傅慧敏,冷济轩,翁 勋,晏 鹏,陈猷鹏

出水回流对Anammox颗粒特性及其微生物群落的影响

傅慧敏,冷济轩,翁 勋,晏 鹏,陈猷鹏*

(重庆大学环境与生态学院,重庆 400045)

基于有无回流的EGSB反应器中厌氧氨氧化颗粒污泥的内外部结构和微生物群落差异,从传质、活性和稳定性等角度分析了出水回流对颗粒污泥结构和功能的影响.研究表明,增加回流提供更好的水流条件使得底物能更好的与颗粒污泥接触,反应器在氮负荷率为(3.48±0.32)kg N/(m3·d)的条件下亚硝氮和氨氮的去除率从60%和65%左右分别提高到95%以上,比厌氧氨氧化活性增加31.54%.随着回流带来的产气量和颗粒活性的增加,颗粒中气泡的内压因孔隙体积的限制而增大,部分颗粒微观结构发生改变,颗粒的孔隙率也从41.3%提高至59.4%.此外出水回流产生的较高剪切力和较好的传质效应也大大增加了颗粒的稳定性.回流使得接种颗粒污泥中-属得到了富集,其他能维持颗粒稳定性的功能细菌也能够得到更好的生存,使颗粒在保持内部多孔结构以及高效脱氮的条件下(如),有着更好的稳定性(如),有利于颗粒污泥在实际工程应用中稳定运行.

厌氧氨氧化颗粒污泥；出水回流；传质；孔隙结构；微生物群落

厌氧氨氧化工艺具有不需要有机物、不需要氧、污泥产率低等优点,氮去除负荷最大可达9.5kg N/(m3·d),污水处理成本较低,是一种高效低耗的脱氮工艺,具有极大的应用前景[1],且符合国家“双碳”战略.Anammox颗粒化污泥因生物量大、沉降性好和抗冲击能力强等优点而备受环境工程界青睐,厌氧氨氧化颗粒污泥(AnGS)的形成和保留为厌氧菌工艺的实际应用提供了一条有效途径[2].基于颗粒污泥的厌氧氨氧化系统已广泛应用于世界各地的工程应用中[3].

适当的剪切力有助于厌氧菌颗粒污泥的颗粒化[4],并改善了厌氧氨氧化菌活性[5].通常,液体剪切力会通过出水回流来实现[4].回流出水提高了厌氧氨氧化的脱氮效率和工艺稳定性[6].回流出水对厌氧氨氧化进水的稀释作用和对上升流速、水力剪切力的增强是提高厌氧氨氧化工艺性能的重要因素.目前有关回流出水对厌氧氨氧化颗粒反应器的作用研究主要在出水水质、脱氮效率、厌氧氨氧化活性以及颗粒污泥大小、表观形貌等方面的影响研究[6-8].但鲜有研究关注出水回流对AnGS内部孔隙结构、传质以及微生物群落结构等方面的影响,本文基于出水回流对AnGS反应器的出水水质、反应活性、胞外聚合物(EPS)、微观形貌、内部孔隙结构以及稳定性等生理生化特征和微生物群落结构的影响,深入分析了出水回流在颗粒传质、活性和稳定性等方面的关键作用,进一步探究了出水回流对颗粒污泥结构和功能的重要性,有助于理解和优化颗粒污泥体系在工程应用中的运行状态和处理效能,以便为AnGS系统稳定高效的应用于实际污水处理工艺提供理论依据.

1 材料与方法

1.1 反应器运行

本文所用AnGS反应器为2.50L有效容积的膨胀颗粒污泥床(EGSB)反应器.具体反应器构型及尺寸如图1所示.反应器进水和回流由蠕动泵从反应器底部泵入,内部通过温度传感器与加热棒调节水温.在2个相同大小反应器中分别设置无回流比(R1)和20:1的回流比(R2),水力停留时间(HRT)控制在7.6h,且接种颗粒的生物量均控制在24.49g/L左右.总氮浓度控制在(440±40)mg/L,反应器氮负荷率(NLR)设定为(3.48±0.32)kg N/(m3·d),反应器温度和进水pH值分别控制在(35±1)℃和(7.5±0.1).

