2020-01-17
近期，派森諾生物與武漢科技大學合作，在《Science of the Total Environment》（影響因子5.589）發表論文。本研究以添加有不同濃度鐵鹽的SBR反應器為研究對象，結合反應器污水處理性能指標分析、污泥微觀觀察、二代高通量測序技術，探討了微量鐵鹽和常規量鐵鹽添加對微生物群落結構和反應器除磷性能的影響，為更經濟有效的生物除磷和化學除磷一體化應用提供理論基礎。
污水除磷是污水處理的重要環節，強化生物除磷（EBPR）是目前污水除磷的主要方式，主要由聚磷菌PAOs發揮作用。但是由于微生物的群落結構容易受到環境變化的影響，強化生物除磷系統難以長期維持穩定狀態，因此工業實踐會結合化學除磷來提高除磷效果。
化學除磷是通過添加金屬鹽混凝劑如鐵鹽和鋁鹽來增強污水除磷效果，硫酸亞鐵為常用的混凝劑。對于5mg/L的含磷廢水，所需的鐵鹽添加量為0.24-0.35mM，但是較高濃度的鐵鹽添加會影響污水處理器生物除磷和除氮的效果，并且也增加了化學藥劑成本和剩余污泥產量。
為了平衡生物除磷和化學除磷的效果，本研究采用微量添加鐵鹽（0.02mM）的方式運行污水處理器，來探索微量鐵鹽添加對污水處理綜合性能的影響。
探索一種微量鐵鹽添加的強化生物除磷策略。
測序技術：Illumina MiSeq高通量測序平臺
測序模式：微生物組細菌16S rRNA基因V3V4區測序
實驗對象：SBR反應器
實驗設計：采用3個裝置一致的SBR反應器R1-R3，其中R1為空白對照組（不添加鐵鹽），R2為微量鐵鹽添加組，R3為常規量鐵鹽添加組。比較3組的SBR反應器污水處理性能、污泥微觀形態、微生物群落，綜合評價不同規格的鐵鹽添加量對污水除磷效果的影響。
1. 污泥反應器性能評估
圖1a顯示R1、R2和R3的COD去除率分別為88.7%、92.9%和93.0%，NH4+-N在3組中的去除率均在97%以上（圖1b）。而TN去除率在常規量鐵鹽添加組R3中略有下降，相反在微量鐵鹽添加組R2中有著較高的去除率（圖1c）。從R1至R3，磷的去除效率依次為77.3%、83.1%和86.6%（圖1d），表明鐵鹽的添加可提高除磷效果。
在污水處理進程的66天評估了COD、N和P的循環模式（圖2）。如圖2a所示，在厭氧階段COD去除率在R2組中最高，在R3組中最低，表明微量鐵鹽添加能夠激發微生物對揮發性脂肪酸（VFA）的攝取、常規量鐵鹽添加會抑制微生物對VFA的攝取。此外，在厭氧階段，磷的釋放量在R2組最高（圖2d），氨的去除率在R3組最低（圖2b），表明鐵鹽的過量添加不利于硝化作用。同時，R3組中較高的硝酸鹽和亞硝酸鹽濃度表明過量的鐵鹽會影響反硝化作用（圖2c）。
圖1 鐵鹽用量對COD(a)、NH4+-N (b)、TN (c) 和TP (d)去除的影響
圖2 營養物質COD (a)、NH4+-N (b)、NOx--N (c) 和TP (d)的循環曲線
2. 污泥性質分析
SEM-EDS分析顯示微量鐵鹽有利于大絮凝體的形成（圖3a d g）。R1組污泥中的絮凝體表面較為光滑，少有桿狀、橢圓形和球形的細菌（圖3b）。R2組絮凝體主要是橢圓和球形細菌（圖3e），R3組絮凝體主要為球形細菌（圖3h）。R3組中粗糙且不規則的絮凝體外觀與R1和R2組不同，在絮凝體表面觀察到的晶體顆粒很可能是鐵鹽沉淀。EDS分析數據顯示R1至R3組中鐵的含量分別為0、2.8%和11.4%（圖3c f i）。
圖3 污泥形態和元素組成
R1 (90 d) (a b c)、R2 (90 d) (d e f) 和R3 (90 d) (g h i)
3. 微生物群落結構分析
3.1 微生物多樣性分析
表1顯示R2中微生物群落多樣性和豐富度最高（P<0.05），而在R3中常量鐵鹽的添加使得微生物群落多樣性和豐富度都下降。
表1 R1 R2 R3污泥樣本微生物Alpha多樣性分析
