אופטימיזציה של ביצועים ורצף קהילתי מיקרוביאלית ברצף-זרימה אנוקסית MBBR-תהליך AAO לסילוק חנקן וזרחן משופר מהביוב העירוני

מיטוב ביצועים ומיקרוביאליים רצף קהילה של-זרימה אנוקסית MBBR-תהליך AAO מתמשך

הטיפול המתקדם בביוב עירוני ומימוש מחזור משאבים הפכו בשנים האחרונות לנושאים חמים בתחום סביבת המים. עם זאת, התהליכים המסורתיים להסרת חנקן וזרחן שאומצו באופן נרחב על ידי מכוני טיהור שפכים לא רק מביאים לבזבוז מופרז של משאבים אלא גם מגדילים את עלויות התפעול [1]. יתרה מכך, הירידה ההדרגתית ביחס הפחמן-ל-חנקן (C/N) של שפכים עירוניים וההבדלים בסביבות החיים של קהילות מיקרוביאליות פונקציונליות שונות הפכו לגורמים מגבילים חשובים עבור טכנולוגיות טיפול במים.

תהליך ה-MBBR ההיברידי של הסרט-משלב את תהליך הבוצה המופעלת עם תהליך הביו-פילם של הנשא המרחף כדי להשיג העשרה משופרת של מיקרואורגניזמים פונקציונליים, לפתור את הבעיות של תפיסת קרקע גדולה וסובלנות נמוכה לטמפרטורה- נמוכה של תהליך הבוצה הפעילה המסורתית [2]. בשנת 2008, Wuxi Lucun מפעל לטיפול בשפכים במחוז ג'יאנגסו, כמפעל טיהור שפכים ראשון בסין שביצע את השדרוג והבנייה מחדש לתקני Class IA, הגביר בהצלחה את השפעת הטיפול על ידי הוספת נשאים מרחפים למערכת הבוצה [3]; Hu Youbiao et al. [4] חקרו את השפעת הטמפרטורה על סילוק חנקן אמוניה וחומרים אורגניים ב-MBBR ובבוצה פעילה, והתוצאות הראו שלטמפרטורה הייתה השפעה קטנה יותר על MBBR אך השפעה גדולה יותר על בוצה פעילה; ג'אנג מינג ואחרים. [5] השתמש בתהליך A²O-MBBR לטיפול בשפכים ביתיים כפריים, תוך השגת שיעורי סילוק גבוהים של COD, חנקן אמוניה, TP ו-TN; Zhou Jiazhong et al. [2] נמצא באמצעות ניסויים-בקנה מידה קטן ש-DO, הטמפרטורה היו בקורלציה חיובית עם מערכת MBBR ההיברידית של הסרט-, בעוד שיחס ה-C/N ההשפעה היה בקורלציה שלילית.

תהליך ה-MBBR האנוקסי (AM-MBBR) יכול לממש בו-זמנית דניטריפיקציה והסרת זרחן במיכל האנוקסי, שהוא גם תהליך הסרת זרחן דניטריפי (DPR). בהשוואה לתהליכי טיפול בשפכים מסורתיים, תהליך DPR יכול לחסוך במקורות פחמן אורגניים ולהפחית את צריכת החמצן. Zhang Yongsheng [6] וחב'. פיתח כור ביופילם בזרימה מתמשכת-, והתוצאות הראו שבטמפרטורה של 20 מעלות, ריכוז DO של 5.5 מ"ג/ליטר, עומס של 2.2 ק"ג/(מ³·d), ומצב אוורור לסירוגין של אנאירובי 3 שעות/אירובי 6 שעות, הריכוזים הממוצעים של phorus ו-efphoen/7 0.67 מ"ג/ליטר, עם שיעורי הסרה של 72.9% ו-78.5%, בהתאמה.

עם זאת, עבור מערכת הבוצה-ההיברידית AM-AAO, קיים קשר מורכב בין בוצה פלקולנט מרחף לביופילם מחובר. מחקרים קודמים התמקדו בפרקטיקות הנדסיות כגון הגשת הצעות ובנייה מחדש של מתקני טיהור שפכים, אך ישנם מחקרים מעטים על ניטריפיקציה סינכרונית ו-DPR לשיפור הסרת חנקן וזרחן ב-זרימת בוצה-מתמשכת של מערכות AM-AAO ההיברידיות, והיציבות של טכנולוגיית DPR להסרת מזהמים היא גם אחת הביצועים הקשים של תהליך סילוק מזהמים.

מחקר זה ביצע אופטימיזציה של אסטרטגיות ההפעלה-ותפעול של תהליכי-זרימה מתמשכת (AAO) וזרימה מתמשכת-בוצה-סרט היברידי (AM-AAO), תוך התמקדות בחקירת ההשפעות של קצב אוורור, מינון מילוי, זמן שמירה הידראולית (HRT), יחס חום/פלוקס נוזלי, יחס ניטריפיקציה בשפעת/N. ביצועי הסרת חנקן וזרחן-לטווח ארוך של תהליך AM-MBBR ויעילות הסרת הזרחן המדניטרית במיכל האנוקסי. במקביל, נחקרו רצף הקהילות המיקרוביאליות וכללי השינוי של קהילות מיקרוביאליות פונקציונליות בבוצה פעילה וביופילם.