图1 两组Anammox-EGSB 反应器示意

表1 合成废水中各成分浓度

本实验进水采用以NH4Cl和NaNO2作为氮源的人工合成废水,NH4Cl和NaNO2的固定摩尔比为1:1.2,浓度分别为(200±20)mg/L和(240±20)mg/L.废水其他各物质浓度见表1.

1.2 测试方法

1.2.1 水质检测 反应器进出水使用0.45μm滤膜过滤后,分别采用盐酸-萘乙二胺和水杨酸-次氯酸盐分光光度法测定进出水中NO2--N和NH4+-N的浓度.使用流式细胞仪(CytoFLEX07060220)对出水细菌浓度进行检测.使用荧光分光光度计(日本日立F-7000FL)测量两组反应器中出水溶解性有机物的3D-EEM光谱,以5nm步长将激发波长从200nm增至400nm,以5nm为增量扫描发射光谱从200～550nm的记录.光谱扫描速度为3000nm/min,发射和激发狭缝均10nm.

1.2.2 颗粒污泥表面形貌与内部孔隙结构测定 两组反应器稳定运行90d后,每组取约5.0g湿颗粒,用无菌1×PBS缓冲液冲洗3次以去除悬浮固体,然后用2.5%戊二醛在4℃下固定4h.0.1mol/L磷酸盐缓冲液在4℃(pH7.3)下洗涤固定颗粒3次,每次10min,最后将样品分别在50%、70%、80%、90%和100%的乙醇/水混合物中脱水10min,冷冻干燥8h,一部分颗粒使用场发射扫描电子显微镜(FEI Nova400)观察表面形貌.另一部分使用压汞仪(美国AutoPore IV 9500型)测定颗粒的孔隙结构.

1.2.3 EPS的提取与测定 本实验采用热碱提取法提取EPS,将适量的颗粒用研钵破碎,加入装有适量1M NaOH溶液的离心管,90℃水浴5min.水浴后加入1M盐酸将pH值调至中性.将得到的混合液在低温条件下离心12000g×10min,取上清液测定其EPS.本实验用颗粒污泥中蛋白(PN)和多糖(PS)的量来表征EPS的量,分别采用BCA法[9]和苯酚-硫酸法[10]在562和490nm处测定PN和PS的相对变化.

1.2.4 厌氧氨氧化活性和颗粒稳定性测定 比厌氧氨氧化活性(SAA)用单位生物量的氮气生成速率来表示.颗粒的稳定性用完整性系数(IC)表示,即以200r/min恒温摇床5min后剩余颗粒与完整颗粒之间的比值.

1.2.5 高通量测序 两组反应器稳定运行90d后,从反应器底部取颗粒污泥样品0.5g,对污泥样品中的总 DNA进行提取(上海美吉生物医药科技有限公司委托办理),利用细菌16S rRNA 基因的V3-V4 区通用引物338F/806R,对上述步骤中提取的总DNA进行PCR扩增和纯化,然后在Illumina测序平台进行MiSeq PE 300高通量测序;测序得到的PE reads首先根据overlap关系进行拼接,最小overlap长度为10bp,同时对序列质量进行质控和过滤,过滤reads尾部质量值20以下的碱基,设置50bp的窗口,过滤质控后50bp以下的reads,去除含N碱基的reads,根据序列首尾两端的barcode和引物区分样品,并调整序列方向;区分样本后进行OTU聚类分析和物种分类学分析,基于OTU进行多样性指数分析和样品物种差异分析.相关图表采用Origin 2021和R语言(R 3.6.0)进行绘制.

2 结果与分析

2.1 反应器运行性能

如图2所示,在反应器启动阶段,设有回流的R2中NO2--N与NH4+-N处理效率显著高于不设回流的R1.随着反应器的运行稳定,2组反应器出水NO2--N与NH4+-N浓度都趋于平稳,其中R1组NO2--N与NH4+-N浓度分别相对稳定在80～120和60～110mg/L,去除率分别仅有60%和65%左右,而R2组NO2--N与NH4+-N浓度分别相对稳定在0～20和0～10mg/L,去除率均达到95%以上.出水回流的增加显著提高了反应器脱氮性能,出水更加稳定.

