Optimizacija delovanja in nasledstvo mikrobne skupnosti v neprekinjenem -tekočem anoksičnem MBBR-postopku AAO za izboljšano odstranjevanje dušika in fosforja iz komunalne odplake

Optimizacija delovanja in mikrobna Nasledstvo skupnostnega procesa z neprekinjenim-anoksičnim MBBR{1}}AAO

V zadnjih letih sta napredno čiščenje mestnih odplak in realizacija recikliranja virov postali vroča tema na področju vodnega okolja. Vendar pa tradicionalni postopki odstranjevanja dušika in fosforja, ki jih široko uporabljajo čistilne naprave, ne povzročijo samo pretirane izgube virov, ampak tudi povečajo obratovalne stroške [1]. Poleg tega so postopno zmanjševanje razmerja med ogljikom-in-dušikom (C/N) v mestnih odplakah in razlike v življenjskih okoljih različnih funkcionalnih mikrobnih skupnosti postali pomembni omejevalni dejavniki za tehnologije čiščenja vode.

Hibridni postopek MBBR s-filmom z blatom združuje postopek z aktivnim blatom s postopkom z suspendiranim nosilnim biofilmom, da doseže izboljšano obogatitev funkcionalnih mikroorganizmov, s čimer rešuje probleme velike zasedenosti zemlje in slabe tolerance-temperature pri tradicionalnem postopku z aktivnim blatom [2]. Leta 2008 je čistilna naprava Wuxi Lucun v provinci Jiangsu, kot prva čistilna naprava na Kitajskem, ki je izvedla nadgradnjo in rekonstrukcijo v skladu s standardi razreda IA, uspešno povečala učinek čiščenja z dodajanjem suspendiranih nosilcev v sistem blata [3]; Hu Youbiao et al. [4] so raziskovali vpliv temperature na odstranjevanje amonijevega dušika in organskih snovi v MBBR in aktivnem blatu, rezultati pa so pokazali, da ima temperatura manjši vpliv na MBBR, vendar večji vpliv na aktivno blato; Zhang Ming et al. [5] je uporabil postopek A²O-MBBR za čiščenje gospodinjskih odplak na podeželju, pri čemer je dosegel visoke stopnje odstranitve KPK, amonijevega dušika, TP in TN; Zhou Jiazhong et al. [2] je s poskusi v-majhnem obsegu ugotovil, da so bili DO, temperatura v pozitivni korelaciji s hibridnim sistemom MBBR z blatom-filmom, medtem ko je bilo vplivno razmerje C/N v negativni korelaciji.

Postopek anoksičnega MBBR (AM-MBBR) lahko izvede hkratno denitrifikacijo in odstranitev fosforja v anoksičnem rezervoarju, kar je tudi postopek denitrifikacijskega odstranjevanja fosforja (DPR). V primerjavi s tradicionalnimi postopki čiščenja odpadne vode lahko postopek DPR prihrani vire organskega ogljika in zmanjša porabo kisika. Zhang Yongsheng [6] et al. razvil biofilmski reaktor z neprekinjenim -tokom, rezultati pa so pokazali, da sta bili pri temperaturi 20 stopinj, koncentraciji DO 5,5 mg/L, obremenitvi 2,2 kg/(m³·d) in občasnih pogojih prezračevanja anaerobnih 3 h/aerobnih 6 h povprečne koncentracije KPK in fosforja v iztoku 76 mg/L in 0,67 mg/L, s stopnjo odstranitve 72,9 % oziroma 78,5 %.

Vendar pa je za sistem-hibrid AM{1}}AAO s filmom blata zapleteno razmerje med suspendiranim kosmičastim blatom in pritrjenim biofilmom. Prejšnje študije so bile osredotočene na inženirske prakse, kot so ponudbe in rekonstrukcije čistilnih naprav, vendar je na voljo le malo študij o sinhroni nitrifikaciji in DPR za izboljšanje odstranjevanja dušika in fosforja v sistemih z neprekinjenim{3}}pretokom blata-hibridnih filmov AM-AAO, stabilnost učinkovitosti odstranjevanja onesnaževal v tem procesu s tehnologijo DPR pa je prav tako ena od težav.

Ta študija je optimizirala-strategije zagona in delovanja postopkov z neprekinjenim-tokom (AAO) in neprekinjenim{2}}pretokom blata-hibridnega filma (AM-AAO), pri čemer se je osredotočila na raziskovanje učinkov stopnje prezračevanja, doziranja polnila, hidravličnega zadrževalnega časa (HRT), refluksnega razmerja nitrifikacijske tekočine, vstopnega razmerja C/N in temperature na dolgoročno-zmogljivost odstranjevanja dušika in fosforja s postopkom AM-MBBR in učinkovitost denitrifikacijskega odstranjevanja fosforja v anoksičnem rezervoarju. Hkrati smo proučevali sukcesijo mikrobnih združb in pravila spreminjanja funkcionalnih mikrobnih združb v aktivnem blatu in biofilmu.

