Optimizacija performansi i sukcesija mikrobne zajednice u kontinuiranom-Anoxic MBBR-AAO procesu za poboljšano uklanjanje dušika i fosfora iz općinske kanalizacije

Optimizacija performansi i mikrobiologija Sukcesija zajednice kontinuiranog-Anoxic MBBR-AAO procesa

Posljednjih godina, napredni tretman gradske kanalizacije i realizacija recikliranja resursa postali su vruće teme u oblasti vodnog okoliša. Međutim, tradicionalni procesi uklanjanja dušika i fosfora koji su široko prihvaćeni u postrojenjima za pročišćavanje otpadnih voda ne samo da dovode do prekomjernog trošenja resursa već i do povećanja operativnih troškova [1]. Štaviše, postepeno smanjenje omjera ugljika-i-azota (C/N) u gradskoj kanalizaciji i razlike u životnom okruženju različitih funkcionalnih mikrobnih zajednica postali su važni ograničavajući faktori za tehnologije prečišćavanja vode.

Hibridni MBBR proces sa muljnim{0}}filmom kombinuje proces aktivnog mulja sa postupkom biofilma suspendovanog nosača kako bi se postiglo poboljšano obogaćivanje funkcionalnih mikroorganizama, rješavajući probleme velikog zauzimanja zemljišta i loše niske-tolerancije na niske temperature tradicionalnog procesa aktivnog mulja [2]. 2008. godine, Wuxi Lucun postrojenje za prečišćavanje otpadnih voda u provinciji Jiangsu, kao prvo postrojenje za prečišćavanje otpadnih voda u Kini koje je izvršilo nadogradnju i rekonstrukciju prema standardima klase IA, uspješno je poboljšalo učinak tretmana dodavanjem suspendiranih nosača u sistem mulja [3]; Hu Youbiao et al. [4] istraživali su utjecaj temperature na uklanjanje amonijačnog dušika i organske tvari u MBBR i aktivnom mulju, a rezultati su pokazali da temperatura ima manji utjecaj na MBBR, ali veći na aktivni mulj; Zhang Ming i dr. [5] je koristio A²O-MBBR proces za tretiranje seoske domaće kanalizacije, postižući visoke stope uklanjanja COD, amonijačnog azota, TP i TN; Zhou Jiazhong i dr. [2] otkrili su kroz male{13}}eksperimente da DO, temperatura ima pozitivnu korelaciju sa hibridnim MBBR sistemom muljnog{14}}filma, dok je odnos C/N uticaja bio u negativnoj korelaciji.

Anoksični MBBR (AM-MBBR) proces može ostvariti istovremenu denitrifikaciju i uklanjanje fosfora u anoksičnom spremniku, što je također proces uklanjanja denitrificirajućeg fosfora (DPR). U poređenju sa tradicionalnim procesima obrade otpadnih voda, DPR proces može uštedjeti organske izvore ugljika i smanjiti potrošnju kisika. Zhang Yongsheng [6] et al. razvio reaktor sa kontinuiranim-biofilmom, a rezultati su pokazali da su pri temperaturi od 20 stepeni, koncentraciji DO od 5,5 mg/L, opterećenju od 2,2 kg/(m³·d) i povremenim uslovima aeracije anaerobnih 3 h/aerobnih 6 h, prosječne koncentracije phosphora 6 h/aerobnih 6 h bile prosječne koncentracije phosphor67 i fluus 7 mg/L 0,67 mg/L, sa stopama uklanjanja od 72,9% i 78,5%, respektivno.

Međutim, za mulj{0}}hibridni AM-AAO sistem, postoji složen odnos između suspendovanog flokulentnog mulja i pričvršćenog biofilma. Prethodne studije su se fokusirale na inženjerske prakse kao što su licitiranje i rekonstrukcija postrojenja za prečišćavanje otpadnih voda, ali postoji nekoliko studija o sinhronoj nitrifikaciji i DPR-u kako bi se poboljšalo uklanjanje dušika i fosfora u kontinuiranom-protočnom mulju-film hibridni AM-AAO sistemi, a stabilnost ovog procesa zagađivača je također jedna od otežanih performansi tehnologije DPR-a.

