工业水处理, 2021, 41(1): 49-53 doi: 10.11894/iwt.2020-0094

• 试验研究 •

溶解氧调控下丝状颗粒污泥的形成及其性能研究

程文静,, 孙意忱, 万俊锋,, 王岩

Formation and performance of filamentous granular sludge regulated by dissolved oxygen

Cheng Wenjing,, Sun Yichen, Wan Junfeng,, Wang Yan

通讯作者: 万俊锋, 博士, 博士后。E-mail:wanjunfeng@zzu.edu.cn

收稿日期: 2020-12-10  

基金资助: 国家自然科学基金项目.  21107100
河南省教育厅科学技术重点研究项目.  14A610007
河南省优秀海外科学家中心生物质资源加工与高效利用计划.  GZS2018004

Received: 2020-12-10  

作者简介 About authors

程文静(1993-)E-mail:chengwenjing1107@163.com , E-mail：chengwenjing1107@163.com

Abstract

Improved SBR process combined with low aeration quantity was used to cultivate filamentous granular sludge. The experimental results showed that the filamentous granular sludge could be formed after 60 days of R1 operation in low aeration condition and had good settling performance. Under different aerations of the two reactors, R1 ran stably over 40 d, the removal efficiency of R1 was equivalent to that of R2(COD removal efficiency >90%, TN removal efficiency 60%-70%, TP removal efficiency 50%), saved 87.5% of aeration compared with R2. High throughput sequencing showed that the dominant strain in R1 were Tricococcus(23.0%), Thiotrix(14.9%) and Desulfobulbus (7.6%), and all of them were filamentous bacteria. It is proved that the filamentous bacteria granular sludge has the advantages of high efficiency in removing nutrients and low energy consumption, which has good application potential in the future wastewater treatment.

Keywords： filamentous granular sludge ; nitrogen and phosphorus removal ; biological community

PDF (0KB) 元数据 多维度评价 相关文章 导出 EndNote| Ris| Bibtex  收藏本文

本文引用格式

程文静, 孙意忱, 万俊锋, 王岩. 溶解氧调控下丝状颗粒污泥的形成及其性能研究. 工业水处理[J], 2021, 41(1): 49-53 doi:10.11894/iwt.2020-0094

Cheng Wenjing. Formation and performance of filamentous granular sludge regulated by dissolved oxygen. Industrial Water Treatment[J], 2021, 41(1): 49-53 doi:10.11894/iwt.2020-0094

20世纪90年代初期，有学者对好氧颗粒污泥（AGS）进行了有关报道〔1〕，并迅速成为废水处理领域的研究热点〔2〕。与传统的活性污泥相比，好氧颗粒污泥具有良好的沉降性能、致密的结构和高生物量等特点〔3-4〕。近年来，已有许多研究人员成功地在SBR反应器中培养出好氧颗粒污泥〔5〕。

在活性污泥工艺中由于丝状细菌的过度生长导致污泥膨胀，活性污泥沉降性变差，通常情况下，如果未及时控制和解决污泥的膨胀问题，传统的活性污泥系统可能会被破坏并且需要很长时间才能恢复〔6-7〕。但是，人们认为丝状细菌是活性污泥系统中的常见微生物，在与其他微生物共存时能够发挥积极作用〔8-10〕。此外，事实证明，某些丝状微生物的存在可以有效去除污水中的某些污染物〔11〕。此外，丝状细菌具有较高的比表面积，对重金属等的吸附能力较高。因此，丝状微生物可用于重金属污染废水的处理〔12〕。

另外，在用各种有机底物培养的成熟AGS表面也观察到丝状细菌。一些报道表明，丝状细菌相互缠绕在一起，形成了AGS的颗粒骨架〔13〕。此外，有学者认为丝状微生物的存在和生长是AGS形成过程中的关键阶段〔6〕。然而，关于丝状微生物和颗粒污泥之间相互作用的报道很少。考虑到在颗粒污泥表面可以培养丝状细菌，本研究尝试丰富SBR系统中丝状微生物的数量。在低溶解氧条件下进行改良SBR工艺和三阶段进水方案的SBR工艺，培养出丝状菌颗粒污泥（FGS）。因此重点研究：（1）FGS系统的形成；（2）比较FGS系统与AGS在去除营养物和有机物方面的性能；（3）考察不同系统微生物群落多样性的差异。

