2017-08-18
最(zui)近，派森諾生物(wu)與杭州師(shi)范大學(xue)合作，在《Ecological Engineering》（最(zui)新(xin)影響因子(zi):2.914）發表文章，探究磷酸鹽(yan)對高(gao)效厭氧(yang)系統(tong)性能和(he)微生物(wu)群(qun)落的影響。
1. 研究(jiu)背(bei)景
生活、農業以及工業廢水中富含(han)大(da)量營(ying)養物(wu)種，如氮和(he)磷，這對我們的(de)(de)環(huan)境水域健康造成(cheng)了巨大(da)影響。活性污泥處(chu)理(li)污水的(de)(de)方(fang)(fang)法已有(you)百年歷史，主要是利用懸浮(fu)生長的(de)(de)微生物(wu)絮體處(chu)理(li)有(you)機(ji)污水的(de)(de)一類好氧(yang)(yang)處(chu)理(li)方(fang)(fang)法，但會在處(chu)理(li)過程(cheng)中損耗大(da)量能(neng)源(yuan)。目前厭(yan)氧(yang)(yang)氨氧(yang)(yang)化(hua)(hua)處(chu)理(li)時提(ti)供(gong)能(neng)源(yuan)有(you)效利用率(lv)的(de)(de)最好方(fang)(fang)法之一，通(tong)(tong)過厭(yan)氧(yang)(yang)氨氧(yang)(yang)化(hua)(hua)工藝可以通(tong)(tong)過厭(yan)氧(yang)(yang)消化(hua)(hua)過程(cheng)節(jie)約和(he)回收有(you)機(ji)物(wu)質的(de)(de)能(neng)量，如甲(jia)烷。
磷(lin)(lin)(lin)去(qu)除是(shi)污水(shui)處理的(de)主要指標之一，通常，在除氮過程(cheng)之后(hou)實施磷(lin)(lin)(lin)酸鹽回收的(de)步(bu)驟(zou)，以便將(jiang)磷(lin)(lin)(lin)酸鹽引入到基(ji)于厭氧(yang)(yang)氨(an)氧(yang)(yang)化(hua)物(wu)的(de)反應器中。但(dan)實際廢水(shui)中磷(lin)(lin)(lin)酸鹽濃度(du)是(shi)多種(zhong)多樣(yang)的(de)，而關于不(bu)同濃度(du)磷(lin)(lin)(lin)酸鹽影響厭氧(yang)(yang)氨(an)氧(yang)(yang)化(hua)反應器的(de)信息非常有限。因此，本研(yan)究的(de)目的(de)是(shi)調查磷(lin)(lin)(lin)酸鹽對厭氧(yang)(yang)氨(an)氧(yang)(yang)化(hua)反應的(de)短(duan)期以及長期影響，并獲得(de)在不(bu)同磷(lin)(lin)(lin)酸鹽負荷(he)程(cheng)度(du)下除氮效率以及微(wei)生物(wu)群(qun)落的(de)變化(hua)趨勢。
2. 研(yan)究方(fang)法
測序技術(shu)：Illumina MiSeq高通量測序平臺
測(ce)序(xu)模式：微生物組16S rRNA基因V4區測(ce)序(xu)
樣本(ben)來源：污泥(ni)樣本(ben)
實驗設計設置兩個污泥厭氧氨氧化反應器，試驗組R1反應器加入磷酸鹽處理，對照組R0不加入任何處理，檢測隨時間變化反應器除氮效果，并在195天時各采集P與CK樣品進行菌群多樣性組成譜檢測。
3. 研究結果(guo)
3.1 磷酸鹽(yan)對厭氧(yang)氨氧(yang)化(hua)過程的(de)短期(qi)影響評估