Ova studija je optimizirala start-i operativne strategije kontinuiranog-toka (AAO) i kontinuiranog{2}}protoka mulja-film hibridnog (AM-AAO) procesa, fokusirajući se na istraživanje efekata brzine aeracije, doziranja punila, hidrauličkog retencionog vremena i temperature refluksa tečnosti (HRT), omjera refluksa tečnosti (HRT) na-trajne performanse uklanjanja azota i fosfora AM-MBBR procesa i efikasnost uklanjanja denitrifikacionog fosfora u anoksičnom rezervoaru. Istovremeno, proučavana je sukcesija mikrobnih zajednica i pravila promjene funkcionalnih mikrobnih zajednica u aktivnom mulju i biofilmu.

1 Materijali i metode

1.1 Eksperimentalni uređaj i radni parametri

U ovom istraživanju korišten je AAO reakcioni uređaj s kontinuiranim{0}}tokom (Slika 1). Izrađena je od organskog stakla, sa ukupno 7 pregrada, svaka veličine 10 cm × 10 cm × 40 cm; radna zapremina je bila 21 L, a zapreminski odnos svakog reakcionog rezervoara je bio anaerobno: anoksično: aerobno=2:2:3. Usvojeno je mehaničko miješanje u anaerobnim i anoksičnim rezervoarima; aerobni rezervoar je koristio glave pijeska za aeraciju kao mikro-porozne aeratore i vanjsku silu za miješanje mulja-vode, a brzina aeracije je kontrolisana pomoću mjerača protoka gasa. Koncentracija DO u aerobnom rezervoaru reaktora je kontrolisana na 2~3 mg/L; sekundarni taložnik je bio cilindar radne zapremine od oko 40 L; vrijeme zadržavanja mulja (SRT) je 40 d, a omjer refluksa mulja 50%. Reaktor je radio ukupno 263 dana (podeljeno u 6 radnih faza), a polietilenski punioci su dodavani u anoksični rezervoar počevši od 159. dana za rad u AM-AAO modu. Specifični uslovi rada prikazani su u tabeli 1.

(Slika 1 Šematski dijagram AM-AAO procesne opreme: Slika uključuje kantu za dovod vode, peristaltičku pumpu, anaerobni rezervoar, anoksični rezervoar, aerobni rezervoar, taložnik, izlaznu kantu za vodu, kao i unutrašnji refluks, cjevovode za refluks mulja i odvodne ventile)

Tablica 1 Tip procesnog sistema i radni parametri

1.2 Inokulirani mulj i kvalitet vode koja utječe

Inokulirani mulj u ovom eksperimentu uzet je iz viška mulja ispuštenog iz sekundarnog taložnika postrojenja za prečišćavanje otpadnih voda. Nakon inokulacije, koncentracija mulja (MLSS) u reaktoru je bila 2,3 g/L, a isparljiva čvrsta supstanca mulja (MLVSS) bila je 2,1 g/L.

Uticaj na reaktor bila je stvarna kućna kanalizacija iz restorana, koja je dodavana u reaktor nakon filtriranja nečistoća kroz filtersko sito. Njegovi zagađivači uključivali su NH₄⁺-N (35.0456,54 mg/L), NO₂⁻-N (00,42 mg/L), NO₃⁻-N (00,05 mg/L), COD (362.1605,1 mg/L), i PO₄³⁻-P (1~5,08 mg/L).

1.3 Stavke detekcije i metode analize

1.3.1 Rutinske metode otkrivanja

Uzorci mulj{0}}vode su sakupljeni iz ulaznog, anaerobnog rezervoara, anoksičnog rezervoara, aerobnog rezervoara, taložnika i efluenta i filtrirani filter papirom od 0,45 μm. NH₄⁺-N je određen Nesslerovim spektrofotometrom; NO₂⁻-N je određen fotometrijom N-(1-naftil) etilendiamina; NO₃⁻-N je određen ultraljubičastom spektrofotometrijom; COD je određen Lianhua 5B-3A COD višeparametarskim brzim detektorom; pH/DO i temperatura određivani su detektorom WTW Multi3620; MLSS je određen gravimetrijskom metodom; MLVSS je određen metodom gubitka težine sagorevanjem muflne peći [7].

