃運(yùn)行102 d，5 ℃運(yùn)行35 d。水力停留時(shí)間(HRT)初始為8 h，第45 天增至10 h，第71 天增至12 h，第96 天增至14 h。

　　圖1 生物接觸氧化反應(yīng)器工藝示意

　　1.2 分析方法

　　每3 d采樣監(jiān)測(cè)進(jìn)出水中COD、氨氮(NH4+-N)、亞硝酸鹽氮(NO2−-N)和硝酸鹽氮(NO3−-N)濃度;COD測(cè)定使用了快速測(cè)試設(shè)備(默克NOVA60，德國(guó))，其他3類指標(biāo)分別采用《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》中的標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)定。污泥濃度(MLSS)通過重量法測(cè)定。

　　1.3 硝化速率的測(cè)定

　　從平行反應(yīng)器中各取2個(gè)生物填料加入到500 mL人工配水中，在20、10和5 ℃條件下進(jìn)行曝氣，按一定時(shí)間間隔取水樣測(cè)定NH4+-N、NO2−-N和NO3−-N。配水主要成分為NH4Cl (NH4+-N濃度28 mg·L−1)，微量元素儲(chǔ)備液1 mL·L−1。同時(shí)，取某城市污水處理廠活性污泥(水溫為14 ℃)，在MLSS稀釋為4 205 mg·L−1、NH4+-N含量為28 mg·L−1的條件下分別測(cè)定了20 ℃和10 ℃活性污泥的硝化速度。每次測(cè)定平行2次。

　　1.4 生物量采集

　　在第10 天、第112天和第147天，從各反應(yīng)器中分別取2個(gè)生物填料，將其置入磷酸緩沖液(PBS)中反復(fù)振搖，直至填料顏色變白。2 000 r ·min−1條件下進(jìn)行污泥洗脫液離心，去上清液用PBS稀釋污泥至100 mL。其中，40 mL混合液10 000 r ·min−1離心去上清液后，裝入2 mL離心管，在−20 ℃下保存;剩余部分用于污泥濃度(MLSS)分析。同時(shí)，采集污水處理廠溫度為13 ℃的污泥作為參照。

　　1.5 高通量測(cè)序

　　DNA的提取采用MP(MP Biomedicals，美國(guó))的土壤DNA提取試劑盒(Fast DNA SPIN kit for soil)。利用1%的瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè)DNA質(zhì)量，DNA濃度采用儀器NanoDrop2000(Thermo Scientific，美國(guó))測(cè)定，檢測(cè)后保存于−20 ℃冰箱備用。以基因組DNA 為模板，16S rDNA 基因的引物338F(ACTCCTACGGGAGGCAGCAG)和806R(GGACTACHVGGGTWTCTAAT)進(jìn)行PCR擴(kuò)增，有效片段500 pb。高通量測(cè)序Illumina MiSeq在上海美吉生物有限公司進(jìn)行。

　　通過QIIME (http://qiime.org/tutorials/index.html)進(jìn)行序列處理;根據(jù)序列的相似度歸為多個(gè)操作分類單元(OTU)。對(duì)97%的相似水平下的OTU進(jìn)行生物信息統(tǒng)計(jì)分析，軟件平臺(tái)為Usearch(version 7.0 http://drive5.com/uparse/)。

　　2 結(jié)果與討論

　　2.1 反應(yīng)器的污水處理性能

　　平行反應(yīng)器的COD去除效果如圖2所示。在147 d的運(yùn)行期間，進(jìn)水COD濃度為300~500 mg·L−1，而出水COD濃度基本保持在 30 mg·L−1以下。操作全程溫度下降對(duì)反應(yīng)器COD去除的影響甚微。

　　進(jìn)水NH4+-N濃度范圍為30~40 mg·L−1。當(dāng)水溫降至10 ℃時(shí)，出水中的NH4+-N濃度開始出現(xiàn)上升，且NO2−-N發(fā)生積累(圖2)。運(yùn)行至第45天時(shí)，HRT從8 h調(diào)整至10 h，并在第96天增加為14 h，期間出水中的NH4+-N與NO2−-N積累現(xiàn)象均消失。水溫降至5 ℃時(shí)，2個(gè)反應(yīng)器出水中的NH4+-N與NO2−-N濃度均未再出現(xiàn)明顯升高。

圖2 生物接觸氧化反應(yīng)器COD、NH4+-N和NO2−-N去除性能

　　2.2 不同運(yùn)行溫度下的生物接觸氧化污泥的比硝化速率

　　以常規(guī)城市污水處理廠的活性污泥為參照，測(cè)定了活性污泥、10 ℃生物接觸氧化污泥、5 ℃生物接觸氧化污泥在不同溫度條件下的比氨氧化速率，結(jié)果如圖3所示。 10 ℃和5 ℃水溫條件下運(yùn)行的生物接觸氧化污泥均能維持一定的氨氧化能力。表1總結(jié)了這3類污泥在不同溫度下的比氨氧化速率和比硝酸鹽生成速率�；钚晕勰嘣�20 ℃下的比氨氧化速率和比硝酸鹽生成速率分別為2.44、2.72 mg·(g·h)−1(以MLSS計(jì))，而10 ℃與5 ℃生物接觸氧化污泥在20 ℃下的比氨氧化速率和比硝酸鹽生成速率僅為0.45、0.8 mg·(g·h)−1和0.41、0.72 mg·(g·h)−1，表明生物接觸氧化污泥的硝化速率明顯低于活性污泥。但水溫從10 ℃降低至5 ℃并未影響生物接觸氧化污泥的硝化能力。具體聯(lián)系污水寶或參見http://www.yiban123.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

