反硝化除磷菌群结构与工艺调控策略
我国南方城市污水具有低碳氮比（C/N）的水质特征，传统工艺处理低C/N生活污水时出水氮、磷难以同时达标。反硝化除磷技术因其具有同步脱氮除磷、降低碳源与能源需求，污泥产量低等优势而成为目前研究的热点。为加深对反硝化除磷技术的理解，促进反硝化除磷工艺的工程化应用，本课题研究了反硝化除磷双污泥工艺对低C/N实际生活污水的处理效果。基于16S rRNA高通量测序技术，开展了反硝化除磷与传统好氧除磷污泥的菌群结构与主导除磷微生物的差异性比较，进而从影响反硝化除磷的两个主要方面（电子受体与电子供体）开展对反硝化除磷效能与菌群结构的影响研究，为工艺的优化调控提供理论基础；并进一步采用宏基因组测序技术研究了反硝化除磷污泥的菌群与功能基因。 首先研究了反硝化除磷双污泥工艺对低 C/N实际生活污水的长期连续处理效果，结果表明系统具有良好的反硝化除磷脱氮效能。A2N段出水 COD、NO3--N、TP平均浓度分别为38、0.25、0.41mg/L，出水NH4+-N浓度相对较高，为8.81mg/L。二级BAF能够进一步硝化A2N段出水中的氨氮，并截留出水中SS，最终出水COD、NH4+-N、NO3--N、TP平均浓度分别降低至30、1.02、7.52、0.320mg/L。系统除磷脱氮分析表明吸磷量与释磷量以及吸磷量与硝氮消耗量均呈良好的线性关系。 进一步采用序批式反应器（sequencing batch reactor，SBR）分别在严格厌氧-缺氧与厌氧-好氧条件下培养反硝化除磷与传统好氧除磷污泥。结合反应器运行效果，采用基于16S rRNA的高通量测序与分析技术，系统比较了反硝化除磷与好氧除磷污泥的菌群结构，并对反硝化除磷菌进行鉴定分析。结果表明：好氧除磷污泥的多样性高于反硝化除磷污泥，且二者菌群具有明显的差异性。驯化过程中，反硝化除磷污泥菌群结构发生了明显变化，而好氧除磷污泥菌群结构仅有微小波动。对除磷菌的鉴定分析表明：反硝化除磷污泥中以Dechloromonas-related PAO为主导除磷菌，且为兼性细菌；好氧除磷污泥中以Ca. Accumulibacter为主导除磷菌。稳定运行期，除磷菌与聚糖菌比例分别为16.9％、12.8%；5.26%、6.19%。 针对反硝化除磷的电子受体，比较了不同电子受体除磷污泥的除磷效能与菌群结构。以硝氮、亚硝氮、氧气为单一电子受体除磷污泥对TP去除率分别为84.8%、78.5%、87.4%，亚硝氮为电子受体反硝化除磷能力相对较弱。硝氮为电子受体反硝化除磷的电子受体利用效率（P/N）高于亚硝氮，分别为2.21、1.51mol-P/mol-e-。两个反硝化除磷污泥具有近似的菌群结构，且无曝气活性污泥系统中潜在一定的公共卫生安全隐患。反硝化除磷末端增加短时后曝气有利于改善反硝化除磷污泥的沉降性，且短时后曝气能够实现进一步吸磷，但较长时间曝气时会导致菌群结构的改变，进而影响反硝化吸磷效能，建议10min为宜。 针对反硝化除磷的电子供体，研究了碳源类型对反硝化除磷污泥除磷效能与菌群结构的影响。乙酸钠、丙酸钠、甘油为碳源反硝化除磷污泥对TP去除率分别为82.5%、91.8%、79.2%，丙酸钠为碳源时反硝化除磷效果最佳。厌氧段有机质利用效率（P/C）分别为0.209、0.261、0.195mol-P/mol-C，缺氧段电子受体利用效率（P/N）分别为0.745、0.760、0.569mol-P/mol-N。驯化期至稳定期，乙酸钠、丙酸钠、甘油为碳源除磷污泥中聚磷菌比例由4.54%、4.38%、1.57%增加至9.53%、41.5%、7.96%，聚糖菌比例由1.54%、2.22%、1.18%变化至6.92%、1.18%、1.79%。丙酸钠为反硝化除磷碳源，有利于富集聚磷菌与抑制聚糖菌。在初沉池污泥或剩余污泥水解酸化过程中，可考虑定向水解，以产生更多比例的丙酸。 最后，采用宏基因组测序技术进一步研究了反硝化除磷污泥的菌群结构与功能基因。反硝化除磷污泥中有97.2%的细菌，0.96%的古菌，1.63%的真核生物，等。反硝化除磷污泥以Proteobacteria为主导门，且β-Proteobacteria的比例最高，其次是α-、γ-、δ-Proteobacteria。碳氢化合物代谢、蛋白代谢、氨基酸及其衍生物代谢、等是主导的代谢类别。反硝化除磷菌的聚磷酸盐激酶（polyphosphate kinase1， ppk1）基因不同于好氧除磷菌，与Dechloromonas的ppk1基因同样存在差异。 综合16S rRNA基因与宏基因组测序对除磷菌的的研究结果，反硝化除磷菌（Dechloromonas-related PAO）与好氧除磷菌（Ca. Accumulibacter）同属于Rhodocyclaceae科。反硝化除磷菌与Dechloromonas具有16S rRNA基因的近似性，但功能基因不同，且为兼性细菌，在严格厌氧-缺氧条件下具有明显主导性，在厌氧-好氧条件下也能够存在并发挥吸磷作用。
反硝化除磷菌;菌群结构;工艺调控;电子受体;城市污水
哈尔滨工业大学
博士
环境科学与工程
李朝林;李继
2014
中文
X703.1;X172
132
2015-08-17（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）