磁环境下AAO工艺中的微生物群落演替规律

王 越,王嘉斌,*,赵培海,宋 健

(1.济南大学土木建筑学院,山东济南 250002;2.利津县胜瑞城市建设集团有限公司,山东东营 257400;3.山东省环境保护科学研究设计院有限公司,山东济南 250109)

AAO工艺被广泛地应用于世界各地的污水处理厂以处理各种类型的水污染物,是应用最为成熟的城市污水生物处理工艺之一[1]。近些年,人们逐渐发现常规AAO工艺活性污泥的菌群结构中,进一步提升反硝化菌、硝化菌相对丰度的难度较大,其脱氮除磷效能提升遇到了瓶颈,难以满足愈加严苛的氮、磷等无机污染物排放标准。

为进一步提升其处理效能,AAO工艺结构被多次改良与优化。Zhang等[2]通过AAO反应器与曝气生物滤池结合的方式,强化了AAO反应器的反硝化过程,提升了AAO工艺对总氮的去除率。Huang等[3]通过电场与AAO工艺结合的方式,改善活性污泥中微生物的群落结构,促进了多种类型脱氮细菌的生长。吴延虎等[4]发现悬浮填料可以强化活性污泥中的优势菌群,使其具有更强的脱氮效率。Li[5]等构建以移动床生物膜反应器(MBBR)为生物载体的AAO反应器,优化了碳源消耗和微生物群落结构。Wang等[6]利用生物膜强化的AAO反应器,使AAO具有更高的反硝化能力和更合理的菌群结构。Fan等[7]通过分段配水的方式,优化了AAO的群落结构。

近些年的研究发现,磁场作为一种稳定且高效的辅助方法,在生物脱氮方面有着巨大的潜力[8]。Wang等[9]发现静磁场改变了膜生物反应器(MBR)内微生物种群的群落结构和相对丰度占比,使MBR具有更高的污染物去除率。Hu等[10]通过对序批式反应器(SBR)的生物磁效应研究,证明了磁场可通过提高微生物的胞外聚合物和聚羟基丁酸酯合成的方式,强化微生物电子迁移能力,提升反应器对总氮的去除率。Chen等[11]通过投加磁粉的方式,提升了MBBR硝化菌群与反硝化菌群的生物量,提升了整体的同步硝化反硝化效能,促进总氮去除。Zaidi等[12]发现磁场可以提升相关菌群的生物活性,增加污染物的去除性能和降解能力。Chen等[13]和Ceng等[14]研究发现磁场可以提升污泥指数(SVI)、污泥浓度(MLSS/MLVSS)等,加速好氧颗粒污泥(AGS)的形成,并在一定程度上改变系统中微生物的多样性与均匀性,与无外磁场相比,磁环境下的微生物具有更高的信号转导、细胞活力相关的功能基因表达量。AAO工艺作为厌氧、缺氧及好氧环境交替并存,好氧菌、厌氧菌、兼性厌氧菌混生的复杂生物体系,磁场对于各微生物种群的差异性影响及其对AAO处理效能的作用规律研究尚不够深入。

本文拟在磁场环境下启动AAO反应器,对比研究磁环境下AAO反应器启动与污染物去除特性,解析其微生物群落结构与功能基因的变化规律,并探究其分子生物学机理,为AAO工艺群落结构优化提供新的理论参考。

1 材料与方法

反应器由有机玻璃制成(图1),为长方体,有效容积为40 L,厌氧区、缺氧区和好氧区的体积比为1∶1∶2,配备永磁体、计量泵、循环提升泵和曝气装置。

图1 反应器工艺流程

组建反应器R1、R2,其中R1作为对照组不投加磁场,R2通过角钢架在反应器两侧固定永磁体,其对反应器施加的平均磁场强度为5 mT。反应器接种济南市某大型污水厂的回流污泥区污泥,MLSS为3 500 mg/L;运行温度为21～24 ℃,污泥停留时间(SRT)为15 d,水力停留时间(HRT)为16 h,曝气池溶解氧(DO)质量浓度为2 mg/L,污泥回流比为50%,混合液回流比为200%。试验进水采用人工模拟生活废水,使用无水乙酸钠、氯化铵配制进水CODCr、氨氮;碳酸氢钠、磷酸二氢钾、无水硫酸镁、无水氯化钙为活性污泥提供常量元素,投加适量花园土壤浸出液提供微量元素,并通过碳酸氢钠补充曝气时消耗的碱度,使出水pH值维持在7～8。