1 חומרים ושיטות

1.1 התקן ניסיוני ופרמטרים תפעוליים

במחקר זה נעשה שימוש במכשיר תגובה AAO בזרימה מתמשכת (איור 1). הוא היה עשוי זכוכית אורגנית, עם סך של 7 תאים, כל אחד בגודל של 10 ס"מ × 10 ס"מ × 40 ס"מ; נפח העבודה היה 21 ליטר, ויחס הנפח של כל מיכל תגובה היה אנאירובי: אנוקסי: אירובי=2:2:3. ערבוב מכני אומץ במיכלים האנאירוביים והאנוקסיים; המיכל האירובי השתמש בראשי חול מאוורר כמאווררים מיקרו-נקבוביים וכוח חיצוני לערבוב מים-, וקצב האוורור נשלט על ידי מד זרימת גז. ריכוז ה-DO במיכל האירובי של הכור נשלט על 2~3 מ"ג/ליטר; מיכל השקיעה המשני היה גליל בנפח עבודה של כ-40 ליטר; זמן החזקת הבוצה (SRT) היה 40 ד', ויחס הריפלוקס הבוצה היה 50%. הכור פעל בסך הכל 263 ד' (מחולק ל-6 שלבי פעולה), וחומרי מילוי מפוליאתילן נוספו למיכל האנוקסי החל מהיום ה-159 כדי לפעול במצב AM-AAO. תנאי ההפעלה הספציפיים מוצגים בטבלה 1.

(איור 1 תרשים סכמטי של ציוד תהליך AM-AAO: האיור כולל דלי כניסת מים, משאבה פריסטלטית, מיכל אנאירובי, מיכל אנוקסי, מיכל אירובי, מיכל שיקוע, דלי יציאת מים, וכן ריפלוקס פנימי, צינורות ריפלוקס בוצה ושסתומי ניקוז)

טבלה 1 סוג מערכת תהליך ופרמטרי פעולה

1.2 בוצה מחוסנת ואיכות מים משפיעה

הבוצה המחוסנת בניסוי זה נלקחה מעודפי הבוצה שהוזרמו ממיכל השקיעה המשני של מכון טיהור שפכים. לאחר חיסון, ריכוז הבוצה (MLSS) בכור היה 2.3 גרם/ליטר, והמוצקים הנדיפים של הבוצה (MLVSS) היו 2.1 גרם/ליטר.

השפעת הכור הייתה שפכים ביתיים ממשיים ממסעדות, שנוספו לכור לאחר סינון זיהומים דרך מסך סינון. המזהמים שלו כללו NH₄⁺-N (35.0456.54 מ"ג/ליטר), NO₂⁻-N (00.42 מ"ג/ליטר), NO₃⁻-N (00.05 מ"ג/ליטר), COD (362.1605.1 מ"ג/ליטר), ו-PO₄³⁻-P (1~5.08 מ"ג/ליטר).

1.3 פריטי איתור ושיטות ניתוח

1.3.1 שיטות זיהוי שגרתיות

דגימות מים- של בוצה נאספו ממיכל השפע, ממיכל אנאירובי, ממיכל אנוקסי, ממיכל אירובי, ממיכל שיקוע וקולחים, וסונן עם נייר סינון 0.45 מיקרומטר. NH₄⁺-N נקבע על ידי הספקטרופוטומטר של נסלר; NO₂⁻-N נקבע על ידי N-(1-naphthyl) ethylenediamine פוטומטריה; NO₃⁻-N נקבע על ידי ספקטרופוטומטריה אולטרה סגול; COD נקבע על ידי Lianhua 5B-3A COD מרובה פרמטר גלאי מהיר; pH/DO והטמפרטורה נקבעו על ידי גלאי WTW Multi3620; MLSS נקבע בשיטה גרבימטרית; MLVSS נקבע על ידי שיטת הרזיה של שריפה בכבשן מופל [7].

1.3.2 מיצוי ואיתור של חומרים פולימריים חוץ-תאיים

חומרים פולימריים חוץ-תאיים (EPS) נחשבים מורכבים מפוליסכרידים (PS), חלבונים (PN) וחומצות הומיות (HA). שלושה סוגים של EPS, כלומר חומרים פולימריים חוץ-תאיים מסיסים (S-EPS), חומרים פולימריים חוץ-תאיים הקשורים באופן רופף (LB-EPS), וחומרים פולימריים חוץ-תאיים הקשורים בחוזקה (TB-EPS), הופרדו וחולצו. שיטת הקביעה של PS הייתה שיטת חומצה גופרתית-אנתרון, ושיטות הקביעה של PN ו-HA שונו בשיטת Folin-Lowry [7].

1.3.3 שיטת חישוב שיעור סילוק מזהמים

שיעור הסרת המזהמים (SRE) שימש כדי לאפיין את הסרת המזהמים הכוללת של מערכת תהליך AM-AAO. ביניהם, Sinf ו-Seff הם ריכוזי המזהמים של השפך והקולחים, בהתאמה, שיכולים לייצג את ריכוזי המסה של מזהמים כגון NH₄⁺-N, NO₂⁻-N, NO₃⁻-N, COD{5} ו-PO₄ influen קולחים, מ"ג/ליטר.