图3 两组反应器总细菌浓度及其比值日变化

此外,本文还对两组反应器稳定期32d内的出水总细菌进行了检测,结果如图3所示.在32d内R2和R1的出水细菌浓度分别在0.48～1.10×106和0.77～1.50×106cell/mL之间波动,R2与R1的细菌浓度比值在0.50～0.77之间波动,平均比值为0.67.两组细菌浓度比值产生的原因可能是由于R2组中出水回流造成的部分颗粒污泥表面的细菌剥离脱落,以及颗粒内部产气作用造成的部分内部细菌由气泡驱动从孔隙中逸散脱落至出水中.

如图4所示2个反应器中出水三维荧光均出现3个峰,分别为:峰A的激发/发射波长Ex/Em位于260～280/275～325nm,指定为色氨酸蛋白类物质;峰B的Ex/Em位于270～310/375～450nm,指定为类富里酸类物质;C峰的Ex/Em位于340～360/375～425nm,指定为酪氨酸蛋白类物质.设置回流的R2组出水中的酪氨酸和色氨酸等蛋白质物质和类富里酸类物质的浓度均要高于不设回流的R1组.

2.2 颗粒污泥表面形貌

由图5(a),(b)可知,R1组颗粒污泥表面较为粗糙,而R2组颗粒表面则比较光滑;在放大5000倍扫描电镜观察下发现R1组颗粒污泥表面细菌大部分被EPS包裹,表面仅存在较大的孔隙,R2组颗粒污泥表面EPS结构较少,孔隙较小,且密集的分布在细菌周围,孔隙总数远大于回流组的孔隙数量.其原因可能是R1组缺乏回流带来的剪切力,无法使颗粒污泥表面的细菌脱落,故表面更粗糙;R2组颗粒由于回流带来的较高剪切力使其表面更加紧密而光滑.

图5 颗粒污泥扫描电图片

2.3 EPS组分、活性及稳定性分析

EPS是AnGS中不可或缺的重要组分,适当的EPS可增强AnGS的聚集能力和稳定性[11].但过多的EPS分泌会堵塞颗粒内部孔隙,影响传质和稳定,进而影响AnGS的活性和功能[12].EPS其主要组分为PN与PS,故本文测定两个反应器颗粒污泥中EPS组分以及含量(用PN与PS含量表示),采用比厌氧氨氧化活性SAA和完整性系数IC来评价AnGS的活性和稳定性.

由表2可知,R1的颗粒污泥EPS中PN和PS含量分别为82.41和23.02mg/gVSS,PN与PS的比值为3.58,比厌氨氧化活性SAA和完整性系数IC分别为163.52mLN2(gVSS·d)和85.54%;相比R1,R2的PN和PS含量分别降低14.90%和75.63%,PN与PS的比值增长到4.80,其SAA和IC也相应增加了31.54%和7.96%.两个反应器颗粒污泥的EPS、SAA和IC结果表明,无回流时,R1反应器内流体混合不足,从而产生外部传质限制,底物在出水中积累,颗粒EPS较高,堵塞颗粒内部孔道,影响内部传质[2].增加回流可以提供额外的水力剪切力,使得R2反应器内具有更高的颗粒外部传质效应,冲刷颗粒表面以及内部多余的EPS,部分蛋白多糖流失,进入回流液中,避免了过多的EPS对颗粒之间以及颗粒内部孔隙的堵塞,进而使得颗粒中微生物与底物充分接触,增加了反应时间,提高了厌氧氨氧化活性和稳定性.两组反应器出水特性和颗粒表面形貌的结果差异也与以上结论一致.