1.3.2 Ekstrakcija i detekcija ekstracelularnih polimernih supstanci

Smatra se da su ekstracelularne polimerne supstance (EPS) sastavljene od polisaharida (PS), proteina (PN) i huminskih kiselina (HA). Tri vrste EPS-a, odnosno topljive ekstracelularne polimerne supstance (S-EPS), labavo vezane ekstracelularne polimerne supstance (LB-EPS) i čvrsto vezane ekstracelularne polimerne supstance (TB-EPS), su odvojene i ekstrahovane. Metoda određivanja PS bila je sumporna kiselina-antron metoda, a metode određivanja PN i HA su modificirana Folin-Lowry metoda [7].

1.3.3 Metoda izračunavanja brzine uklanjanja zagađivača

Stopa uklanjanja zagađivača (SRE) korištena je za karakterizaciju ukupnog uklanjanja zagađivača iz AM-AAO procesnog sistema. Među njima, Sinf i Seff su koncentracije zagađivača u influentu i efluentu, koje mogu predstavljati masene koncentracije zagađivača kao što su NH₄⁺-N, NO₂⁻-N, NO₃⁻-N, COD i PO⁻ u fluentu {5} i PO₻ u efluent, mg/L.

1.3.4 Metoda sekvenciranja visokog{1}}tog protoka

Korištena je metoda sekvenciranja visoke{0}}Illumina visoke propusnosti. Uzorci mulja iz anaerobnog rezervoara, anoksičnog rezervoara i aerobnog rezervoara 1., 110., 194. i 237. dana su sakupljeni i imenovani kao grupa D01 (D01_A1, D01_A2, D01_O), grupa D110 (D110_A1, D111_O_A), grupa D111_04 (D194_A1, D194_A2, D194_O) i grupa D237 (D237_A1, D237_A2, D237_O), redom; Uzorci biofilmskog mulja 194. i 237. dana su prikupljeni i imenovani kao M194 i M237, respektivno. Ukupno 14 uzoraka mulja analizirano je na promjene u mikrobnim zajednicama. DNK je ekstrahovan korišćenjem Fast DNA SPIN kita (MP Biomedicals, Santa Ana, Kalifornija, SAD). V3-V4 region bakterijskog 16S rRNA gena je umnožen sa 338F/806R prajmerima. Pročišćeni amplikoni su sekvencionirani na platformi Illumina MiSeq PE300 (Illumina, SAD) od strane Shanghai Majorbio Biomedical Technology Co., Ltd. (Šangaj, Kina) [7].

2 Rezultati i diskusija

2.1 Dugoročna-Pravila za uklanjanje zagađivača u AAO i AM-AAO procesima

Dugotrajno-uklanjanje zagađivača tokom rada kontinuiranog-protoka AAO procesa (faze 13) i AM-AAO proces s dodanim suspendiranim polietilenskim punilima (Faze 46) prikazan je na slici 2.

U fazi 1 (1~45 d), količina otpuštanja PO₄³⁻-P (PRA) u anaerobnom rezervoaru, količina unosa PO₄³⁻-P u anoksičnom rezervoaru (PUAA) i PO₄³⁻-P količina unosa u rezervoaru bili su mg (PU60AO)60 ae. 14,22 mg, odnosno 87,81 mg, a proces unosa fosfora uglavnom je postignut u aerobnom rezervoaru. Stope uklanjanja NH₄⁺-N i ukupnog neorganskog azota (TIN) bile su 92,85% i 86.37%, respektivno, osiguravajući efekat denitrifikacije. Nakon finog-podešavanja aeracije (DO=2~3 mg/L), efekat uklanjanja NH₄⁺-N porastao je na 98,68%, a koncentracija efluentnog TIN-a i brzina uklanjanja iznosili su 1,75 mg/L odnosno 95,75%, što ukazuje na to da su procesi kondukcije i nitrizacije ispravni. efekat uklanjanja COD-a u anaerobnom rezervoaru je oslabljen (91,60%). Osim toga, fino-podešavanje DO nije imalo utjecaja na efluent PO₄³⁻-P, sa prosjekom od 0,47 mg/L, što je u skladu sa zaključkom Yang Sijinga et al. [8].