1.3.4 שיטת רצף-תפוקה גבוהה

נעשה שימוש בשיטת רצף-תפוקה גבוהה של Illumina. דגימות בוצה מהמיכל האנאירובי, מהמיכל האנוקסי והמיכל האירובי בימים 1, 110, 194 ו-237 נאספו ונקראו כקבוצה D01 (D01_A1, D01_A2, D01_O), קבוצה D110 (D110_A09, D110 קבוצה D110_A09, D110). (D194_A1, D194_A2, D194_O), וקבוצה D237 (D237_A1, D237_A2, D237_O), בהתאמה; דגימות בוצת ביופילם בימים 194 ו-237 נאספו ונקראו M194 ו-M237, בהתאמה. בסך הכל נותחו 14 דגימות בוצה לאיתור שינויים בקהילות מיקרוביאליות. DNA הופץ באמצעות ערכת Fast DNA SPIN (MP Biomedicals, סנטה אנה, קליפורניה, ארה"ב). אזור V3-V4 של הגן rRNA החיידקי 16S הוגבר עם פריימרים 338F/806R. האמפליקונים המטוהרים רוצו בפלטפורמת Illumina MiSeq PE300 (Illumina, ארה"ב) על ידי Shanghai Majorbio Biomedical Technology Co., Ltd. (Shanghai, סין) [7].

2 תוצאות ודיון

2.1 כללי-לטווח ארוך להסרת מזהמים בתהליכי AAO ו-AM-AAO

הסרת מזהמים-לטווח ארוך במהלך פעולת תהליך-זרימת AAO מתמשכת (שלבים 13) ותהליך AM-AAO עם הוספת חומרי מילוי מרחפים מפוליאתילן (שלבים 46) מוצג באיור 2.

בשלב 1 (1~45 ד'), כמות שחרור PO₄³⁻-P (PRA) במיכל האנאירובי, כמות ספיגת PO₄³⁻-P במיכל האנוקסי (PUAA), וכמות PO₄³⁻-P היו כמות ספיגת P במיכל האירובי (PU6.06) 14.22 מ"ג, ו-87.81 מ"ג, בהתאמה, ותהליך ספיגת הזרחן הושג בעיקר במיכל האירובי. שיעורי ההסרה של NH₄⁺-N ושל החנקן האנאורגני הכולל (TIN) היו 92.85% ו-86.37%, בהתאמה, מה שמבטיח את אפקט הדניטריפיקציה. לאחר-כוונן עדין של האוורור (DO=2~3 מ"ג/ליטר), אפקט הסרת ה-NH₄⁺-N עלה ל-98.68%, וריכוז ה-TIN וקצב ההסרה של שפכים היו 1.75 מ"ג/ליטר ו-95.75%, בהתאמה, המעידים על התאמה והתאמה ל-DO. תהליכי דניטריפיקציה; אפקט הסרת COD במיכל האנאירובי נחלש (91.60%). בנוסף, לכוונון העדין- של DO לא הייתה השפעה על הקולחים PO₄³⁻-P, עם ממוצע של 0.47 מ"ג/ליטר, מה שעולה בקנה אחד עם המסקנה של Yang Sijing וחב'. [8].

בשלב 2 (46~120 ד'), לאחר התאמת HRT=8 h, ביצועי הסרת COD השתנו מעט; הערכים המקסימליים של PRA, PUAA ו-PUAO הגיעו ל-148.01 מ"ג, 81.95 מ"ג ו-114.15 מ"ג, מה שמצביע על כך שהעלייה בזרימת ההשפעה לא השפיעה על הסרת זרחן, ושמרה על ביצועים גבוהים של NH₄⁺-N ו-TIN. ביום 72, יחס ריפלוקס נוזלי ניטריפיקציה הוגדל ל-300% ו-400%. העלייה ביחס הריפלוקס הפחיתה את אפקט הסרת ה-TIN, עם שיעורי הסרה של 80.37% (300%) ו-68.68% (400%), בהתאמה. מיום 108 עד 120, יחס ריפלוקס נוזלי ניטריפיקציה נקבע ל-250%. כמות הסרת COD במיכל האנאירובי ביחס ריפלוקס נוזלי ניטריפיקציה של 250% (127.1 מ"ג/ליטר) הייתה גבוהה או שווה לזו של אחרים (86.2 מ"ג/ליטר, 124.7 מ"ג/ליטר ו-128.0 מ"ג/ליטר עבור 200%, 300%, ו-400% בהתאמה); ריכוזי הזרחן בקולחים התואמים ליחסי ריפלוקס שונים היו 0.52 מ"ג/ליטר, 0.35 מ"ג/ליטר ו-0.06 מ"ג/ליטר, מה שמצביע על כך שהגדלת יחס הריפלוקס נוזלי הניטריפיקציה בטווח מסוים יכולה לקדם את הסרת הזרחן. בנוסף, ליחס הריפלוקס של 250% היו ביצועי דניטריפיקציה טובים, עם שיעור הסרת TIN של 86.86%.

