MBR系统CANON工艺的快速启动及微生物种群特征

中国环境科学2014,34(11)：2788~2795ChinaEnvironmentalScienceMBR系统CANON工艺的快速启动及微生物种群特征李冬1*,何永平1,张肖静2,梁瑜海1,张玉龙1,范丹1(1.北京工业大学水质科学与水环境恢复工程北京市重点实验室,北京100124；2.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)摘要：为了考察CANON工艺的快速启动策略及功能微生物的种群特征,在常温MBR反应器内接种普通活性污泥后间歇运行.启动策略为以调控曝气时间和曝气量作为主要方法,首先在限氧条件下启动亚硝化,之后进一步降低DO启动CANON工艺.在CANON工艺启动成功后,通过调整曝气时间和无机碳源浓度提高了总氮去除负荷,并采用PCR-DGGE技术分析了稳定运行的CANON工艺内功能微生物的种群特征.结果表明,CANON工艺经36d成功启动,NH4+-N去除率和总氮去除率最终稳定在99%和84%左右,氮去除负荷达到0.41kg/(m3·d).DGGE测序结果表明,Nitrosomonas和CandidatusKueneniastuttgartiensis是反应器内的优势菌种,两种微生物协同作用,共同在MBR内完成了高效的自养脱氮.关键词：MBR；普通活性污泥；CANON；启动；PCR-DGGE；微生物中图分类号：X172文献标识码：A文章编号：1000-6923(2014)11-2788-08Thefaststart-upofCANONprocessinMBRsystemandthecharacterizationofmicrobes.LIDong1*,HEYong-ping1,ZHANGXiao-jing2,LIANGYu-hai1,ZHANGYu-long1,FANDan1(1.KeyLaboratoryofBeijingforWaterQualityScienceandWaterEnvironmentRecoveryEngineering,BeijingUniversityofTechnology,Beijing100124,China；2.StateKeyLaboratoryofUrbanWaterResourceandEnvironment,HarbinInstituteofTechnology,Harbin150090,China).ChinaEnvironmentalScience,2014,34(11)：2788~2795Abstract：Toinvestigatethefaststart-upofCANONprocessandcharacterizationoffunctionalmicrobes,conventionalactivatedsludgewasinoculatedtoanMBRandthereactorwasoperatedintermediatelyatambienttemperature.Inthelaunchstrategy,theregulationofaerationandaerationtimewasusedasthemainmethod.First,partialnitrificationwasappliedunderoxygen-limitedcondition.Secondly,DOhadtobedecreasedfurthertoachieveCANONprocess.Finally,aerationtimeandinorganiccarbonconcentrationneededtobeadjustedtoimprovethetotalnitrogenremovalrate.Besides,thecharacterizationoffunctionalmicrobesinstableCANONprocesswasanalyzedusingPCR-DGGEtechniques.TheresultsshowedthattheCANONprocesslaunchedsuccessfullyafter36days,theammoniumremovalrateandtotalnitrogenremovalratewerekeptataround99%and84%andthemaxinumnitrogenremovalratecanreach0.41kg/(m3·d).DGGEprofilesshowedNitrosomonasandCandidatusKueneniastuttgartiensiswerepredominantmicrobesinthereactorandtheyworkedsynergeticallytoformanefficientautotrophicnitrogenremovalprocesswithintheMBR.Keywords：MBR；conventionalactivatedsludge；CANON；start-up；PCR-DGGE；microbes基于亚硝化的全程自养脱氮(CANON)工艺具有脱氮效率高、耗氧量低、无需外加碳源且污泥产量低、经济环保等优点,是近年来受到广泛关注的一种新型生物脱氮工艺.在CANON工艺中,氨氧化菌(AOB)在限氧条件下,以氧作为电子受体将部分NH4+-N氧化为NO2--N,厌氧氨氧化(Anammox)菌以AOB产生的NO2--N为电子受体,与剩余NH4+-N反应,生成N2并释放,达到脱氮目的.现阶段对CANON工艺的研究多在生物滤柱[1]或SBR[2-3]中进行.