圖(tu)a中(zhong)(zhong)將厭(yan)氧氨(an)氧化(hua)(hua)顆粒與(yu)污泥(ni)絮(xu)體(ti)物(wu)作為(wei)研究對(dui)(dui)象，觀察不(bu)(bu)同濃度磷(lin)(lin)(lin)(lin)酸(suan)(suan)鹽(yan)對(dui)(dui)厭(yan)氧氨(an)氧化(hua)(hua)反(fan)應(ying)的(de)急速反(fan)應(ying)，其中(zhong)(zhong)顯(xian)(xian)示當磷(lin)(lin)(lin)(lin)酸(suan)(suan)鹽(yan)濃度在62與(yu)155 mg P/L時(shi)(shi)，絮(xu)體(ti)物(wu)對(dui)(dui)于(yu)厭(yan)氧氨(an)氧化(hua)(hua)活性(xing)影響(xiang)可(ke)提升超過20%，但當磷(lin)(lin)(lin)(lin)酸(suan)(suan)鹽(yan)濃度高(gao)于(yu)620 mg P/L時(shi)(shi)，顆粒和絮(xu)體(ti)物(wu)的(de)反(fan)應(ying)活性(xing)均顯(xian)(xian)著抑制；圖(tu)b為(wei)磷(lin)(lin)(lin)(lin)酸(suan)(suan)鹽(yan)存(cun)在與(yu)否對(dui)(dui)于(yu)厭(yan)氧氨(an)氧化(hua)(hua)活性(xing)動(dong)力的(de)影響(xiang)，其中(zhong)(zhong)顯(xian)(xian)示當反(fan)應(ying)器中(zhong)(zhong)存(cun)在磷(lin)(lin)(lin)(lin)酸(suan)(suan)鹽(yan)，可(ke)以(yi)加強酶對(dui)(dui)底物(wu)的(de)親和力，同時(shi)(shi)厭(yan)氧氨(an)氧化(hua)(hua)顆粒表現出更好(hao)對(dui)(dui)于(yu)磷(lin)(lin)(lin)(lin)酸(suan)(suan)鹽(yan)表現除(chu)了更大的(de)耐受性(xing)；圖(tu)c為(wei)不(bu)(bu)同形式的(de)磷(lin)(lin)(lin)(lin)酸(suan)(suan)鹽(yan)對(dui)(dui)于(yu)反(fan)應(ying)器的(de)影響(xiang)，其中(zhong)(zhong)主要取決于(yu)磷(lin)(lin)(lin)(lin)酸(suan)(suan)鹽(yan)的(de)PH值，HPO42-在弱酸性(xing)條件下影(ying)響顯著，而H2PO4-在弱(ruo)堿環境中主(zhu)導(dao)抑制作用.
3.2 厭氧(yang)氨氧(yang)化(hua)反應器的長期性(xing)能變化(hua)
除(chu)氮(dan)性能(neng)研究中(zhong)，當氮(dan)負荷水平保(bao)持在11.2 kg TN m-3/d時，試驗組與對照組初始除氮效率均(jun)在(zai)85%以上；在(zai)70天加(jia)入50 mg P/L濃度磷(lin)酸鹽時，NO3--N流出濃度(du)兩者(zhe)出現(xian)明(ming)(ming)顯變化，表明(ming)(ming)磷酸鹽有利于(yu)厭氧(yang)代謝反應；當196天將(jiang)氮(dan)負荷水平增加至21 kg TN m-3/d時，對照(zhao)組(zu)樣(yang)品顯示性(xing)能下降，而試(shi)(shi)驗組(zu)的(de)(de)氮去除率(lv)依舊保持在80%以上，表明(ming)試(shi)(shi)驗組(zu)樣(yang)品具(ju)有(you)更大的(de)(de)除氮效(xiao)力.