בשלב 3 (121~158 ד'), יחס הריפלוקס נוזלי הניטריפיקציה נקבע ל-250%. ביום 131, זרימת ההשפעה הוגדלה ל-5 ליטר לשעה, ההשפעות על פינוי COD והזרחן פחתו, וריכוזי הקולחין היו 73.3 מ"ג/ליטר ו-3.92 מ"ג/ליטר, בהתאמה, מה שמצביע על כך שהעלייה בזרימת ההשפעה הביאה להפרשת יותר COD ללא טיפול. בנוסף, שיעורי ההסרה המקסימליים של NH₄⁺-N ו-TIN היו 93.82% ו-79.12%, בהתאמה, ביניהם NO₃⁻-N הפך למזהם העיקרי בשפכים (4.70 מ"ג/ליטר). ביום 139, זרימת ההשפעה הופחתה ל-4 ליטר/שעה, ה-COD וקצב ההסרה של הקולחין היו 55.7 מ"ג/ליטר ו-85.97%, בהתאמה, מה שהיה גבוה מביצועי הסרת הפחמן ב-HRT=5.6 שעות, מה שמצביע על כך שהפחתת HRT עשויה להוביל לירידה בהסרת COD. בנוסף, שיעורי ההסרה המקסימליים של NH₄⁺-N ו-TIN היו 100% ו-97.41%, מה שמצביע על כך שההתאמת HRT קידמה ניטריפיקציה ודניטריפיקציה, אך טיפול הורמונלי קצר מדי עלול להוביל לירידה בהשפעת הדניטריפיקציה. לכן, כאשר HRT=7 שעות, מספיק שהתגובות בכל מיכל ימשיכו במלואן, ולעלייה משמעותית ב-HRT יש השפעה מקדמת מועטה על אפקט הדניטריפיקציה.

ביום 159, נוספו 20% חומרי מילוי פוליאתילן מרחפים למיכל האנוקסי של תהליך AAO. בשלב 4 (159~209 ד'), ביצועי ההסרה של COD ו-PO₄³⁻-P שופרו. החל מיום 172, ריכוז ה-NH₄⁺-N המושפע עלה ל-64.17 מ"ג/ליטר (C/N=8.59), ה-COD ושיעור ההסרה של הקולחין היו 77.7 מ"ג/ליטר ו-86.06%, בהתאמה. הסיבה עשויה להיות שהביופילם גדל לאט, והבוצה הפעילה תרמה את התרומה העיקרית להרחקת רוב ה-COD; חומרי המילוי המרחפים העלו את שיעור ההסרה של PO₄³⁻-P ב-1.18%. עם זאת, העלייה ב-NH₄⁺-N המושפע במיכל האנוקסי הובילה לצורך במקורות פחמן רבים יותר לתהליך הניטריפיקציה של NO₃⁻-N, מה שלא היה תורם לשחרור זרחן ולקליטה של ​​PAOs; במקביל, פעולה זו לא הפחיתה לחלוטין את NO₃⁻-N, וריכוז הקולחים המינימלי היה 7.30 מ"ג/ליטר. ביום 185, בשינוי HRT ל-5.6 שעות, נמצא כי השפעת הסרת COD תנודה מעט, עם שיעור הסרה של 86.05%; ריכוז הקולחים PO₄³⁻-P עלה ב-0.05 מ"ג/ליטר, מלווה בעלייה ב-PUAA (מ-13.02 מ"ג ל-18.90 מ"ג), מה שמצביע על כך שהבוצה והביופילם הפעילו באופן סינרגטי יעילות מסוימת של סילוק זרחן. בנוסף, ריכוזי הקולחים NH₄⁺-N, NO₃⁻-N ו-TIN היו 10.23 מ"ג/ליטר, 6.52 מ"ג/ליטר ו-16.82 מ"ג/ליטר, בהתאמה, מה שמעיד על כך שהפחתת HRT תוביל לירידה ב-Nemo{}3} ו-16.82 מ"ג/ליטר. TIN. ביום 195, HRT הותאמה בחזרה ל-7 שעות, ובזמן זה, תכולת המזהמים בשפכים ירדה, וביצועי סילוק החנקן והזרחן והסרת חומרים אורגניים של המערכת התאוששו בהדרגה.

בשלב 5 (210~240 ד'), ריכוז ה-NH₄⁺-N המושפע עלה ל-84.06 מ"ג/ליטר (C/N=6.28), והבוצה הפעילה עדיין תרמה את התרומה העיקרית להסרת חומר אורגני. לעלייה ב-NH₄⁺-N הייתה השפעה מועטה על הסרת COD. שיעור ה-COD שנספג במיכל האנאירובי היה 68.02%, ורוב החומר האורגני נספג על ידי PAOs במיכל האנאירובי וסונתז למקורות פחמן פנימיים (PHA), ושחרור הזרחן האנאירובי הושלם במלואו [9]. ה-PRA המקסימלי היה 72.75 מ"ג, ו-PUAA ו-PUAO היו 35.82 מ"ג/ליטר ו-48.20 מ"ג/ליטר, בהתאמה, אך התרומה העיקרית לספיגת הזרחן עדיין הגיעה מהמיכל האירובי. ביום 221, יחס המילוי הוגדל ל-30%, וריכוזי הקולחים NH₄⁺-N ו-TIN הופחתו ב-4.49 מ"ג/ליטר ו-5.16 מ"ג/ליטר, בהתאמה; ביניהם, NH₄⁺-N ו-NO₃⁻-N היוו 70.11% ו-28.75% מה-TIN של קולחין, בהתאמה. ביום 231, ריכוז ה-NH₄⁺-N המושפע הותאם ל-66.34 מ"ג/ליטר, וביצועי הסרת המזהמים של המערכת היו יציבים בעצם.