2 结果与分析

2.1 反应器启动特性分析

两组反应器接种启动后,每天取样一次测定进水、出水的CODCr、氨氮、总氮,结果如图2～图4所示。磁场的存在使接种污泥更快适应了新运行环境,缩短了AAO反应器的启动过程,磁场反应器R2有更高的脱氮效率和更短的启动时间。R1的CODCr去除率在第18 d之后稳定在90%(图2),R2在14 d时开始稳定在90%以上。反应器运行至11 d时,R2氨氮去除率达到95%以上,而R1反应器一直缓慢提升,直到运行16 d时氨氮去除率提升至90%(图3),之后两反应器氨氮去除率均维持在95%以上。R2的平均总氮去除率比R1高6%,达到89%,且稳定出水时间要比R1早5 d(图4)。

图2 不同反应器启动过程CODCr浓度变化及去除率

图3 不同反应器启动过程氨氮浓度变化及去除率

图4 不同反应器启动过程总氮浓度变化及去除率

在CODCr去除率相差不大的情况下,R2具有更高的总氮去除率,推测是因为磁场环境的存在,影响到了碳源的消耗途径,有更多的碳源供给反硝化过程,从而降低了反应器出水的总氮浓度。

2.2 群落结构分析

使用因美纳公司的Illumina NovaSeq测序平台对R1、R2反应器30 d时的沉淀池污泥样本与接种污泥留样进行双末端测序,引物序列为CCTAYG-GGRBGCASCAG(341F)、GGACTACNNGGGTATCT-AAT(806R)。后经过拼接过滤,操作分类单元(OTUs)聚类,进行物种注释及丰度分析并创建小区域基因文库,最后使用PICRUSt分析方法推断不同菌群的基因功能。

使用Qiime(Version 1.9.1)计算原生接种污泥(R)和R1、R2生物样本的Chao 1、Ace、Shannon、Simpson和Good′s coverage 5项α多样性指标,对每个样本的覆盖度的多样性估计如表1所示。在本研究中,所有样品的Good′s coverage覆盖率均为0.993,确保了其检查测效果的真实性。

表1 3组样品中微生物的α多样性指标

如表1所示,R2中的微生物丰富度(由Chao 1和Ace估计)和多样性(由Shannon和Simpson估计)较R1有较大幅度升高。说明磁场的存在有利于提升物种多样性,使脱氮细菌分布更加丰富[10,15]。

基于样品OUTs进行生物群落结构主成分分析(PCA),结果如图5所示。相对于R,两组反应器启动成功后的微生物群落结构均发生较大变化。随着两组反应器的运行,表现出了物种的优胜劣汰现象,优势菌群出现更替并不断壮大,部分种群消亡,群落物种多样性降低。对比R1、R2的样品生物多样性可以发现,磁场的存在有助于提升反应器内生物多样性,提高群落结构的稳定性。这有可能是磁场的介入可以控制优势菌群的持续壮大,平衡了种群间的底物竞争,为部分非优势菌群提供了生存空间。

图5 3组样品中群落结构PCA分析

为进一步探究活性污泥的潜在途径和功能,深入解析磁环境下AAO系统的工作机理,通过高通量测序的物种注释与丰度分析,在门水平和属水平上对样本的物种组成和群落结构相对丰度变化规律进行了解析,如图6～图7所示。

图7 属水平微生物群落相对丰度

从门水平(图6)看,变形菌门(Proteobacteria)、拟杆菌门(Bacteroidota)、厚壁菌门(Firmicutes)是AAO系统中活性污泥的主要构成,这3种细菌门类在污水处理工艺中COD降解和氮去除中发挥关键作用[16]。变形菌门是污水处理反应器、沉淀物、活性污泥中最丰富的门之一,分别占样品的33%、75%、37%。