1 材料与方法

1.1 污泥接种及SBR运行

为实现反应器好氧污泥快速颗粒化，R1和R2反应器接种的污泥均来自河南新乡某淀粉厂UASB工艺内部成熟厌氧污泥〔悬浮固体浓度（MLSS）〕≈20 g/L），将污泥用自来水清洗3遍后，分别在2个反应器中加入体积约为200 mL的厌氧颗粒污泥。实验采用的反应器内径为5 cm，高度为160 cm，有效体积为2 L，运行过程中体积的交换率为35%。反应器运行温度设置为25 ℃，试验SBR装置见图 1。

图1

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图1   试验SBR装置

1—有机玻璃柱体；2—进水桶；3—排水桶；4—蠕动泵；5—隔膜泵；
6—流量计；7—气体单向阀；8—曝气泵；9—氮气瓶


整个反应器的时间控制均由时控装置完成，首先通过蠕动泵从反应柱进水口进水，每次进水0.23 L，进水水质见表 1。

表1   人工模拟废水成分组成

成分质量浓度/（mg·L-1）微量元素质量浓度/（μg·L-1）
C6H12O60.33CoCl2·6H2O250
C2H3O2K0.54CuSO4·5H2O250
C3H5O2Na0.30MnSO4·H2O250
（NH4）2SO40.47NiCl·6H2O250
K2HPO4·7H2O0.022
KH2PO40.040
CaCl20.023
MgSO4·7H2O0.022
FeSO4·7H2O0.009
NaHCO30.1

新窗口打开| 下载CSV


进水营养比为COD:N:P=100:5:2（其中COD为1 000 mg/L）；进水后的厌氧、好氧阶段分别采用底部微孔球形曝气头通氮气、空气实现，气体流量通过气体流量计调节控制。R1厌氧阶段氮气流量和好氧阶段空气流量分别为0和0.1 L/min；R2厌氧阶段氮气流量和好氧阶段空气流量分别为0.4 L/min和0.8 L/min，在流量计前均添加单向阀防止氮气泄漏；沉淀后的排水是由隔膜泵控制从排水口处排出，每周期排水0.69 L。

反应器的工艺安排总周期为6 h，流程为：（1）10 min进水；（2）45 min厌氧；（3）60 min好氧；（4）（1）~（3）阶段循环3次（三段进水的目的是营造低负荷环境）；（5）5 min沉降；（6）10 min排水（每周期排水0.69 L）。

1.2 检测方法

本实验中的水样均采用0.45 μm滤膜过滤，于4 ℃下保存。COD采用重铬酸钾法（HJ/T 399—2007）测定；NH4+-N采用纳氏试剂分光光度法（HJ 535— 2009）测定；PO43--P采用离子色谱法测定；混合液悬浮固体浓度（MLSS）采用标准重量法测定；105 ℃时的混合液挥发性悬浮固体浓度（MLVSS）采用标准重量法测定；550 ℃时的污泥形态采用数码相机进行拍照分析。

1.3 微生物多样性（16s RNA）分析

将从反应柱提取微生物样品和冷冻（-20 ℃）保存的接种厌氧污泥样品送至上海美吉生物医药科技有限公司进行微生物多样性测序：用E. Z. N. A.Ⓡ soil试剂盒（美国Omega Bio-tek公司）提取DNA，引物采用338F（5’-ACTCCTACGGGAGGCAGCAG-3’）以及806R（5’-GGACTACHVGGGTWTCTAAT-3’），PCR扩增仪为ABI GeneAmp Ⓡ9700型。完成扩增后，回收PCR扩增产物，经纯化、洗脱、定量后根据Illumina Miseq平台（美国Illumina）构建文库并测序。原始数据上传至NCBI数据库中，并于上海美吉医药生物科技有限公司所提供的I-Sanger生信分析云平台上完成微生物多样性分析。

2 结果与讨论

2.1 污染物质的去除

R1、R2反应器运行过程中对污染物质的去除效果和反应器中生物量的浓度见图 2。

图2

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图2   R1、R2反应器的出水有机物、氮、磷的去除效果和反应器中生物量浓度的变化


由图 2可知，反应器运行初期，接种生物处在适应反应器环境的阶段，初期生物对有机物、氮和磷的去除效果较差，R1的有机物去除率为80%、总氮去除率为60%、磷的去除率为20%；R2有机物的去除率为75%、总氮去除率为37%、磷的去除率为20%。

