大型污水处理厂脱氮与核心功能属的关系：不同处理工艺和进水特征的影响外文翻译资料

 2022-08-10 16:58:58

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大型污水处理厂脱氮与核心功能属的关系：不同处理工艺和进水特征的影响

摘要：反硝化过程对于污水处理厂（WWTPs）中的生物脱氮至关重要。在这项研究中，研究了不同处理工艺和进水特性的大型污水处理厂的脱氮效率。结果表明，在A/O或A2/ O系统中，平均总氮去除率（NRR）和反硝化速率分别为67.5％和2.08 mgN·h-1·gMLVSS-1。但是，循环活性污泥系统（CASSs）显示出更有效的脱氮效果，平均总氮去除率和反硝化速率分别为79.6％和9.89 mgN·h-1·gMLVSS-1。进水组成相似的污水处理厂中微生物群落相似，且主要由BOD5决定。基于高通量测序和相关性分析，念珠菌竞争杆菌，暖绳菌科和厌氧绳菌科是与脱氮密切相关的功能菌。这项研究为大型污水处理厂满足日益严格的氮排放标准，提供了管理和改进的新见解。

关键词：脱氮；大型污水处理厂；处理过程；进水特征；反硝化速率；功能属

1引言

考虑到其对水生生态系统的破坏性影响，氮污染是天然水体中的一个严重问题。人为活动是水生环境中大量广泛存在的氮的重要来源。据报道，人为活动占地球固定氮总量的45％以上。污水处理厂（WWTPs）被认为是阻止城市和工业污染物进入环境的最后屏障。因此，有效地从污水处理厂废水中除氮对于防止天然水体中的氮污染（即富营养化）至关重要。然而，在发展中国家，将近90％的污水处理厂遇到了与有效总氮（TN）相关的挑战，其中约50％的污水处理厂无法满足总氮严格的排放标准。此外，在一些对环境敏感的地区，排放标准越来越严格，这对污水处理厂的有效运行和改进构成了巨大挑战。

众所周知，在大多数污水处理厂中，NO3--N的去除被认为是必不可少的，因为它占污水总氮的70％以上。在反硝化过程中，NO3--N主要通过多种细菌在缺氧条件下通过一系列生物反应将其转化为氮气（N2）。功能性反硝化菌是重要的脱氮菌之一，其活性与脱氮效率密切相关。例如，据报道，更高的反硝化菌丰度可以加速反硝化过程，微生物动力学的变化在地球生化氮循环中起着重要的作用。此外，发现反硝化基因的信号强度与TN去除效率呈正相关，Mantel相关系数为0.52，这也表明了生物处理系统中反硝化细菌和脱氮效率之间的相互关系。因此，全面了解微生物结构并确定反硝化的关键因素可能有助于调节和优化生物代谢脱氮。但是，大多数反硝化过程中功能性微生物的研究都是基于实验室规模的生物反应器。相反，由于对现场微生物生态学的了解不多，污水处理厂中的生物处理单位长期以来一直被视为“黑匣子”。

近年来，由于测序技术的飞速发展，一些研究人员试图探索大规模污水处理厂中复杂的活性污泥（AS）微生物群落。 例如，在中国A2/O污水处理系统中，嗜氢菌科、囊胚菌科、腐藻科、大比目鱼科、铁兰根菌属和脱硝菌属为优势属。 然而，在北美污水处理厂采样的AS中，氢化噬菌体、不动杆菌、黄杆菌、假杆菌、菌胶团和红育菌的含量较高。迄今为止，对污水处理厂的有限研究主要集中在个别污水处理厂中特定处理工艺，地质或季节性变化对细菌群落的影响，但很少将这些因素与养分去除效率或环境变量相关联。因此，对在大规模污水处理厂中有效除氮的功能性微生物的深入了解仍然有限。

