短程硝化活性污泥微生物群落结构及羟胺代谢对短程硝化的影响

微生物学通报Aug.20,2019,46(8):1982−1987MicrobiologyChinaDOI:10.13344/[e-mail]:NationalKeyResearchandDevelopmentProgramofChina(2016YFD0501409);NationalNaturalScienceFoundationofChina(31870103);KeyProgramoftheChineseAcademyofSciences(KFZD-SW-309)*Correspondingauthor:Tel:[phone];E-mail:[e-mail]:27-03-2019;Accepted:22-05-2019;Publishedonline:29-05-2019基金项目：国家重点研发计划(2016YFD0501409)；国家自然科学基金(31870103)；中国科学院重点部署项目(KFZD-SW-309)*通信作者：Tel：[phone]；E-mail：[e-mail]收稿日期：2019-03-27；接受日期：2019-05-22；网络首发日期：2019-05-29专论与综述短程硝化活性污泥微生物群落结构及羟胺代谢对短程硝化的影响马博言刘缨刘志培*中国科学院微生物研究所微生物资源前期开发国家重点实验室北京100101摘要：活性污泥法随着技术的成熟，已应用在高氨氮污水/废水处理中，通过不断发展衍生出的很多新型工艺也成为研究热点，短程硝化反应作为代表已逐渐体现出优越性。短程硝化能达到高效净化污水的目的，其反应中的代谢产物羟胺也和微生物类群及反应产物之间有着至关重要的影响。反应器中活性污泥的微生物群落结构和动态密切相关，探究微生物群落结构能帮助生物强化、优化参数，提高脱氮效率。本文主要总结了近年来有关短程硝化/半短程硝化活性污泥微生物群落组成与结构及其与反应器处理效率之间的关系，以及羟胺代谢对短程硝化的影响等方面的研究进展，这些研究加深了对微生物群落结构和污水处理工艺之间的认识，但充分发掘生物信息、提高工艺效能之路仍然充满挑战，还需利用氮平衡方法、Real-timePCR法等多种生物技术手段对短程硝化进行全方位研究，为实践提供坚实的理论基础。关键词：短程硝化，活性污泥法，羟胺代谢，微生物群落BacterialcommunitystructureoftheactivatedsludgeforpartialnitrificationandtheeffectofhydroxylaminemetabolismMABo-YanLIUYingLIUZhi-Pei*StateKeyLaboratoryofMicrobialResources,InstituteofMicrobiology,ChineseAcademyofSciences,Beijing100101,ChinaAbstract:Duetothematurityoftechnology,theactivatedsludgeprocesshasbeenappliedinthetreatmentofhighammonianitrogenwastewater.Withcontinuousdevelopment,manynewactivatedsludge-basedprocesseshavealsobecomeresearchhotspots.Partialnitrification(PN)hasgraduallyemergedasarepresentative.Partialnitrificationcanachievethepurposeofpurifyingsewageefficiently;andthehydroxylamine,oneofthemetabolitesinthereaction,alsohasavitalinfluenceonthemicrobialcommunityandthereactionproducts.ThemicrobialcommunitystructureanddynamicsofactivatedsludgeinPNreactorsarecloselyrelatedwithnitrifyingprocess.Exploringthemicrobialcommunitystructurecanhelpbio-enhancement,optimizingparametersandimprovenitrogenremovalefficiency.Thisreviewmainly马博言等:短程硝化活性污泥微生物群落结构及羟胺代谢对短程硝化的影响1983Tel:[phone];E-mail:[e-mail];:Partialnitrification,Activatedsludgeprocess,Hydroxylaminemetabolic,Microbialcommunity随着工业化生产的快速发展和城镇化以及人民生活水平的提高，污水/废水排放逐年增加，环境污染日益尖锐。