1 Materiali in metode

1.1 Eksperimentalna naprava in parametri delovanja

V tej študiji je bila uporabljena reakcija AAO z neprekinjenim{0}}tokom (slika 1). Izdelan je bil iz organskega stekla, s skupno 7 predelki, vsak z velikostjo 10 cm × 10 cm × 40 cm; delovna prostornina je bila 21 l, volumsko razmerje vsake reakcijske posode pa je bilo anaerobno: anoksično: aerobno=2:2:3. Mehansko mešanje je bilo sprejeto v anaerobnih in anoksičnih rezervoarjih; aerobni rezervoar je uporabljal prezračevalne peščene glave kot mikro-porozne aeratorje in zunanjo silo za mešanje blata-vode, hitrost prezračevanja pa je nadzoroval merilnik pretoka plina. Koncentracija DO v aerobnem rezervoarju reaktorja je bila nadzorovana pri 2~3 mg/L; sekundarni usedalnik je bil valj z delovno prostornino približno 40 L; retencijski čas blata (SRT) je bil 40 d, razmerje refluksa blata pa 50 %. Reaktor je deloval skupno 263 d (razdeljen na 6 delovnih stopenj), od 159. dneva pa so v anoksični rezervoar dodajali polietilenska polnila za delovanje v načinu AM-AAO. Posebni pogoji delovanja so prikazani v tabeli 1.

(Slika 1 Shematski diagram procesne opreme AM-AAO: Slika vključuje dovodno vedro za vodo, peristaltično črpalko, anaerobno posodo, anoksično posodo, aerobno posodo, usedalno posodo, vedro za odvod vode, pa tudi notranji refluks, cevovode za povratni tok blata in odtočne ventile)

Tabela 1 Vrsta procesnega sistema in parametri delovanja

1.2 Inokulirano blato in kakovost vtočne vode

Inokulirano blato v tem poskusu je bilo vzeto iz odvečnega blata, izpuščenega iz sekundarnega sedimentacijskega rezervoarja čistilne naprave. Po inokulaciji je bila koncentracija blata (MLSS) v reaktorju 2,3 ​​g/L, hlapne trdne snovi v blatu (MLVSS) pa 2,1 g/L.

Dotok reaktorja so bile dejanske gospodinjske odplake iz restavracij, ki so bile dodane v reaktor po filtriranju nečistoč skozi filtrsko mrežo. Njena onesnaževala so vključevala NH₄⁺-N (35.0456,54 mg/L), NO₂⁻-N (00,42 mg/L), NO₃⁻-N (00,05 mg/L), KPK (362,1605,1 mg/L) in PO₄³⁻-P (1~5,08 mg/L).

1.3 Predmeti za odkrivanje in metode analize

1.3.1 Rutinske metode odkrivanja

Vzorci blata-vode so bili zbrani iz dotoka, anaerobnega rezervoarja, anoksičnega rezervoarja, aerobnega rezervoarja, sedimentacijskega rezervoarja in iztoka ter filtrirani s 0,45 μm filtrirnim papirjem. NH4⁺-N smo določili z Nesslerjevim spektrofotometrom; NO₂⁻-N je bil določen s fotometrijo z N-(1-naftil)etilendiaminom; NO₃⁻-N je bil določen z ultravijolično spektrofotometrijo; KPK je bila določena z večparametrskim hitrim detektorjem KPK Lianhua 5B-3A; pH/DO in temperaturo smo določili z detektorjem WTW Multi3620; MLSS smo določili z gravimetrično metodo; MLVSS je bil določen z metodo izgube teže z zgorevanjem v dušilni peči [7].

1.3.2 Ekstrakcija in odkrivanje zunajceličnih polimernih snovi

Za zunajcelične polimerne snovi (EPS) velja, da so sestavljene iz polisaharidov (PS), proteinov (PN) in huminskih kislin (HA). Ločili in ekstrahirali smo tri vrste EPS, in sicer topne zunajcelične polimerne snovi (S-EPS), ohlapno vezane zunajcelične polimerne snovi (LB-EPS) in tesno vezane zunajcelične polimerne snovi (TB-EPS). Metoda določanja PS je bila metoda žveplove kisline-antrona, metodi določanja PN in HA pa modificirana Folin-Lowryjeva metoda [7].

1.3.3 Metoda izračuna stopnje odstranjevanja onesnaževal

Stopnja odstranjevanja onesnaževal (SRE) je bila uporabljena za karakterizacijo celotne odstranitve onesnaževal v procesnem sistemu AM-AAO. Med njimi sta Sinf in Seff koncentraciji onesnaževal v dotoku oziroma odtoku, ki lahko predstavljata masne koncentracije onesnaževal, kot so NH₄⁺-N, NO₂⁻-N, NO₃⁻-N, COD in PO₄³⁻-P v dotoku in iztok, mg/L.