3.3 微生物(wu)群(qun)落組成與(yu)多樣性(xing)研究(jiu)
多樣(yang)性指數統計(ji)結果(guo)顯(xian)示試(shi)驗(yan)(yan)組(zu)(zu)樣(yang)品(pin)的(de)多樣(yang)性及物種豐富程度均低于對照組(zu)(zu)樣(yang)品(pin)；另外從豐度>1%的(de)各(ge)水平(ping)微生物類群統計(ji)結果(guo)可(ke)以看(kan)出(chu)，Proteobacteria與Acidobacteria豐度沒(mei)有顯(xian)著(zhu)變化(hua)；同(tong)時添加(jia)磷酸(suan)鹽的(de)試(shi)驗(yan)(yan)組(zu)(zu)Brocadiae顯(xian)著(zhu)降低，但(dan)Phycisphaerae顯(xian)著(zhu)增加(jia)，這樣(yang)的(de)物種變化(hua)趨勢在科分類單元中同(tong)樣(yang)出(chu)現。
3.4 代謝功能(neng)及代謝網絡預測
代(dai)謝(xie)(xie)(xie)(xie)功(gong)能預測(ce)結果(guo)顯(xian)示碳水化合物(wu)(wu)代(dai)謝(xie)(xie)(xie)(xie)與氨(an)基(ji)酸代(dai)謝(xie)(xie)(xie)(xie)途(tu)(tu)徑(jing)豐度(du)值高(gao)(gao)于(yu)(yu)其(qi)他代(dai)謝(xie)(xie)(xie)(xie)功(gong)能，表明這兩個代(dai)謝(xie)(xie)(xie)(xie)途(tu)(tu)徑(jing)的特殊重要性；另外試驗組樣品(pin)(pin)能量代(dai)謝(xie)(xie)(xie)(xie)豐度(du)要顯(xian)著低于(yu)(yu)對照組樣品(pin)(pin)，而膜轉運相關途(tu)(tu)徑(jing)豐度(du)要顯(xian)著高(gao)(gao)于(yu)(yu)對照組；同時基(ji)于(yu)(yu)厭氧(yang)氨(an)氧(yang)化顆粒(li)物(wu)(wu)反應器(qi)在進行厭氧(yang)氨(an)氧(yang)化的過程中也發(fa)揮著厭氧(yang)、發(fa)酵、脫(tuo)氮等作用(yong)。
4 研究結論
當(dang)磷(lin)酸(suan)(suan)(suan)(suan)鹽濃度(du)(du)在(zai)比(bi)較低的(de)水(shui)平，即(ji)低于155 mg P/L時，可(ke)刺激厭(yan)氧(yang)(yang)氨氧(yang)(yang)化(hua)(hua)顆(ke)粒物與(yu)絮(xu)(xu)體物的(de)厭(yan)氧(yang)(yang)氨氧(yang)(yang)化(hua)(hua)活性(xing)(xing)(xing)(xing)程(cheng)度(du)(du)，但(dan)當(dang)濃度(du)(du)高于310mg P/L時，便會抑制其活性(xing)(xing)(xing)(xing)。同時，發(fa)現顆(ke)粒物受(shou)磷(lin)酸(suan)(suan)(suan)(suan)鹽脅迫的(de)耐受(shou)性(xing)(xing)(xing)(xing)要高于絮(xu)(xu)體物，并(bing)且磷(lin)酸(suan)(suan)(suan)(suan)二(er)氫鹽類在(zai)弱堿性(xing)(xing)(xing)(xing)環境(jing)下(xia)可(ke)抑制厭(yan)氧(yang)(yang)氨氧(yang)(yang)化(hua)(hua)反(fan)(fan)應活性(xing)(xing)(xing)(xing)。總而言之(zhi)，磷(lin)酸(suan)(suan)(suan)(suan)鹽對(dui)厭(yan)氧(yang)(yang)過(guo)(guo)程(cheng)的(de)短期影(ying)響取決于磷(lin)酸(suan)(suan)(suan)(suan)鹽濃度(du)(du)、pH值和(he)微生物富集程(cheng)度(du)(du)，另外，在(zai)195天的(de)操作過(guo)(guo)程(cheng)中(zhong)，當(dang)顆(ke)粒狀污(wu)泥反(fan)(fan)應器的(de)磷(lin)酸(suan)(suan)(suan)(suan)鹽水(shui)平從2到(dao)500 mg P/L逐(zhu)漸增加時，沒有(you)觀察到(dao)對(dui)脫(tuo)氮性(xing)(xing)(xing)(xing)能的(de)不利影(ying)響。雖然(ran)微生物群落多樣性(xing)(xing)(xing)(xing)和(he)厭(yan)氧(yang)(yang)細菌(jun)的(de)相對(dui)豐度(du)(du)呈降低趨勢，但(dan)優勢厭(yan)氧(yang)(yang)菌(jun)株并(bing)無(wu)顯(xian)著變(bian)化(hua)(hua)。因(yin)此，通過(guo)(guo)逐(zhu)步馴化(hua)(hua)，顆(ke)粒狀厭(yan)氧(yang)(yang)氨氧(yang)(yang)化(hua)(hua)反(fan)(fan)應工藝(yi)將在(zai)處理富銨和(he)含磷(lin)酸(suan)(suan)(suan)(suan)鹽廢水(shui)方面(mian)具有(you)較強的(de)穩定性(xing)(xing)(xing)(xing)。
參考文獻
Zhang Z Z, Hu H Y, Xu J J, et al. Effects of inorganic phosphate on a high-rate anammox system: Performance and microbial community[J]. Ecological Engineering, 2017, 101:201-210.
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