門水平群落組成顯示Proteobacteria、Bacteroidetes和Planctomycetes在總細菌中占比90%以上（圖4A）。鐵鹽的過量添加會抑制Bacteroidetes和Chloroflexi，而富集Planctomycetes。綱水平群落組成顯示Gammaproteobacteria、Alphaproteobacteria和Betaproteobacteria為優勢物種（圖4B）。此外鐵鹽的增加使得Betaproteobacteria和Anaerolineae的相對豐度顯著降低（P<0.05），Alphaproteobacteria和Phycisphaerae的相對豐度顯著增加（P<0.05）。
圖4 門水平（a）和綱水平（b）細菌群落組成圖
3.2 功能細菌分析
為評估鐵鹽添加對特定功能菌群的影響，本研究分析了第100天樣本中的氨氧化細菌AOB、亞硝酸鹽氧化細菌NOB、反硝化細菌DB和聚磷菌PAOs的相對豐度（表2）。結果表明鐵鹽的添加可明顯改變功能細菌結構：Nitrosomonas，典型的AOB，鐵鹽添加后得到富集，而NOB/AOB的比值變小。隨著Rhodospirillaceae、Xanthomonadaceae、Defluviicoccus的定植和Rhodocyclaceae、Thauera的增加，反硝化細菌群落結構發生著變化。在整個過程中聚磷菌Candidatus Accumulibacter和Tetrasphaera沒有被檢測到，而一些其他聚磷菌如Comamonadaceae和Gemmatimonas在微量鐵鹽添加后相對豐度增加、常規量鐵鹽添加后相對豐度減小。由此可見微量鐵鹽的增加能夠促進聚磷菌PAOs的生長而常規量鐵鹽的添加有著相反的趨勢。
表2 污泥反應器穩定階段主要功能菌
4. 生物除磷BPR和化學除磷CPR的比較
磷的去除可由生物和化學方法來實現，比如BPR（主要由PAOs除磷）和CPR（主要通過吸附和沉淀）。APAOs值由Comamonadaceae和Gemmatimonas總相對豐度衡量，在系統運行100天時R1至R3組的APAOs值分別為2.41%、3.60%和2.02%（表2）。PAOs在R1至R3組的質量濃度分別為73.6 mg/L、119.8 mg/L和75.4 mg/L。這些數據表明微量鐵鹽添加（R2組）能夠促進PAOs菌的生長。在系統的厭氧階段，R1至R3組的磷釋放率PRRs分別為0.0627、0.0622和0.0136 mg P/mg VSS PAOs /h。盡管常規鐵鹽添加對PAOs的絕對數量無明顯影響，但PRR值表明R3組的生物除磷潛力降低。在微量鐵鹽添加條件下，BPR和CPR對除磷的的貢獻率分別為99.2%和0.8%。與之相反，常規量鐵鹽添加時，BPR和CPR對除磷的的貢獻率分別為21.7%和78.3%，表明CPR主要在較高鐵鹽濃度下發揮作用，而過量的鐵鹽會抑制PAOs生長從而影響生物除磷的效果。因此可以通過微量鐵鹽的添加，幫助EBPR強化生物除磷處于主導地位來顯著提高生物除磷和化學除磷的整體除磷效果。
本研究通過污水處理性能指標評估、污泥微觀觀察、微生物群落高通量測序分析，得出以下結論：
1. 微量鐵鹽的添加能夠提升污泥反應器的整體性能；
2. 微量鐵鹽的添加能促進PAOs生長，有助于除磷功能微生物群落的形成；
3. 與傳統高鐵鹽濃度添加策略相比，微量鐵鹽添加策略能夠減少化學物質的使用、大幅度降低污泥產量、節省運行成本。
本研究的測序和部分數據分析工作由上海派森諾生物科技股份有限公司完成。
文章索引
Bin Ji et al. A novel micro-ferrous dosing strategy for enhancing biological phosphorus removal from municipal wastewater. Science of the Total Environment 704 (2020): 629–640
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https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0048969719354464
