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        高原生境不同水力停留時(shí)間下A2/O工藝活性污泥微生物代謝機(jī)制研究*

        2022-02-15 11:40:50李遠(yuǎn)威郝凱越宗永臣尤俊豪郭明哲
        環(huán)境污染與防治 2022年1期
        關(guān)鍵詞:氧池活性污泥生境

        李遠(yuǎn)威 郝凱越 宗永臣 尤俊豪 郭明哲

        (西藏農(nóng)牧學(xué)院水利土木工程學(xué)院,西藏 林芝 860000)

        目前我國城鎮(zhèn)污水處理廠主要采用活性污泥法[1],其中A2/O工藝由于運(yùn)行管理簡單、脫氮除磷效果好等應(yīng)用最為廣泛。污水處理工藝中脫氮除磷的效能與微生物菌屬功能、基因豐度以及各污染物代謝途徑緊密相關(guān)??敌』2]98研究發(fā)現(xiàn),在亞高原地區(qū)污水處理工藝中污水種類可影響功能蛋白種類,且豐度較高的酶和基因與微生物參與的碳代謝、氮代謝以及適應(yīng)環(huán)境變化方面的代謝有著密切的聯(lián)系。黃瀟[3]發(fā)現(xiàn),在污水處理好氧區(qū)主要發(fā)生氮代謝,且水力停留時(shí)間(HRT)的延長有利于脫氮菌和有機(jī)物降解菌的生長,便于碳源、氮源的降解。彭永臻等[4]在活性污泥中發(fā)現(xiàn)固氮酶功能基因nifD,其主要參與的氮代謝途徑是生物脫氮的主體。崔迪[5]發(fā)現(xiàn),活性污泥中以碳、氮和磷代謝為主,其中碳代謝提供的碳源確保了微生物群落的基本生長要求,便于后續(xù)生物代謝反應(yīng)的進(jìn)行。然而,上述研究多在平原或亞高原地區(qū)展開,針對(duì)高原生境下活性污泥代謝途徑和基因豐度等方面的研究較少。西藏自治區(qū)位于青藏高原西南部,平均海拔在4 000 m以上,為進(jìn)一步提升高原生境下污水處理效能,本研究在西藏農(nóng)牧學(xué)院校區(qū)內(nèi)構(gòu)建A2/O工藝試驗(yàn)裝置,考察了在不同HRT條件下污泥系統(tǒng)的優(yōu)勢菌屬功能和污染物代謝途徑等情況,探討了微生物代謝功能等規(guī)律,以期為高原生境下活性污泥微生物代謝機(jī)制的研究提供一定的理論基礎(chǔ)。

        1 試驗(yàn)和方法

        1.1 試驗(yàn)裝置

        試驗(yàn)采用A2/O工藝小試裝置,其中反應(yīng)池總體積為210 L,其中厭氧池、缺氧池、好氧池體積分別為35、58、117 L,二沉池體積為39 L。試驗(yàn)過程中,厭氧池和缺氧池利用爪極式永磁同步電機(jī)配合攪拌器進(jìn)行攪拌,好氧池利用交直流增氧泵和空氣浮子流量計(jì)進(jìn)行曝氣[6]。采用磁力驅(qū)動(dòng)循環(huán)泵控制污泥回流比為100%,采用蠕動(dòng)泵控制硝化液回流比為200%。利用好氧池進(jìn)行35 d的活性污泥培養(yǎng),培養(yǎng)條件為:溫度(20.0±0.5) ℃,溶解氧(DO) 2.0~3.0 mg/L,pH 6.50~7.50。培養(yǎng)階段結(jié)束時(shí),測得污泥沉降比(SV30)為28%,混合液懸浮固體質(zhì)量濃度(MLSS)為3 716 mg/L,污泥達(dá)到預(yù)定要求后開展正式試驗(yàn)。本試驗(yàn)直接采用校園生活污水為試驗(yàn)用水,主要進(jìn)水水質(zhì)指標(biāo)見表1。

        表1 試驗(yàn)用水水質(zhì)指標(biāo)

