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科学日报
摘要
由Thiothrix引起的丝状膨胀通过在污水处理厂中实施污泥浓缩的方法得到有效控制。
Olivier Henriet1，Christophe Meunier2，Paul Henry2和Jacques Mahillon1
由Thiothrix物种引起的丝状体膨胀是造成污泥流失和乳品废水处理厂处理能力下降的原因。 一项长达一年半的长期研究，在由两台平行连续的间歇式反应器（SBR1和2）组成的工厂中测试了三种不同的方法。 添加聚合氯化铝和减少挥发性脂肪酸的方法无法永久解决问题。 相反，实施周期性饥饿的方法对反应器循环的调整被证明是有效的，可以解决生物质流失的问题并有效降低两个反应器中的污泥体积指数。 使用16S扩增子测序和定量PCR的细菌多样性分析表明，SBR1中Thiothrix丰度从51.9降低到1.0％，SBR2中从71.8降低到0.6％。 同时，在两个反应器中糖原累积细菌Candidatus Competibacter的丰度增加。 显微镜分析证实了膨化污泥向颗粒状污泥转变。 这项研究证实了周期性饥饿的适用性：（1）解决经常性的Thiothrix膨胀问题;（2）将疏松的骨料转化为致密且致密的颗粒状结构;（3）显着减少通气所需的能量。
丝状膨胀是活性污泥处理效果不好的主要原因。 它来自丝状菌的过度生长，并导致生物量的大量损失，这大大降低了对悬浮固体，化学需氧量（COD）和营养物质的去除效率。 防止丝状体膨大的难处在于丝状生物体的多样性和其特定的生态。 特别是，与gamma;-变形杆菌Thiothrix相关的丝状细菌的生长体系在以高有机负荷率，高浓度低分子量脂肪酸和低硫化合物，低溶解氧（DO）浓度和营养缺失为特征的废水中能够高速发展。
乳品废水的特征是高浓度的乳糖，脂肪和蛋白质，这些都是造成高COD含量的原因。 来自奶酪制造厂的废水具有最高的COD浓度，并且通常缺乏氮。 生产黄油会排出含有特别高浓度脂肪的废水，有助于提高COD含量，而冰淇淋废水倾向于具有更低的，更可生物降解的COD含量。 由于大多数工业企业为了降低能源成本而将污水处理厂的氧气消耗量保持在最低水平，富含COD的乳品废水经常导致丝状菌的生长。 此外，氮，磷和易生物降解COD（rbCOD）的比例不稳定，容易受到Thiothrix物种过度生长的影响。
控制丝状体膨胀的方法可以是普遍适用的或着特定的。普遍适用的方法包括使用化学品（氯气，臭氧，H2O2，铁或铝盐）来杀灭的絮状物中向外扩张生长的微生物（包括
比利时Louvain-la-Neuve Universiteacute; catholique de Louvain食品与环境微生物实验室。CEBEDEAU，水研究与专业技术中心，Alleacute;ede ladeacute;couverte，11（B53），Quartier Polytech 1，B-4000，Liegrave;ge, Belgium。 Olivier Henriet和Christophe Meunier为这项工作做出了同样的贡献。 函件和材料请
求应寄给C.M. （电子邮件：cmeunier@cebedeau.be）
图1.乳制品废水处理厂的流程图
筛选未处理的废水，然后收集在调节池中。 在生产过程中，第二个调节池接受来自溶解气浮（DAF）装置的连续水流。 然后用两台并行运行的常规连续间歇式反应器（SBR1和SBR2）处理废水。 将流出物收集在调节池中，通过鼓式过滤器筛选并释放到接收水道中。
丝状微生物）。 当膨胀事件由于其对活性污泥生态系统的短暂影响而反复出现，这些方法的表现通常不能够令人满意。特定的方法指通过生物质改变反应器中环境件来创造一个不利丝状微生物生长的环境。 虽然这些方法需要初步鉴定参与膨事件的微生物物种，但这些方法通常是优先被选择的，因为它们可以永久解决污水处理过程中的问题。 污水处理厂的常见流程包括在生物处理之前安装厌氧塞流式选择器，为微生物提供较高的食物比率。 这样设置的目的是使有利于微生物能够高速率对底物摄取和提高对内部积累产物的代谢能力。 理想的情况下，厌氧选择器必须跟随一个曝气反应器，进行全面的底物氧化处理，从而为持有内部积累产物的微生物带来生态优势。 之前有说法是在混合好氧反应器之前存在厌氧池，以限制或抑制乳制品废水处理厂中由Thiothrix引起的丝状膨胀。 尽管Thiothrix在长期厌氧条件下仍然具有生理活性，但在这种环境下其生长似乎受到限制。