但生物滤柱多采用火山岩等硬性填料,造成其堵塞问题一直无法有效解决,而SBR污泥易流失,导致生物量减少,去除负荷低,且由于AOB和Anammox菌均是自养菌,生长收稿日期：2014-01-22基金项目：国家自然科学基金(51222807);国家重大科技专项水专项(2012ZX07202-005)*责任作者,教授,[e-mail]11期李冬等：MBR系统CANON工艺的快速启动及微生物种群特征2789缓慢,尤其是Anammox菌,倍增时间为11d[4],导致CANON工艺启动时间长.因此寻找合适的反应器类型对CANON工艺的启动及稳定运行意义重大.膜生物反应器(MBR)依靠膜渗透原理,将所有微生物截留在反应器内部,可防止污泥流失,提高反应器内生物浓度,特别适用于AOB菌和Anammox菌这类生长缓慢,倍增时间长的微生物生长.因此,若将MBR应用于CANON工艺可以有效解决污泥流失,处理负荷低等问题,从而加快启动时间.目前,国内外关于CANON工艺的接种污泥多采用具有亚硝化或厌氧氨氧化活性的特种污泥[5-8],而这些污泥相对稀缺,不易获得且价格昂贵,相比之下普通活性污泥分布广泛,容易得到且价格低廉.可见,若能以普通活性污泥为种泥来启动CANON,可以说是为该工艺的启动提供了既方便又经济的污泥源.因此,本研究在常温条件下,接种普通活性污泥,采用MBR反应器,以间歇运行方式启动CANON,同时通过PCR-DGGE、克隆等分子生物学技术研究反应器内功能微生物的种群特征,以期为缩短CANON工艺的启动时间和微生物特性提供理论依据.1材料与方法1.1试验装置试验装置采用有机玻璃制成的圆柱形MBR反应器,如图1所示.圆柱内径13cm,高度40cm,有效容积3L,内置聚偏氟乙烯(PVDF)中空纤维膜组件,膜孔径为0.1μm,有效膜面积为0.2m2,膜通量36L/h.反应器底部设置曝气环,采用鼓风曝气,曝气量由转子流量计控制,中间设有搅拌机,用于基质和O2均匀扩散,外部设置水浴套筒,由温度控制仪控制反应器内温度.1.2接种污泥试验接种污泥取自北京市某污水处理厂普通活性污泥.接种前,污泥先经自来水和蒸馏水各清洗3遍,去除其中的杂质,之后接种至MBR反应器内.接种时MLSS为12.9g/L,MLVSS为10.6g/L,接种量为1L.56124121110731389图1试验装置示意Fig.1Schematicoftheexperimentalreactor1.进水箱;2进水泵;3膜组件;4.出水泵;5鼓风机;6.气体流量计;7曝气环;8.DO电极;9.pH电极;10.DO在线测定仪;11.pH在线测定仪;12.搅拌机;13.水浴1.3试验用水与试验方法试验用水采用人工配水,分别以(NH4)2SO4和NaHCO3作为NH4+-N和碱度的来源,NH4+-N浓度和碱度固定不变.进水中额外添加MgSO4·5H2O、CaCl2、KH2PO4和营养液Ⅰ、Ⅱ作为营养物质,营养液Ⅰ包括EDTA5000mg/L和FeSO45000mg/L．营养液Ⅱ(mg/L)包括EDTA15000、ZnSO4·7H2O430、CoCl2·6H2O240、MnCl2·4H2O990、CuSO4·5H2O250、Na2MoO4·2H2O220、NiCl2·6H2O190、Na2SeO4·10H2O210和H3BO414.试验用水水质见表1.表1试验用水水质Table1Keywaterqualityoftheinfluent水质指标单位数值NH4+-Nmg/L200碱度(以CaCO3计)mg/L1600~2000MgSO4·5H2Omg/L72.7CaCl2mg/L36.4KH2PO4mg/L36.4营养液ⅠmL/L1营养液ⅡmL/L1试验在常温下(23~25℃)采用间歇运行方式,每个周期包括:瞬时进水,曝气反应,曝气完成后,膜抽吸出水.换水比83.3%,一个周期完成后2790中国环境科学34卷进入下一个周期.CANON工艺的启动采用先启动亚硝化富集AOB,再限氧富集Anammox,启动CANON.试验主要分为3个阶段:阶段Ⅰ,亚硝化启动;阶段Ⅱ,CANON工艺启动;阶段Ⅲ,CANON工艺负荷提高.不同阶段主要运行条件见表2.表2不同阶段主要运行条件Table2Operationconditionsatdifferentstages时间曝气时间O2碱度NH4+-N阶段(d)(h)(mL/min)(mg/L)(mg/L)1~650.3200Ⅰ7~3070.31600200Ⅱ31~4590.2160020046~55100.2200Ⅲ56~7690.220002001.4分析项目与方法NH4+-N、NO2--N、NO3--N、MLSS、MLVSS等指标均采用国家规定的标准方法测定[9];NO2--N积累率(NAR)可按式(1)计算;DO、pH值及温度测定分别采用EUTECHDO2000PPG多功能溶解氧在线测定仪,WTWpH296型在线测定仪.2eff23effeffNONNAR=NON+NON−−−⎡⎤−⎣⎦⎡⎤⎡⎤−−⎣⎦⎣⎦×100%式中:[NO2--N]eff为出水NO2--N浓度;[NO3--N]eff为出水NO3--N浓度.1.5DNA提取,PCR-DGGE,克隆和测序1.5.1基因组DNA的提取在CANON工艺的稳定期,从MBR反应器内采集混合液.用UNIQ-10柱式细菌基因组DNA抽提试剂盒(上海生工)提取基因组DNA,具体操作按说明书进行.所提取的基因组DNA用0.8wt%(质量分数)的琼脂糖凝胶电泳检测,以备PCR用.1.5.2PCR扩增及DGGE电泳采用巢式PCR方法,分别扩增β-proteobacteria菌门的AOB,Planctomycetales菌门的Anammox菌.为扩增AOB的16SrDNA,第一轮扩增使用CTO189fA/B和CTO189fC混合引物(体积比2:1)作为正向引物,反向引物采用CTO654r.之后以第一轮PCR扩增产物为模板,使用通用引物对F338(带GC夹)/R518,进行第二轮PCR扩增.对于Anammox菌的特异性片段的扩增,第一轮先以引物对Pla46F/630R进行浮霉球菌扩增.之后以第一轮PCR扩增产物为模板,使用引物对Amx368f(带GC夹)/Amx820r,进行第二轮PCR扩