此外，人们普遍认为氮的去除效率在很大程度上取决于特定的处理过程。在先前的研究中，在三个具有吸附-生物降解（46.4％），氧化沟（69.8％）和改良UCT工艺（73.2％）的国内大型污水处理厂中，观察到了脱氮率（NRR）的明显差异。另一方面，分批测试证实环境因素（例如温度和pH）和进水特性通过影响微生物的结构和活性也对最终脱氮性能表现出很大的影响。但是，与实验室规模反应器中的合成废水相比，大型废水处理系统中进水的组成要复杂得多，并且实验室规模反应器中微生物群落的多样性要低得多，通常会导致相对较高的系统灵敏度。当将从批处理测试获得的结果应用于大规模污水处理厂的实际操作时，会出现很大的差异。因此，对大型污水处理厂中采用不同处理工艺脱氮的微生物群落及其与环境参数的相关性的全面了解是更具有吸引力的。它可以为实施和优化脱氮操作性能提供深刻的指导，以满足日益严格的氮排放标准。但是，到目前为止，有关此问题的信息很少。

这项研究的主要目的首先是证明具有不同处理工艺和进水特性的大型污水处理厂的潜在脱氮能力。然后，通过高通量测序技术还分析了不同处理系统中微生物组成的变化， 揭示了影响不同污水处理厂中形成微生物群落的关键因素。最后，确定了核心功能属，并进行了相关分析，以进一步揭示不同污水处理厂中不同脱氮效率的潜在微生物机制。

2材料与方法

2.1污水处理厂和数据收集

在这项研究中，中国江苏有八个具有三种常用的处理工艺（A / O，A2 / O和CASS）的大型污水处理厂（即CQ，GD，BQ，QD，LJ，ZP，SP和NT），被选为典型的污水处理厂进行分析。 特定污水处理厂的详细信息如表1所示。所有与污水处理厂进水和出水特性有关的操作数据都是从相应污水处理厂的长期现场运行和收集中获得的。

2.2不同处理工艺的大规模污水处理厂中的反硝化速率

在锥形烧瓶反应器（1L）中进行了采用不同处理工艺的大型污水处理厂的反硝化率研究。本研究中使用的NO3--N和碳源分别由相应的污水处理厂的原液（1 gNO3--N/L）和进水污水样品提供。取至相应的污水处理厂的已用氮气吹扫了10分钟的进水和污泥样品（用作接种物），被以初始10.0的C/N比（以NO3--N浓度计算的化学需氧量（COD））添加到反应器中，以消除有机物不足的限制。因此，将每个反应器中的COD和NO3--N的初始浓度分别设定为约120和12mg/L。同时，通过1M HCl和1M NaOH溶液将pH值调节至7.0-7.5。然后，将反应器置于温度为25plusmn;0.5°C的恒温箱中，转速为300 rpm。其他详细程序已在文献中进行了描述。在测试过程中，每5〜30分钟采集约10 mL混合液样品，以分析NO3-N和NO2-N。最后，取100 mL混合物用于MLVSS测量。

根据先前的文献计算反硝化速率。从NO3--N当量浓度（NO3-N 0.6NO2-N）导出NO3--N利用曲线（式1）。该方程式基于以下事实：将1gNO2--N还原为1gN2需要与将0.6gNO3--N还原为0.6gN2相同的电子数。通过NO3--N和NO的线性回归特征来表征具体的NO3--N的还原率（rNO3-N），NO2--N的还原率（rNO2-N）和NO2--N的累积率（rNO2-N，Accu）。

(1)

(2)

(3)

(4)

其中CNO3-N和CNO2-N分别代表NO3--N和NO2--N的浓度。

根据等式5计算NO2--N转化率（NTR）。

(5)

2.3微生物群落分析

illumina高通量测序仪技术用于分析微生物群落。 长期稳定运行后，在反硝化速率测试期间，从生物处理单元收集污泥样品。 为了保证数据收集的质量，收集了三个来自污水处理厂生物处理单元不同位置的活性污泥样品，然后均质化以尽可能反映污水处理厂中的微生物群落。为进行高通量测序，取出的样品立即保存在-80℃直到DNA提取。 从大规模污水处理厂收集的每个污泥样品的总基因组DNA是使用CTAB/SDS方法提取的。为了16S rRNA基因V4和V5区，DNA使用515F/907R引物组（515F：5-GTGCCAGCMGCCGCGG-3，907R：5-CCGTCAATTCMTTTRAGTTT-3）进行扩增。在16s rRNA基因扩增的过程中，每个样本也进行了三次重复检测，然后将同一样本的PCR产物混合在一起进行进一步的实验。 其他详细步骤请参考以前的文献。UPARSE包将相似度ge;97%的裁剪序列分配给相同的操作分类单元(OTUs)。由于物种丰富度， OTU指数和辛普森指数被用来估计群落多样性，因此对样本的Shannon和Simpson 指数进行了计数。此外，原始序列已存入NCBI短读档案数据库（SRP053365）。