בשלב 6 (241~263 ד'), טמפרטורת הכור הווסטה כדי לחקור את השפעתו על סילוק מזהמים. ביום 241, הטמפרטורה ירדה ל-18 מעלות, שיעור הסרת ה-COD ירד ל-84.37%, אך כלל שינוי ה-COD לא השתנה עקב הירידה בטמפרטורה. שיעור ההסרה במיכל האנאירובי היה הגבוה ביותר, 62.02%, תהליך סילוק הזרחן הדניטריפי במיכל האנוקסי צרך 26.72% מה-COD, ריכוז ה-NO₃⁻-N בשפכים של המיכל האירובי היה 10.4 מ"ג/4 מ"ג/ליטר. NH₄⁺-N נשאר; בנוסף, PRA הושפע פחות מהטמפרטורה, אך ביצועי ספיגת הזרחן של המיכל האנוקסי פחתו, עם PUAA רק 19.77 מ"ג, והזרחן הוסר ב-3.94 מ"ג/ליטר במיכל האירובי. רוב ה-PAOs הפסיכופיליים ביצעו תהליך ספיגת זרחן אירובי [10]. כאשר הטמפרטורה הופחתה עוד יותר ל-13 מעלות, שיעורי ההסרה של NH₄⁺-N ו-TIN ירדו ב-6.38% ו-6.25%, בהתאמה; במקביל, PUAA ו-PUAO ירדו ב-7.77 מ"ג ו-15.00 מ"ג, בהתאמה, מה שעשוי להיות קשור לירידה בפעילות המיקרוביאלית וביכולת הגדילה והמטבוליזם הנגרמת כתוצאה מירידת הטמפרטורה. Jin Yu [11] מצא שכאשר הטמפרטורה נמוכה מ-14 מעלות, קשה להבטיח את ריכוז המזהמים הקולחין של המערכת.

(איור 2 הסרת מזהמים בתהליכי AAO ו-AM-AAO במהלך פעולה ארוכת טווח-: כולל (ג) עקומות של NH₄⁺-ריכוז NH⁺-NH ריכוז וקצב ההסרה המשתנה עם ימי הפעולה, (ד) עקומות של NOₓ⁻-שינויים בריכוז של NH₄⁺, הציר האופקי הוא ימי הפעולה (0~260 ד'), והצירים האנכיים הם ρ (NH₄⁺-N)/(mg·L⁻¹), ρ (NO₃⁻-N)/(mg·L⁻¹), ושיעור ההסרה מסומן בהתאם לשלב/%.

2.2 כללי שינוי מזהמים במחזורים טיפוסיים של תהליכי AAO ו-AM-AAO

כדי להמשיך ולחקור את מנגנון הסרת המזהמים של תהליכי AAO ו-AM-AAO, נותחו השינויים בריכוז המזהמים במחזורים טיפוסיים של שלבי פעולה שונים, כפי שמוצג באיור 3.

ביום 42 (שלב 1), לתהליך ה-AAO היו ביצועים טובים של דניטריפיקציה והסרת זרחן. עם זאת, ה-COD בעל ההשפעה הגבוהה לא שיפר את ביצועי שחרור הזרחן, וה-PRA היה 9.13 מ"ג/ליטר בשלב זה. בנוסף, NH₄⁺-N נצרך מראש בעת הכניסה למיכל האנוקסי; לאחר מכן, המיכל האנוקסי הפחית את ה-NO₃⁻-N שנוצר ל-N₂; עם זאת, המיכל האירובי הסיר רק 3.52 מ"ג/ליטר של NH₄⁺-N, מה שעשוי לנבוע מה-HRT הארוך בשלב 1 שהוביל לעלייה ב-DO שהוחזרה למיכל האנוקסי, ורוב ה-NH₄⁺-N השלים nitrification, מה שגרם למיכל האנוקסי נמוך יותר.

ביום 118 (שלב 2), עם הירידה ב-COD המשפיע, התדרדרו ביצועי שחרור הזרחן והדיניטריפיקציה. ריכוז שחרור הזרחן במיכל האנאירובי היה 5.91 מ"ג/ליטר, וריכוז ה-NO₃⁻-N בשפכים של המיכל האירובי היה 8.20 מ"ג/ליטר. ריכוז PO₄³⁻-P במיכל האנוקסי ירד ל-2.78 מ"ג/ליטר, מה שמצביע על כך ש-PO₄³⁻-P הוסר במיכל האנוקסי. בנוסף, יחס ריפלוקס נוזלי ניטריפיקציה נקבע ל-250% בשלב זה. בהשוואה ליחסי הריפלוקס של 300% ו-400%, ביצועי הסרת החנקן והזרחן והסרת חומרים אורגניים של התהליך שופרו, מה שמעיד על כך שהגדלת ריפלוקס נוזל הניטריפיקציה בטווח מסוים יכולה לשפר את אפקט הסרת המזהמים.

ביום 207 (שלב 4), לאחר התאמת ה-NH₄⁺-N וה-HRT המושפעים בתהליך AM-AAO, שיעור הסרת COD היה 86.15%; המיכל האירובי הסיר 13.34 מ"ג/ליטר של NH₄⁺-N, ריכוז ה-TIN הנותר היה 7.51 מ"ג/ליטר, ויוצרו 4.39 מ"ג/ליטר של NO₃⁻-N, ו-NO₃⁻-N הפך למזהם הדומיננטי. לא היה הבדל מובהק בתרומת פינוי הזרחן בין המיכל האנוקסי למיכל האירובי. בנוסף, הגדלת ה-NH₄⁺-N המושפעת לא השפיעה על הניטריפיקציה, אך העלייה בריכוז ה-TIN המשפיע הפחיתה את ביצועי הדניטריפיקציה של תהליך AM-AAO, ובכך השפיעה על הסרת ה-TIN.

