2020-01-17
近期，派森诺生物与武汉科技大学合作，在《Science of the Total Environment》（影响因子5.589）发表论文。本研究以添加有不同浓度铁盐的SBR反应器为研究对象，结合反应器污水处理性能指标分析、污泥微观观察、二代高通量测序技术，探讨了微量铁盐和常规量铁盐添加对微生物群落结构和反应器除磷性能的影响，为更经济有效的生物除磷和化学除磷一体化应用提供理论基础。
污水除磷是污水处理的重要环节，强化生物除磷（EBPR）是目前污水除磷的主要方式，主要由聚磷菌PAOs发挥作用。但是由于微生物的群落结构容易受到环境变化的影响，强化生物除磷系统难以长期维持稳定状态，因此工业实践会结合化学除磷来提高除磷效果。
化学除磷是通过添加金属盐混凝剂如铁盐和铝盐来增强污水除磷效果，硫酸亚铁为常用的混凝剂。对于5mg/L的含磷废水，所需的铁盐添加量为0.24-0.35mM，但是较高浓度的铁盐添加会影响污水处理器生物除磷和除氮的效果，并且也增加了化学药剂成本和剩余污泥产量。
为了平衡生物除磷和化学除磷的效果，本研究采用微量添加铁盐（0.02mM）的方式运行污水处理器，来探索微量铁盐添加对污水处理综合性能的影响。
探索一种微量铁盐添加的强化生物除磷策略。
测序技术：Illumina MiSeq高通量测序平台
测序模式：微生物组细菌16S rRNA基因V3V4区测序
实验对象：SBR反应器
实验设计：采用3个装置一致的SBR反应器R1-R3，其中R1为空白对照组（不添加铁盐），R2为微量铁盐添加组，R3为常规量铁盐添加组。比较3组的SBR反应器污水处理性能、污泥微观形态、微生物群落，综合评价不同规格的铁盐添加量对污水除磷效果的影响。
1. 污泥反应器性能评估
图1a显示R1、R2和R3的COD去除率分别为88.7%、92.9%和93.0%，NH4+-N在3组中的去除率均在97%以上（图1b）。而TN去除率在常规量铁盐添加组R3中略有下降，相反在微量铁盐添加组R2中有着较高的去除率（图1c）。从R1至R3，磷的去除效率依次为77.3%、83.1%和86.6%（图1d），表明铁盐的添加可提高除磷效果。
在污水处理进程的66天评估了COD、N和P的循环模式（图2）。如图2a所示，在厌氧阶段COD去除率在R2组中最高，在R3组中最低，表明微量铁盐添加能够激发微生物对挥发性脂肪酸（VFA）的摄取、常规量铁盐添加会抑制微生物对VFA的摄取。此外，在厌氧阶段，磷的释放量在R2组最高（图2d），氨的去除率在R3组最低（图2b），表明铁盐的过量添加不利于硝化作用。同时，R3组中较高的硝酸盐和亚硝酸盐浓度表明过量的铁盐会影响反硝化作用（图2c）。
图1 铁盐用量对COD(a)、NH4+-N (b)、TN (c) 和TP (d)去除的影响
图2 营养物质COD (a)、NH4+-N (b)、NOx--N (c) 和TP (d)的循环曲线
2. 污泥性质分析
SEM-EDS分析显示微量铁盐有利于大絮凝体的形成（图3a d g）。R1组污泥中的絮凝体表面较为光滑，少有杆状、椭圆形和球形的细菌（图3b）。R2组絮凝体主要是椭圆和球形细菌（图3e），R3组絮凝体主要为球形细菌（图3h）。R3组中粗糙且不规则的絮凝体外观与R1和R2组不同，在絮凝体表面观察到的晶体颗粒很可能是铁盐沉淀。EDS分析数据显示R1至R3组中铁的含量分别为0、2.8%和11.4%（图3c f i）。
图3 污泥形态和元素组成
R1 (90 d) (a b c)、R2 (90 d) (d e f) 和R3 (90 d) (g h i)
3. 微生物群落结构分析
3.1 微生物多样性分析
表1显示R2中微生物群落多样性和丰富度最高（P<0.05），而在R3中常量铁盐的添加使得微生物群落多样性和丰富度都下降。
