Ydeevneoptimering og mikrobiel samfundssuccess i en kontinuerlig-strøm anoxisk MBBR-AAO-proces til forbedret nitrogen- og fosforfjernelse fra kommunalt spildevand

Ydeevneoptimering og mikrobiel Fællesskabets succession af kontinuerlig-Flow Anoxic MBBR-AAO-proces

I de senere år er avanceret rensning af byspildevand og realisering af ressourcegenanvendelse blevet varme emner inden for vandmiljøområdet. De traditionelle processer til fjernelse af kvælstof og fosfor, som i vid udstrækning anvendes af spildevandsrensningsanlæg, resulterer imidlertid ikke kun i overdrevent spild af ressourcer, men øger også driftsomkostningerne [1]. Desuden er det gradvise fald i kulstof-til-nitrogenforholdet (C/N) i byspildevand og forskellene i levemiljøerne for forskellige funktionelle mikrobielle samfund blevet vigtige begrænsende faktorer for vandbehandlingsteknologier.

Slam-filmhybrid MBBR-processen kombinerer den aktiverede slamproces med suspenderet bærerbiofilmproces for at opnå øget berigelse af funktionelle mikroorganismer, hvilket løser problemerne med stor jordbesættelse og dårlig lav-temperaturtolerance af den traditionelle aktiverede slamproces [2]. I 2008 forbedrede Wuxi Lucun spildevandsrensningsanlæg i Jiangsu-provinsen, som det første spildevandsrensningsanlæg i Kina, der udførte opgraderingen og genopbygningen til klasse IA-standarder, behandlingseffekten med succes ved at tilføje suspenderede bærere til slamsystemet [3]; Hu Youbiao et al. [4] undersøgte temperaturens effekt på fjernelse af ammoniak-kvælstof og organisk stof i MBBR og aktiveret slam, og resultaterne viste, at temperaturen havde en mindre indflydelse på MBBR, men en større indflydelse på aktiveret slam; Zhang Ming et al. [5] brugte A²O-MBBR-processen til at behandle husspildevand fra landdistrikter, hvilket opnåede høje fjernelsesrater af COD, ammoniaknitrogen, TP og TN; Zhou Jiazhong et al. [2] fandt gennem små-skalaforsøg, at DO, temperatur var positivt korreleret med slam-filmhybrid MBBR-systemet, mens det indflydende C/N-forhold var negativt korreleret.

Den anoxiske MBBR-proces (AM-MBBR) kan realisere samtidig denitrifikation og fosforfjernelse i den anoxiske tank, som også er denitrificerende fosforfjernelse (DPR). Sammenlignet med traditionelle spildevandsbehandlingsprocesser kan DPR-processen spare organiske kulstofkilder og reducere iltforbruget. Zhang Yongsheng [6] et al. udviklet en biofilmreaktor med kontinuerlig-flow, og resultaterne viste, at ved en temperatur på 20 grader, en DO-koncentration på 5,5 mg/L, en belastning på 2,2 kg/(m³·d), og en intermitterende beluftningstilstand på anaerob 3 h/aerob 6 h, var de gennemsnitlige koncentrationer af phorus og influenza i mg COD/7 0,67 mg/L, med fjernelsesrater på henholdsvis 72,9 % og 78,5 %.

Men for slam-filmhybrid AM-AAO-systemet er der et komplekst forhold mellem suspenderet flokkulent slam og påsat biofilm. Tidligere undersøgelser har fokuseret på ingeniørpraksis såsom budgivning og genopbygning af spildevandsrensningsanlæg, men der er få undersøgelser af synkron nitrifikation og DPR for at forbedre nitrogen- og fosforfjernelse i kontinuerlig-strømsslam-filmhybrid AM-AAO-systemer, og stabiliteten af ​​denne proces til fjernelse af forurenende stoffer er også stabiliteten af ​​denne forurenende proces.

Denne undersøgelse optimerede opstarts-- og driftsstrategierne for kontinuerlig-flow (AAO) og kontinuert-flow slam-filmhybrid (AM-AAO) processer, med fokus på at undersøge virkningerne af beluftningshastighed, fyldstofdosering, hydraulisk retentionstid (HRT), nitrifikationsforhold i væsketemperatur/tilbageløbstemperatur/Nitrifikation, N langsigtet-nitrogen- og fosforfjernelsesevne af AM-MBBR-processen og effektiviteten af denitrificerende fosforfjernelse i den anoxiske tank. Samtidig blev rækkefølgen af ​​mikrobielle samfund og ændringsreglerne for funktionelle mikrobielle samfund i aktiveret slam og biofilm undersøgt.