ביום 262 (שלב 6), טמפרטורת הכור הייתה 13 מעלות, וקצב הסרת COD היה 83.67% בשלב זה. במקביל, במיכל האנאירובי השתחררו 6.95 מ"ג/ליטר זרחן; 20.22 מ"ג/ליטר של NH₄⁺-N נצרכו על ידי המיכל האנוקסי ובוצע דניטריפיקציה, וריכוז NO₃⁻-N בשפכים של המיכל האנוקסי היה 5.07 מ"ג/ליטר; למיכל האירובי היה אובדן TIN של 1.32 מ"ג/ליטר; שיעור הסרת ה-TIN היה 77.00%, וה-TIN הקולחים הכיל 11.24 מ"ג/ליטר של NH₄⁺-N, מה שמעיד על כך שהטמפרטורה הנמוכה הפחיתה את הפעילות של חיידקים מחנקים וחיידקים דניטריפיים, וכתוצאה מכך הסרה לא מלאה של המזהמים במי הביוב. בנוסף, PRA ירד ל-6.95 מ"ג/ליטר, וביצועי ספיגת הזרחן של המיכל האנוקסי והמיכל האירובי ירדו ל-2.41 מ"ג/ליטר ו-3.61 מ"ג/ליטר, בהתאמה, מה שמעיד על כך שהירידה בטמפרטורת הכור עיכבה את ביצועי סילוק הזרחן של מיכל ה-PAOs והאפפלור גבוהים, מה שהוביל לירידה ב-PRAoben. ריכוז זרחן.

(איור 3 שינויים מזהמים במחזורים טיפוסיים: כולל (א) יום 42 של תהליך AAO, (ב) יום 118 של תהליך AAO, (ג) יום 207 של תהליך AM-AAO, (ד) עקומות שינוי ריכוז המזהמים ביום 262 של AM-}תהליך הריכוז האנכי AAO הוא תהליך התגובה האנכי, xis ו-Axis. (מ"ג/ליטר) של כל מזהם (COD, NH₄⁺-N, NO₃⁻-N, PO₄³⁻-P))

2.3 שינויים בהרכב ובתוכן של חומרים פולימריים חוץ-תאיים (EPS) בתהליכי AAO ו-AM-AAO

במהלך הניסוי, נקבעו ונותחו השינויים בהרכב ובתוכן של EPS ביום 101 (תהליך AAO) וביום 255 (AM-AAO), כפי שמוצג באיור 4. בסך הכל, ניתן לייחס את סך התוכן של EPS בימים 101 ו-255 לעלייה ב-TB-התוכן של PN ו-EPS העיקרי של החשבון. TB-EPS; ביום 101, תכולת ה-EPS הכוללת במיכל האנאירובי, במיכל האנוקסי ובטנק האירובי הראתה מגמת עלייה (0.12 מ"ג/gVSS, 0.29 מ"ג/גVSS ו-0.37 מ"ג/גVSS, בהתאמה); ביניהם, תכולת ה-EPS גדלה באופן משמעותי בשלב הניטריפיקציה, דבר שעשוי לנבוע מחילוף החומרים הפעיל של מיקרואורגניזמים פנימיים כאשר המערכת פעלה בתנאים גבוהים של יחס פחמן-ל-חנקן (C/N=5.9) [12]. עם זאת, ל-TB-EPS היה תפקיד חיובי ביצירת להקות בוצה, בעוד של-S-EPS ו-LB-EPS היו השפעות שליליות [8]; בניסוי זה, התוכן של S-EPS ו-LB-EPS היה נמוך יחסית, מה שיצר תנאים לצמיחת בוצה; במערכת ההיברידית הסרטית-מתמשכת-זרימת סרטים-, תפקידה של בוצה קווקולנטית הוא שאין לו תחליף [2].

בנוסף, כללי השינוי של PN/PS בשכבות שונות של בוצה בכל מיכל תגובה היו שונים. ה-PN בכל מיכל תגובה היה תמיד גבוה מ-PS. ביום 101, יחסי ה-PN/PS ב-S-EPS, LB-EPS ו-TB-EPS של בוצה היו 0.06, 1.62 ו-2.67, בהתאמה, בעוד שביום 255, הם היו 0.03, 1.30, 1.30 ו-PN גדלים ביחס ל-PS/3. השכבה החיצונית לשכבה הפנימית של תאי הבוצה. עם זאת, כאשר טמפרטורת הכור ירדה ל-13 מעלות, תכולת ה-EPS הכוללת בשלושת המיכלים הראתה מגמת עלייה (0.28 מ"ג/גVSS, 0.41 מ"ג/גVSS ו-0.63 מ"ג/גVSS, בהתאמה). הסיבה עשויה להיות שמיקרואורגניזמים שלא הצליחו להסתגל לטמפרטורה נמוכה מתו או עברו אוטומטית, ומיקרואורגניזמים מתים אלה שיחררו EPS, מה שהוביל לעלייה בתכולת ה-EPS של הבוצה, או טמפרטורה נמוכה גרמה לכמה מיקרואורגניזמים פסיכופיליים להפריש יותר EPS כדי להסתגל לירידת הטמפרטורה בכור [13].