表2 两组AnGS的EPS组分和SAA

2.4 颗粒污泥孔隙结构分析

AnGS结构从大到小可分为颗粒整体、亚单位、菌胶团和单个细胞4个结构层次[13].颗粒污泥内部丰富的孔隙结构分布于亚单位、菌胶团或细胞之间.这些孔隙被EPS包围,是基质和产物(氮气)的运输通道.颗粒污泥中基质的传递依赖于颗粒污泥的多孔结构,颗粒内部的孔隙分布也很大程度上反应了颗粒内部传质情况和颗粒稳定性[3].本实验中两组反应器中颗粒污泥的孔隙体积分布和空隙占比如图6示,表3展示了两组颗粒样品的孔隙率以及各项孔隙的数据.

如图6所示,实验组R2孔径分布的峰值在100nm左右,大孔径与小孔径的占比较少,整体孔径范围较为集中;而对照组R1的孔隙分布曲线则有2个较大的峰值,分别为10～30nm和5000～10000nm,大孔占比相对于R2较高.由表3中也可以直观看出,回流组R2具有59.4%的孔隙率,高于无回流组R1的41.3%,其R2的平均孔面积、平均孔体积分别是R1的1.54和2.26倍.这些结果表明,出水回流的增加,大大改变了颗粒污泥内部的孔隙结构,使得颗粒内部孔隙变得更加更加丰富且均匀,避免了内部大孔隙过多的形成,进一步避免了内部空洞的形成,使其变得更加高效且稳定.

而根据Jing等[14]的研究,随着产气量和颗粒活性的增加,颗粒中气泡的内压因孔隙体积的限制而增大.这可能导致气泡与颗粒表面之间的压差增大.当颗粒中的气泡压力增大到一定程度,可以使部分颗粒微观结构发生改变[3],形成更多的孔隙,增加整体的颗粒孔隙率.由于对照组R1中无回流,颗粒污泥之间液体流动不畅,导致传质受限,颗粒污泥中产生的氮气无法快速扩散,不断聚集形成较大气泡,EPS堵塞在污泥外部以及内部孔隙之间,导致R1污泥中小孔径的孔隙被堵塞,只能通过内部产气打开孔隙,形成一些孔径大而稀疏的孔隙,也降低了整体颗粒污泥的孔隙率.实验组R2中多数孔隙是稳定在100nm左右的小孔隙,这是由于存在回流提供的水力冲刷作用,使得多余EPS排出,回流的稀释作用和循环作用使得底物与颗粒内部微生物之间接触时间和面积增加,活性提高,小孔隙之间的EPS会部分流失,形成一些小而密集的孔隙,使产出的气体及时排出,形成稳定而多孔的颗粒.

表3 两组AnGS的孔隙率以及各项孔隙数据

2.5 反应器微生物群落

2.5.1 微生物多样性及丰富度分析 两2反应器颗粒物种多样性指数和覆盖率如表4所示,两组样品检测覆盖度均在99.9%以上,因此测序结果基本上可以认为囊括了所有菌种,具有代表性.设置出水回流的R2组相对于不设置出水回流的R1组,ACE、Chao指数和Shannon指数较低而Simpson指数较高,说明不设置出水回流的R1组样本具有较高的生物多样性,设置出水回流具有一定的选择性,有利于富集反应系统所需的优势菌种.

表4 微生物群落丰度和多样性

2.5.2 微生物门分类水平分析 由图7可知,在设置出水回流的R2和不设出水回流的R1中,相对丰度最大的菌门均为浮霉菌门(Planctomycetes),其占比分别达到48.13%和56.90%,浮霉菌门中包含着所有的厌氧氨氧化菌种,如属、属等[15].而变形菌门(Proteobacteria)的细菌在R1和R2组种总细菌中的占比分别达到17.42%和39.78%.变形菌门是细菌中最大的一门,包含了一些可以进行硝化与反硝化的种类的细菌[16],在较高的NLR条件下,由于R1组中未设置回流比,导致反应器的传质效果不佳基质扩散不均匀,部分区域可能存在亚硝酸根含量较高,而亚硝酸盐对一些变形菌具有毒害作用,这些原因导致R2组的变形菌门占比高于R1组,而Anammox菌不会受亚硝酸盐的毒害,可以有效利用亚硝酸盐代谢完成各项生命活动,故R2组的浮霉菌门占比也略少于R1组.此外,绿弯菌门丰度在R2和R1中分别达到6.04%和13.12%,该门细菌可以充分利用死亡的细胞作为碳源[17],由于R1组出水中的NO2--N含量高出R2组,较高的NO2--N浓度对大多数细菌的生命活动具有毒害作用,且R1内部传质效果不佳,导致更多细菌死亡,其死亡的细胞体作为有机碳源供给绿弯菌门生命活动,导致R1组中的绿弯菌含量也高于R2组.