        1.2 試驗(yàn)方法

        保持污泥培養(yǎng)階段時(shí)的控制指標(biāo)不變,利用流量計(jì)調(diào)節(jié)進(jìn)水流量分別為8、10、12、14 L/h,對(duì)應(yīng)的HRT為26.25、21.00、17.50、15.00 h,每種HRT工況連續(xù)運(yùn)行9 d,每天持續(xù)監(jiān)測進(jìn)出水COD、TN、TP、氨氮指標(biāo),檢測方法參照文獻(xiàn)[7]。試驗(yàn)結(jié)束后對(duì)好氧池活性污泥進(jìn)行取樣,預(yù)處理后送樣檢測。為消除工況調(diào)整的影響,每一工況運(yùn)行結(jié)束后間隔72 h后開展下一工況試驗(yàn)。

        1.3 活性污泥預(yù)處理及分析

        1.3.1 活性污泥樣品預(yù)處理

        采集好氧池中泥水混合液裝入已滅菌的離心管中,利用高速臺(tái)式冷凍離心機(jī)以3 000 r/min離心15 min對(duì)活性污泥進(jìn)行富集[8],然后置于超低溫冷凍儲(chǔ)存箱-80 ℃冷凍24 h,進(jìn)行高通量16S rRNA基因測序分析。

        1.3.2 測序分析流程

        首先利用1%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))瓊脂糖凝膠電泳檢測抽提DNA,設(shè)計(jì)引物接頭并利用聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(PCR)擴(kuò)增與產(chǎn)物純化,對(duì)指定區(qū)域合成barcode特異引物。將PCR產(chǎn)物用QuantiFluorTM-ST藍(lán)色熒光定量工藝進(jìn)行檢測,利用Illumina技術(shù)進(jìn)行16S rRNA測序分析。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 進(jìn)水水質(zhì)及污染物去除率分析

        不同HRT工況下A2/O工藝平均進(jìn)出水水質(zhì)及污染物去除率見表2。

        表2 不同HRT下平均進(jìn)出水水質(zhì)及污染物去除率

        由表1可見,當(dāng)HRT為26.25 h時(shí),出水COD達(dá)到了《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)(50 mg/L)[9],此時(shí)COD去除率最高為85.90%,其余各工況出水均未達(dá)到GB 18918—2002一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)(60 mg/L)。TN在各HRT工況下均達(dá)到了GB 18918—2002一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)(15 mg/L),但在HRT為21.00 h時(shí)TN去除率最高,達(dá)到73.68%。TP在各HRT工況下出水均滿足一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)(1.5 mg/L),其中在HRT為26.25 h時(shí)去除率最高(81.54%)。出水氨氮在4種HRT工況下均達(dá)到GB 18918—2002一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)(5 mg/L),在HRT為15.00 h時(shí)去除率最高(93.17%)。綜合上述分析可知,TN和氨氮出水水質(zhì)均滿足GB 18918—2002一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn),即表明HRT的長短對(duì)TN和氨氮的去除無明顯影響;COD在HRT為26.25 h時(shí)去除效果最好,這與郝凱越等[10]研究一致。綜合考慮氨氮雖在HRT為15.00 h時(shí)處理效果最好,但此時(shí)COD去除效果較差,而HRT為26.25 h時(shí)4種污染物均有較好的去除效果,故優(yōu)先選擇26.25 h為最佳的HRT運(yùn)行工況,以便高效地去除污染物。HRT的變化會(huì)影響微生物群落多樣性指數(shù)變化[11-12]和功能菌屬豐度變化[13],微生物群落的變化可以進(jìn)一步導(dǎo)致出水水質(zhì)發(fā)生變化。

        2.2 A2/O工藝好氧池優(yōu)勢菌屬功能分析

        采用SPSS 22.0軟件依據(jù)silva數(shù)據(jù)庫對(duì)4個(gè)HRT工況下好氧池的污泥樣本展開統(tǒng)計(jì)分析,利用核糖體數(shù)據(jù)庫項(xiàng)目(RDP)分類和功能預(yù)測軟件(PICRUSt)篩選出已知功能分類和代謝類型的前10種菌屬,詳細(xì)信息見表3。