　　一般來說，硝化菌的硝化速率隨著溫度下降而成比例下降。例如，有關(guān)穩(wěn)定塘的研究發(fā)現(xiàn)，污泥在5、10、20 ℃下的氨氧化及硝酸鹽生成速率(以N計(jì))分別為11.2、20.5、40.4 mg·(g·h)−1 (以MLVSS計(jì)) 。因此，生物填料污泥在10 ℃和5 ℃下的比硝化速率相近，表明生物填料中硝化細(xì)菌可能發(fā)生了富集或種群發(fā)生了變化。

圖3 不同運(yùn)行溫度下生物填料污泥的NH4+-N氧化速度

表1 生物接觸氧化污泥與活性污泥在不同溫度下的比硝化速率

　　2.3 不同階段生物接觸氧化污泥種群結(jié)構(gòu)

　　為了闡明降溫過程中生物接觸氧化系統(tǒng)硝化能力基本保持不變的原因，對(duì)20、10和5 ℃下運(yùn)行的生物接觸氧化污泥進(jìn)行了高通量測(cè)序分析。

　　屬水平種群維恩圖(圖4)顯示，隨著溫度的下降，生物接觸氧化污泥顯著保留了核心種群。3種運(yùn)行溫度下的接觸氧化污泥的屬數(shù)目一共為404種，而共有種屬數(shù)目為249，占61.6%。當(dāng)運(yùn)行水溫從20 ℃降低至10 ℃時(shí)，這2類生物接觸氧化污泥的共同種屬數(shù)為291，占其總種屬數(shù)的72.0%;而當(dāng)運(yùn)行水溫從10 ℃降低至5 ℃時(shí)，這2類污泥共同擁有278個(gè)屬，占其總種屬數(shù)的68.8%;而初始20 ℃污泥與最終的5 ℃污泥相比，其共同種屬也達(dá)到了260個(gè)，占總種屬數(shù)的比例為64.4%。

　　上述結(jié)果表明，生物接觸氧化污泥具有相當(dāng)穩(wěn)定的生物群落結(jié)構(gòu)，在降溫過程中保留了數(shù)量龐大的核心種群，這可能是溫度下降并未導(dǎo)致反應(yīng)器污染物去除性能下降的重要原因。

圖4 不同階段生物接觸氧化污泥屬水平venn圖

　　高通量測(cè)序結(jié)果表明，生物接觸氧化反應(yīng)器中最主要的氨氧化細(xì)菌和亞硝酸鹽氧化細(xì)菌分別為亞硝化單胞菌屬(Nitrosomonas)和硝化螺旋菌屬(Nitrospira)。圖5顯示當(dāng)水溫保持在5 ℃連續(xù)運(yùn)行時(shí)，生物接觸氧化污泥中硝化螺旋菌屬和亞硝化單胞菌的豐度反而呈現(xiàn)出上升趨勢(shì)，這可能是5 ℃生物接觸氧化污泥比硝化速率與10 ℃污泥基本一致的重要原因。前期關(guān)于膜生物反應(yīng)器的研究也發(fā)現(xiàn)，硝化螺旋菌屬在降溫過程中(19.7~8.7 ℃)其豐度可以從8.9%增加至最多的15.1% 。然而低溫條件下硝化菌群的富集原因仍然有待于進(jìn)一步深入研究。

圖5 各階段生物接觸氧化污泥中硝化菌相對(duì)豐度

　　綜上所述，溫度下降不可避免地會(huì)導(dǎo)致生物硝化速率的下降。但本研究結(jié)果表明，通過適當(dāng)延長(zhǎng)水力停留時(shí)間，生物接觸氧化反應(yīng)器可以在5 ℃水溫下獲得良好的硝化效果，這主要是因?yàn)樯�物接觸氧化污泥中維持了較高豐度的亞硝化單胞菌屬和硝化螺旋菌屬，說明生物接觸氧化反應(yīng)器對(duì)于維持低溫下的硝化性能具有一定的優(yōu)勢(shì)。此外，本研究結(jié)果也顯示，在溫度降低之前提高硝化菌的豐度也不失為一種有效的維持低溫下硝化效果的措施，這是今后值得深入研究的一項(xiàng)研究?jī)?nèi)容。

　　3 結(jié)論

　　1)生物接觸氧化反應(yīng)器在5 ℃、水力停留時(shí)間為14 h的條件下，可以維持穩(wěn)定的硝化性能。

　　2)硝化速率測(cè)定結(jié)果顯示，將溫度由20 ℃降至10 ℃及以下時(shí)，顯著降低了生物接觸氧化污泥的比硝化速率，但在低溫條件下，5 ℃與10 ℃生物接觸氧化污泥幾乎保持了相同的比硝化速率。

　　3)高通量測(cè)序結(jié)果顯示，降溫過程中，生物接觸氧化污泥保留了數(shù)量龐大的核心種屬，同時(shí)硝化細(xì)菌豐度在長(zhǎng)期低溫下發(fā)生了一定的富集，但相關(guān)機(jī)制有待于進(jìn)一步研究。(來源：環(huán)境工程學(xué)報(bào) 作者：楊思敏)