AAO污水处理工艺中厌氧氨氧化效能及微生物交互作用

中国环境科学2016,36(7)：1988~1996ChinaEnvironmentalScienceAAO污水处理工艺中厌氧氨氧化效能及微生物交互作用王衫允1,马斌2,贾方旭2,彭永臻1,2*(1.哈尔滨工业大学,城市水资源与水环境国家重点实验室,黑龙江哈尔滨150090；2.北京工业大学,北京市水质科学与水环境恢复工程重点实验室,北京市污水脱氮除磷处理与过程控制工程技术研究中心,北京100124)摘要：选取3座AAO工艺市政污水处理厂为研究对象,应用qPCR和15N稳定同位素示踪技术,考察活性污泥样品中厌氧氨氧化菌丰度、速率、功能及与其他氮循环微生物的季节性交互作用.结果表明,所有样品中均能检测到厌氧氨氧化菌,其丰度为106~107copies/gVSS,速率为0.11~0.90µmolN/(gVSS·h).较自养硝化而言,异养反硝化过程不仅具有为厌氧氨氧化菌提供更多NO2-的潜势,还是NO2-的强力竞争者;而自养硝化过程中的AOB较AOA能提供更多NO2-.厌氧氨氧化菌对氨氧化的贡献率为2.55%~7.89%,对系统脱氮的贡献率为2.07%~6.59%,且夏季表现均高于冬季.CCA结果进一步证明环境温度是活性污泥中厌氧氨氧化表现的关键环境要素之一,而反硝化和硝化速率则是关键微生物因素.说明虽然厌氧氨氧化菌在污水生物处理系统中的丰度并不高,但依然起着不容忽视的脱氮效能,该研究结果补充了污水生物处理脱氮过程和氮素迁移转化过程中的氮平衡计算,为厌氧氨氧化在低氨氮城市污水处理领域的生产性应用提供理论支持.关键词：厌氧氨氧化；硝化；反硝化；氨氧化；脱氮效率中图分类号：X703.5文献标识码：A文章编号：1000-6923(2016)07-1988-09TheroleandmicrobialinteractionofanammoxinWWTPswithAAOprocess.WANGShan-yun1,MABin2,JIAFang-xu2,PENGYong-zhen1,2*(1.StateKeyLaboratoryofUrbanWaterResourceandEnvironment,HarbinInstituteofTechnology,Harbin150090,China；2.KeyLaboratoryofBeijingforWaterQualityScienceandWaterEnvironmentRecoveryEngineering,EngineeringResearchCenterofBeijing,BeijingUniversityofTechnology,Beijing100124,China).ChinaEnvironmentalScience,2016,36(7)：1988~1996Abstract：BasingonqPCRassayand15Nisotopetracingtechnique,theabundance,rate,role,andmicrobialinteractionofanammoxwasinvestigatedinthreeWWTPsofanaerobic-anoxic-oxic(AAO)process.Resultsshowedanammoxbacteriawasdetectedinallsampleswithabundanceof106~107copies/gVSS,andrateof0.11~0.90µmolN/(gVSS·h).Asforthemicrobialinteractionamonganammoxandothermicrobialprocess,heterotrophicdenitrificationwasnotonlyamoreimportantproviderbutastrongercompetitorforNO2-,comparedwithautotrophicnitrification,inwhichAOBwasthemajorNO2-producer.Therolesofanammoxtoammoniaoxidationandnitrogenremovalwerecalculatedtobe2.55%~7.89%and2.07%~6.59%,respectively,andtheroleofanammoxinsummerwashigherthanthatinwinter.Further,canonicalcorrespondenceanalysis(CCA)provedthetemperatureisoneofthekeyenvironmentalvariables,andnitri-&denitri-rateswereprimarymicrobialfactorsforanammox.Resultssuggestedalthoughtheabundanceofanammoxbacteriawasnothigh,thewidespreadofanammoxplayedanoverlookedroleofNremoval,whichsupplementedNbalancecalculationinbiologicalwastewatertreatmentprocess,andprovidedtheoreticalsupportfortherealizationofanammoxinthefieldoflow-NH4+-Nsewagetreatment.Keywords：anammox；nitrification；denitrification；ammoniaoxidation；nitrogenremovalrate传统氮循环理论认为,异养反硝化是自然界氮气生成的唯一生物过程,而新型氮循环过程厌氧氨氧化的发现改变了这一认识.