由图 2（a）可知，随着反应器的运行，生物大量生长，因而会出现在反应器运行初期出水有机物去除效果上升阶段，最终有机物的去除率最高达到95%。这也说明随着反应器的运行，在不同种类微生物作用下水中大部分有机物被降解，同时微生物自身也会分泌产生惰性的溶解性微生物产物（SMP）〔14〕，最终2个反应柱稳定后出水COD保持在80~100 mg/L。

由图 2（b）可知，R1反应柱出水NH4+-N为10 mg/L，由于R1反应柱在好氧阶段DO < 0.5 mg/L，好氧阶段的溶解氧浓度维持在较低水平，而丝状菌对氧气的捕捉能力较强，在氧浓度较低或者缺氧环境中，氨氧化菌属活性受到抑制，而丝状菌生长繁殖又需要消耗营养物质，因而最终R1反应柱对TN的去除率为60%~70%。R2反应柱运行初期出水NH4+-N为40 mg/L，这与微生物不适应环境，对营养物质的去除效果较差有关，但是随着反应柱的运行出水NH4+-N逐渐降低至10 mg/L，反应柱运行稳定后R2反应柱对TN的去除为60%~70%。

由图 2（c）可知，2个反应器对磷的去除效果相近，都是先升高再趋于稳定。这是由于系统开始阶段微生物逐步适应环境且具有除磷功能的微生物不占优势，在运行初期R1和R2系统中对磷的去除率在25%左右。2个反应器的除磷效率随着运行时间不断升高，但是R2反应柱微生物除磷效率高于R1反应柱，这主要是由R2反应柱在好氧阶段溶解氧浓度较高造成的〔15-16〕。随着反应器的运行，R1和R2反应柱除磷效率稳定在50%，反应柱运行后期R2除磷效率有下降的趋势与微生物体内磷富集有关。

由图 2（d）可知，在2个反应器运行60 d，R1反应器形成FGS系统，R1生物量质量浓度（用MLSS表示）为4 g/L，R2生物量质量浓度为6~8 g/L，R1反应柱中生物量浓度略低于R2反应柱，这是由于在R1反应器运行过程中，有白色丝状菌流失导致的。

由图 2可知，形成FGS系统对有机物、氮和磷的去除效果并没有明显的影响。在R1和R2反应器运行过程中生物量保持稳定，由图 2（d）可以看出，丝状菌颗粒污泥的生物量浓度可以保持稳定。综上所述，虽然反应柱内的生物量R1低于R2反应柱，但是2个反应柱对于营养物质的去除效果相当，这与R1反应柱内丝状菌生长繁殖速度快需要消耗营养物质，以及游离的丝状菌排出反应柱系统有关。

2.2 污泥形态

颗粒污泥的形态观察结果见图 3。

图3

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图3   颗粒污泥的形态观察

（a）接种时厌氧污泥形态；（b）R1反应器60 d形成的FGS形态；（c）R2反应器60 d形成的AGS


由图 3（a）可知，厌氧颗粒污泥为黑色球状颗粒污泥；由图 3（b）可知，FGS是白色丝状物包裹黑色内核的颗粒污泥，其中白色丝状物与16S rRNA基因检测出的丝状菌有关；由图 3（c）可知，AGS形态呈现米黄色颗粒形态。

颗粒污泥的SEM见图 4。

图4

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图4   颗粒污泥的SEM

丝状菌颗粒污泥表面（a：×50倍，b：×2 000倍，c：×5 000倍）
好氧颗粒污泥表面（a：×110倍，b：×5 000倍，c：×1 0000倍）


由图 4（a）、图 4（d）可知，经过预处理以后R1和R2的颗粒污泥都呈现出一种致密的球状结构；R1污泥在放大2 000倍和5 000倍下的形态表明，丝状结构的细菌包裹柱状和球状细菌；R2污泥在放大5 000倍和10 000倍下的污泥形态表明，AGS是由球状细菌和棒状细菌组成致密的球状颗粒污泥。