1 Materialer og metoder

1.1 Eksperimentel enhed og driftsparametre

En kontinuerlig -flow AAO-reaktionsenhed (figur 1) blev brugt i denne undersøgelse. Den var lavet af organisk glas, med i alt 7 rum, hver med en størrelse på 10 cm × 10 cm × 40 cm; arbejdsvolumenet var 21 L, og volumenforholdet for hver reaktionsbeholder var anaerob: anoxisk: aerob=2:2:3. Mekanisk omrøring blev vedtaget i de anaerobe og anoxiske tanke; den aerobe tank brugte beluftningssandhoveder som mikro-porøse beluftere og ekstern kraft til slam{12}}vandblanding, og beluftningshastigheden blev styret af en gasflowmåler. DO-koncentrationen i reaktorens aerobe tank blev kontrolleret til 2~3 mg/L; den sekundære sedimentationstank var en cylinder med et arbejdsvolumen på omkring 40 L; slamretentionstiden (SRT) var 40 d, og slamtilbageløbsforholdet var 50%. Reaktoren kørte i alt 263 dage (opdelt i 6 driftstrin), og polyethylenfyldstoffer blev tilføjet til den anoxiske tank fra den 159. dag for at fungere i AM-AAO-tilstand. De specifikke driftsbetingelser er vist i tabel 1.

(Figur 1 Skematisk diagram af AM-AAO-procesudstyr: Figuren inkluderer en vandindløbsspand, peristaltisk pumpe, anaerob tank, anoxisk tank, aerob tank, sedimentationstank, vandudløbsspand samt intern tilbagesvaling, slamtilbageløbsrørledninger og drænventiler)

Tabel 1 Processystemtype og driftsparametre

1.2 Inokuleret slam og indgående vandkvalitet

Det podede slam i dette forsøg blev taget fra det overskydende slam, der blev udledt fra den sekundære sedimentationstank på et spildevandsrensningsanlæg. Efter podning var slamkoncentrationen (MLSS) i reaktoren 2,3 g/L, og slamets flygtige faste stoffer (MLVSS) var 2,1 g/L.

Reaktorens indløb var egentligt husholdningsspildevand fra restauranter, som blev tilsat reaktoren efter filtrering af urenheder gennem en filtersigte. Dets forurenende stoffer omfattede NH₄⁺-N (35.0456,54 mg/L), NO₂⁻-N (00,42 mg/L), NO3⁻-N (00,05 mg/L), COD (362,1605,1 mg/L) og PO43--P (1-5,08 mg/L).

1.3 Detektionselementer og analysemetoder

1.3.1 Rutinemæssige detektionsmetoder

Slam-vandprøver blev opsamlet fra influenten, den anaerobe tank, den anoxiske tank, den aerobic tank, sedimentationstanken og spildevandet og filtreret med 0,45 μm filterpapir. NH4⁺-N blev bestemt ved Nesslers spektrofotometer; NO2⁻-N blev bestemt ved N-(1-naphthyl)ethylendiaminfotometri; NO3⁻-N blev bestemt ved ultraviolet spektrofotometri; COD blev bestemt af Lianhua 5B-3A COD multi-parameter hurtig detektor; pH/DO og temperatur blev bestemt med WTW Multi3620 detektor; MLSS blev bestemt ved gravimetrisk metode; MLVSS blev bestemt ved hjælp af muffelovnsforbrændingsvægttabsmetode [7].

1.3.2 Ekstraktion og påvisning af ekstracellulære polymere stoffer

Ekstracellulære polymere stoffer (EPS) anses for at være sammensat af polysaccharider (PS), proteiner (PN) og humussyrer (HA). Tre typer EPS, nemlig opløselige ekstracellulære polymere stoffer (S-EPS), løst bundne ekstracellulære polymere stoffer (LB-EPS) og tætbundne ekstracellulære polymere stoffer (TB-EPS), blev separeret og ekstraheret. Bestemmelsesmetoden for PS var svovlsyre-anthronmetoden, og bestemmelsesmetoderne for PN og HA blev modificeret Folin-Lowry-metoden [7].

1.3.3 Beregningsmetode for hastigheden for fjernelse af forurenende stoffer

Forureningsfjernelsesraten (SRE) blev brugt til at karakterisere den samlede forureningsfjernelse af AM-AAO-processystemet. Blandt dem er Sinf og Seff de forurenende koncentrationer af henholdsvis indløbs- og spildevandet, som kan repræsentere massekoncentrationerne af forurenende stoffer såsom NH₄⁺-N, NO₂⁻-N, NO₃⁻-N, COD{5} og PO₄ i influenten spildevand, mg/L.