1.3.4 Metoda zaporedja z visoko-prepustnostjo

Uporabljena je bila visoko{0}}prepustna metoda zaporedja Ilumina. Vzorci blata iz anaerobnega rezervoarja, anoksičnega rezervoarja in aerobnega rezervoarja 1., 110., 194. in 237. dne so bili zbrani in imenovani kot skupina D01 (D01_A1, D01_A2, D01_O), skupina D110 (D110_A1, D110_A2, D110_O), skupina D194 (D194_A1, D194_A2, D194_O) in skupina D237 (D237_A1, D237_A2, D237_O); vzorci biofilmskega blata na dan 194 in 237 so bili zbrani in imenovani kot M194 oziroma M237. Skupaj 14 vzorcev blata je bilo analiziranih na spremembe v mikrobnih združbah. DNK smo ekstrahirali s kompletom Fast DNA SPIN (MP Biomedicals, Santa Ana, CA, ZDA). Področje V3-V4 bakterijskega gena 16S rRNA smo pomnožili s primerji 338F/806R. Očiščene amplikone je sekvencirala na platformi Illumina MiSeq PE300 (Illumina, ZDA) podjetja Shanghai Majorbio Biomedical Technology Co., Ltd. (Šanghaj, Kitajska) [7].

2 Rezultati in razprava

2.1 Pravila za dolgoročno-odstranjevanje onesnaževal v postopkih AAO in AM-AAO

Dolgoročno-odstranjevanje onesnaževal med delovanjem neprekinjenega{1}}postopka AAO (1. stopnja3) in postopek AM-AAO z dodanimi suspendiranimi polietilenskimi polnili (4. stopnja6) je prikazano na sliki 2.

V 1. stopnji (1~45 d) so bile sproščena količina PO₄³⁻-P (PRA) v anaerobnem rezervoarju, količina privzema PO₄³⁻-P v anoksičnem rezervoarju (PUAA) in količina privzema PO₄³⁻-P v aerobnem rezervoarju (PUAO) 66,06 mg, 14,22 mg oziroma 87,81 mg, postopek absorpcije fosforja pa je bil v glavnem dosežen v aerobnem rezervoarju. Stopnji odstranitve NH₄⁺-N in celotnega anorganskega dušika (TIN) sta bili 92,85 % oziroma 86.37 %, kar zagotavlja učinek denitrifikacije. Po fini-nastavitvi prezračevanja (DO=2~3 mg/L) se je učinek odstranitve NH₄⁺-N povečal na 98,68 %, koncentracija TIN v iztoku in stopnja odstranitve pa sta bili 1,75 mg/L oziroma 95,75 %, kar kaže, da pravilna prilagoditev DO vodi do nitrifikacije in denitrifikacije; učinek odstranjevanja KPK v anaerobnem rezervoarju je oslabel (91,60 %). Poleg tega fina-nastavitev DO ni vplivala na iztok PO₄³⁻-P s povprečno vrednostjo 0,47 mg/L, kar je skladno z zaključkom Yang Sijinga et al. [8].

V fazi 2 (46~120 d) je po prilagoditvi HRT=8 h učinkovitost odstranjevanja KPK nekoliko nihala; najvišje vrednosti PRA, PUAA in PUAO so dosegle 148,01 mg, 81,95 mg in 114,15 mg, kar kaže, da povečanje vtočnega pretoka ni vplivalo na odstranitev fosforja in ohranilo visoko učinkovitost odstranjevanja NH₄⁺-N in TIN. Na 72. dan se je razmerje refluksa nitrifikacijske tekočine povečalo na 300 % in 400 %. Povečanje refluksnega razmerja je zmanjšalo učinek odstranitve TIN, s stopnjo odstranitve 80,37 % (300 %) oziroma 68,68 % (400 %). Od 108. do 120. dne je bilo ugotovljeno, da je refluksno razmerje nitrifikacijske tekočine 250 %. Količina odstranitve KPK v anaerobnem rezervoarju pri razmerju refluksa nitrifikacijske tekočine 250 % (127,1 mg/L) je bila višja ali enaka kot pri drugih (86.2 mg/L, 124,7 mg/L in 128,0 mg/L za 200 %, 300 % oziroma 400 %); koncentracije fosforja v iztoku, ki ustrezajo različnim refluksnim razmerjem, so bile 0,52 mg/L, 0,35 mg/L in 0,06 mg/L, kar kaže, da lahko povečanje refluksnega razmerja nitrifikacijske tekočine v določenem območju pospeši odstranitev fosforja. Poleg tega je refluksno razmerje 250 % imelo dobro denitrifikacijsko učinkovitost s stopnjo odstranitve TIN 86.86 %.

