MUCT短程硝化和反硝化除磷系统中CandidatusAccumulibacter的代谢活性

中国环境科学2013,33(7)：1298~1308ChinaEnvironmentalScienceMUCT短程硝化和反硝化除磷系统中CandidatusAccu-mulibacter的代谢活性和菌群结构曾薇,李博晓,王向东,白鑫龙,彭永臻*(北京工业大学环境与能源工程学院,北京100124)摘要：采用实现亚硝酸型硝化的MUCT工艺处理低C/N实际生活污水,在短程硝化的基础上实现反硝化除磷.研究短程硝化建立与破坏过程中,亚硝酸盐积累率的变化对系统除磷性能及CandidatusAccumulibacter菌群结构的影响.结果表明:MUCT除磷以反硝化除磷为主,平均反硝化除磷率高达88%.磷去除率与亚硝酸盐积累率具有很好的正相关性.短程硝化阶段磷的平均去除率比全程硝化阶段高30%以上,证明了亚硝酸盐更适合作为低C/N比污水反硝化除磷的电子受体.以多聚磷酸盐激酶基因(ppk1)作为遗传标记,采用实时荧光定量PCR方法考察不同亚硝酸盐积累率下Accumulibacter的丰度、各主要进化分支的菌群结构和相对丰度.当系统处于全程硝化状态时,存在少量以硝酸盐为电子受体的Acc-I型反硝化聚磷菌,低于总Accumulibacter的5%;当系统进入短程硝化状态后,Acc-I逐渐消失.运行期间以亚硝酸盐作为电子受体进行反硝化除磷的Acc-IID始终是优势聚磷菌,达到总Accumulibacter的92%以上,甚至接近100%,保证了亚硝酸型反硝化除磷的稳定运行,亚硝酸盐浓度是影响其丰度变化的重要因素.关键词：实际生活污水；短程硝化；反硝化除磷；实时荧光定量PCR(QPCR)；多聚磷酸盐激酶基因(ppk1)中图分类号：X703.5文献标识码：A文章编号：1000-6923(2013)07-1298-11CandidatusAccumulibactermetabolicactivityandpopulationstructureinMUCTprocesstreatingdomesticwastewaterwithnitritationanddenitrifyingphosphorusremoval.ZENGWei,LIBo-xiao,WANGXiang-dong,BAIXin-long,PENGYong-zhen*(CollegeofEnvironmentalandEnergyEngineering,BeijingUniversityofTechnology,Beijing100124,China).ChinaEnvironmentalScience,2013,33(7)：1298~1308Abstract：Nitritationanddenitrifyingphosphorus(P)removalwasachievedinModifiedUniversityofCapeTown(MUCT)processtreatingdomesticwastewaterwithalowC/Nratio.Theeffectofnitriteaccumulationonperformanceofphosphorusremovalandpopulationstructureof“CandidatusAccumulibacter”wasinvestigatedduringnitritationestablishmentanddestruction.ResultsindicatedthatPremovalwasmainlycompletedbydenitrifyingPremovalofabout88%.ThePremovalefficiencyhadaclearcorrelationwiththenitriteaccumulationrate.Undernitritation,thePremovalwas30%higherthanthatundercompletenitrification,suggestingthatnitritewasappropriatetobeusedaselectronacceptorfordenitrifyingPremovalwhentreatinglowC/Nwastewater.RealtimequantitativePCRassayswerecarriedoutusingpoly-Pkinase1(ppk1)asphylogeneticmarkertocharacterizetheabundanceoftotalAccumulibacterandtherelativedistributionsandabundancesoftheAccumulibacterclades.Undercompletenitrification,averyfewAcc-Icladebelow5%intotalAccumulibacterwaspresentusingnitrateaselectronacceptor.Whenthereactortransformedintonitritation,Acc-Icladegraduallydisappeared.TheAcc-IIDcladeusingnitriteaselectronacceptorfordenitrifyingPremovalwasalwaysthedominantAccumulibacterthroughouttheoperationalperiod,withabove92%onaverageintotalAccumulibacter,evenuptonearly100%,whichledtostableperformanceofdenitrifyingPremovalusingnitriteaselectronacceptor.ThenitriteconcentrationssignificantlyaffectedtheabundancesofAcc-IIDclade.Keywords：realdomesticwastewater；nitritation；denitrifyingphosphorusremoval；realtimequantitativePCR(QPCR)；poly-Pkinasegene1(ppk1)对于低C/N实际城市生活污水,碳源不足往往成为脱氮与除磷的限制因素.