        由表3可見,腐螺旋菌屬[14]、鞘脂菌屬[15-16]和克里斯滕森菌科R-7群[17]為有機(jī)物降解菌;奧托氏菌屬[18]、孤島桿菌屬[19]、norank_f_JG30-KF-CM45和貪食菌屬[20]為反硝化菌;熱單胞菌屬[21]和產(chǎn)黃桿菌[22]為雙重屬性菌,既可以利用反硝化作用脫氮又可利用聚磷菌特有的聚磷功能除磷;戈登氏菌屬為典型聚磷菌,在污水處理除磷功能中占據(jù)主導(dǎo)地位。綜上可知,優(yōu)勢菌屬主要代謝功能為有機(jī)物降解、反硝化脫氮和聚磷菌除磷。

        表3 A2/O工藝好氧池前10種優(yōu)勢菌屬功能分類

        2.3 微生物群落代謝途徑分析

        2.3.1 A2/O活性污泥微生物群落主要代謝途徑

        為了進(jìn)一步研究A2/O工藝中微生物群落各污染物代謝途徑,通過與京都基因與基因組百科全書(KEGG)數(shù)據(jù)庫中基因功能比較,共獲得239條代謝途徑,篩選出豐度最大的前10條代謝途徑并對(duì)代謝功能信息進(jìn)行注釋,不同HRT工況下各種代謝途徑豐度值信息見表4。

        表4 活性污泥微生物群落前10條代謝途徑豐度

        由表4可見,不同HRT工況下豐度最高的代謝功能為ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(ko02010),說明微生物細(xì)胞運(yùn)輸各類污染物、無機(jī)鹽離子等物質(zhì)較多,保證了各污染物代謝所需的營養(yǎng)條件;其次為細(xì)菌雙組分調(diào)節(jié)功能(ko02020),其主要作用為及時(shí)響應(yīng)外界環(huán)境變化,做出利于自身生長的變化,在適應(yīng)環(huán)境變化中有顯著作用[23],該代謝途徑豐度僅次于ABC轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白,顯然在應(yīng)對(duì)高原獨(dú)特的環(huán)境中發(fā)揮著重要作用。嘌呤代謝(ko00230)、核糖體功能(ko03010)、嘧啶代謝(ko00240)等豐度也較高,均與污染物去除密切相關(guān)。此外,氧化磷酸化(ko00190)是磷代謝的主要途徑;丁酸代謝(ko00650)和丙酮酸代謝(ko00620)是碳代謝的主要途徑;精氨酸和脯氨酸代謝(ko00330)以及纈氨酸、亮氨酸和異亮氨酸降解(ko00280)等是典型的氮代謝的主要途徑之一。綜上可知,高原生境下不同HRT工況的A2/O工藝中主要代謝途徑為碳氮磷的代謝。代謝途徑豐度的不同表明了微生物群落結(jié)構(gòu)的不同,調(diào)節(jié)HRT導(dǎo)致了A2/O工藝中群落結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,不同群落結(jié)構(gòu)組成導(dǎo)致了各污染物去除效果的好壞。從表4可以看出,HRT為26.25 h時(shí)各種代謝途徑的豐度均最大,此時(shí)各種污染物代謝反應(yīng)迅速,細(xì)胞新陳代謝活動(dòng)最活躍,污染物處理效能最佳。

        2.3.2 微生物群落碳代謝途徑

        分析活性污泥樣品中的功能基因,發(fā)現(xiàn)5 582個(gè)功能基因參與各污染物的代謝途徑,選取參與碳代謝途徑的前10種功能基因并對(duì)其代謝途徑進(jìn)行分析,具體信息見表5。

        由表5可見,碳代謝途徑主要集中在脂肪酸代謝(ko00071)、纈氨酸、亮氨酸和異亮氨酸降解(ko00280)、脂肪酸生物合成(ko00061)、糖酵解/糖異生(ko00010)和丙酮酸代謝(ko00620)等途徑[24],脂肪酸、糖類和脂質(zhì)代謝途徑較多,與生活污水常見成分相關(guān)。本研究中試驗(yàn)用水碳氮比在8.30~11.62波動(dòng),確保了充足的碳源供應(yīng),因此碳代謝途徑十分豐富。酶功能分類主要集中在脫氫酶、水合酶、還原酶、轉(zhuǎn)移酶等。酶類分布以脫氫酶豐度最大,說明細(xì)胞代謝反應(yīng)以氧化還原反應(yīng)為主,主要消耗各類有機(jī)污染物,為細(xì)胞間的生命活動(dòng)提供充足的碳源,也可高效去除污水中的有機(jī)物。其余酶類種類較多,表明微生物內(nèi)部其他各類酶促反應(yīng)較多,為微生物細(xì)胞的生命活動(dòng)提供了生存環(huán)境和能源供應(yīng)。