图7列举了属水平上相对丰度前30的细菌种类,其中前10相对丰度的菌群几乎均与脱氮反应相关。在添加磁场后,变形菌门中的固氮螺旋菌属(Azospira)的相对丰度从1%上升至7%,明显高于R1和R反应器。文献[17]表明固氮螺旋菌属作为一种重要的反硝化菌属,其可在缺氧和微嗜氧下进行脱氮反应。可以在厌氧条件下以硝态氮为电子受体进行厌氧呼吸的嗜氢菌属(Hydrogenophaga)与可以进行反硝化的OLB8属[18-19]相对丰度均提升至4%左右;聚糖假丝酵母菌属(Candidatuscompetibacter)(相对丰度占比为4%)和陶厄氏菌属(Thauera)(相对丰度占比为1%)在污水处理系统中是主要的短程反硝化菌属[20]。上述具有反硝化能力的菌属的相对丰度占比总和从R1的小于5%上升至R2的20%,表明磁场环境的存在有助于反硝化菌群的繁衍。磁场对反硝化菌属的正向作用大幅提升了系统的反硝化能力,这也较好解释了R2总氮去除率上升的原因。R2中变形菌门的丝硫菌属(Thiothrix)的相对丰度由61%下降至3%,丝硫菌属常在膨胀污泥中被大量检出,在生物量相同的情况下丝状菌提高了污泥的表观黏度,导致污泥膨胀。磁环境下丝硫菌属生存受到抑制,说明磁场对丝硫菌属的增殖与活性有重大影响,通过这种方式,磁场环境能改善部分由丝硫菌属引起的污泥膨胀。在前10相对丰度属种群中,拟杆菌门中的OLB12在磁环境中相对丰度有所上升,而变形菌门的Ellin6067相对丰度则出现下降,这两种具有硝化能力的菌属在总相对丰度上保持均衡,所以R1与R2反应器表现出了相差无几的氨氮去除率。

2.3 功能基因分析

为进一步解析磁场对AAO工艺的影响机理,使用PICRUSt判断磁环境下AAO系统中的细菌潜在功能,分析结果如图8～图9所示。新陈代谢(49.43%～49.74%)是菌群最重要的功能基因,其次是遗传信息处理,占16.76%～17.17%,环境信息处理基因和细胞过程基因也占有较大地位,剩余基因类别的相对丰度低于5%(图8)。5 mT磁场环境下的AAO中微生物功能基因与接种污泥和对照AAO存在显著差异(图9)。

图8 一级功能基因雷达图

图9 3组样品微生物一级功能基因PCA

由图10可知,膜运输是R与R1中相对丰度最高的基因类别,膜运输作为一级功能基因中环境信息处理的主要途径,能帮助微生物获取更多有机物。R2中的膜运输类基因丰度出现明显下降,说明磁场可通过抑制膜运输基因的表达来减少部分异养微生物(如Thiothrix等)对有机碳源的获取量。由此,有机碳源竞争力偏弱的反硝化菌群获得了更多的摄取碳源的机会,进而提升反硝化菌群在AAO中的竞争力,这也较好解释了图4中R2反应器反硝化菌群总相对丰度上升的现象。磁环境下,细胞运动类基因相对丰度较R1提升75%,说明磁场有助于提升细胞的活性,促进底物的捕获与代谢,这也是R2反应器能更快启动的重要原因。

图10 二级功能基因相对丰度

3 结论

(1)磁场对AAO工艺的启动过程有较明显影响,两组反应器接种运行30 d内,磁环境下的AAO成功启动所需的天数较无磁场少5 d,平均总氮去除率比无磁场环境的AAO反应器高6%。

(2)磁场会影响到AAO反应器的微生物群落结构,通过高通量测序发现磁场环境下AAO反应器具有反硝化能力的菌群相对丰度大幅上升,其相对丰度占比从R1的5%上升至R2的20%,从而有效提升了总氮去除效能;变形菌门中的丝硫菌属相对丰度占比出现大幅下降,磁场表现出抑制丝状菌过度繁殖的作用。

(3)基因预测分析表明,磁场通过刺激细胞运动,使细胞更具活力,从而缩短反应器启动时间;磁场抑制了膜运输类基因的表达,提高了反硝化过程对机碳源的竞争力,提升了反硝化菌群的相对丰度。