ABRMBR组合工艺短程硝化过程的微生物种群赵诗惠

中国环境科学2018,38(2)：566~573ChinaEnvironmentalScienceABR-MBR组合工艺短程硝化过程的微生物种群赵诗惠1,2,吕亮1,2,蒋志云1,2,吴忆宁1,2,吴鹏1,2,3,沈耀良1,2,3*(1.苏州科技大学环境科学与工程学院,江苏苏州215009；2.江苏省水处理技术与材料协同创新中心,江苏苏州215009；3.江苏省环境科学与工程重点实验室,江苏苏州215009)摘要：采用Miseq高通量测序技术研究氨氮进水负荷对ABR-MBR组合工艺MBR池中微生物种群的丰度及优势菌群的影响.结果表明,温度为28~32℃、pH值为7.1~7.4、DO为0.5~1mg/L并逐步提高氨氮进水负荷的条件下,可以使氨氧化菌(AOB)大量富集,并抑制亚硝酸盐氧化菌(NOB)的活性,从而实现短程硝化的稳定运行.在氨氮进水负荷为0.94kg/(m3·d)时,平均亚硝酸盐积累率达到60%以上,氨氮去除率稳定在90%.在系统运行过程中,变形菌门是系统中的优势菌门,Nitrosomonas的相对丰度由4.97%升至22.56%,硝化螺菌属的相对丰度为0.06%~2.12%.因此,ABR-MBR组合工艺短程硝化过程中亚硝酸盐积累率与AOB的活性、相对丰度密切相关,即AOB的大量富集可以有效实现短程硝化,而NOB的小幅度增长不会影响短程硝化的实现.系统中微生物种群的多样性和功能微生物的结构稳定性保证了ABR-MBR工艺具有稳定和较好的处理效果.关键词：短程硝化；氨氧化菌；亚硝酸盐氧化菌；微生物种群；高通量测序中图分类号：X703文献标识码：A文章编号：1000-6923(2018)02-0566-08AnalysisofmicrobialpopulationofshortcutnitrificationinABR-MBRprocess.ZHAOShi-hui1,2,LÜLiang1,2,JIANGZhi-yun1,2,WUYi-ning1,2,WUPeng1,2,3,SHENYao-liang1,2,3*(1.SchoolofEnvironmentalScienceandEngineering,SuzhouUniversityofScienceandTechnology,SuzhouJiangsu215009,China；2.JiangsuCollaborativeInnovationCenterofWaterTreatmentTechnologyandMaterial,SuzhouJiangsu215009,China；3.KeyLaboratoryofEnvironmentalScienceandEngineeringofJiangsuProvince,SuzhouJiangsu215009,China).ChinaEnvironmentalScience,2018,38(2)：566~573Abstract：Theeffectsofinfluentammoniumloadingrate(ALR)onthespeciesabundanceofmicrobialcommunitiesanddominantbacterialintheABR-MBRcombinedprocesswereinvestigatedbyMiseqhigh-throughputsequencing.Theresultsindicatedthatthenumbersofammoniumoxidizingbacteria(AOB)canbesignificantlyincreasedandthebio-activitiesofnitriteoxidizingbacteria(NOB)canbeinhibitedatthetemperatureof28~32℃,pHof7.1~7.4andDOof0.5~1mg/LbygraduallyincreasingtheinfluentALRintheMBR.Sothattheshortcutnitrificationwillbeachievedefficientlyandstably.WheninfluentALRwas0.94kg/(m3·d),theaveragenitriteaccumulationratewasabove60%,andNH4+-Nremovalratewas90%.Proteobacteriawerethedominantbacterial.TherelativeabundanceofNitrosomonaswasincreasedfrom4.97%to22.56%,therelativeabundanceofNitrospirawasincreasedfrom0.06%to2.12%duringtheoperation.Therefore,thenitriteaccumulationrateswerecloselyrelatedtothebio-activitiesandabundanceofAOBofshortcutnitrificationtheprocess.ItsshowedthatshortcutnitrificationcanbeefficientlyachievedbyalargenumberofAOBgrowth.Still,aslightincreaseofNOBabundancehadlittleeffectontherealizationofshortcutnitrification.ThemicrobialdiversityanditsfunctionalstructurestabilityweretheguaranteeofastableandhighremovalefficiencyintheABR-MBRcombinedprocess.Keywords：shortcutnitrification；ammoniumoxidizingbacteria；microbialpopulation；nitriteoxidizingbacteria；high-throughputsequencing收稿日期：2017-07-12基金项目：国家自然科学基金资助项目(51578353);江苏省自然科学基金资助项目(BK20160356);江苏省高校自然科学研究项目(16KJB610013);苏州科技学院科研基金青年项目(XKQ201504)*责任作者,教授,[e-mail]:10.19674/j.cnki.issn1000-6923.2018.00652期赵诗惠等：ABR-MBR组合工艺短程硝化过程的微生物种群567目前,废水生物处理中的短程硝化是污水处理领域的研究热点[1-2],而微生物在系统中的种群特征研究有待进一步深入开展.