        表5 碳代謝途徑的前10種功能基因

        2.3.3 微生物群落氮代謝途徑

        生活污水中氮素的含量較高,脫氮的過程一般為硝化反應(yīng)、反硝化反應(yīng)與氨化反應(yīng)[25-27],即主要通過硝化菌、反硝化菌(DNB)和氨氧化菌(AOB)將有機(jī)氮轉(zhuǎn)變?yōu)榈獨(dú)?,這也是污水處理中主要的生物脫氮途徑。選取參與氮代謝途徑前10種功能基因并對(duì)其代謝途徑進(jìn)行分析,具體信息見表6。

        由表6可見,氮代謝途徑主要集中在丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代謝(ko00250)、氮代謝(ko00910)和精氨酸和脯氨酸代謝(ko00330)等途徑。與氮代謝相關(guān)的基因和酶參與氨基酸的合成分解代謝、硝化、反硝化和氨化反應(yīng)一致,說明微生物細(xì)胞的氮代謝途徑種類多且豐度較大,有利于以氨基酸為底物的生化反應(yīng)的進(jìn)行。另外,細(xì)菌雙組分調(diào)節(jié)(ko02020)代謝途徑的基因豐度最大,表明微生物細(xì)胞應(yīng)對(duì)環(huán)境變化能力強(qiáng)。酶類分布以合成酶、脫氫酶和酸合酶為主,其中豐度最大的是合成酶,表明氮代謝途徑主要以氨基酸代謝為主,通過合成氨基酸類物質(zhì),為構(gòu)造大分子蛋白質(zhì)提供物質(zhì)基礎(chǔ),不斷完善微生物脫氮系統(tǒng)的完整性從而消耗污水中的氮素。

        表6 氮代謝途徑的前10種功能基因

        2.3.4 微生物群落磷代謝途徑

        生物除磷的主要途徑是依靠聚磷菌聚磷,以此來消耗污水中的磷元素從而達(dá)到除磷的目的[28]。選取參與磷代謝途徑前10種功能基因并對(duì)其代謝途徑進(jìn)行分析,具體信息見表7。

        由表7可見,磷代謝主要途徑是氧化磷酸化(ko00190),參與磷代謝的基因都具備此項(xiàng)代謝途徑。其中F型轉(zhuǎn)運(yùn)H+的ATP酶類數(shù)量和種類最多,表明轉(zhuǎn)運(yùn)ATP酶類數(shù)量多且對(duì)應(yīng)基因豐度較大,其主要為細(xì)胞代謝和生命活動(dòng)提供充足的能源支撐,從而使細(xì)胞利用氧化磷酸化途徑來消耗污水中的磷。另外,氧化酶和脫氫酶數(shù)量也占據(jù)一定比例,在好氧條件下氧化磷酸化反應(yīng)速度快,聚磷菌的微生物代謝較快,為除磷提供了有力的條件,導(dǎo)致除磷效果的提高。

        表7 磷代謝途徑的前10種功能基因

        2.4 A2/O工藝微生物功能基因豐度分析

        將污泥樣品基因數(shù)據(jù)信息與KEGG數(shù)據(jù)庫中已知基因數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì),發(fā)現(xiàn)5 752個(gè)同源基因,選取不同HRT下活性污泥群落微生物細(xì)胞豐度排在前10的功能基因并對(duì)其名稱和基因功能進(jìn)行分析,具體信息見表8。