V stopnji 3 (121~158 d) je bilo refluksno razmerje nitrifikacijske tekočine fiksirano na 250 %. Na 131. dan je bil pretok vtoka povečan na 5 L/h, učinki KPK in odstranitve fosforja so se zmanjšali, koncentracije iztoka pa so bile 73,3 mg/L oziroma 3,92 mg/L, kar kaže, da je povečanje pretoka vtoka povzročilo več izpusta KPK brez obdelave. Poleg tega sta bili najvišji stopnji odstranitve NH₄⁺-N in TIN 93,82 % oziroma 79,12 %, med katerimi je NO3⁻-N postal glavno onesnaževalo v iztoku (4,70 mg/L). Na 139. dan se je dovodni tok zmanjšal na 4 L/h, iztočna KPK in stopnja odstranitve sta bila 55,7 mg/L oziroma 85,97 %, kar je bilo višje od učinkovitosti odstranjevanja ogljika pri HRT=5.6 h, kar kaže, da lahko zmanjšanje HRT povzroči zmanjšanje učinka odstranitve KPK. Poleg tega sta bili najvišji stopnji odstranitve NH₄⁺-N in TIN 100 % in 97,41 %, kar kaže, da je prilagoditev HRT spodbudila nitrifikacijo in denitrifikacijo, vendar lahko prekratka HRT povzroči zmanjšanje učinka denitrifikacije. Zato je pri HRT=7 h dovolj, da reakcije v vsakem rezervoarju potekajo v celoti, znatno povečanje HRT pa ima majhen spodbujevalni učinek na učinek denitrifikacije.

Na 159. dan smo v anoksični rezervoar postopka AAO dodali 20 % suspendiranih polietilenskih polnil. V 4. stopnji (159~209 d) sta bili učinkovitosti odstranjevanja COD in PO₄³⁻-P izboljšani. Od 172. dne je bila koncentracija dotoka NH₄⁺-N povečana na 64,17 mg/L (C/N=8.59), KPK v iztoku in stopnja odstranitve sta bila 77,7 mg/L oziroma 86.06 %. Razlog je lahko v tem, da je biofilm počasi rasel, aktivno blato pa je najbolj prispevalo k odstranitvi večine KPK; suspendirana polnila so povečala stopnjo odstranitve PO₄³⁻-P za 1,18 %. Vendar pa je povečanje dotoka NH₄⁺-N v anoksičnem rezervoarju privedlo do potrebe po več virih ogljika za proces denitrifikacije NO3⁻-N, kar ni prispevalo k sproščanju fosforja in privzemu PAO; hkrati pa ta postopek ni popolnoma zmanjšal NO₃⁻-N, najmanjša koncentracija iztoka pa je bila 7,30 mg/L. Na 185. dan ob spremembi HNZ na 5,6 h je bilo ugotovljeno, da je učinek odstranitve KPK rahlo nihal s stopnjo odstranitve 86.05 %; koncentracija P₄³⁻-P v iztoku se je povečala za 0,05 mg/L, skupaj s povečanjem PUAA (s 13,02 mg na 18,90 mg), kar kaže, da sta blato in biofilm sinergistično izvajala določeno učinkovitost odstranjevanja fosforja. Poleg tega so bile koncentracije NH₄⁺-N, NO₃⁻-N in TIN v iztoku 10,23 mg/L, 6,52 mg/L oziroma 16,82 mg/L, kar kaže, da bi zmanjšanje HNZ povzročilo zmanjšanje učinkov odstranjevanja NH4⁺-N in TIN. Na 195. dan je bil HRT prilagojen nazaj na 7 ur in v tem času se je vsebnost onesnaževal v iztoku zmanjšala, učinkovitost odstranjevanja dušika in fosforja ter odstranjevanja organskih snovi v sistemu pa se je postopoma obnovila.

V stopnji 5 (210~240 d) je bila dotočna koncentracija NH₄⁺-N povečana na 84,06 mg/L (C/N=6.28), aktivno blato pa je še vedno največ prispevalo k odstranitvi organske snovi. Povečanje NH₄⁺-N je imelo majhen učinek na odstranitev KPK. Delež KPK, absorbiranega v anaerobnem rezervoarju, je bil 68,02 %, večino organske snovi pa so absorbirali PAO v anaerobnem rezervoarju in sintetizirali v notranje vire ogljika (PHA), anaerobno sproščanje fosforja pa je bilo popolnoma zaključeno [9]. Največji PRA je bil 72,75 mg, PUAA in PUAO pa 35,82 mg/L oziroma 48,20 mg/L, vendar je glavni prispevek k absorpciji fosforja še vedno prihajal iz aerobne posode. Na 221. dan je bilo razmerje polnjenja povečano na 30 %, koncentracije NH4⁺-N in TIN v iztoku pa so se zmanjšale za 4,49 mg/L oziroma 5,16 mg/L; med njimi sta NH4⁺-N in NO3⁻-N predstavljala 70,11 % oziroma 28,75 % efluenta TIN. Na 231. dan je bila dotočna koncentracija NH₄⁺-N prilagojena na 66,34 mg/L, učinkovitost sistema pri odstranjevanju onesnaževal pa je bila v bistvu stabilna.