涉及能够进行连续厌氧和好氧反应器的工艺仅受限于连续流动系统，但是这种操作方案可以通过交替实施厌氧和好氧阶段在连续批量系统中实施。 在序批式反应器（SBR）中，这种方法通常被称为“盛宴和饥荒”制度或“周期性饥饿”，并且专门用于好氧污泥颗粒化。 最近在实验室规模的SBR中应用了一种周期性饥饿方法，使乳品废水流入该SBR,能够将Thiothrix和Leptothrix菌种引起的膨胀污泥转化为沉降良好的颗粒污泥。 此过程导致丝状细菌的减少和聚磷菌（PAO）Candidatus. 的积累和GLY共源生物（GAO）Candidatus .Competibacter的生长。 这些积聚的细菌特别引人关注，因为它们通过构建糖原，聚羟基链烷酸酯（PHA）或聚磷酸盐的致密内部包裹体来增加污泥的整体密度（称为“污泥脱密”现象）。
基于这些先前的实验室规模实验，本研究旨在研究在工业废水处理厂实施污泥致密化措施去处理乳品废水并经历基于Thiothrix的反复发生的丝状膨胀。 该工厂由两个平行的SBRs组成，经过溶解空气浮选（DAF）装置预处理的作为进水流入。 通过在两种SBR中应用盛宴和饥荒制度来实现污泥致密化。 Thiothrix丰度由分子工具确定，随后对设备的整体表现进行为期一年半的测试。
结果与讨论
污水处理厂（WWTP）处理来自乳制品厂Luxlait（Roost / Bissen，Luxembourg）的工艺用水，经历了Thiothrix物种引起的反复发生的丝状体膨胀。 这些反复发生的丝状膨胀是造成污水中总悬浮物（TSS）增加的原因。 操作人员使用生物阶段下游的鼓式过滤器对设备进行了适应性调整（图1），以减少污水中的TSS，并启动非特异性化学过程以减少硫细菌的数量。
表1 适用于全尺寸SBR（SBR1和SBR2）的操作参数
缓解方法包括添加聚氯化铝（I），抑制VFA产生（II），并在缓冲罐中用（IIIa）或不用（IIIb）通气改变进料模式。
加入聚合氯化铝（方法I）
普遍适用的方法从2015年2月初（第41天）开始应用于两个SBR并持续到第63天。整个过程中，SBR在2小时内进行了气动观察（表1）。 表明了加入聚合聚合氯化铝的效果并不明显
图2在实验期间SBR1（顶部）和SBR2（底部）的混合液体（灰线）中的污泥体积指数（SVI）曲线和TSS
缓解方法包括添加聚氯化铝（I），抑制VFA产生（II），并在缓冲罐中用（IIIa）或不用（IIIb）通气改变进料模式。 静置30分钟后测量SVI值。 第1天对应于2015年1月1日ST。
果并不明显，Thiothrix的过度生长无法解决。 在整个过程中，SVI仍然很高。 在SBR1中，记录了两个SVI峰：第一个峰在第98天附近达到428ml/lg，第二个峰在第140天附近达到800mL/g以上（图2）。 观察到生物量的冲刷，并且在第二个峰之后，混合液中的TSS下降到1.5g /L1。 因此，出水的质量主要受到TSS浓度降低的影响，两种SBR的总体去除效率分别限制在COD89plusmn;9％，71plusmn;12％和67plusmn;12％总氮（TN）7112%和总磷（TP）6712%（补充图 S1）。 在这段时间结束时，Thiothrix在生物量中占到了一个合适的比例，形成了一个网状结构，将絮凝物桥接在一起，并降低了污泥的堆积密度（补充图 S2）。 来自SBR2的污泥没有受到SBR1中观察到的丝状膨胀的深度影响。 SVI在第60天时也达到高值（约525mL g-1），但污泥的初始沉降性在大约第100天时重新获得。污泥的显微镜观察显示较少量的互相连接的长丝以及小絮状聚集体（补充图 S2).