        由表8可見,本研究豐度排名前10的功能基因中有7個(gè)與亞高原地區(qū)城市污水系統(tǒng)的功能基因相同[2]103,其中rpoE基因是革蘭氏陽性調(diào)節(jié)基因,主要面對(duì)外界環(huán)境的變化作出反應(yīng),便于適應(yīng)當(dāng)前生存環(huán)境,且該基因豐度明顯高于亞高原地區(qū),推測因高原特殊生境造成該基因不斷表達(dá)自身基因功能來適應(yīng)高原特殊生境。ABC.CD.P、ABCB-BAC和ABC.CD.A屬于轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)蛋白基因,主要與各污染物的轉(zhuǎn)化和分解有關(guān)。paaF和echA基因的產(chǎn)物是烯酰輔酶A水合酶,主要作用是參與氨基酸降解和碳固定等多種碳、氮代謝途徑。fabG、OAR1基因的產(chǎn)物是3-氧代酰基-[?;d體蛋白]還原酶,該酶主要參與碳代謝途徑。drrA基因的產(chǎn)物是抗生素轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)ATP結(jié)合蛋白,主要作用是減輕抗生素對(duì)細(xì)胞的毒性,使細(xì)胞群落適應(yīng)在抗生素環(huán)境中生存。另外,高原生境下特有的功能基因號(hào)有:K02014(TC.FEV.OM)、K00626(ACAT、atoB)、K00257(mbtN、fadE14)。TC.FEV.OM基因的產(chǎn)物是鐵復(fù)合物外膜受體蛋白,主要作用是污染物利用該受體蛋白進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)完成污染物的降解。ACAT、atoB基因的產(chǎn)物是乙酰輔酶A C-乙酰轉(zhuǎn)移酶,該酶主要參與各種氨基酸代謝的氮代謝途徑。mbtN、fadE14的產(chǎn)物是?;鵄CP脫氫酶,主要參與氧化還原反應(yīng)降解污染物。豐度前10的功能基因中僅有3個(gè)碳代謝優(yōu)勢基因存在,氮和磷代謝優(yōu)勢基因均不存在,即在基因水平仍以碳代謝途徑為主。由以上分析可知,高原生境下A2/O工藝活性污泥微生物功能基因中以碳代謝途徑的基因偏多,基因豐度相對(duì)最大,說明在各好氧池中有機(jī)物去除功能較完善。另外,不同HRT下功能基因豐度排序?yàn)?6.25 h>17.50 h>15.00 h>21.00 h,表明HRT為26.25 h時(shí)活性污泥系統(tǒng)功能基因發(fā)生基因轉(zhuǎn)錄、翻譯等過程最多,參與各種蛋白質(zhì)表達(dá)和污染物代謝的功能越強(qiáng)大。因此,在基因水平上進(jìn)一步說明26.25 h是最佳的HRT運(yùn)行工況。

        表8 不同HRT下活性污泥群落微生物細(xì)胞主要功能基因豐度

        3 結(jié) 論

        對(duì)高原生境下A2/O工藝污染物去除效果及好氧池中活性污泥優(yōu)勢菌功能、代謝途徑和基因豐度進(jìn)行分析,探討不同HRT工況下A2/O工藝微生物代謝機(jī)制,結(jié)果表明:高原生境下,A2/O工藝HRT為26.25 h污水處理效果最好,微生物優(yōu)勢菌屬代謝功能以有機(jī)物降解、反硝化脫氮和聚磷菌除磷為主,這與污水中常含此類污染物有關(guān);微生物群落代謝途徑分析可知,應(yīng)對(duì)環(huán)境變化的細(xì)菌雙組分調(diào)節(jié)(ko02020)豐度較大,該代謝途徑在適應(yīng)環(huán)境變化中有顯著作用,并在HRT為26.25 h時(shí)達(dá)到最大值,是高原生境下的優(yōu)勢代謝途徑;根據(jù)功能基因豐度分析,發(fā)現(xiàn)高原生境下活性污泥微生物細(xì)胞中rpoE基因豐度偏大,凸顯高原生境對(duì)優(yōu)勢基因功能有一定的選擇性, HRT為26.25 h時(shí)微生物中細(xì)胞功能基因豐度最大,即發(fā)生基因轉(zhuǎn)錄、翻譯等過程最多,參與各種蛋白質(zhì)表達(dá)和污染物代謝的功能越強(qiáng)大,進(jìn)一步證實(shí)了優(yōu)勢菌屬功能和代謝途徑豐度最大的原因,與水質(zhì)分析結(jié)果一致。因此,26.25 h是高原生境下A2/O工藝最佳的HRT運(yùn)行工況。

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