厌氧氨氧化(Anammox)是指在缺氧条件下厌氧氨氧化菌以亚硝酸盐(NO2-)为电子受体将氨(NH4+)直接氧化为氮气(N2)的生物过程,其中,厌氧氨氧化菌是一类化能自养型细菌,30~40℃条件下,倍增时间为10~14d[1].收稿日期：2016-01-21基金项目：国家自然科学基金资助项目(51478013);哈尔滨工业大学城市水资源与水环境国家重点实验室开放基金项目(QAK201502)*责任作者,中国工程院院士,[e-mail]7期王衫允等：AAO污水处理工艺中厌氧氨氧化效能及微生物交互作用1989目前,厌氧氨氧化已被广泛发现于自然生态系统.在海洋系统,厌氧氨氧化多发生于洋流交汇区,即氧最小区(OMZ)[2],且承担了超过50%的氮循环贡献量[3].而在陆地系统的多种环境条件[4-5]均检测到具有活性的厌氧氨氧化反应,且在湖泊岸边带系统发生厌氧氨氧化“热区”效应,对氮循环的贡献率高达35%[5-6].厌氧氨氧化在海洋和陆地自然生态系统的广泛发现表明,厌氧氨氧化菌具有广阔的生态位[7],且对氮循环起重要的作用,同时推测,在高氮通量和介质交汇区易发生活跃的厌氧氨氧化反应[8].厌氧氨氧化同样被发现于部分人工生态系统,如:人工湿地[9]、农田[10]等.作为世界上最大最典型的人工生态系统应用,污水处理厂利用人工强化生物硝化反硝化过程来实现氮污染废水的净化,对解决水体富营养化甚至全球氮循环都起到不可忽视的作用.氨氮作为污水最主要的污染物之一,使污水处理厂具有极高的氮通量[11];由于曝气搅拌等基础工艺运行条件引起泥水两相介质间进行频繁的交互作用[11];且厌氧氨氧化菌自身具有广阔的生态位[7].因此,推测厌氧氨氧化反应很有可能发生于普通市政污水处理系统.然而,到目前为止,厌氧氨氧化是否也广泛发生于污水处理系统,及其对氮污染物的去除能力和对氮循环的贡献率尚不明确.厌氧-缺氧-好氧工艺(AAO)是国内外应用最广泛的同步脱氮除磷工艺[12].本文选取3座AAO工艺市政污水处理厂为研究对象,应用实时定量qPCR技术和15N稳定同位素示踪技术,考察季节性活性污泥样品中厌氧氨氧化菌丰度、活性、以及与其他氮循环微生物过程(硝化、反硝化)的耦合关系.探讨厌氧氨氧化在污水处理系统的存在性及其对氮污染物去除和氮循环的贡献.同时,为厌氧氨氧化在低氨氮城市污水处理领域的生产性应用提供理论支持.1材料与方法1.1污泥和进水水质特征选取3座位于中国北方的AAO工艺市政污水处理厂为研究对象,其基本运行参数详见表1.样品取自各市政污水处理厂的AAO曝气池的泥水混合物,3个平行样,冬夏两季分别取样.样品取好后,迅速置于冰上,尽快运送回实验室,一部分进行理化指标检测,一部分进行氮循环微生物过程速率测定,剩余样品储存于-80℃冰箱,用于后续分子生物学分析.1.2检测分析方法溶解氧(DO)、pH值和温度(T)采用便携式多参数水质测试仪(WTWCompany,Weilheim,Germany)原位测定;水样分析项目中的氨氮(NH4+)、硝氮(NOx-)和总氮(TN)采用连续流动分析仪(QuickChem8500,LachatInstruments,Milwaukee,WI,USA)测定;COD和挥发性悬浮固体浓度(VSS)依据国家标准方法[13]测定.理化指标结果详见表1.1.3DNA提取和qPCR技术称取0.2g左右经-50℃冷冻干燥处理的活性污泥样品,利用土壤DNA快速提取试剂盒(Bio101,Vista,CA)提取样品的总DNA.分别采用通用引物341f/535r和特异性功能基因引物HSBeta396F/HSBeta742R对全细菌和厌氧氨氧化细菌进行定量分析,引物序列、反应体系及升温程序见文献[14,16-18].标准曲线是将已知浓度的质粒DNA进行10倍梯度稀释建立完成.标准品和待测样均设3个平行,同时设置阴性对照,要求扩增效率和可决系数R2分别大于95%和0.98.1.4各氮循环微生物过程速率测定1.4.115N稳定同位素技术测定厌氧氨氧化和反硝化速率取10.0mL已知污泥浓度的泥水混合物分别加入数个柱状平底玻璃瓶(Labco,UK)中,注满饱和氦气吹脱过的实际污水,营造无氧环境,于原位温度(夏天:24℃,冬天:13℃)进行前处理,耗尽样品残留NOx-;分别注入丰度为99.3%的Na15NO3的15N或丰度为98.2%的(15NH4)2SO4的15N,保证各瓶内NO3-和NH4+的总终浓度达50mg/L左右,其中①阴性对照组,加15NH4+;②阳性对照组,加14NO3-和15NH4+;③正常反应组,加15NO3-和14NH4+.1990中国环境科学36卷表13个AAO工艺市政污水处理厂的运行参数及进出水指标Table1Operationalparameters,influentandeffluentcharacteristicsofthethreemunicipalWWTPswithAAOprocess进水水质(mg/L)出水水质(mg/L)污水处理厂日处理量(×103m3/d)SRT(d)HRT(h)DO(mg/L)VSS(mg/L)温度(oC)NH4+NOx-TNCODNH4+NOx-TNCODAAO-14017141.9586424±0.4a450.356.25320.615.113.525.3±0.1±85613±0.3b±10.1±0.1±10.5±102±0.3±2.4±5.3±5.6AAO-250015122.3318524±0.5a48.80.550.32540.415.116.240.6±0.3±76813±0.3b±12.4±0.1±10.4±116±0.1±3.3±0.3±6.3AAO-360015112.1394024±0.3a510.3635192.511.115.528.5±0.4±67313±0.4b±9.1±0.1±15.4±168±0.4±0.2±2.3±2.1注:a-夏季;b-冬季.在旋转培养器上进行32h连续培养,按照0,4,8,16,32h时间点,向对应Labco培养瓶中注入200µL7mol/LZnCl2溶液终止