图7 门水平的群落丰度分析

2.5.3 微生物属分类水平分析 由图8可知,两组颗粒污泥中的厌氧氨氧化菌是属和-属,其中在R2组中属占总种群比例42.02%,而-属的占比不足0.1%;但在R1组中,属占比较少,仅8.37%,然而属的占比达到了43.19%.在无回流的R1组中,由于颗粒内部传质效应较差,使得该组中Anammox菌属由-属逐渐向-属细菌转化.而R2组中占比最高的是-属,依然维持接种污泥中的优势菌属.

图8 微生物群落属分类水平分布热图

属菌在两组中的占比有着很显著的区别,作为本研究反应器中主要的反硝化细菌之一[18],其在R2组中占比达到22.06%,而在R1组中几乎不含有该属细菌.根据Wu等人的研究,该菌可以促进颗粒污泥中多糖的分泌,进而使得颗粒能够更好的凝聚,更稳定[19].该细菌在R2组中有相当可观的含量,而在R1组中十分稀少,这也合理解释了表2中R2组PN/PS的值明显大于R1中的值.此外还有颗粒污泥中常见的反硝化细菌和(下只有属)[20-22].其中,属菌,在R2组中仅含1.83%,而在R1组中含有7.68%.Wang等[23]的研究表明,当反应器中的颗粒污泥中存在一定量的属菌时,这些异氧菌可以保护Anammox菌,如-属和-属免受高有机物含量高溶解氧等恶劣环境的影响.简易螺旋菌属()在R2组中有着5.03%的占比,而在R1组中仅有0.7%,该属细菌是具有反硝化作用与聚磷作用的兼性厌氧菌[24],由出水亚硝酸盐氮与出水氨氮浓度可知,无回流组R1的脱氮效率较低,而硝酸盐作为厌氧氨氧化脱氮的重要产物之一,在R1组中浓度较低,底物浓度低导致该组中简易螺旋菌较少.属在R2组和R1组中分别有3.88%和5.01%的占比.该属细菌发现较晚,根据Kawaichi等[25]的研究,该属菌单个细胞的直径为0.2～0.5μm,长度为2μm,形态较为固定,使用三价铁的硝酸盐作为末端电子受体,在有氧或厌氧条件下生长.可以脱除AnGS中细胞分泌或细胞裂解产生的有机物,降解属和-属等Anammox菌的产物,同时进一步稳定污泥的结构[26].Lia等[27]的研究又表明假单胞菌和属细菌是互补的,硝化细菌将氨氮转化为硝态氮,假单胞菌作为反硝化细菌,则将硝态氮转化为N2,导致反应后期NH4+的减少.在有回流的R2组中该属细菌仅占0.35%,而在无回流的R1组中占有4.49%,可能是由于R1组出水中氨氮浓度仍然较高,其反应底物浓度高,故该菌的占比较高;还有一种有一定含量的是属菌,该菌在R2组中占比0.69%,在R1组中占比2.04%.根据Du等[28]的研究,该属细菌是一种存在于活性污泥中的浮霉菌,被认为是一种潜在的厌氧氨氧化菌株,在氨转化中发挥作用.

图9 微生物群落属水平上的Fisher精确检验

值,*£0.05,**£0.01,***£0.001

3 讨论

本文主要基于有无回流的EGSB反应器中AnGS的内外部结构和微生物群落差异,从传质、活性和稳定性等角度分析出水回流对颗粒污泥结构和功能的重要性.