V fazi 6 (241~263 d) je bila temperatura reaktorja regulirana, da bi raziskali njen učinek na odstranjevanje onesnaževal. 241. dan je bila temperatura znižana na 18 stopinj, stopnja odstranitve KPK se je zmanjšala na 84,37 %, vendar se pravilo spremembe KPK ni spremenilo zaradi znižanja temperature. Delež odstranitve v anaerobnem rezervoarju je bil najvišji, 62,02 %, postopek odstranjevanja fosforja z denitrifikacijo v anoksičnem rezervoarju je porabil 26,72 % KPK, koncentracija NO₃⁻-N v iztoku aerobnega rezervoarja je bila 10,44 mg/L in 8,50 mg/L ostal je NH4⁺-N; poleg tega je temperatura manj vplivala na PRA, vendar se je zmogljivost absorpcije fosforja v anoksičnem rezervoarju zmanjšala, s PUAA le 19,77 mg, fosfor pa je bil odstranjen za 3,94 mg/L v aerobnem rezervoarju. Večina psihrofilnih PAO je izvedla aerobni proces absorpcije fosforja [10]. Ko je bila temperatura dodatno znižana na 13 stopinj, sta se stopnji odstranitve NH4⁺-N in TIN zmanjšali za 6,38 % oziroma 6,25 %; istočasno sta se PUAA in PUAO zmanjšali za 7,77 mg oziroma 15,00 mg, kar je lahko povezano z zmanjšanjem mikrobne aktivnosti ter rasti in presnovne sposobnosti zaradi znižanja temperature. Jin Yu [11] je ugotovil, da je, ko je temperatura nižja od 14 stopinj, težko zagotoviti koncentracijo onesnaževal v odpadnih vodah v sistemu.

(Slika 2 Odstranjevanje onesnaževal v procesih AAO in AM-AAO med dolgotrajnim-delovanjem: Vključno s (c) krivuljami koncentracije NH₄⁺-N in hitrostjo odstranjevanja, ki se spreminja z dnevi delovanja, (d) krivuljami koncentracije NOₓ⁻-N, ki se spreminjajo z dnevi delovanja, (e) krivuljami stopnje odstranjevanja TIN, ki se spreminjajo z dnevi delovanja. Vodoravna os je delovanje dni (0~260 d), navpične osi pa so ρ (NH₄⁺-N)/(mg·L⁻¹), ρ (NO₃⁻-N)/(mg·L⁻¹) in stopnja odstranitve/%, vsaka stopnja delovanja je označena na krivuljah).

2.2 Pravila za spreminjanje onesnaževal v tipičnih ciklih procesov AAO in AM-AAO

Za nadaljnje raziskovanje mehanizma odstranjevanja onesnaževal v procesih AAO in AM-AAO so bile analizirane spremembe koncentracije onesnaževal v tipičnih ciklih različnih stopenj delovanja, kot je prikazano na sliki 3.

Na 42. dan (stopnja 1) je imel postopek AAO dobro denitrifikacijo in odstranitev fosforja. Vendar KPK z visokim vplivom ni izboljšala učinkovitosti sproščanja fosforja in PRA je bil v tem času 9,13 mg/L. Poleg tega je bil NH₄⁺-N porabljen vnaprej ob vstopu v anoksični rezervoar; nato je anoksični rezervoar zmanjšal ustvarjeni NO₃⁻-N na N₂; vendar je aerobni rezervoar odstranil le 3,52 mg/L NH₄⁺-N, kar je lahko posledica dolgega HRT v 1. stopnji, ki vodi do povečanja DO, vrnjenega v anoksični rezervoar, in večina NH₄⁺-N je zaključila nitrifikacijo v anoksičnem rezervoarju, kar je povzročilo nizko koncentracijo, ki vstopa v aerobni rezervoar.

Na 118. dan (2. stopnja) sta se z zmanjšanjem dotočne KPK poslabšala sproščanje fosforja in denitrifikacija. Koncentracija sproščanja fosforja v anaerobni posodi je bila 5,91 mg/L, koncentracija NO₃⁻-N v iztoku aerobne posode pa 8,20 mg/L. Koncentracija PO₄³⁻-P v anoksičnem rezervoarju se je zmanjšala na 2,78 mg/L, kar kaže, da je bil PO₄³⁻-P odstranjen v anoksičnem rezervoarju. Poleg tega je bilo razmerje refluksa nitrifikacijske tekočine v tem času določeno na 250 %. V primerjavi z refluksnima razmerjema 300 % in 400 % sta bila učinkovitost postopka odstranjevanja dušika in fosforja ter organskih snovi izboljšana, kar kaže, da lahko povečanje refluksa nitrifikacijske tekočine v določenem območju poveča učinek odstranjevanja onesnaževal.