1.3.4 Høj-gennemstrømningssekventeringsmetode

Illumina high-throughput sekventeringsmetode blev brugt. Slamprøver fra den anaerobe tank, den anoxiske tank og den aerobe tank på dag 1, 110, 194 og 237 blev indsamlet og navngivet som gruppe D01 (D01_A1, D01_A2, D01_O), gruppe D110 (D110_A09, D110_A1_2, D110 gruppe) henholdsvis (D194_A1, D194_A2, D194_O) og gruppe D237 (D237_A1, D237_A2, D237_O); biofilmslamprøver på dag 194 og 237 blev indsamlet og navngivet som henholdsvis M194 og M237. I alt 14 slamprøver blev analyseret for ændringer i mikrobielle samfund. DNA blev ekstraheret ved hjælp af Fast DNA SPIN kit (MP Biomedicals, Santa Ana, CA, USA). V3-V4-regionen af ​​det bakterielle 16S rRNA-gen blev amplificeret med 338F/806R-primere. De oprensede amplikoner blev sekventeret på Illumina MiSeq PE300-platformen (Illumina, USA) af Shanghai Majorbio Biomedical Technology Co., Ltd. (Shanghai, Kina) [7].

2 Resultater og diskussion

2.1 Langsigtede-regler for fjernelse af forurenende stoffer i AAO- og AM-AAO-processer

Den langsigtede-fjernelse af forurenende stoffer under driften af ​​den kontinuerlige-flow AAO-proces (trin 13) og AM-AAO-processen med tilføjet suspenderede polyethylenfyldstoffer (trin 46) er vist i figur 2.

I trin 1 (1~45 d) var PO₄³⁻-P-frigivelsesmængden (PRA) i den anaerobe tank, PO₄³⁻-P-optagelsesmængden i den anoxiske tank (PUAA) og PO₄³⁻-P-optagelsesmængden i den aerobe tank (PU6,06) mg (6,06) mg henholdsvis 14,22 mg og 87,81 mg, og fosforoptagelsesprocessen blev hovedsageligt opnået i den aerobe tank. Fjernelseshastighederne for NH₄⁺-N og total uorganisk nitrogen (TIN) var henholdsvis 92,85 % og 86.37 %, hvilket sikrede denitrifikationseffekten. Efter fin-justering af beluftningen (DO=2~3 mg/L), steg NH₄⁺-N-fjernelseseffekten til 98,68 %, og spildevands-TIN-koncentrationen og fjernelseshastigheden var 1,75 mg/L og 95,75 %, hhv. denitrifikationsprocesser; COD-fjernelseseffekten i den anaerobe tank svækket (91,60%). Derudover havde finjusteringen af ​​DO ingen effekt på spildevandet PO₄³⁻-P, med et gennemsnit på 0,47 mg/L, hvilket er i overensstemmelse med konklusionen fra Yang Sijing et al. [8].

I trin 2 (46~120 d), efter justering af HRT=8 h, svingede COD-fjernelsen en smule; de maksimale værdier af PRA, PUAA og PUAO nåede 148,01 mg, 81,95 mg og 114,15 mg, hvilket indikerer, at stigningen i indstrømmende flow ikke påvirkede fosforfjernelsen og opretholdt høj NH₄⁺-N- og TIN-fjernelsesevne. På dag 72 blev nitrifikationsvæsketilbageløbsforholdet øget til 300% og 400%. Stigningen i tilbagesvalingsforhold reducerede TIN-fjernelseseffekten med fjernelsesrater på henholdsvis 80,37 % (300 %) og 68,68 % (400 %). Fra dag 108 til 120 blev nitrifikationsvæsketilbageløbsforholdet bestemt til at være 250%. COD-fjernelsesmængden i den anaerobe tank ved et nitrifikationsvæsketilbageløbsforhold på 250 % (127,1 mg/L) var højere end eller lig med andres (86.2 mg/L, 124,7 mg/L og 128,0 mg/L for henholdsvis 200 %, 300 % og 400 %); koncentrationerne af afgangsphosphor svarende til forskellige tilbagesvalingsforhold var 0,52 mg/L, 0,35 mg/L og 0,06 mg/L, hvilket indikerer, at forøgelse af nitrifikationsvæsketilbageløbsforholdet inden for et vist område kan fremme fosforfjernelse. Derudover havde tilbagesvalingsforholdet på 250 % god denitrifikationsydelse med en TIN-fjernelsesrate på 86.86 %.