2.3 微生物分析

反应器运行100 d，取R1和R2中颗粒污泥与接种污泥进行高通量测序，并对结果进行比较。考察操作分类单元（OTU）水平的venn图，结果见图 5。

图5

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图5   OTUs水平的Venn图

CK—接种污泥；FGS—R1丝状菌颗粒污泥；AGS—R2好氧颗粒污泥


由图 5可知，接种物中有379种细菌的OTUs，其中只有87个OTUs（23.0%）同时出现在2个反应器的微生物样品中。与接种样本相比，分别在R1和R2中发现有263和238个新的OTUs，分别占总OTUs的50.3%和72.3%，这表明在运行过程中进化出了新物种。值得注意的是：R1和R2有237个相同的OTUs，这占了R1和R2各自总OTUs总数很大的比例（45.3%和72.0%）。这可能是因为2个反应器具有相同的进水水质，对微生物有一定的筛选作用。

门水平物种丰度见图 6。

图6

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图6   门水平物种丰度


由图 6可知，接种污泥的群落主要由Pro- teobacteria（6.4%）、Chloroflexi（47.7%）、Bacteroidetes（15.7%）、Actinobacteria（10.2%）组成。在长期运行后，R1反应器中优势菌门Chloroflexi变为Proteo- bacteria，很大程度上与曝气阶段低溶解氧和三段式进水降低营养负荷条件有关。R1反应器中丝状菌的富集是导致Firmicutes菌门在R1反应器中富集的原因。与此同时，R2反应器中的优势菌门由Chloro- flexi变为Proteobacteria，很多除氮和磷菌属都与Proteobacteria有关〔17〕。而R2反应器中Bacteroidetes菌门数量的明显下降，很大程度上是与接种后水中曝气阶段的高溶解氧浓度有关。

属水平物种丰度见图 7。

图7

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图7   属水平物种丰度


由图 7可知，从属水平比较分析接种污泥、R1和R2污泥中微生物的种群群落差异性。R1反应器中出现的3种优势菌属Trichococcus（23.0%）、Thio-thrix（14.9%）和Desulfobulbus（7.6%）都是丝状菌属，丝状菌属的大量生长对有机物的去除具有积极促进作用〔10, 17-18〕。R2反应器中Candidatus-competibacter（27.9%）是GAO〔19〕，Defluviicoccus（35.5%）是PAO菌属〔20〕，可以提高R2系统中的脱氮除磷和去除有机物的性能。

3 结论

丝状菌颗粒污泥能够在低溶解氧（DO < 0.5 mg/L）和低营养负荷条件下驯化成功。在反应器运行稳定阶段，FGS系统对有机物、氮、磷的去除效果与好氧颗粒污泥相当，R1和R2对有机物的去除效果都在90%以上，2个反应器对氮的去除效果为60%~70%，对磷的去除效果为50%。运行过程中通过对生物量浓度的检测发现在反应器运行过程中，R1生物量能够长期保持在一定浓度，并未因为丝状菌的生长而导致污泥大量流失。进一步考虑到R1在运行过程中好氧曝气量远低于R2曝气量，所以大大节约了系统因为曝气而消耗的能源，这一特点可以为实际污水处理工程大大节约能源，因此丝状菌颗粒污泥工艺具有很好的应用前景和潜力。

参考文献

Mishima K , Nakamura M .

Self-immobilization of aerobic activatedsludge a pilot-study of the aerobic upflow sludge blanket process in municipal sewage treatment

[J]. Water Science and Technology, 1991, 23 (4): 981- 990.

URL     [本文引用: 1]

Sharon McHugh , Caroline O'Reilly , Therese Mahony , et al.

Anaerobic granular sludge bioreactor technology

[J]. Reviews in Environmental Science and Biotechnology, 2003, 2 (2/3/4): 225- 245.

[本文引用: 1]

Lee D J , Chen Y Y , Show K Y , et al.

Advances in aerobic granule formation and granule stability in the course of storage and reactor operation

[J]. Biotechnology Advances, 2010, 28 (6): 919- 934.

DOI:10.1016/j.biotechadv.2010.08.007      [本文引用: 1]

Motta M D , Marie-Nolle Pons , Roche N , et al.

Characterisation of activated sludge by automated image analysis

[J]. Biochemical Engineering Journal, 2001, 9 (3): 165- 173.

DOI:10.1016/S1369-703X(01)00138-3      [本文引用: 1]

Adav S S , Lee D J , Show K Y , et al.

Aerobic granular sludge:Recent advances

[J]. Biotechnology Advances, 2008, 26 (5): 411- 423.

DOI:10.1016/j.biotechadv.2008.05.002      [本文引用: 1]

Liu Yu , Liu Qishan .

