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西藏高原环境下A~2/O工艺微生物特征及脱氮除磷机理研究

宗永臣  
【摘要】:西藏城镇污水处理厂建设正处于快速发展时期,但现阶段污水处理厂运行状况并不能令人满意,其原因为高海拔、大温差、强紫外线(UV)等高原环境因素严重制约了污水处理效率。本研究以生活污水为处理对象,运用厌氧缺氧好氧工艺(A~2/O)开展试验研究,分别对温度、溶解氧(DO)、水力停留时间(HRT)、UV照射时间等工况下的不同处理单元的运行特性开展研究,应用Illumina Mi Seq高通量测序技术分析活性污泥微生物群落结构、丰度和代谢功能,探讨了进水水质、工艺参数及工况因子与活性污泥中微生物群落结构、丰度的相关性,分析了污染物代谢转化过程中的主要功能蛋白、主要功能基因和酶的种类和丰度变化,从生物化学和分子水平探讨高原环境下污水脱氮除磷的微生物机理。首先,研究了水温、HRT、DO、UV等工况对实验室规模污水处理运行的影响规律,分析了不同工况下对厌氧池、缺氧池、好氧池等反应器中化学需氧量(COD)、总磷(TP)、总氮(TN)、氨氮(NH_3-N)等水质指标的变化规律,解析了西藏高原环境下A~2/O工艺的运行特性。结果表明:不同工况下污泥沉降比(SV_(30))和混合液悬浮固体(MLSS)浓度均较低,反映出高原环境因素下A~2/O工艺系统的活性污泥浓度偏低。温度工况下,15℃时COD和TN去除效果最佳,20℃时TP和NH_3-N去除效果最佳;DO工况下,2.0mg/L时TN和NH_3-N去除效果最好,1.0 mg/L时COD和TP去除效果最好;HRT工况下,26.25h时TN和COD去除效果最好,17.50 h时NH_3-N和TP去除效果最好;UV工况下,10min时TN和COD去除效果最好,30min时TP去除效果最好,0min时NH_3-N去除效果最好。从系统出水水质来看,水温20℃、DO为2.0mg/L、HRT为17.50h、UV照射10min是A~2/O工艺最优工况。然后,通过对A~2/O工艺系统51组活性污泥样本进行高通量分析,发现微生物的OTU数以及门和属水平下的物种种类均较低。疣微菌门(Verrucomicrobia)属于高原特殊生境下的优势菌门,衣原体门(Chlamydiae)属于高原特殊生境下特有的微生物菌门。属水平的优势菌为鞘脂菌属(Novosphingobium)、腐螺旋菌属(norank_f__Saprospiraceae)、孤岛杆菌(Dokdonella)等。典型高原环境下,UV辐照对微生物群落结构影响最为显著,A~2/O工艺系统活性污泥浓度低主要与其中厌氧绳菌纲(Anaerolineae)、微丝菌属(Candidatus_Microthrix)等丝状菌占比不高有关。在此基础上进行活性污泥微生物优势种群与进水水质、工艺参数和工况因子之间的相关性分析。结果表明,进水水质中TP和COD浓度是影响微生物群落的重要因子;MLSS和SV_(30)是影响微生物优势群落的重要工艺参数,反映出活性污泥生物量更容易受微生物群落结构和丰度的影响;UV照射时间是影响微生物群落最重要的环境因子。由于不同反应器中优势菌分布不同,导致其对工况因子的响应存在差异性。对优势菌之间的相关性分析结果表明,菌群之间存在氧气、能量、磷源等方面的共生和拮抗关系。最后对活性污泥中主要功能蛋白、功能基因及相关酶的丰度、代谢途径进行了分析。不同工况下A~2/O系统中主要功能蛋白的组成和丰度具有一定程度的差异,功能蛋白丰度最优工况分别是DO为1.5mg/L、HRT为17.50h、温度为20℃、UV为0min;不同工况下主要代谢途径的种类完全一致,其中细菌双组分调节系统对环境变化具有较强的适应能力;核糖核酸酶、RNA聚合酶、铁超氧化物歧化酶、碱性磷酸酶等适冷应酶丰度较高,反映了细菌群落对高原低温环境的适应性变化;微生物优势代谢途径中的嘌呤代谢、核糖体、氧化磷酸化、嘧啶代谢、精氨酸和脯氨酸代谢等与污水脱氮除磷密切相关;鉴定出不同工况下参与氮代谢的共有基因8种,参与磷代谢的共有基因6种,上述代谢功能基因是高原环境因素下的脱氮除磷优势基因,表明了高原地区污水处理系统微生物物种的适应性机制。


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