市政相关探究：磷酸盐对高效厌氧氨氧化系统性能和微生物群落影响

查看全部 · 发表于 2021-4-13 11:10:59

1. 研究背景

生活、农业以及工业废水中富含大量营养物种，如氮和磷，这对我们的环境水域健康造成了巨大影响。活性污泥处理污水的方法已有百年历史，主要是利用悬浮生长的微生物絮体处理有机污水的一类好氧处理方法，但会在处理过程中损耗大量能源。目前厌氧氨氧化处理时提供能源有效利用率的最好方法之一，通过厌氧氨氧化工艺可以通过厌氧消化过程节约和回收有机物质的能量，如甲烷。

磷去除是污水处理的主要指标之一，通常，在除氮过程之后实施磷酸盐回收的步骤，以便将磷酸盐引入到基于厌氧氨氧化物的反应器中。但实际废水中磷酸盐浓度是多种多样的，而关于不同浓度磷酸盐影响厌氧氨氧化反应器的信息非常有限。因此，本研究的目的是调查磷酸盐对厌氧氨氧化反应的短期以及长期影响，并获得在不同磷酸盐负荷程度下除氮效率以及微生物群落的变化趋势。

2. 研究方法

测序技术：Illumina MiSeq高通量测序平台

测序模式：微生物组16S rRNA基因V4区测序

样本来源：污泥样本

实验设计：设置两个污泥厌氧氨氧化反应器，试验组R1反应器加入磷酸盐处理，对照组R0不加入任何处理，检测随时间变化反应器除氮效果，并在195天时各采集P与CK样品进行菌群多样性组成谱检测。

3. 研究结果

3.1 磷酸盐对厌氧氨氧化过程的短期影响评估

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图a中将厌氧氨氧化颗粒与污泥絮体物作为研究对象，观察不同浓度磷酸盐对厌氧氨氧化反应的急速反应，其中显示当磷酸盐浓度在62与155 mg P/L时，絮体物对于厌氧氨氧化活性影响可提升超过20%，但当磷酸盐浓度高于620 mg P/L时，颗粒和絮体物的反应活性均显著抑制；图b为磷酸盐存在与否对于厌氧氨氧化活性动力的影响，其中显示当反应器中存在磷酸盐，可以加强酶对底物的亲和力，同时厌氧氨氧化颗粒表现出更好对于磷酸盐表现除了更大的耐受性；图c为不同形式的磷酸盐对于反应器的影响，其中主要取决于磷酸盐的PH值，HPO42-在弱酸性条件下影响显著，而H2PO4-在弱碱环境中主导抑制作用。

3.2 厌氧氨氧化反应器的长期性能变化

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除氮性能研究中，当氮负荷水平保持在11.2 kg TN m-3/d时，试验组与对照组初始除氮效率均在85%以上；在70天加入50 mg P/L浓度磷酸盐时，NO3--N流出浓度两者出现明显变化，表明磷酸盐有利于厌氧代谢反应；当196天将氮负荷水平增加至21 kg TN m-3/d时，对照组样品显示性能下降，而试验组的氮去除率依旧保持在80%以上，表明试验组样品具有更大的除氮效力。

3.3 微生物群落组成与多样性研究

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多样性指数统计结果显示试验组样品的多样性及物种丰富程度均低于对照组样品；另外从丰度>1%的各水平微生物类群统计结果可以看出，Proteobacteria与Acidobacteria丰度没有显著变化；同时添加磷酸盐的试验组Brocadiae显著降低，但Phycisphaerae显著增加，这样的物种变化趋势在科分类单元中同样出现。

3.4 代谢功能及代谢网络预测

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代谢功能预测结果显示碳水化合物代谢与氨基酸代谢途径丰度值高于其他代谢功能，表明这两个代谢途径的特殊重要性；另外试验组样品能量代谢丰度要显著低于对照组样品，而膜转运相关途径丰度要显著高于对照组；同时基于厌氧氨氧化颗粒物反应器在进行厌氧氨氧化的过程中也发挥着厌氧、发酵、脱氮等作用。

4. 研究结论

当磷酸盐浓度在比较低的水平，即低于155 mg P/L时，可刺激厌氧氨氧化颗粒物与絮体物的厌氧氨氧化活性程度，但当浓度高于310mg P/L时，便会抑制其活性。同时，发现颗粒物受磷酸盐胁迫的耐受性要高于絮体物，并且磷酸二氢盐类在弱碱性环境下可抑制厌氧氨氧化反应活性。总而言之，磷酸盐对厌氧过程的短期影响取决于磷酸盐浓度、pH值和微生物富集程度，另外，在195天的操作过程中，当颗粒状污泥反应器的磷酸盐水平从2到500 mg P/L逐渐增加时，没有观察到对脱氮性能的不利影响。虽然微生物群落多样性和厌氧细菌的相对丰度呈降低趋势，但优势厌氧菌株并无显著变化。因此，通过逐步驯化，颗粒状厌氧氨氧化反应工艺将在处理富铵和含磷酸盐废水方面具有较强的稳定性。来源：Ecological Engineering