Causes and control of filamentous growth in aerobic granular sludge sequencing batch reactors

[J]. Biotechnology Advances, 2006, 24 (1): 115- 127.

DOI:10.1016/j.biotechadv.2005.08.001      [本文引用: 2]

Martins A M P , Pagilla K , Heijnen J J , et al.

Filamentous bulking sludge-a critical review

[J]. Water Research, 2004, 38 (4): 793- 817.

DOI:10.1016/j.watres.2003.11.005      [本文引用: 1]

Peng Dangcong , Bernet N , Delgenes J P , et al.

Aerobic granular sludge-a case report

[J]. Water Research, 1999, 33 (3): 890- 893.

DOI:10.1016/S0043-1354(98)00443-6      [本文引用: 1]

Schuler A J , Jassby D .

Filament content threshold for activated sludge bulking:Artifact or reality?

[J]. Water Research, 2007, 41 (19): 4349- 4356.

DOI:10.1016/j.watres.2007.06.021     

Wu Xianwei , Huang Ju , Lu Zichuan , et al.

Thiothrix eikelboomii interferes oxygen transfer in activated sludge

[J]. Water Research, 2019, 151, 134- 143.

DOI:10.1016/j.watres.2018.12.019      [本文引用: 2]

Malaviya P , Rathore V S .

Bioremediation of pulp and paper mill effluent by a novel fungal consortium isolated from polluted soil

[J]. Bioresource Technology, 2007, 98 (18): 3647- 3651.

DOI:10.1016/j.biortech.2006.11.021      [本文引用: 1]

马燕, 余晓斌.

丝状真菌生物富集重金属废水的研究进展

[J]. 生物技术通报, 2017, 33 (10): 59- 63.

[本文引用: 1]

Schwarzenbeck N , Borges J M , Wilderer P A .

Treatment of dairy effluents in an aerobic granular sludge sequencing batch reactor

[J]. Applied Microbiology & Biotechnology, 2005, 66 (6): 711- 718.

[本文引用: 1]

吴伟, 余昂.

废水生物处理中溶解性微生物产物(SMP)的研究进展

[J]. 环境与发展, 2015, (4): 91- 95.

[本文引用: 1]

Liu Qing , Wan Junfeng , Wang Jie , et al.

Recovery of phosphorus via harvesting phosphorus-accumulating granular sludge in sequencing batch airlift reactor

[J]. Bioresource Technology, 2017, 224, 87- 93.

DOI:10.1016/j.biortech.2016.11.103      [本文引用: 1]

方芳, 鲍晓静, 操家顺.

溶解氧对活性污泥胞内贮存物和除磷性能的影响

[J]. 环境工程, 2012, (6): 11- 14.

[本文引用: 1]

Vasmara C , Pindo M , Micheletti D , et al.

Initial pH influences microbial communities composition in dark fermentation of scotta permeate

[J]. International Journal of Hydrogen Energy, 2018, 43 (18): 8707- 8717.

DOI:10.1016/j.ijhydene.2018.03.122      [本文引用: 2]

Samain E , Albagnac G , Legall J .

Redox studies of the tetraheme cytochrome c3 isolated from the propionate-oxidizing, sulfate-reducing bacterium Desulfobulbus elongatus

[J]. Febs Letters, 1986, 204 (2): 247- 250.

DOI:10.1016/0014-5793(86)80821-3      [本文引用: 1]

常烁, 曾薇.

系统中聚糖菌及其反硝化代谢机理的研究进展

[J]. 工业水处理, 2019, 39 (9): 8- 13.

[本文引用: 1]

Pronk M , Neu T R , Van Loosdrecht M C M , et al.

The acid soluble extracellular polymeric substance of aerobic granular sludge dominated by Defluviicoccus sp

[J]. Water Research, 2017122, (148): 158.

[本文引用: 1]

/

〈 〉

  • 主管/主办：中海油天津化工研究设计院有限公司
    出版单位：《工业水处理》编辑部
    ISSN　1005-829X
    CN　12-1087/TQ
  • 网站版权所有 © 2022《工业水处理》编辑部
    本系统由北京玛格泰克科技发展有限公司设计开发
    技术支持：support@magtech.com.cn
    违法和不良信息举报电话: 022-26689199
津ICP备05000975号-3 津公网安备 12010602120337号 网站版权所有 ©《工业水处理》编辑部