据统计，我国废水年排放总量约为600亿m3，其中城市生活污水200亿m3，工业废水200亿m3，乡镇污水200亿m3[1]。在我国水环境污染中，城市生活污水的主要污染物包括动植物蛋白质、脂肪、垃圾渗透液等有机物，经过二级生化处理后，出水中含氮量依然较高。纺织、石化、金属冶炼、食品加工等行业中的工业污水均含有大量含氮化合物，是主要氮污染源，直接排放入水体会对水环境造成巨大的破坏，因此越来越多的国家和地区制定了更为严格的污水氮排放标准。为了使出水水质指标达到相应的标准，污水处理厂必须实现脱氮工序。目前，生物处理法相较物理法和化学法高效且应用广，其中活性污泥法是目前昀为广泛采用的方法。1913年，Clark和Cage在实验过程中发现对废水进行长时间的曝气会产生污泥，并使水质得到明显的改善，之后Arden和Lackett进一步对此深入研究发现，由于实验容器清洗不干净，留有残渣反而使水处理效果提高，从而发现了活性微生物菌胶团，定义为活性污泥。活性污泥法即利用污泥中的微生物对污水中的物质进行凝聚、分散、氧化、分解去除污水中的有机污染物，达到净化污水的目的[2]。通过不断改进，传统活性污泥法逐渐成熟，但还是存在操作管理要求严格、费用高等缺点。污水/废水处理的指标之一就是氮素的去除，也就是脱氮处理。传统生物脱氮工艺的基本原理是：含氮化合物在微生物新陈代谢的作用下发生氨化、硝化和反硝化3个反应，即在有氧条件下通过氨化作用和硝化作用将有机氮相继转化为氨氮、亚硝态氮和硝态氮，再利用反硝化作用在缺氧/厌氧条件下将硝态氮还原为气态氮，从而达到脱氮的目的[3]。在对传统生物脱氮理论认识的基础上，人们逐渐开发出了不同类型的污水脱氮工艺。此后又通过对生物脱氮的深入研究和技术的不断发展，大多数脱氮工艺将好氧区和厌氧区分开，以便硝化和反硝化过程都能独立完成，具有代表性的工艺主要有A/O(厌氧-好氧)工艺[4]、生物膜反应器[5]、序批式反应器(Sequencingbatchreactor，SBR)工艺及其改良序批式反应器[6](Modifiedsequencingbatchreactor，MSBR)工艺和循环活性污泥系统(Cyclicactivatedsludgesystem，CASS)工艺等。这些新型工艺在一定程度上改进了传统活性污泥的不足，提高了氨氮去除率。1短程硝化反应器在处理高氨氮废水中的应用硝化反应过程是NH4+-N在氨氧化细菌(Ammoniaoxidizingbacteria，AOB)的作用下经由羟胺(NH2OH)变为NO2−-N，然后由亚硝酸盐氧化菌(Nitriteoxidizingbacteria，NOB)将NO2−-N氧化为NO3−-N[7]。近年来，短程硝化逐渐成为研究热点，短程硝化反应的核心就是将氨氧化控制在亚硝化阶段，亚硝酸盐大量积累后直接进入反硝化阶段[8-9]。与传统硝化脱氮相比，短程硝化更加适用于处理高浓度氨氮废水。当前，利用短程硝化处理污水主要采用的是SBR工艺。在该工艺中，进水、曝气、沉淀、排水、静置这5个工序依次在一个体系内完成，无需设置1984微生物学通报Microbiol.ChinaTel:010-64807511;E-mail:[e-mail];二沉池和污泥回流系统，在反应器中使用较短的水力停留时间，也就是污水与活性污泥中微生物作用的平均反应时间，同时维持较长的泥龄和较高的污泥浓度，从而获得较好的硝化效果，实现脱氮效果。在SBR反应器中实现短程硝化反硝化的关键点在于抑制活性污泥中亚硝酸盐氧化菌的活性或者细胞增长速率，使得氨氧化细菌大量富集，在硝化系统中成为优势菌，氨氮的氧化速率大于亚硝态氮的氧化速率，从而导致亚硝酸盐的积累[10-11]。由于SBR反应器大量的曝气条件，可能会产生足够的剪切力，增加细胞表面的疏水性，分解过度生长的细丝形成颗粒污泥[12]。这样，反应器活性污泥中微生物的利用效率提高，泥水分离性能好，污泥不易膨胀，细菌的增长速度加快、反应进程缩短，从而减少反应容积和时间；而且同时减少了硝化的曝气量和反硝化有机物的投加量，减少了运行费用，具有重要的现实意义。针对高氨氮污水的处理，还开发了短程硝化反应衍生出的半短程硝化(Singlereactorsystemforhighactivityammoniumremovalovernitrite，SHARON)+厌氧氨氧化(Anaerobicammoniumoxidation，ANAMMOX)的组合工艺。在该工艺中，厌氧氨氧化菌以氨氮为电子供体，亚硝态氮为电子受体进行氨氧化反应形成氮气从而实现脱氮。由于污水中氮元素主要以氨氮的形式存在，所以需要半短程硝化工艺将污水中约50%的氨氮高效稳定地转变成亚硝态氮，为厌氧氨氧化工艺创造条件[13]。SHARON-ANAMMOX组合工艺可以保证2种反应器中的菌群始终保持在高活性的状态[14-15]，还有无需添加有机物、节省曝气的能源消耗等优势，具有广阔的应用前景。本试验室针对高浓度高