(איור 4 שינויים בתוכן והרכב ה-EPS ביום 101 (תהליך AAO) וביום 255 (תהליך AM-AAO): הצד השמאלי הוא תהליך AAO, והצד הימני הוא תהליך AM-AAO. הציר האופקי הוא מיכל התגובה (סוף אנאירובי, קצה אנוקסי, קצה אנוקסי, קצה Aerobic, LTB, שמאל, סוג). ציר הוא תוכן ה-EPS (mg·gVSS⁻¹), והציר האנכי הימני הוא יחס PN/PS. הוא כולל היסטוגרמות של PN, PS ותוכן EPS הכולל ותרשים קו של יחס PN/PS.

2.4 כללי ירושה קהילתית דינמית של מגוון מיקרוביאלי ואוכלוסיות

תוצאות רצף התפוקה הגבוהות- הראו שמספר הרצפים של 14 דגימות הבוצה היה 1,027,419, ומספר רצפי ה-OTU של כל דגימה מוצג בטבלה 2. הכיסוי של הדגימות היה מעל 0.995, מה שמצביע על דיוק גבוה של תוצאות הרצף. קבוצה D01 תיארה את מבנה הקהילה המיקרוביאלית הראשונית, עם אינדקס Ace גבוה, מה שמצביע על כך שלבוצה היה עושר מינים מיקרוביאליים גבוה בתחילת המערכת. עם השינוי של המערכת מתהליך AAO ל-AM-AAO, מדד Ace ירד, והעושר של קהילת החיידקים במערכת AM-AAO ירד. בנוסף, מדד סימפסון ירד, מה שמעיד על כך שהמגוון של הקהילה המיקרוביאלית ירד. על פי השינוי של מדד האס, המספר הכולל של המינים בקהילת החיידקים של הביופילם של מיכל האנוקסי הראה מגמת ירידה; הירידה במדד שאנון הוכיחה שהמגוון של קהילת החיידקים בביופילם ירד.

טבלה 2 וריאציה של אינדקס הגיוון המיקרוביאלי

The main phyla with relative abundance >10% מתוך 14 הדגימות נותחו (איור 5א). הפילות הדומיננטיות בקבוצה D01 היו Actinobacteriota (25.76%32.90%), פרוטאובקטריה (21.98%27.16%), Bacteroidota (15.50%18.36%), ו-Firmicutes (10.37%13.77%); עם זאת, השפע היחסי של Actinobacteriota (16.89%19.16% ו-Firmicutes (3.83%6.52%) בקבוצה D110 ירד, והשפע היחסי של פרוטאובקטריה עלה (32.96%~40.75%). במערכת תהליך AM-AAO, Actinobacteriota ירדה במהירות, אפילו לפחות מ-3% בקבוצה D237, בעוד Proteobacteria (33.72%43.54%), Bacteroidota (17.40%24.19%), and Chloroflexi (12.46%~12.77%) have become the phyla with relatively high abundances. In addition, in sample M194, the phyla with relative abundance >10% היו Proteobacteria (35.26%) ו-Bacteroidota (30.61%), מה שמצביע על כך שמבנה הקהילה המיקרוביאלית של הביופילם דומה לזה של בוצה פעילה. בדגימה M237, השפע היחסי של Firmicutes ירד לפחות מ-2%, והשפע של Acidobacteriota (5.33%) עלה.

By creating a heat map (Figure 5b), the 14 samples were compared at the genus level (relative abundance >3%). נמצא שהסוגים הדומיננטיים בקבוצה D01 היו Candidatus_Microthrix (11.32%20.65%), norank_f__norank_o__norank_c__SJA-28 (3.97%6.36%), Trichococcus (6.99%9.95%), ו-Ornithinibacter (3.99%6.41%); לאחר שהמערכת הופעלה בתהליך AM-AAO, השפע היחסי של Candidatus_Microthrix ירד בחדות ל-0.02% (קבוצה D237); בעוד norank_f__norank_o__norank_c__SJA-28 הראה מגמה של תחילה עלייה ולאחר מכן ירידה (קבוצה D237, 1.91%2.91%). כאשר התהליך הופעל ביציבות, אזוספירה הפכה לאחד מהסוגים הדומיננטיים יחסית (קבוצה D237, 7.37%18.41%). בנוסף, הסוגים הביופילמים היו דומים בעצם לבוצה, והשפע היחסי של norank_f__norank_o__Run-SP154 ב-M194 ו-M237 היה 6.61%~7.66% ו-7.43%, בהתאמה.

סה"כ נבחרו לניתוח 12 סוגים ומשפחה אחת של חיידקים מחמצנים אמוניה-(AOB), ניטריט-חיידקים מחמצנים (NOB), גליקוגן-אורגניזמים צוברים (GAO) ואורגניזמים צוברים זרחן- (PAOs) במערכת (T3). נמצא שבקבוצה D01, Nitrosomonas (0.02%0.03%), Ellin6067 (0.01%0.02%), וניטרוספירה (0.04%0.07%) עשוי להבטיח את ביצועי החמצון של NH₄⁺-N. הירידה של Nitrosomonas ו- Nitrospira בקבוצה D110 עשויה להיגרם מיחס הריפלוקס הפנימי הגבוה, אך Ellin6067 (0.01%0.02%) לא הופרעה. בקבוצה D194, המערכת הופעלה בתהליך AM-AAO, והפחתת HRT שטפה את NOB וחלק מה-AOB. העלייה בחנקן האמוניה המושפע עשויה להיות הסיבה לעלייה בשכיחות היחסית של שלושת הסוגים לעיל בקבוצה D237 (איור 5ב). בנוסף, AOB (Nitrosomonas ו-Elin6067, 0.03%0.07% ו-NOB (ניטרוספירה, 0.01%0.02%) בדגימת M237 הראתה עלייה קלה, מה שמעיד על כך שה-biofilm סייע למערכת הבוצה להשיג את תהליך הדניטריפיקציה.