Na 207. dan (stopnja 4) je bila po prilagoditvi dotoka NH₄⁺-N in HRT v procesu AM-AAO stopnja odstranitve KPK 86.15 %; aerobni rezervoar je odstranil 13,34 mg/L NH₄⁺-N, preostala koncentracija TIN je bila 7,51 mg/L in proizvedenih je bilo 4,39 mg/L NO₃⁻-N, NO3⁻-N pa je postal prevladujoče onesnaževalo v iztoku. Med anoksičnim rezervoarjem in aerobnim rezervoarjem ni bilo pomembne razlike v prispevku odstranjevanja fosforja. Poleg tega povečanje vtočnega NH₄⁺-N ni vplivalo na nitrifikacijo, vendar je povečanje vtočne koncentracije TIN zmanjšalo denitrifikacijsko učinkovitost postopka AM-AAO, s čimer je vplivalo na odstranitev TIN.

Na dan 262 (stopnja 6) je bila temperatura reaktorja 13 stopinj, stopnja odstranitve KPK pa je bila v tem času 83,67 %. Hkrati se je v anaerobni posodi sprostilo 6,95 mg/L fosforja; 20,22 mg/L NH₄⁺-N je porabil anoksični rezervoar in izvedena je bila denitrifikacija, koncentracija NO3⁻-N v iztoku anoksičnega rezervoarja pa je bila 5,07 mg/L; aerobni rezervoar je imel izgubo TIN 1,32 mg/L; stopnja odstranitve TIN je bila 77,00 %, iztok TIN pa je vseboval 11,24 mg/L NH₄⁺-N, kar kaže, da je nizka temperatura zmanjšala aktivnost nitrifikacijskih in denitrifikacijskih bakterij, kar je povzročilo nepopolno odstranitev onesnaževal v odplakah. Poleg tega se je PRA zmanjšal na 6,95 mg/L, zmogljivost privzema fosforja v anoksični posodi in aerobni posodi pa sta se zmanjšala na 2,41 mg/L oziroma 3,61 mg/L, kar kaže, da je znižanje temperature reaktorja zaviralo učinkovitost odstranjevanja fosforja s PAO, kar je povzročilo zmanjšanje PRA v anaerobni posodi in visoko koncentracijo fosforja v iztoku.

(Slika 3 Spremembe onesnaževalcev v tipičnih ciklih: Vključno (a) 42. dan postopka AAO, (b) 118. dan postopka AAO, (c) 207. dan postopka AM-AAO, (d) krivulje sprememb koncentracije onesnaževal na dan 262 postopka AM-AAO. Vodoravna os je reakcijski proces, navpična os pa koncentracija (mg/L) vsakega onesnaževala (KPK, NH₄⁺-N, NO₃⁻-N, PO₄³⁻-P))

2.3 Spremembe v sestavi in ​​vsebnosti zunajceličnih polimernih snovi (EPS) v procesih AAO in AM-AAO

Med poskusom so bile določene in analizirane spremembe v sestavi in ​​vsebnosti EPS na dan 101 (proces AAO) in dan 255 (proces AM-AAO), kot je prikazano na sliki 4. Na splošno lahko skupno vsebnost EPS na dan 101 in 255 pripišemo povečanju vsebnosti TB-EPS, PN in PS pa predstavljata glavni del TB-EPS; na 101. dan je skupna vsebnost EPS v anaerobnem rezervoarju, anoksičnem rezervoarju in aerobnem rezervoarju pokazala trend naraščanja (0,12 mg/gVSS, 0,29 mg/gVSS oziroma 0,37 mg/gVSS); med njimi se je vsebnost EPS znatno povečala med fazo nitrifikacije, kar je lahko posledica aktivnega metabolizma notranjih mikroorganizmov, ko je sistem deloval v pogojih visokega razmerja ogljik-:-dušik (C/N=5.9) [12]. Vendar je imel TB-EPS pozitivno vlogo pri nastajanju kosmičev blata, medtem ko sta imela S-EPS in LB-EPS negativne učinke [8]; v tem poskusu sta bili vsebnosti S-EPS in LB-EPS relativno nizke, kar je ustvarilo pogoje za rast blata; v kontinuiranem{23}}pretočnem-filmskem hibridnem sistemu je vloga flokulentnega blata nenadomestljiva [2].

Poleg tega so bila pravila spreminjanja PN/PS v različnih plasteh blata v vsakem reakcijskem rezervoarju različna. PN v vsaki reakcijski posodi je bil vedno višji od PS. Na 101. dan so bila razmerja PN/PS v S-EPS, LB-EPS in TB-EPS blata 0,06, 1,62 oziroma 2,67, medtem ko so bila na 255. dan 0,03, 1,30 in 3,27, kar kaže, da je razmerje PN/PS pokazalo trend naraščanja od zunanje plasti do notranje plasti celic blata. Ko pa je bila temperatura reaktorja znižana na 13 stopinj, je skupna vsebnost EPS v treh rezervoarjih pokazala trend naraščanja (0,28 mg/gVSS, 0,41 mg/gVSS oziroma 0,63 mg/gVSS). Razlog je lahko v tem, da so mikroorganizmi, ki se niso mogli prilagoditi nizki temperaturi, umrli ali avtolizirali in ti mrtvi mikroorganizmi so sprostili EPS, kar je povzročilo povečanje vsebnosti EPS v blatu, ali pa je nizka temperatura spodbudila nekatere psihrofilne mikroorganizme, da izločijo več EPS, da se prilagodijo znižanju temperature v reaktorju [13].