表1 R1 R2 R3污泥样本微生物Alpha多样性分析
门水平群落组成显示Proteobacteria、Bacteroidetes和Planctomycetes在总细菌中占比90%以上（图4A）。铁盐的过量添加会抑制Bacteroidetes和Chloroflexi，而富集Planctomycetes。纲水平群落组成显示Gammaproteobacteria、Alphaproteobacteria和Betaproteobacteria为优势物种（图4B）。此外铁盐的增加使得Betaproteobacteria和Anaerolineae的相对丰度显著降低（P<0.05），Alphaproteobacteria和Phycisphaerae的相对丰度显著增加（P<0.05）。
图4 门水平（a）和纲水平（b）细菌群落组成图
3.2 功能细菌分析
为评估铁盐添加对特定功能菌群的影响，本研究分析了第100天样本中的氨氧化细菌AOB、亚硝酸盐氧化细菌NOB、反硝化细菌DB和聚磷菌PAOs的相对丰度（表2）。结果表明铁盐的添加可明显改变功能细菌结构：Nitrosomonas，典型的AOB，铁盐添加后得到富集，而NOB/AOB的比值变小。随着Rhodospirillaceae、Xanthomonadaceae、Defluviicoccus的定植和Rhodocyclaceae、Thauera的增加，反硝化细菌群落结构发生着变化。在整个过程中聚磷菌Candidatus Accumulibacter和Tetrasphaera没有被检测到，而一些其他聚磷菌如Comamonadaceae和Gemmatimonas在微量铁盐添加后相对丰度增加、常规量铁盐添加后相对丰度减小。由此可见微量铁盐的增加能够促进聚磷菌PAOs的生长而常规量铁盐的添加有着相反的趋势。
表2 污泥反应器稳定阶段主要功能菌
4. 生物除磷BPR和化学除磷CPR的比较
磷的去除可由生物和化学方法来实现，比如BPR（主要由PAOs除磷）和CPR（主要通过吸附和沉淀）。APAOs值由Comamonadaceae和Gemmatimonas总相对丰度衡量，在系统运行100天时R1至R3组的APAOs值分别为2.41%、3.60%和2.02%（表2）。PAOs在R1至R3组的质量浓度分别为73.6 mg/L、119.8 mg/L和75.4 mg/L。这些数据表明微量铁盐添加（R2组）能够促进PAOs菌的生长。在系统的厌氧阶段，R1至R3组的磷释放率PRRs分别为0.0627、0.0622和0.0136 mg P/mg VSS PAOs /h。尽管常规铁盐添加对PAOs的绝对数量无明显影响，但PRR值表明R3组的生物除磷潜力降低。在微量铁盐添加条件下，BPR和CPR对除磷的的贡献率分别为99.2%和0.8%。与之相反，常规量铁盐添加时，BPR和CPR对除磷的的贡献率分别为21.7%和78.3%，表明CPR主要在较高铁盐浓度下发挥作用，而过量的铁盐会抑制PAOs生长从而影响生物除磷的效果。因此可以通过微量铁盐的添加，帮助EBPR强化生物除磷处于主导地位来显著提高生物除磷和化学除磷的整体除磷效果。
本研究通过污水处理性能指标评估、污泥微观观察、微生物群落高通量测序分析，得出以下结论：
1. 微量铁盐的添加能够提升污泥反应器的整体性能；
2. 微量铁盐的添加能促进PAOs生长，有助于除磷功能微生物群落的形成；
3. 与传统高铁盐浓度添加策略相比，微量铁盐添加策略能够减少化学物质的使用、大幅度降低污泥产量、节省运行成本。
本研究的测序和部分数据分析工作由上海派森诺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