反硝化除磷菌(DPAOs)能够利用NO3-或NO2-代替O2作为电子受体[1-3],与传统生物除磷相比,反硝化除磷工艺收稿日期：2012-12-08基金项目：国家自然科学基金资助项目(51278007);教育部新世纪优秀人才支持计划项目(NCET-11-0891)*责任作者,教授,[e-mail]7期曾薇等：MUCT短程硝化和反硝化除磷系统中CandidatusAccumulibacter的代谢活性和菌群结构1299能够实现氮磷同时去除[1,4]及实现“一碳两用”,不但节约了碳源、曝气量,同时减少了剩余污泥产量[5-6].短程脱氮是将硝化反应控制在亚硝化阶段,即氨氧化细菌(AOB)将NH4+-N氧化为NO2--N,获得稳定的亚硝酸盐积累,然后反硝化菌将NO-2-N还原为N2[7].与传统生物脱氮相比,短程脱氮在理论上减少了25%的硝化需氧量,40%反硝化碳源,50%的污泥产量和反硝化池容积,是一种经济高效的生物脱氮技术[8-9].而在短程硝化的基础上实现反硝化除磷,将进一步降低碳源需求和曝气耗能,更适用于低C/N污水的处理.由于反硝化聚磷菌能够利用NO3-或NO2-作为电子受体进行反硝化除磷,因此电子受体类型对DPAOs菌群结构和代谢活性产生重要影响.研究表明[10-11],不同电子供体富集的DPAOs反硝化能力不同.但相关研究都是人工配水系统,且都认为丙酸盐更有利于反硝化聚磷菌的富集.目前还未见关于实际生活污水中电子受体类型变化对DPAOs的代谢活性和菌群结构影响的报道.本研究以处理实际生活污水的MUCT反应器为研究对象,VFAs种类和浓度水平更符合生产实际,而且反硝化除磷的电子受体为实际生活污水短程硝化和全程硝化的产物,也更符合实际工程的运行状况.已有研究表明无论是实验室规模还是生产规模的EBPR系统中,CandidatusAccumulibacter都是占主导地位的除磷微生物[12].研究者针对“Accumulibacter”菌群的16SrRNA设计不同的探针,来区分它的两种菌群类型(TypeⅠ和TypeⅡ),并对不同富集系统中Accumulibacter的反硝化能力进行了研究[10,13-14].这些研究均采用荧光原位杂交技术(FISH)对菌群进行定量,只能简单的区分两种菌群类型(TypeⅠ和TypeⅡ)或者其中IA和IIA分支的反硝化能力.而且大多只关注了硝酸盐作为电子受体时Accumulibacter菌群的动态响应,其他分支对NO3-的选择是否具有特异性仍然未知[15].对于亚硝酸盐作为电子受体的研究多集中在亚硝酸盐对聚磷菌好氧和缺氧吸磷的抑制方面[16-21],鲜有研究关注不同分支利用NO2-作为电子受体进行反硝化除磷的性能.16SrRNA是广泛采用的基因标记物,但由于16SrRNA的高度保守性使其无法区分Accumulibacter的各进化分支.聚合磷酸盐激酶(PPK1)是PAOs细胞内催化合成poly-P的关键酶,而ppk1是编码合成这种酶的功能基因,ppk1的表达过程直接影响PAOs的代谢活性和吸磷效果.Accumulibacter细胞内的ppk1是单拷贝基因,其进化速度是16SrRNA的5倍[22],是研究Accumulibacter各进化分支的很好的基因标记物.针对“Accumulibacter”的ppk1设计特异性引物,研究者又将“Accumulibacter”的两个菌群(TypeⅠ和TypeⅡ)进一步划分为不同的分支(ⅠA-E和ⅡA-G)[23-24],这为更清楚的揭示“Accumulibacter”不同分支的反硝化能力奠定了基础.已有关于ppk1作为聚磷菌基因标记物的研究都是针对不同的人工配水实验室规模反应器或污水厂的个别污泥样品的调查研究,而针对某一实际污水短程硝化和反硝化除磷系统的长期动态研究则未见相关报道.为了区分“Accumulibacter”不同的进化分支对电子受体的动态响应,本研究以实现亚硝酸型硝化的MUCT反硝化除磷系统为研究对象,考察短程硝化建立与破坏过程中电子受体类型与比例的变化对“Accumulibacter”代谢活性的影响.同时以ppk1作为遗传标记,考察了该过程中“Accumulibacter”的种群结构变化,包括种群的丰度变化和各进化支的结构变化,为处理实际城市污水的连续流系统实现短程硝化和反硝化除磷提供参考.1材料与方法1.1实验装置MUCT工艺试验装置如图1所示.反应区域由合建式的主反应区和1个二沉池组成,主反应区体积70L.试验期间主反应区分为7个格室,其中第1格室为厌氧区,第2格室为缺氧1区,第3、4格室为缺氧2区,第5、6、7格室为好氧区.厌氧区、缺氧1区、缺氧2区和好氧区体积比为1:1:2:3.在上述4个反应区采用电动搅拌器使泥水充分混合.好氧反应区底部采用微孔曝气供氧.1300中国环境科学33卷二沉池体积24L,采用中间进水周边出水的辐流式二沉池.34567788811910151419171813121621图1MUCT工艺实验装置示意Fig.1SchematicdiagramofMUCTprocess1.原水箱2.蠕动泵3.进水4.电动搅拌器5.厌氧区6.缺氧1区7.缺氧2区8.好氧区9.空气压缩机10.转子流量计11.DO测定仪12.曝气头13.止回阀14.二沉池15.出水16.缺氧回流17.硝化液回流18.污泥回流19.剩余污泥试验用生活污水全部进入厌氧区.二沉池污泥回流至缺氧1区,其回流比为R1;缺氧1区混合液回流至厌氧区,其回流比为R2;好氧区最后一个格室的硝化混合液回流至缺氧2区第一格室,