(Slika 4 Spremembe vsebnosti in sestave EPS na dan 101 (proces AAO) in dan 255 (proces AM-AAO): Leva stran je proces AAO, desna stran pa proces AM-AAO. Vodoravna os je reakcijski rezervoar (konec anaerobnega, konec anoksičnega, konec aerobnega) in vrsta EPS (S, LB, TB). Leva navpična os je vsebnost EPS (mg·gVSS⁻¹), desna navpična os pa je razmerje PN/PS. Vključuje histograme vsebnosti PN, PS in celotne vsebnosti EPS ter črtni grafikon razmerja PN/PS).

2.4 Mikrobna raznolikost in populacijska dinamična pravila nasledstva skupnosti

-Rezultati sekvenciranja z visoko zmogljivostjo so pokazali, da je bilo število zaporedij 14 vzorcev blata 1.027.419, število sekvenc OTU vsakega vzorca pa je prikazano v tabeli 2. Pokritost vzorcev je bila nad 0,995, kar kaže, da so bili rezultati sekvenciranja visoko natančni. Skupina D01 je opisala začetno strukturo mikrobne skupnosti z visokim indeksom Ace, kar kaže, da je imelo blato veliko mikrobnih vrst ob zagonu-sistema. S preoblikovanjem sistema iz procesa AAO v proces AM-AAO se je indeks Ace zmanjšal in bogastvo mikrobne skupnosti v sistemu AM-AAO se je zmanjšalo. Poleg tega se je zmanjšal Simpsonov indeks, kar kaže na zmanjšanje raznolikosti mikrobne skupnosti. Glede na spremembo indeksa Ace je skupno število vrst v mikrobni skupnosti biofilma anoksičnega rezervoarja pokazalo trend zmanjševanja; zmanjšanje Shannonovega indeksa je dokazalo, da se je raznolikost mikrobne skupnosti v biofilmu zmanjšala.

Tabela 2 Sprememba indeksa mikrobne raznovrstnosti

The main phyla with relative abundance >Analiziranih je bilo 10 % v 14 vzorcih (slika 5a). Prevladujoče vrste v skupini D01 so bile Actinobacteriota (25,76 %32,90%), Proteobakterije (21,98%)27,16 %), bakteroidota (15,50 %18,36 %) in Firmicutes (10,37 %13,77 %); vendar je relativna številčnost Actinobacteriota (16,89 %19,16 %) in Firmicutes (3,83 %6,52 %) ​​v skupini D110 zmanjšala, relativna abundanca proteobakterij pa se je povečala (32,96 % ~ 40,75 %). V procesnem sistemu AM-AAO se je Actinobacteriota hitro zmanjšala, celo na manj kot 3 % v skupini D237, medtem ko je Proteobacteria (33,72 %43,54 %), bakteroidota (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 % je bilo Proteobacteria (35,26 %) in Bacteroidota (30,61 %), kar kaže, da je bila struktura mikrobne skupnosti biofilma podobna strukturi aktivnega blata. V vzorcu M237 se je relativna abundanca Firmicutes zmanjšala na manj kot 2 %, povečala pa se je abundanca Acidobacteriota (5,33 %).

By creating a heat map (Figure 5b), the 14 samples were compared at the genus level (relative abundance >3 %). Ugotovljeno je bilo, da so v skupini D01 prevladujoči rodovi Candidatus_Microthrix (11,32 %20,65 %), norank_f__norank_o__norank_c__SJA-28 (3,97 %6,36%), Trichococcus (6,99%)9,95 %) in Ornithinibacter (3,99 %6,41 %); potem ko je sistem deloval v procesu AM-AAO, je relativna abundanca Candidatus_Microthrix strmo padla na 0,02 % (skupina D237); medtem ko je norank_f__norank_o__norank_c__SJA-28 pokazal trend najprej naraščanja in nato padanja (skupina D237, 1,91 %2,91 %). Ob stabilnem delovanju procesa je Azospira postala eden relativno prevladujočih rodov (skupina D237, 7,37 %18,41 %). Poleg tega so bili rodovi biofilmov v bistvu podobni blatu, relativne količine norank_f__norank_o__Run-SP154 v M194 in M237 pa so bile 6,61 %~7,66 % oziroma 7,43 %.