增加回流提供更好的水流条件使得底物能更好的与颗粒污泥接触,极大的增加比表面积和容积利用率,进一步使得进水中的底物浓度下降[29].回流还会对Anammox细菌通讯信号的产生有积极影响,更好的水流条件使得细菌之间通过信号分子充分的进行交流,增加了功能细菌的生长与繁殖[30].此外,研究表明较强的上升流速也增强了颗粒内部传质.Brito和Melo[31]研究了流体速度的瞬态转移对生物膜内传质系数的影响,发现在液体流动为湍流且剪切应力较大的情况下,流速对生物膜的厚度和密实度有显著影响,导致传质系数不同.此外,当体积液体的速度发生位移时,内传质系数平均增大.这种效应可能是由外部流动诱导的压力梯度将液体输送到生物膜基质的能力驱动的[31].因而出水回流的设置整体增加了颗粒活性和脱氮性能.

随着回流带来的产气量和颗粒活性的增加,颗粒中气泡的内压因孔隙体积的限制而增大.当颗粒中的气泡压力增大到一定程度,使得部分颗粒微观结构发生改变,形成更多的孔隙,增加了整体的颗粒孔隙率.据文献报道,基质扩散能力的差异可能与颗粒污泥内部的孔隙结构相关.根据Wu等[14]在菲克定律基础上提出AnGS内部扩散系数(MD)与孔隙率之间的关系:

式中:代表颗粒半径;M代表基质在水中的扩散系数;1代表基质的浓度;代表从颗粒表面到晶核的距离.从公式可知,在基质和颗粒污泥尺寸相同的条件下,颗粒污泥内部更大的孔隙率将会导致更高的基质扩散系数.回流增加的更高孔隙率导致更多的基质能进入颗粒污泥的内部,颗粒内部的厌氧氨氧化细菌能获得更多的营养物质用于自身的生长代谢,进一步增强了颗粒污泥的活性和功能.

出水回流也大大增加了颗粒的稳定性.由颗粒表观形貌结果可见,回流产生的较高剪切力,去除了颗粒表面松散的微生物聚集体和EPS,使得颗粒表面较为光滑,颗粒更加致密,更加稳定.从2个反应器出水总细菌对比以及出水三维荧光分析也可以得出相应的结论.此外,活性提高,颗粒内部更多的气体产生,形成更多的气泡聚集在颗粒内部,微小气泡在颗粒内部的冲刷与运移作用,使得小孔隙之间的EPS部分流失,形成一些小而密集的孔隙,使产出的气体及时排出,从而也避免了过多的EPS对颗粒之间以及颗粒内部孔隙的堵塞而上浮,形成稳定而多孔的颗粒[3].

出水回流导致颗粒污泥内外部传质的改变影响了微生物群落的演替.从2个反应器微生物群落结果可知,回流使得颗粒污泥群落结构发生很大转变,不设置出水回流的R1组样本具有较高的生物多样性,而设置出水回流使得颗粒污泥微生物群落具有一定的选择性,有利于富集反应系统所需的优势菌种[32].首先是优势厌氧氨氧化菌的富集,回流使得源颗粒污泥中-属得到了保持并进行了富集,而未加回流的R1中优势厌氧氨氧化菌由-属转化成了-属.根据Jiang等[33]的研究,-属是一种十分嗜盐的菌属,根据Wouter等[34]的研究,当进水盐度增加时,该属细菌占比显著增加,而本实验中,在配水中加入的CaCl2,EDTA等盐类物质浓度较高,也发现-Kuenenia属相比于-属,具有更好的亚硝酸盐亲和力,当亚硝酸盐增加时[35],-属能更好的抵抗高浓度亚硝酸盐氮的抑制作用,在无回流的R1组中,由于颗粒内部传质效应较差,包括亚硝酸盐在内的盐类物质无法迅速扩散而导致部分区域盐度较高,使得该组中Anammox菌属由-属逐渐向-属细菌转化.而R2组中占比最高的是-属,依然维持接种污泥中的优势菌属.这两种厌氧氨氧化菌都具有Anammox菌所特有的厌氧氨氧化体膜结构,在膜的内侧进行厌氧氨氧化反应,形成质子电化学梯度,最终合成ATP供给细胞生长发育各项生命活动[36-37].