I trin 3 (121~158 d) blev nitrifikationsvæsketilbageløbsforholdet fastsat til 250%. På dag 131 blev indløbsflowet øget til 5 L/h, COD- og fosforfjernelseseffekterne faldt, og spildevandskoncentrationerne var henholdsvis 73,3 mg/L og 3,92 mg/L, hvilket indikerer, at stigningen i tilløbsstrømmen resulterede i, at mere COD blev udledt uden behandling. Derudover var de maksimale fjernelseshastigheder for NH₄⁺-N og TIN henholdsvis 93,82% og 79,12%, blandt hvilke NO₃⁻-N blev det vigtigste forurenende stof i spildevandet (4,70 mg/L). På dag 139 blev indløbsstrømmen reduceret til 4 L/h, COD og fjernelseshastigheden for spildevandet var henholdsvis 55,7 mg/L og 85,97 %, hvilket var højere end kulstoffjernelsesydelsen ved HRT=5.6 time, hvilket indikerer, at reduktionen af ​​HRT kan føre til et fald i COD-fjernelseseffekten. Derudover var de maksimale fjernelseshastigheder af NH₄⁺-N og TIN 100 % og 97,41 %, hvilket indikerer, at justeringen af ​​HRT fremmede nitrifikation og denitrifikation, men overdrevent kort HRT kan føre til et fald i denitrifikationseffekten. Derfor, når HRT=7 time, er det tilstrækkeligt, at reaktionerne i hver tank fortsætter fuldt ud, og en signifikant stigning i HRT har en lille fremmende effekt på denitrifikationseffekten.

På dag 159 blev 20 % suspenderet polyethylenfyldstoffer tilsat til den anoxiske tank i AAO-processen. I trin 4 (159~209 d) blev COD- og PO₄³⁻-P-fjernelsesydelsen forbedret. Fra dag 172 blev den indstrømmende NH₄⁺-N-koncentration øget til 64,17 mg/L (C/N=8.59), COD- og fjernelseshastigheden for spildevandet var henholdsvis 77,7 mg/L og 86.06%. Årsagen kan være, at biofilmen voksede langsomt, og det aktiverede slam bidrog primært til fjernelse af det meste COD; de suspenderede fyldstoffer øgede PO₄³⁻-P-fjernelsesraten med 1,18 %. Imidlertid førte stigningen i indstrømmende NH₄⁺-N i den anoxiske tank til behovet for flere kulstofkilder til denitrifikationsprocessen af ​​NO₃⁻-N, hvilket ikke var befordrende for fosforfrigivelsen og -optagelsen af ​​PAO'er; på samme tid reducerede denne operation ikke fuldstændigt NO3⁻-N, og den minimale spildevandskoncentration var 7,30 mg/L. På dag 185, hvor HRT blev ændret til 5,6 timer, blev det konstateret, at COD-fjernelseseffekten fluktuerede lidt med en fjernelsesrate på 86.05%; koncentrationen af ​​spildevands PO₄3⁻-P steg med 0,05 mg/L, ledsaget af en stigning i PUAA (fra 13,02 mg til 18,90 mg), hvilket indikerer, at slammet og biofilmen synergistisk udøvede en vis fosforfjernelseseffektivitet. Desuden var koncentrationerne af spildevandet NH₄⁺-N, NO₃⁻-N og TIN henholdsvis 10,23 mg/L, 6,52 mg/L og 16,82 mg/L, hvilket indikerer, at reduktionen af HRT ville føre til et fald i NH{}6- og NH₄-effekten. TIN. På dag 195 blev HRT justeret tilbage til 7 timer, og på dette tidspunkt faldt indholdet af forurenende stoffer i spildevandet, og systemets ydeevne for nitrogen- og fosforfjernelse og fjernelse af organisk stof genvandt sig gradvist.

I trin 5 (210~240 d) blev den indstrømmende NH₄⁺-N-koncentration øget til 84,06 mg/L (C/N=6.28), og det aktiverede slam ydede stadig hovedbidraget til fjernelse af organisk stof. Stigningen i NH₄⁺-N havde ringe effekt på COD-fjernelsen. Andelen af ​​COD absorberet i den anaerobe tank var 68,02%, og det meste af det organiske stof blev absorberet af PAO'er i den anaerobe tank og syntetiseret til interne kulstofkilder (PHA'er), og den anaerobe fosforfrigivelse var fuldstændig fuldført [9]. Den maksimale PRA var 72,75 mg, og PUAA og PUAO var henholdsvis 35,82 mg/L og 48,20 mg/L, men hovedbidraget til fosforoptagelsen kom stadig fra den aerobe tank. På dag 221 blev fyldningsforholdet øget til 30 %, og koncentrationerne af NH₄⁺-N og TIN fra udløbet blev reduceret med henholdsvis 4,49 mg/L og 5,16 mg/L; blandt dem tegnede NH₄⁺-N og NO₃⁻-N sig for henholdsvis 70,11 % og 28,75 % af spildevandets TIN. På dag 231 blev den indstrømmende NH₄⁺-N-koncentration justeret til 66,34 mg/L, og systemets ydeevne til fjernelse af forurenende stoffer var grundlæggende stabil.

