SBR系统在低浓度污水条件下培养的好氧颗粒污泥特性及微生物分析王启镔

第12卷第11期2018年11月环境工程学报ChineseJournalofEnvironmentalEngineeringVol.12,No.11Nov.2018水污染防治DOI10.12030/j.cjee.201805080中图分类号X703文献标识码A王启镔,苑泉,宫徽,等.SBR系统在低浓度污水条件下培养的好氧颗粒污泥特性及微生物分析[J].环境工程学报,2018,12(11):3043-3052.WANGQibin,YUANQuan,GONGHui,etal.CharacteristicsandmicroorganismanalysisofaerobicgranularsludgecultivatedbySBRsystemswithlow-strengthsewage[J].ChineseJournalofEnvironmentalEngineering,2018,12(11):3043-3052.SBR系统在低浓度污水条件下培养的好氧颗粒污泥特性及微生物分析王启镔1，苑泉1，宫徽1，姚仁达1，秦亚2，刘祥1，徐恒1，王凯军1,*1.清华大学环境学院，环境模拟与污染控制国家重点联合实验室，北京1000842.富国皮革工业股份有限公司，上海201900第一作者：王启镔（1983—），男，博士，助理研究员，研究方向：水污染控制理论与技术。E-mail：[e-mail]*通信作者，E-mail：[e-mail]摘要分别采用两段式装置（升流式水解酸化池+SBR（R1））和一段式SBR（R2及R3）小试装置，处理实际污水（R1及R2）及人工配水（R3），考察了不同水源对好氧颗粒污泥的粒径分布、沉降性能以及微生物群落的影响。结果显示，大多数颗粒的粒径均集中在0.12~0.3mm之间，在R1、R2及R3中的占比分别为32.78%、38.61%和50.28%。当粒径介于0.3~0.5mm、大于0.5mm时，R1与R2中的颗粒分配均显著高于R3中的颗粒分配。结果表明，低浓度人工配水（COD均值480mg
L-1）易形成中等粒径的颗粒，而低浓度实际污水（COD均值173mg
L-1）更易形成较大的颗粒。当体积交换比从90%降为50%，R1和R3的SVI30/SVI5维持在0.85以上，R2的SVI30/SVI5出现下降的趋势，这可能是进水中较高的悬浮颗粒引起的污泥轻微膨胀所致。3个主反应器取污泥（分别记S1、S2及S3）进行高通量分析，氨氧化菌Nitrosomonas、氨氧化古菌Nitrososphaera、反硝化聚磷菌Dechloromonas等脱氮除磷优势菌属在S1、S2中的相对比例明显高于在S3中的相对比例。丝状菌方面，在有机负荷率（OLR）较低条件（0.91kg
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d）-1）下，有利于Aquaspirillum、Enhydrobacter的生长，而较高的OLR（0.91kg
（m3
d）-1）有利于Acinetobacter的生长。污水中多种类的有机物，不仅有利于形成致密的胞外聚合物，而且可提高脱氮除磷优势菌属在颗粒污泥中的相对比例。关键词低浓度污水；好氧颗粒污泥；污泥颗粒化；微生物群落传统活性污泥法在全世界范围内得到广泛应用，但传统活性污泥法处理系统普遍存在占地面积大、建设成本高、剩余污泥量大、运行费用高等缺点。好氧颗粒污泥（AGS）作为一种新型的环境生物技术，采用序批式反应器（SBR）已成功培养出了颗粒污泥，受到极高的关注[1-3]。采用短的沉淀时间，一般2~10min，污泥沉降差的被淘汰，快速选择沉降快的微生物聚合体，促进活性污泥形成致密的聚合物，在同一反应器中完成对AGS的分离，不仅使污水处理厂的规模大大减小，而且可以省去二沉池[4]，具有节地的优势。很多研究是用高浓度的污水（COD高达1400mg
L-1）成功地培养出了AGS[5-8]，丰富了对污泥颗粒化的形成过程、特性及性能的认识。近年来，国内外学者曾对SBR在低浓度（COD在500mg