היה מגוון רחב של PAOs בקבוצה D01, כולל Acinetobacter, Candidatus_Accumulibacter, Candidatus_Microthrix, Defluviimonas, Pseudomonas ו-Tetrasphaera. השינויים של Candidatus_Microthrix (10.93%~11.88%) ו-PAOs עם שפע יחסי<5% in group D110 may be the reasons for the decrease of PRA in Stage 2. In group D194, the relative abundances of Candidatus_Microthrix and Tetrasphaera decreased to 0.711.14 ו-0.31%0.39% [14]. בקבוצה D237, Candidatus_Microthrix כמעט הוסר (0.02%), וה-PAOs שהחליפו אותו כדי להפעיל פונקציה של סילוק זרחן היו Defluviimonas (0.70%1.07%) ודכלורומונס (0.95%1.06%); בנוסף, אושרו למשפחת ה-Comamonadaceae גם ביצועי סילוק זרחן [8], והשפע היחסי של Comamonadaceae במיכל האנאירובי או במיכל האנוקסי היה גבוה יחסית, בערך פי שניים מזה של המיכל האירובי. בנוסף, Candidatus_Competibacter ו-Defluviicoccus היו הסוגים הדומיננטיים של GAOs בכל הדגימות, אך השפע של שני הזנים בקבוצה D01 היה<1%. In the remaining samples, the growth of Defluviicoccus lagged behind that of Candidatus_Competibacter. In group D237, the abundances of the two genera were 2.96%~3.89% and 0.54%~0.57%, respectively. GAOs are considered to compete with PAOs for organic matter, thereby causing the deterioration of biological phosphorus removal performance, but recent studies have found that GAOs can carry out endogenous denitrification to achieve denitrification (the average TIN removal rate was 83.08% when the system was stable) [7].

(איור 5 הרכב הקהילה המיקרוביאלית: (א) תרשים עמודות של השפע היחסי ברמת הפילום. הציר האופקי הוא המדגם, והציר האנכי הוא השפע היחסי/%. הוא כולל פילות עיקריות כגון Actinobacteriota ו-Proteobacteria; (ב) מפת חום של השפע היחסי ברמת הסוג. הציר האופקי והדומיננטי הוא הציר האנכי והדומיננטי. של צבע מציין את רמת השפע היחסי)

טבלה 3 שפע של קבוצות תפקודיות ב-14 דגימות ביולוגיות

3 מסקנות

תוך שימוש בביוב בפועל כאובייקט הטיפול, בוצעו אופטימיזציה של תנאי ההפעלה של תהליך AM-AAO. נמצא שכאשר התהליך הופעל בתנאים של HRT=7 h, טמפרטורה של כ-25 מעלות, ריפלוקס פנימי=250%, SRT=40 d, ריפלוקס בוצה=50% וקצב מילוי מילוי מיכל אנוקסי=30%, השפעת הסרת המזהמים הייתה הטובה ביותר. שיעור ההסרה המקסימלי של NH₄⁺-N היה 98.57%; ריכוז NO₃⁻-N בקולחים, ריכוז PO₄³⁻-P, שיעור הסרת TIN ושיעור סילוק COD היו 6.64 מ"ג/ליטר, 0.42 מ"ג/ליטר, 83.08% ו-86.16%, בהתאמה.

המיכל האנאירובי ביצע תהליכי סילוק חומרים אורגניים ושחרור זרחן טובים, כאשר 64.51% מה-COD הוסרו ו-9.77 מ"ג/ליטר של זרחן שוחררו בו-זמנית; המיכל האנוקסי ביצע תגובות טובות להסרת זרחן דניטריפי; המיכל האירובי ביצע תהליכי ניטריפיקציה וספיגת זרחן מלאים, כאשר שיעור ההסרה של NH₄⁺-N ו-PUAO היו 97.85% ו-59.12 מ"ג, בהתאמה.

כאשר תהליך AM-AAO הופעל ביציבות, העלייה של AOB (Ellin6067 ו-Nitrosomonas, 0.02%~0.04% → 0.04%0.12%) ו-NOB (ניטרוספירה, 00.01% → 0.02%0.04%) הבטיח את ההתקדמות מספקת של ניטריפיקציה, ושיעור ההסרה של NH₄⁺-N עלה ב-8.35%; GAOs (Candidatus_Competibacter and Defluviicoccus, 1.31%1.61% → 3.49%4.46%) שלטו בתהליך הדניטריפיקציה האנדוגנית; הצמיחה של PAOs (משפחת Defluviimonas, Dechloromonas ו-Comamonadaceae, 3.29%8.67% → 3.79%~9.35% הייתה הסיבה לשמירה על ביצועים טובים של הסרת זרחן; בנוסף, מבנה הקהילה המיקרוביאלית של הביופילם המיכל האנוקסי היה דומה בעיקרו לזה של בוצה פעילה, מה שהבטיח במשותף את ביצועי הסרת החנקן והזרחן של המערכת.