I trin 6 (241~263 d) blev reaktortemperaturen reguleret for at udforske dens effekt på fjernelse af forurenende stoffer. På dag 241 blev temperaturen reduceret til 18 grader, COD-fjernelsesraten faldt til 84,37%, men COD-ændringsreglen ændrede sig ikke på grund af temperaturfaldet. Fjernelsesandelen i den anaerobe tank var den højeste, 62,02%, denitrificerende fosforfjernelsesprocessen i den anoxiske tank forbrugte 26,72% COD, NO₃⁻-N-koncentrationen i spildevandet fra den aerobe tank var 10,4 mg/L og 48 mg/L. NH₄⁺-N forblev; desuden var PRA mindre påvirket af temperaturen, men fosforoptagelsesevnen af ​​den anoxiske tank faldt, med PUAA kun 19,77 mg, og fosfor blev fjernet med 3,94 mg/L i den aerobe tank. De fleste psykrofile PAO'er udførte en aerob fosforoptagelsesproces [10]. Da temperaturen blev yderligere reduceret til 13 grader, faldt fjernelseshastigheden af ​​NH₄⁺-N og TIN med henholdsvis 6,38 % og 6,25 %; samtidig faldt PUAA og PUAO med henholdsvis 7,77 mg og 15,00 mg, hvilket kan være relateret til faldet i mikrobiel aktivitet og vækst- og metabolismekapacitet forårsaget af temperaturfaldet. Jin Yu [11] fandt ud af, at når temperaturen er lavere end 14 grader, er det svært at garantere koncentrationen af ​​forurenende spildevand i systemet.

(Figur 2 Fjernelse af forurenende stoffer i AAO- og AM-AAO-processer under langvarig-drift: Inklusive (c) Kurver for NH₄⁺-N-koncentration og fjernelseshastighed, der ændres med driftsdage, (d) Kurver for NOₓ⁻-, der ændrer sig med NH₄⁺--kurver, hvor koncentrationen ændres (IN) operationsdage. Den vandrette akse er driftsdagene (0~260 d), og de lodrette akser er ρ (NH₄⁺-N)/(mg·L⁻¹), ρ (NO₃⁻-N)/(mg·L⁻¹), og fjernelseshastigheden er markeret på hver trin.

2.2 Regler for ændring af forurenende stoffer i typiske cyklusser af AAO- og AM-AAO-processer

For yderligere at udforske mekanismen til fjernelse af forurenende stoffer i AAO- og AM-AAO-processer blev ændringerne i koncentrationen af ​​forurenende stoffer i typiske cyklusser af forskellige driftsstadier analyseret, som vist i figur 3.

På dag 42 (trin 1) havde AAO-processen god denitrifikation og fosforfjernelse. Den høje indflydende COD forbedrede imidlertid ikke phosphorfrigivelsesydelsen, og PRA var 9,13 mg/L på dette tidspunkt. Derudover var NH₄⁺-N forbrugt på forhånd, når den kom ind i den anoxiske tank; derefter reducerede den anoxiske tank den genererede NO3⁻-N til N2; den aerobe tank fjernede dog kun 3,52 mg/L NH₄⁺-N, hvilket kan skyldes den lange HRT i trin 1, hvilket førte til en stigning i DO returneret til den anoxiske tank, og det meste af NH₄⁺-N havde afsluttet nitrifikation, hvilket resulterede i en anoxisk tank, hvilket resulterede i en anoxisk tank.

På dag 118 (stadie 2), med faldet i indstrømmende COD, forværredes fosforfrigivelsen og denitrifikationsevnen. Fosforfrigivelseskoncentrationen i den anaerobe tank var 5,91 mg/L, og NO3⁻-N-koncentrationen i effluenten fra den aerobe tank var 8,20 mg/L. PO₄³⁻-P-koncentrationen i den iltfattige tank faldt til 2,78 mg/L, hvilket indikerer, at PO₄3⁻-P blev fjernet i den iltfattige tank. Desuden blev nitrifikationsvæsketilbageløbsforholdet fastsat til 250 % på dette tidspunkt. Sammenlignet med tilbagesvalingsforholdene på 300% og 400%, blev processens nitrogen- og fosforfjernelse og fjernelse af organisk materiale forbedret, hvilket indikerer, at en forøgelse af nitrifikationsvæsketilbageløbet inden for et vist område kan øge virkningen af ​​fjernelse af forurenende stoffer.

På dag 207 (trin 4), efter justering af den indflydende NH₄⁺-N og HRT i AM-AAO-processen, var COD-fjernelsesraten 86.15%; den aerobe tank fjernede 13,34 mg/L NH₄⁺-N, den resterende TIN-koncentration var 7,51 mg/L, og der blev produceret 4,39 mg/L NO₃⁻-N, og NO₃⁻-N blev det dominerende forurenende stof. Der var ingen signifikant forskel i bidraget til fosforfjernelse mellem den anoxiske tank og den aerobe tank. Derudover påvirkede en forøgelse af det indstrømmende NH₄⁺-N ikke nitrifikationen, men stigningen i den indgående TIN-koncentration reducerede AM-AAO-processens denitrifikationsydelse, hvilket påvirkede TIN-fjernelsen.