Za analizo je bilo izbranih skupno 12 rodov in 1 družina bakterij, ki oksidirajo amoniak (AOB), bakterij, ki oksidirajo nitrit{3} (NOB), organizmov, ki kopičijo glikogen (GAO), in organizmov, ki kopičijo fosfor (PAO) (tabela 3). Ugotovljeno je bilo, da je v skupini D01 Nitrosomonas (0,02 %0,03 %), Ellin6067 (0,01 %0,02 %) in Nitrospira (0,04 %0,07%) lahko zagotovi oksidacijsko učinkovitost NH₄⁺-N. Zmanjšanje Nitrosomonas in Nitrospira v skupini D110 je lahko posledica visokega notranjega refluksnega razmerja, vendar Ellin6067 (0,01 %0,02%) ni bil moten. V skupini D194 je sistem deloval v postopku AM-AAO, zmanjšanje HRT pa je izpralo NOB in nekaj AOB. Povečanje vtočnega dušika iz amonijaka je lahko razlog za povečanje relativne abundance zgornjih treh rodov v skupini D237 (slika 5b). Poleg tega AOB (Nitrosomonas in Ellin6067, 0,03 %0,07%) in NOB (Nitrospira, 0,01%)0,02%) v vzorcu M237 se je rahlo povečalo, kar kaže, da je biofilm pomagal sistemu blata doseči proces denitrifikacije.

V skupini D01 je bilo veliko PAO, vključno z Acinetobacter, Candidatus_Accumulibacter, Candidatus_Microthrix, Defluviimonas, Pseudomonas in Tetrasphaera. Spremembe Candidatus_Microthrix (10,93 %~11,88 %) in PAO z relativno številčnostjo<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 in 0,31 %0,39 % [14]. V skupini D237 je bil Candidatus_Microthrix skoraj izločen (0,02 %), PAO, ki so ga nadomestili za izvajanje funkcije odstranjevanja fosforja, pa so bili Defluviimonas (0,70 %1,07%) in Dechloromonas (0,95%)1,06 %); poleg tega je bilo potrjeno tudi, da ima družina Comamonadaceae učinkovitost odstranjevanja fosforja [8], relativna številčnost Comamonadaceae v anaerobnem rezervoarju ali anoksičnem rezervoarju pa je bila relativno visoka, približno dvakrat večja od aerobnega rezervoarja. Poleg tega sta bila Candidatus_Competibacter in Defluviicoccus prevladujoča rodova GAO v vseh vzorcih, vendar sta bili številčnosti obeh rodov v skupini D01<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].

(Slika 5 Sestava mikrobne skupnosti: (a) Palični diagram relativne številčnosti na ravni vrste. Vodoravna os je vzorec, navpična os pa relativna številčnost/%. Vključuje glavne vrste, kot sta Actinobacteriota in Proteobacteria; (b) Toplotna karta relativne številčnosti na ravni rodu. Vodoravna os je vzorec, navpična os pa prevladujoče rodove. globina barve označuje stopnjo relativne številčnosti)

Tabela 3 Številčnost funkcionalnih skupin v 14 bioloških vzorcih

3 Sklepi

Z uporabo dejanske odplake kot predmeta čiščenja so bili delovni pogoji postopka AM-AAO optimizirani. Ugotovljeno je bilo, da je bil učinek odstranjevanja onesnaževal najboljši, ko je postopek potekal v pogojih HRT=7 h, temperature približno 25 stopinj, notranjega refluksa=250%, SRT=40 d, refluksa blata=50% in stopnje polnjenja anoksičnega rezervoarja=30%. Največja stopnja odstranitve NH4⁺-N je bila 98,57 %; koncentracija NO3⁻-N v iztoku, koncentracija PO₄³⁻-P, stopnja odstranitve TIN in stopnja odstranitve KPK so bile 6,64 mg/L, 0,42 mg/L, 83,08 % oziroma 86.16 %.

Anaerobni rezervoar je dobro izvajal procese odstranjevanja organske snovi in ​​sproščanja fosforja, pri čemer je bilo odstranjenih 64,51 % KPK in hkrati sproščeno 9,77 mg/L fosforja; anoksični rezervoar je izvedel dobre denitrifikacijske reakcije odstranjevanja fosforja; aerobni rezervoar je izvedel popolne postopke nitrifikacije in absorpcije fosforja, pri čemer je bila stopnja odstranitve NH₄⁺-N 97,85 % in PUAO 59,12 mg.

Ko je postopek AM-AAO deloval stabilno, je povečanje AOB (Ellin6067 in Nitrosomonas, 0,02 %~0,04 % → 0,04 %0,12 %) in NOB (Nitrospira, 00.01% → 0.02%0,04 %) je zagotovil zadosten napredek nitrifikacije, stopnja odstranitve NH₄⁺-N pa se je povečala za 8,35 %; GAO (Candidatus_Competibacter in Defluviicoccus, 1,31 %1.61% → 3.49%4,46 %) je prevladoval proces endogene denitrifikacije; rast PAO (družina Defluviimonas, Dechloromonas in Comamonadaceae, 3,29%)8,67 % → 3,79 %~9,35 %) je bil razlog za ohranjanje dobre učinkovitosti odstranjevanja fosforja; poleg tega je bila struktura mikrobne skupnosti biofilma anoksičnega rezervoarja v bistvu podobna strukturi aktivnega blata, ki je skupaj zagotavljalo učinkovitost odstranjevanja dušika in fosforja v sistemu.