L-1左右）条件下AGS的培养和运行做过一些尝试[9-12]，如在荷兰Garmerwolde污水厂（进水COD平均506mg
L-1），SBR模式用生活污水培养出的颗粒污泥，粒径大于0.2mm的污泥占比超过80%[13]；在收稿日期:2018-05-15；录用日期:2018-08-28基金项目:国家水体污染控制与治理科技重大专项（2017ZX07103-003）3044环境工程学报第12卷进水COD390~435mg
L-1（生活污水）条件下，SBR可培养0.63~1.6mm的AGS[14]。总体而言，目前在SBR中低浓度污水成功培养获得AGS的研究报道仍相对较少，且对于AGS形成及特性、微生物群落结构及功能缺乏统一的认识。因此，研究低浓度污水条件下培养的AGS特性具有十分重要的意义。本研究建立实验室规模装置，利用实际城市污水和人工配水培养AGS，并采用共聚焦激光扫描显微镜、激光粒度仪、高通量测序等现代分析手段研究不同基质所培养颗粒污泥的特性，以期为AGS技术的深入研究及实际应用提供指导。1材料与方法1.1实验装置及运行条件实验共用3个玻璃反应器，每个反应器直径55mm，高1000mm，其中R1反应器为升流式水解酸化池（HUSB）+SBR两段式，R2和R3反应器为一段式SBR，分别采用实际污水（R1+R2）和人工配水（R3）培养颗粒污泥（见图1），研究不同的进水水源对AGS形成的影响。SBR运行周期为179min，其中，厌氧进水60min、曝气114min、沉淀5min，出水与进水同步进行。反应器启动前期，体积交换比（VER）为90%（阶段Ⅰ），随着AGS逐渐成熟之后，VER降为50%（阶段Ⅱ）。反应器内溶解氧（DO）控制在1.5~4.5mg
L-1；污泥龄控制在20~30d；从反应器底部引入曝气头，气体流量为0.65L
min-1，包括0.25L
min-1的空气和0.4L
min-1的氮气，上升气体流速0.44cm
s-1；AGS反应器不同运行阶段的其他详细实验条件[15]，见表1。图1反应装置示意Fig.1SchematicdiagramofAGSreactiondevice表1AGS反应器不同运行阶段的详细实验条件Table1DetailedexperimentalconditionsatdifferentoperationalstagesoftheAGSreactors阶段时间/dHRT/hVER/%有机负荷率（OLR）/（kg
（m3
d）-1）污水类型R11）R2R3R1R2R3Ⅰ1~573.3900.911.283.60实际污水实际污水人工配水Ⅱ58~856.0500.400.571.39实际污水实际污水人工配水注:1）R1中的SBR。第11期王启镔等:SBR系统在低浓度污水条件下培养的好氧颗粒污泥特性及微生物分析30451.2接种污泥及进水水质特征R1中水解污泥来源为厌氧消化泥，采用连续进水方式，水力停留时间（HRT）为3h；R1、R2和R3污泥来源为北京市昌平区沙河污水处理厂回流污泥，将接种污泥浓度调整为5.0g
L-1左右后投加到3个反应器中。实际污水也取自该厂，为R1和R2的进水，进水的水质特征：COD平均为173mg
L-1，TP平均为7mg
L-1，TN平均为50mg
L-1。R3进水为人工配水，以乙酸钠为有机基质，NH4Cl提供氮源，PO43--P则来自磷酸二氢钾与磷酸氢二钾。具体配水成分：COD为350~650mg
L-1（均值480mg
L-1），NH+4-N为25~45mg
L-1（均值30mg
L-1），PO34-P为7~10mg
L-1（均值8mg
L-1，其中K2HPO4
3H2O为20mg
L-1，KH2PO4为10mg
L-1），MgSO4
7H2O为25mg
L-1，CaCl2
2H2O为20mg
L-1，KCl为30mg