På dag 262 (trin 6) var reaktortemperaturen 13 grader, og COD-fjernelseshastigheden var 83,67 % på dette tidspunkt. Samtidig blev der frigivet 6,95 mg/L fosfor i den anaerobe tank; 20,22 mg/L NH4+-N blev forbrugt af den iltfrie tank, og denitrifikation blev udført, og NO3⁻-N-koncentrationen i udløbet af den iltfrie tank var 5,07 mg/L; den aerobe tank havde et TIN-tab på 1,32 mg/L; TIN-fjernelseshastigheden var 77,00 %, og spildevands-TIN indeholdt 11,24 mg/L NH₄⁺-N, hvilket indikerer, at den lave temperatur reducerede aktiviteten af ​​nitrificerende bakterier og denitrificerende bakterier, hvilket resulterede i ufuldstændig fjernelse af forurenende stoffer i spildevandet. Derudover faldt PRA til 6,95 mg/L, og fosforoptagelsesevnen for den anoxiske tank og den aerobe tank faldt til henholdsvis 2,41 mg/L og 3,61 mg/L, hvilket indikerer, at faldet i reaktortemperaturen hæmmede fosforfjernelsesevnen af PAO'er og et fald i PRA-beholderen, hvilket førte til et fald i PRA- og effluentanken. fosforkoncentration.

(Figur 3 Forureningsændringer i typiske cyklusser: Inklusive (a) Dag 42 af AAO-processen, (b) Dag 118 i AAO-processen, (c) Dag 207 i AM-AAO-processen, (d) Kurver for ændring af forureningskoncentrationen på dag 262 i AM-AAO-processen er den lodrette axis,xio-proces, og AA-processen er den horisontale reaktion. (mg/L) af hvert forurenende stof (COD, NH₄⁺-N, NO₃⁻-N, PO₄³⁻-P))

2.3 Ændringer i sammensætning og indhold af ekstracellulære polymere stoffer (EPS) i AAO- og AM-AAO-processer

Under eksperimentet blev ændringerne i sammensætningen og indholdet af EPS på dag 101 (AAO-proces) og dag 255 (AM-AAO-proces) bestemt og analyseret, som vist i figur 4. Overordnet set kan det samlede EPS-indhold på dag 101 og 255 tilskrives stigningen i TB-EPS-indholdet af PN- og hoveddelen af kontoen, og TB-EPS; på dag 101 viste det totale EPS-indhold i den anaerobe tank, den anoxiske tank og den aerobe tank en stigende tendens (henholdsvis 0,12 mg/gVSS, 0,29 mg/gVSS og 0,37 mg/gVSS); blandt dem steg EPS-indholdet betydeligt under nitrifikationsstadiet, hvilket kan skyldes den aktive metabolisme af interne mikroorganismer, når systemet blev drevet under forhold med højt kulstof-til-nitrogenforhold (C/N=5.9) [12]. Imidlertid spillede TB-EPS en positiv rolle i dannelsen af ​​slamflokke, mens S-EPS og LB-EPS havde negative effekter [8]; i dette eksperiment var indholdet af S-EPS og LB-EPS relativt lavt, hvilket skabte betingelser for slamvækst; i det kontinuerlige-flow-slam-filmhybridsystem er rollen som flokkulent slam uerstattelig [2].

Derudover var ændringsreglerne for PN/PS i forskellige slamlag i hver reaktionsbeholder forskellige. PN i hver reaktionsbeholder var altid højere end PS. På dag 101 var PN/PS-forholdet i S-EPS, LB-EPS og TB-EPS for slam henholdsvis 0,06, 1,62 og 2,67, mens de på dag 255 var 0,03, 1,20, og PN stigende fra en tendens fra 1,27, og PN30. det ydre lag til det indre lag af slamceller. Men da reaktortemperaturen blev reduceret til 13 grader, viste det samlede EPS-indhold i de tre tanke en stigende tendens (henholdsvis 0,28 mg/gVSS, 0,41 mg/gVSS og 0,63 mg/gVSS). Årsagen kan være, at mikroorganismer, der ikke var i stand til at tilpasse sig lav temperatur, døde eller autolyserede, og disse døde mikroorganismer frigav EPS, hvilket førte til en stigning i EPS-indholdet i slam, eller lav temperatur inducerede nogle psykrofile mikroorganismer til at udskille mere EPS for at tilpasse sig temperaturfaldet i reaktoren [13].

(Figur 4 Ændringer i EPS-indhold og sammensætning på dag 101 (AAO-proces) og dag 255 (AM-AAO-proces): Venstre side er AAO-processen, og højre side er AM-AAO-processen. Den vandrette akse er reaktionstanken (slutningen af anaerob, slutningen af anoxisk, ende af anoxisk, lodret, EBPS, venstre, lodret). akse er EPS-indholdet (mg·gVSS⁻¹), og den højre lodrette akse er PN/PS-forholdet.