此外,有无回流的影响导致了其他微生物种群的改变,使得微生物群落向着适合反应器内部运行条件和自身运行效能的方向发展.出水回流导致的反应器传质变化,增强了反应器出水性能和运行效能.反应器内部底物浓度的改变进而影响了微生物群落结构.回流带来的良好运行效能避免了高浓度亚硝氮和氨氮对大多数细菌的毒害作用,进而降低了能利用死亡的细胞作为碳源的绿弯菌门丰度;较好的厌氧氨氧化活性也产生了一定的厌氧氨氧化产物硝氮,良好运行效能也为常见反硝化菌(、)提供了良好的生存条件,厌氧氨氧化菌和反硝化菌协同作用进一步促进了脱氮性能和反应器的运行效能.回流的增加,除了保证优势脱氮菌群的富集外,还使得一些能维持颗粒稳定性的细菌能够得到更好的生存,使颗粒在保持内部多孔高效脱氮的条件下有着更好的稳定性(如),有利于颗粒污泥在实际工程应用中稳定运行.

4 结论

4.1 增加出水回流可以提供额外的水力剪切力,提高了传质效应,保证了反应器在NLR为(3.16～3.79) kg N/(m3d)的条件下亚硝氮和氨氮的去除率从60%和65%左右分别提高到95%以上,比厌氧氨氧化活性SAA增加了31.54%.

4.2 随着回流带来的产气量和颗粒活性的增加,颗粒中气泡的内压因孔隙体积的限制而增大,部分颗粒微观结构发生改变,颗粒的孔隙率也从41.3%提高到了59.4%.

4.3 出水回流产生的较高剪切力和较好的传质效应,避免了过多的EPS对颗粒之间以及颗粒内部孔隙的堵塞而上浮,因为也大大增加了颗粒的稳定性.

4.4 回流使得颗粒污泥群落结构发生很大转变,回流使得源颗粒污泥中-属得到了保持并进行了富集,还使得一些能维持颗粒稳定性的细菌能够得到更好的生存,使颗粒在保持内部多孔高效脱氮的条件下,有着更好的稳定性.

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The effects of effluent reflux on characteristics and microbial community of anammox granular sludge.

FU Hui-min, LENG Ji-xuan, WENG Xun, YAN Peng, CHEN You-peng*

(College of Environment and Ecology, Chongqing University, Chongqing 400045, China)., 2022,42(4)：1663～1671

From the perspectives of mass transfer, anammox activity and stability, this study evaluated the effect of effluent reflux on the structure and function of Anammox granular sludge (AnGS) in EGSB reactor with or without reflux. The results showed that increased reflux provided better flow conditions, which enabled the substrate to better contact with granular sludge. When nitrogen load rate ranged from (3.16to 3.79) kg/N·(m3·d), the original removal rates of nitrite (60%) and ammonia nitrogen (65%) were increased to more than 95% and the specific anammox activity increased by 31.54%. With the increased gas production and granular activity by reflux, the internal pressure of bubbles in AnGS was increased due to the limited pore volume. The microstructure of AnGS was changed and the porosity of AnGS was increased from 41.3% to 59.4%. In addition, the higher shear force and better mass transfer effect caused by effluent reflux greatly improved the stability of AnGS. The effluent reflux maintained and enriched-in the seed AnGS, and enabled some bacteria maintaining the stability of the AnGS and improving viability. The internal porous structure and efficient nitrogen removal of the AnGS (such as) leads to better stability (such as), which is conducive to the stable operation of AnGS in practical engineering applications.

anammox granular sludge；effluent reflux；mass transfer；pore structure；microbial community

X703

A

1000-6923(2022)04-1663-09

傅慧敏(1992-),男,河南林州人,重庆大学博士研究生,主要从事环境微生物机理研究.发表论文1篇.

2021-09-03

国家自然科学基金资助项目(21876016)

*责任作者, 教授, ypchen@cqu.edu.cn