已有的研究表明,在污水处理系统活性污泥中AOB是占主导地位的优势菌群[3-4],可通过控制水力停留时间[5-6]、溶解氧[7-8]、pH值[9]、温度[10-11]等因素使AOB大量富集以实现短程硝化[12].微生态系统的特征直接影响废水处理的效果,因此,分析和研究微生物的特性十分重要,这不仅对短程硝化工艺的优化和控制提供依据,也为开发新型短程硝化工艺具有很重要作用.现代分子生物学技术可以较精确的分析微生物多样性,且广泛应用于微生物群落结构、功能菌分布特征等方面[13-14],如聚合酶链反应(PCR)、荧光原位杂交技术(FISH)、实时荧光定量PCR、高通量测序和克隆测序等方法[15-19].高通量测序技术作为新一代微生物种群鉴定技术,具有分析结果准确、高效和高灵敏度等特点,在环境微生物领域应用广泛.本研究采用Miseq高通量测序手段对ABR-MBR组合工艺短程硝化过程中微生物种群丰度、多样性及优势菌群分布特征进行分析,以期为短程硝化过程提供理论支持.1材料与方法1.1试验装置进水泵污泥回流泵R1消化回流泵空气泵R2出水泵中空纤缝膜微孔曝气头配水桶蓄水烧杯图1ABR-MBR组合工艺实验装置Fig.1SchematicdiagramofABR-MBRsetup采用的ABR-MBR组合工艺试验装置如图1所示.该装置由4个隔室的ABR反应器和MBR好氧池耦合而成,均采用有机玻璃制成.ABR反应器和MBR好氧池的有效容积分别为7.2L和3.6L,MBR好氧池底部采用微孔曝气装置.1.2试验水质和接种污泥试验用水为低C/N模拟生活污水,详见表1.反应器的接种污泥取自苏州市某城市污水处理厂,为全程硝化污泥,硝化性能良好.ABR和MBR反应器接种污泥MLSS分别约为28000mg/L和4000mg/L.表1ABR-MBR组合工艺进水水质Table1CharacteristicsoftheinfluentwastewaterinABR-MBRprocess范围均值水质指标ABR进水MBR进水ABR进水MBR进水COD(mg/L)292.4~431.824.4~80.5377.852.2NH4+-N(mg/L)47.3~59.512.9~29.454.520.7NO2--N(mg/L)0~0.010.01~1.90.0040.5NO3--N(mg/L)0.05~1.20.05~5.80.52.4PO43--P(mg/L)6.7~9.40.4~3.68.11.71.3ABR-MBR组合工艺的运行本研究的ABR-MBR反应器运行数据取自第41d~179d,根据运行参数将试验分为9个阶段(~ⅠⅠ)如表2所示.研究过程中,通过水浴加热控制温度为28~32℃、pH值为7.1~7.4、保持MBR溶解氧浓度为0.5~1mg/L.表2ABR-MBR组合工艺试验方案及运行参数Table2ExperimentalschemesandparameterofABR-MBRprocessesHRT(h)试验阶段ABRMBR污泥回流比(%)硝化液回流比(%)MBR氨氮进水负荷[kg/(m3·d)](41Ⅰ~53d)1261001000.21(54Ⅱ~67d)1251001000.23(68Ⅲ~87d)1241001000.32(88Ⅳ~101d)961002000.36(102Ⅴ~115d)951002000.41(116Ⅵ~135d)941002000.50(136Ⅶ~151d)631003000.94(152Ⅷ~165d)641003000.75(166Ⅸ~179d)651003000.61568中国环境科学38卷1.4水质指标的检测和方法反应器运行期间,定期采集水样经0.45µm中性滤纸过滤后,按照国家环保部规定的标准方法《水质和废水监测分析方法》[20]对COD、氨氮(NH4+-N)、硝酸盐氮(NO3--N)、亚硝酸盐氮(NO2--N)和磷酸盐(PO43--P)指标进行测定分析.其中COD采用快速消解法,NH4+-N采用纳氏试剂光度法,NO3--N采用紫外分光光度法,NO2--N采用N-(1-萘基)-乙二胺分光光度法,PO43--P采用钼锑抗分光光度法.为方便数据分析,定义亚硝酸盐积累率(NAR)如式(1):223(N)NONAR100%(NON)(NON)ccc−−−−=×−+−(1)式中:c(NO2--N)和c(NO3--N)是MBR好氧池平均出水NO2--N和NO3--N的浓度,mg/L.1.5微生物多样性的检测和方法样品采集:为研究短程硝化系统中的微生物种群,在MBR氨氮进水负荷为0.32、0.50、0.94kg/(m3·d)且稳定运行时期,于MBR中部进行取样,污泥样品对应编号为M1、M2和M3.总DNA的提取与PCR扩增:采用FastPrepDNA提取试剂盒法(QBIOGENE,USA)DNA,完成基因组DNA抽提,并利用1%琼脂糖凝胶电泳检测抽提的基因组DNA.PCR扩增测序区域为338F_806R,扩增引物采用16SRNA基因V3~V4区通用引物(338F/806R).引物名称和引物序列分别是338F(ACTCC