2.4 Mikrobiel mangfoldighed og befolkningsdynamiske fællesskabsregler for arv

De høje-gennemløbssekventeringsresultater viste, at antallet af sekvenser af de 14 slamprøver var 1.027.419, og antallet af OTU-sekvenser for hver prøve er vist i tabel 2. Dækningen af ​​prøverne var over 0,995, hvilket indikerer, at sekventeringsresultaterne havde høj nøjagtighed. Gruppe D01 beskrev den oprindelige mikrobielle samfundsstruktur med et højt Ace-indeks, hvilket indikerer, at slammet havde høj mikrobiel artsrigdom ved opstarten af ​​systemet. Med transformationen af ​​systemet fra AAO til AM-AAO-processen faldt Ace-indekset, og rigdommen af ​​det mikrobielle samfund i AM-AAO-systemet faldt. Derudover faldt Simpson-indekset, hvilket indikerer, at mangfoldigheden af ​​det mikrobielle samfund faldt. Ifølge ændringen af ​​Ace-indekset viste det samlede antal arter i det mikrobielle samfund af den anoxiske tankbiofilm en faldende tendens; Faldet i Shannon-indekset viste, at mangfoldigheden af ​​det mikrobielle samfund i biofilmen faldt.

Tabel 2 Variation af mikrobielt diversitetsindeks

The main phyla with relative abundance >10 % i de 14 prøver blev analyseret (figur 5a). Den dominerende phyla i gruppe D01 var Actinobacteriota (25,76 %32,90 %), Proteobakterier (21,98 %27,16 %), Bacteroidota (15,50 %18,36 %) og Firmicutes (10,37 %13,77%); dog den relative overflod af Actinobacteriota (16,89 %19,16 %) og Firmicutes (3,83 %6,52%) i gruppe D110 faldt, og den relative mængde af proteobakterier steg (32,96%~40,75%). I AM-AAO-processystemet faldt Actinobacteriota hurtigt, endda til mindre end 3 % i gruppe D237, mens Proteobacteria (33,72 %43,54 %), Bacteroidota (17,40 %24.19%), and Chloroflexi (12.46%~12.77%) have become the phyla with relatively high abundances. In addition, in sample M194, the phyla with relative abundance >10% var Proteobacteria (35,26%) og Bacteroidota (30,61%), hvilket indikerer, at biofilmens mikrobielle samfundsstruktur lignede den for aktiveret slam. I prøve M237 faldt den relative mængde af Firmicutes til mindre end 2 %, og mængden af ​​Acidobacteriota (5,33 %) steg.

By creating a heat map (Figure 5b), the 14 samples were compared at the genus level (relative abundance >3 %). Det blev fundet, at de dominerende slægter i gruppe D01 var Candidatus_Microthrix (11,32 %20,65 %), norank_f__norank_o__norank_c__SJA-28 (3,97 %6,36 %), Trichococcus (6,99 %9,95 %) og Ornithinibacter (3,99 %6,41%); efter at systemet blev betjent i AM-AAO-processen, faldt den relative mængde af Candidatus_Microthrix kraftigt til 0,02 % (gruppe D237); mens norank_f__norank_o__norank_c__SJA-28 viste en tendens med først stigende og derefter faldende (gruppe D237, 1,91 %2,91 %). Da processen blev drevet stabilt, blev Azospira en af ​​de relativt dominerende slægter (gruppe D237, 7,37 %18,41 %). Derudover lignede biofilm-slægterne dybest set slammet, og de relative mængder af norank_f__norank_o__Run-SP154 i M194 og M237 var henholdsvis 6,61%~7,66% og 7,43%.

I alt 12 slægter og 1 familie af ammoniak-oxiderende bakterier (AOB), nitrit-oxiderende bakterier (NOB), glykogen-akkumulerende organismer (GAO'er) og fosfor-akkumulerende organismer (PAO'er) i systemet (T3) blev udvalgt til analyse. Det blev fundet, at i gruppe D01, Nitrosomonas (0,02 %0,03 %), Ellin6067 (0,01 %0,02 %) og Nitrospira (0,04 %0,07%) kan sikre oxidationsevnen af ​​NH₄⁺-N. Faldet i Nitrosomonas og Nitrospira i gruppe D110 kan være forårsaget af det høje indre refluksforhold, men Ellin6067 (0,01 %0,02%) blev ikke forstyrret. I gruppe D194 blev systemet betjent i AM-AAO-processen, og reduktionen af ​​HRT udvaskede NOB og noget AOB. Stigningen i indstrømmende ammoniaknitrogen kan være årsagen til stigningen i de relative mængder af de ovennævnte tre slægter i gruppe D237 (figur 5b). Derudover AOB (Nitrosomonas og Ellin6067, 0,03 %0,07 %) og NOB (Nitrospira, 0,01 %0,02 %) i prøve M237 viste en lille stigning, hvilket indikerer, at biofilmen hjalp slamsystemet til at opnå denitrifikationsprocessen.