2.4其他分析方法

用孔径为0.45mu;m的Millipore过滤器过滤后，根据标准方法（APHA，2005年）测量NO3--N，NO2--N和MLVSS。 用Hach HQ40d便携式DO仪检测溶解氧（DO），并用Hach DRB200 Dry恒温器测量COD。

2.5数据分析

主成分分析（PCA）提取重要信息，并通过降维揭示复杂数据的结构。 因此，使用Canoco 5进行了PCA，以揭示微生物群落的相似性。使用Canoco 5的规范对应分析（CCA）被用来评估环境参数对微生物群落的影响。每个环境参数的箭头长度反映了该参数在塑造群落结构中的重要性。通过相关分析来验证两个变量之间的线性关系。相关系数矩阵能够显示两个变量是否线性，以及线性关系的强弱。本研究使用R code (http://www.r-project.org/)进行相关分析，检验功能微生物与脱氮性能的相关性。当相关系数(绝对值)超过0.68时，相关性被认为是很强的，表明在0.36到0.68的范围内相关性中等(Taylor, 1990)。所有试验均重复3次，p值lt;0.05被认为是显着的。

3结果与讨论

3.1不同处理工艺对大型污水处理厂总氮去除率的影响

在不同规模的污水处理厂中，对进水中总氮浓度的长期监测和整体脱氮性能如图1所示。从剖面上可以看出，污水处理厂进水总氮浓度在20 ~ 50 mg/L之间波动。其中，LJ和NT的总氮相对较高，平均浓度分别为41.9 mg/L和43.1 mg/L。

然而，CQ和ZP的平均总氮浓度分别只有26.5和29.9 mg/L。在废水总氮方面，各污水处理厂在长期运行中脱氮性能相对稳定，但不同处理工艺下污水处理厂脱氮性能存在明显差异。在采用A/O或A2/O工艺的污水处理厂，LJ(71.9%)、GD(71.5%)和CQ(70.8%)的氮去除率较高，平均出水总氮值分别为11.5、9.6和7.6 mg/L。而BQ、ZP和QD的平均氮去除率分别仅为64.7%、63.9%和62.3%。进一步分析发现，与A/O或A2/O工艺相比，采用CASS工艺的NT和SP具有更高的总氮去除效率。它们的平均氮去除率分别为81.0%和78.1%，从而降低了废水中的总氮浓度(分别为7.9和6.8 mg/L)。之前的一项实验室规模的研究报道了序批式反应器比A2/O反应器在去除生活污水中总氮方面的优势，这也得到了本研究大型CASS工艺的结果的证实。

此外，废水类型已被认为是大型污水处理厂除营养物质最重要的因素之一。与城市污水相比，污水处理厂中工业废水的处理更加困难，因为进水中含有难降解的有机化合物。然而，本研究发现工业废水的抑制作用并不明显。例如，采用CASS处理工艺的SP污水处理厂虽然接收了45%的工业废水，但仍能持续有效地去除总氮 (氮去除率: 78.1%)。此外，A2/O工艺处理混合废水时，氮去除率没有明显下降。这可能是由于工业废水和城市废水的混合，可以提高进水的生物可降解性。

此外，在几个大型污水处理厂中观察到了氮去除率的季节性波动。例如，QD和SP的平均氮去除率在冬季分别降低了4.2%和3.7%。这可能是由于微生物活动对低温的敏感性造成的。反硝化过程与操作温度之间的高度相关性已被广泛报道，并且反硝化细菌在低温下被部分灭活。在除氨过程中也观察到这种低温抑制现象。例如，QD和LJ的平均氨去除率分别降低了8.3%和5.7%，ZP和BQ分别降低了4.9%和2.5%。结果表明，硝化反应和反硝化反应对温度均敏感

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