L-1。微量元素配方参见文献中方法[16]。1.3分析方法COD采用重铬酸钾快速消解分光光度法测定，NH+4-N采用纳式分光光度法测定，TN采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法测定，TP采用钼酸铵分光光度法测定，使用HACH-DR600（哈希公司，美国）测定。SVI5和SVI30分别为沉降5min和30min时的SVI值，MLSS、MLVSS采用标准重量法测定。AGS的粒径较小，采用激光粒度仪（Beckman，LS13320，美国）测定污泥的粒径。1.4高通量测序为探究AGS形成过程中微生物种群结构的变化，对运行过程中（第56天）的颗粒污泥进行高通量测序分析，R1反应器中水解池、R1主反应器、R2和R3中分别取泥，命名为S0、S1、S2和S3。实验过程中从反应器取得微生物样品，采用十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）法提取DNA，并开展PCR扩增（扩增引物F：CCTACGGGNBGCASCAG;R：GACTACNVGGGTATCTAATCC）、16SrRNA高通量测序等工作，测序平台为HISEQ2500，测序模式为PE250模式。基于操作分类单元（OUT）丰度表，使用R软件的BiodiversityR包（版本2.8）进行绘制样品的OTU丰度排序阶梯曲线。2结果与讨论本研究分别从颗粒污泥的粒径分布、污泥沉降性能、污泥微观结构及微生物种群结构差异等4个方面，对不同基质培养出的AGS的特性进行比较和分析。2.1不同水源培养的颗粒污泥粒径分布图2AGS粒径分布图Fig.2Particlesizedistributionofaerobicgranularsludge从图2中可以看出，不同水源培养的颗粒污泥，大多数颗粒的粒径都是集中在0.12~0.3mm，R1、R2及R3中的占比分别为32.78%、38.61%和50.28%，随着OLR的升高而增大。当粒径介于0.3~0.5mm时，R1中占比9.64%，R2中占比19.54%，而R3中的占比仅为7.68%。当粒径大于0.5mm时，R1、R2及R3中占比分别为12.77%、6.33%和1.58%。表明，低浓度人工配水易形成中等粒径的颗粒，而实际污水更易形成较大粒径的颗粒，主要原因是实际污水含有多种类的有机物，包括易降解物质、慢速降解、难降解物质、惰性基质等[17]，更易形成致密的胞外聚合物（EPS）；配水中易降解物质有利于快速形成颗粒，随着颗粒的膨胀，内部传质速率降低而加剧内部缺氧区，容易造成颗粒解体，形成较小的颗粒。进水中的3046环境工程学报第12卷易生物降解的小分子有机物是能够促进颗粒污泥的形成和稳定的关键基质[2]。R3中OLR为3.6kg
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d）-1，完全是可生物降解的小分子有机物，远高于R2中的OLR；由于水解过程中COD损失接近30%，导致R1主反应器中的OLR进一步降低，有机质比较匮乏使得部分颗粒解体从而R1中小于0.12mm的颗粒偏多。EPS是微生物（主要是细菌）为抵抗外界压力所分泌的黏性物质，为AGS的形成及稳定运行发挥了重要作用[18-19]，因此，EPS的产生与可利用的基质和微生物的活性密切相关[6]。AGS中微生物菌群的结构主要由培养基质成分所决定[20]。在污水处理过程中，污水中的有机物大多为蛋白质、多糖、脂类物质等大分子有机物，只含有少量的挥发性有机物（VFA），经过厌氧水解过程，可以将复杂难降解有机物转化为简单易降解的乙酸、丙酸等VFA类物质和醇等小分子物质[2]，因此，将水解酸化和AGS培养相耦合，有利于AGS较大颗粒的形成。2.2不同水源培养的颗粒污泥沉降性能图3污泥的SVI5及SVI30/SVI5变化Fig.3ChangesinSVI5andSVI30/SVI5ratioofsludge污泥的SVI5及SVI30/SVI5变化情况如图3所示。在阶段Ⅰ，R1、R2及R3在31d时的SVI5分别从108、211、354mL
g-1，下降到48d时的52、107和300mL
g-1，表明R3出现了一定程度的污泥膨胀现象。R3进水中含有大量的易降解的有机质会有利于丝状菌的生长