缓冲罐中挥发性脂肪酸生产的抑制（方法II）。
考虑到SBR1中Thiothrix的持续存在，对过程进行了全面的检查以确定膨胀的潜在原因。 假定两种因素在Thiothrix的生长中起主要作用：挥发性脂肪酸（VFA）的存在与高需氧填充时间比（FTR）和相对低的DO（1.4至4.0mg/L1 ）。 可能实施的改进方法是有限的：进水成分不易调整，显着较低的有氧FTR将涉及高昂的成本费用（机电和管道改造），并且SBR中的DO必须保持较低以避免过高的运营费用。 假设VFA是由导致产酸细菌发育的生物处理上的水力停留时间（HRT）约15小时的缓冲罐中产生的。 因此，采取的方法是在SBR上游的缓冲罐中安装曝气机，以稍微增加DO。 虽然平均VFA负荷从0.144下降到0.092 kg CODvfA3d，但它仍然会导致Thiothrix的过度生长，其生长使用容易生物降解的底 物。 根据“动力学选择”理论15，丝状微生物的特征在于比形成絮状微生物低的最大生长速率（mu;最大）和亲和常数（Ks）。 因此，在好氧喂养阶段，低CODVFA浓度（10plusmn;8 mg ）导致Thiothrix比絮状细菌具有更高的比生长速率。 SBR2的污泥SVI在运行的前116天内稳定增加，直至达到950ml/g1（图2）。 冲洗导致生物量浓度在37天（245天至282天）内显着降低，从4.1降低到1.7g L-1。 在第282天，污泥由丝状生物控制，降低了体积密度（补充图 S2）。 尽管污泥质量仍然很差，但由于鼓式过滤器抛光装置的存在，在此期间实现了总COD的96plusmn;4％，TN的83plusmn;7％和TP的88plusmn;5％的去除效率（补充数字 S1)。
定期饥饿致密化（方法III）。
因此决定通过修改SBR2循环来改善方法，同时保持缓冲罐中的充气。 在95分钟期间未饱食条件下（节食）提供饲料，然后延长曝气时间210分钟（饥饿）。 该过程旨在避免Thiothrix消耗VFA，同时有利于在厌氧条件下能够积累存储生物聚合物（主要是聚羟基链烷酸酯（PHA））的微生物的生长。
这个新的方案直到第357天才被应用到SBR1上，因为污泥特性没有被降解到足以导致两个SBR联合修改的程度。 然而，在第357天，SVI已经达到几乎800mL/g，并且相同的循环修改方法也被应用于SBR1。 两周后，这个盛宴和饥荒制度能够在厌氧阶段结束时保持CODVFA和可溶性COD（主要为可溶性底物，如乳糖）的残余浓度低于1 mg 和40mg。 这种饲喂模式使得SBR2的SVI在90天内从950升高到200mL /g，并且生物质浓度在3.5g /L1附近稳定（图2）。 这种循环修饰对SBR1的影响甚至更加显着：SVI在60天（358到418天）从800到80mL /g变化，而TSS略微增加到达3.4g/L。 直到实验结束时，维持来自两个反应器的污泥的沉降性，并且不再观察到SVI峰。 在第385天停止了缓冲罐中的曝气以验证污泥的稳定性,尽管生物处理的上游存在着产酸代谢物（方法IIIb）。 两个反应器中的SVI和生物质浓度保持不变，这证明盛宴 - 饥荒制度本身足以解决膨胀事件。 为了强调致密化方法的其他好处，鼓式过滤装置从418天开始过滤到461天。有趣的是，总COD，TN和TP的去除效率分别保持稳定在96plusmn;3％，88plusmn;7％和93 plusmn;7％（补充图S1)。
根据显微镜和分子工具从第250天至500天观察分析和反复修饰的结果果，以评估细菌多样性的变化以及对Thiothrix和PHA积累细菌（PAO和GAO）的影响。 虽然用来自同一缓冲罐的废水供给，但反应器中细菌门的分布是不同的（图3）。 来自SBR1的污泥的初始细菌多样性（第278天）主要包含与Proteobacteria.Chlorobi和Bacteroidetes门相关的OTU，而SBR2的污泥主要由与Proteobacteria门有关的OTUs组成（83.1％）。 这个门的过度代表主要是由于丰富的Thiothrix相关的OTUs（71.8％）。 更一般地说，两个反应器中Proteobacteria丰度随时间的变化主要是由Thiothrix丰度的变化所导致的（图4A，B）。 剩余的多样性在Bacteroidetes门和Actinobacteria较少程度之间共享。 附属于放线菌的OTUs主要与PAO Tetrasphaera相关，与拟杆菌相关的OTUs主要隶属于鞘磷脂菌目，包括定期在活性污泥中鉴定的成员。
图3.在第278天和第484天之间SBR1（顶部）和SBR2（底部）的细菌门的分布。每个门的丰度表示为相应OTU的相对基因频率。
细菌多样性分析显了示Thiothrix属Thiothrix ei
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