原生硝化菌对活性污泥硝化菌性能与群落结构的影响研究

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城市污水中含有硝化菌(原生硝化菌)且具有活性,其随进水不断地流入污水厂中,会对活性污泥系统起到一定的连续自然接种作用,但原生硝化菌性能和群落结构及其对活性污泥系统的长期影响等有待进一步研究。本试验对西安市北石桥污水处理厂进水(2017年6月至2019年3月)和活性污泥(2017年10月至2019年3月)中硝化菌的硝化性能、菌群多样性及群落结构等进行了测定,并进一步分析了原生硝化菌对活性污泥硝化菌性能与群落结构的影响。主要结论如下:(1)调查期间,污水处理厂进水水质较稳定,各水质指标(氨氮、总氮、磷酸盐、总磷、COD、SS、VSS)的变异系数在17.8%~40.2%之间,其中TN的变异系数(17.8%)最小,PO43--P的变异系数(40.2%)最大。每月的日平均进水水量为15万~17万m~3,夏季每月日平均进水量比冬季高。(2)调查期间,原生硝化菌比氨氧化速率(Specific Ammonium Utilized Rate,SAUR)为0.48~3.02 mg N/(g VSS·h),亚硝酸盐氧化速率(Specific Nitrite Utilized Rate,SNUR)为0.94~3.12 mg N/(g VSS·h);除5、6月份SAUR比SNUR略高外,其余月份SAUR均比SNUR低;SAUR和SNUR的整体变化趋势相同,夏季活性最低,冬季活性最高;且SAUR、SNUR分别与VSS和COD环境因子有关但响应较弱。活性污泥中SAUR为0.68~2.25 mg N/(g VSS·h),SNUR为1.07~3.6 mg N/(g VSS·h),SAUR除冬季外比SNUR低。(3)冬季原生硝化菌SAUR和SNUR比活性污泥中硝化菌的高。原生硝化菌SAUR与后一个月的活性污泥SAUR高度相关(相关性为0.862),相关性显著(显著性为0.000≤0.05)。原生硝化菌SAUR对活性污泥SAUR影响显著但具有一定的滞后性。(4)进水AOB(Ammonia Oxidizing Bacteria)连续接种强度为0.21~0.92g/(g·d),NOB(Nitrite Oxidizing Bacteria)连续接种强度为0.17~0.78 g/(g·d)。AOB、NOB的连续接种强度在秋冬季节显著。秋冬季AOB、NOB的平均连续接种强度分别是夏季连续接种强度的1.3倍、2.6倍。(5)定量PCR(Quantitative Real time Polymerase Chain Reaction,q PCR)结果表明,原生硝化菌中Nitrotoga丰度最小,为4.86×10 ~5~3.78×10 ~6cells/g MLSS,AOB和Nitrospira的丰度分别为1.32×10~8~2.36×10~9cells/g MLSS和1.64×10 ~9~5.18×10 ~9cells/g MLSS。活性污泥硝化菌中AOB、Nitrospira和Nitrotoga的丰度分别为1.12×1010~1.19×1010cells/g MLSS,3.63×10~9~1.57×1010cells/g MLSS和9.28×10~6~1.64×10~8cells/g MLSS。(6)Illumina MiSeq高通量测序结果表明,不同月份下的原生硝化菌AOB(amo A)和NOB(nxr B)含有的OTUs(Operational Taxonomic Units,操作分类单元)、群落丰富度和多样性较活性污泥的高,其AOB和NOB中共有OTUs分别在45~75范围内和53~81范围内。原生硝化菌与活性污泥中AOB(amo A)的共同优势菌属为Nitrosomonas(除去未识别的菌属),共同优势菌种为Nitrosomonas_sp._Nm58、Nitrosomonas_sp._JL21、bacterium_CYCU-0253。其中Nitrosomonas_sp._Nm58、bacterium_CYCU-0253分别与原生硝化菌和活性污泥硝化菌的SAUR相关。NOB(nxr B)的共同优势菌属为Nitrospira,共同优势菌种为Nitrospira_defluvii和Nitrospira_calida。当原生硝化菌进入到活性污泥系统,其中的一些菌种(包含与活性相关的菌种)得以保留,而其他一些菌种(如Nitrosococcus_sp._LT-3、ammonia-oxidizing_enrichment_culture)没有在活性污泥硝化菌中检测到。6个进水样本中硝化菌的群落结构之间差异比活性污泥样本之间大。原生硝化菌与活性污泥中硝化菌的群落结构具有一定相似性,但其低于不同时间原生硝化菌间或者活性污泥硝化菌间的相似性。因此,原生硝化菌对活性污泥硝化菌的群落结构的形成具有一定影响,但同时活性污泥系统对迁移来的原生硝化菌也具有一定的选择性。
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