Der var en bred vifte af PAO'er i gruppe D01, herunder Acinetobacter, Candidatus_Accumulibacter, Candidatus_Microthrix, Defluviimonas, Pseudomonas og Tetrasphaera. Ændringerne af Candidatus_Microthrix (10,93%~11,88%) og PAO'er med relativ overflod<5% in group D110 may be the reasons for the decrease of PRA in Stage 2. In group D194, the relative abundances of Candidatus_Microthrix and Tetrasphaera decreased to 0.711,14 og 0,31 %0,39 % [14]. I gruppe D237 var Candidatus_Microthrix næsten elimineret (0,02%), og de PAO'er, der erstattede det for at udøve fosforfjernelsesfunktion, var Defluviimonas (0,70%1,07 %) og Dechloromonas (0,95 %1,06%); derudover er Comamonadaceae-familien også blevet bekræftet at have fosforfjernelsesevne [8], og den relative mængde af Comamonadaceae i den anaerobe tank eller den anoxiske tank var relativt høj, omkring det dobbelte af den aerobe tank. Derudover var Candidatus_Competibacter og Defluviicoccus de dominerende slægter af GAO'er i alle prøver, men mængderne af de to slægter i gruppe D01 var<1%. In the remaining samples, the growth of Defluviicoccus lagged behind that of Candidatus_Competibacter. In group D237, the abundances of the two genera were 2.96%~3.89% and 0.54%~0.57%, respectively. GAOs are considered to compete with PAOs for organic matter, thereby causing the deterioration of biological phosphorus removal performance, but recent studies have found that GAOs can carry out endogenous denitrification to achieve denitrification (the average TIN removal rate was 83.08% when the system was stable) [7].

(Figur 5 Mikrobiel samfundssammensætning: (a) Søjlediagram over relativ abundance på phylum niveau. Den vandrette akse er prøven, og den lodrette akse er den relative abundance/%. Det inkluderer større phyla såsom Actinobacteriota og Proteobacteria; (b) Varmekort over relativ abundance på slægtsniveauet. Den horisontale, de dominante akse er den lodrette og de dominante akse. farve angiver niveauet af relativ overflod)

Tabel 3 Forekomst af funktionelle grupper i 14 biologiske prøver

3 Konklusioner

Ved at bruge faktisk spildevand som behandlingsobjekt blev driftsbetingelserne for AM-AAO-processen optimeret. Det blev fundet, at når processen blev drevet under betingelserne HRT=7 h, temperatur omkring 25 grader, intern tilbagesvaling=250%, SRT=40 d, slamtilbageløb=50% og anoxisk tankpåfyldningshastighed=30%, var effekten af ​​fjernelse af forurenende stoffer den bedste. Den maksimale NH4⁺-N-fjernelseshastighed var 98,57 %; NO₃⁻-N-koncentrationen i spildevandet, PO₄³⁻-P-koncentrationen, TIN-fjernelseshastigheden og COD-fjernelseshastigheden var henholdsvis 6,64 mg/L, 0,42 mg/L, 83,08 % og 86.16 %.

Den anaerobe tank udførte gode processer for fjernelse af organisk stof og fosforfrigivelse, med 64,51 % COD fjernet og 9,77 mg/L fosfor frigivet på samme tid; den anoxiske tank udførte gode denitrificerende phosphorfjernelsesreaktioner; den aerobe tank udførte fuldstændige nitrifikations- og fosforoptagelsesprocesser, hvor NH₄⁺-N-fjernelseshastigheden og PUAO var henholdsvis 97,85 % og 59,12 mg.

Når AM-AAO-processen blev drevet stabilt, steg stigningen i AOB (Ellin6067 og Nitrosomonas, 0,02%~0,04% → 0,04%0,12%) og NOB (Nitrospira, 00.01% → 0.02%0,04 %) sikrede tilstrækkelig fremgang af nitrifikation, og NH₄⁺-N-fjernelseshastigheden steg med 8,35 %; GAO'er (Candidatus_Competibacter og Defluviicoccus, 1,31 %1.61% → 3.49%4,46 %) dominerede den endogene denitrifikationsproces; væksten af ​​PAO'er (Defluviimonas, Dechloromonas og Comamonadaceae-familien, 3,29%8,67% → 3,79%~9,35%) var årsagen til at opretholde en god phosphorfjernelsesevne; desuden lignede den mikrobielle samfundsstruktur i den anoxiske tankbiofilm grundlæggende den for aktiveret slam, hvilket i fællesskab garanterede systemets nitrogen- og fosforfjernelsesevne.