U fazi 2 (46~120 d), nakon podešavanja HRT=8 h, učinak uklanjanja COD-a je neznatno fluktuirao; maksimalne vrijednosti PRA, PUAA i PUAO dostigle su 148,01 mg, 81,95 mg i 114,15 mg, što ukazuje da povećanje protoka influenta nije utjecalo na uklanjanje fosfora i da je zadržalo visok učinak uklanjanja NH₄⁺-N i TIN. 72. dana, omjer refluksa nitrifikacijske tekućine povećan je na 300% i 400%. Povećanje omjera refluksa smanjilo je efekat uklanjanja TIN-a, sa stopama uklanjanja od 80,37% (300%) i 68,68% (400%), respektivno. Od 108. do 120. dana, određen je omjer refluksa nitrifikacijske tekućine na 250%. Količina COD uklanjanja u anaerobnom rezervoaru pri omjeru refluksa nitrifikacijske tekućine od 250% (127,1 mg/L) bila je veća ili jednaka onoj kod drugih (86.2 mg/L, 124,7 mg/L i 128,0 mg/L za 200%, 300%, odnosno 400%) koncentracije fosfora u efluentu koje odgovaraju različitim omjerima refluksa bile su 0,52 mg/L, 0,35 mg/L i 0,06 mg/L, što ukazuje da povećanje omjera refluksa nitrifikacijske tekućine unutar određenog raspona može promovirati uklanjanje fosfora. Osim toga, omjer refluksa od 250% imao je dobre performanse denitrifikacije, sa stopom uklanjanja TIN-a od 86.86%.

U fazi 3 (121~158 d), omjer refluksa nitrifikacijske tekućine je fiksiran na 250%. 131. dana, dotok je povećan na 5 L/h, efekti uklanjanja COD-a i fosfora su se smanjili, a koncentracije u efluentu bile su 73,3 mg/L odnosno 3,92 mg/L, što ukazuje da je povećanje protoka dovela do većeg ispuštanja COD-a bez tretmana. Osim toga, maksimalne stope uklanjanja NH₄⁺-N i TIN bile su 93,82% odnosno 79,12%, među kojima je NO₃⁻-N postao glavni zagađivač u efluentu (4,70 mg/L). 139. dana, dotok je smanjen na 4 L/h, efluentni COD i brzina uklanjanja su bili 55,7 mg/L i 85,97%, respektivno, što je više od učinka uklanjanja ugljika na HRT=5.6 h, što ukazuje da smanjenje HRT-a može dovesti do smanjenja efekta uklanjanja COD-a. Osim toga, maksimalne stope uklanjanja NH₄⁺-N i TIN bile su 100% i 97,41%, što ukazuje da je prilagođavanje HNL-a promoviralo nitrifikaciju i denitrifikaciju, ali pretjerano kratka HNL može dovesti do smanjenja efekta denitrifikacije. Stoga, kada je HST=7 h, dovoljno je da se reakcije u svakom rezervoaru odvijaju u potpunosti, a značajno povećanje HST-a ima mali promotivni efekat na efekat denitrifikacije.

Dana 159, 20% suspendovanih polietilenskih punila dodano je u anoksični rezervoar AAO procesa. U fazi 4 (159~209 d), performanse uklanjanja COD i PO₄³⁻-P su poboljšane. Počevši od 172. dana, koncentracija ulaznog NH₄⁺-N povećana je na 64,17 mg/L (C/N=8.59), COD efluenta i brzina uklanjanja su bili 77,7 mg/L i 86.06%, respektivno. Razlog može biti taj što je biofilm sporo rastao, a aktivni mulj je dao glavni doprinos uklanjanju većine HPK; suspendovani punioci su povećali stopu uklanjanja PO₄³⁻-P za 1,18%. Međutim, povećanje dotoka NH₄⁺-N u anoksičnom rezervoaru dovelo je do potrebe za više izvora ugljika za proces denitrifikacije NO₃⁻-N, što nije pogodovalo oslobađanju fosfora i preuzimanju PAO; u isto vrijeme, ova operacija nije u potpunosti smanjila NO₃⁻-N, a minimalna koncentracija efluenta bila je 7,30 mg/L. 185. dana, promjenom HNL-a na 5,6 h, nađeno je da je efekat uklanjanja KPK blago fluktuirao, sa stopom uklanjanja od 86.05%; koncentracija PO₄³⁻-P u efluentu porasla je za 0,05 mg/L, praćena povećanjem PUAA (sa 13,02 mg na 18,90 mg), što ukazuje da su mulj i biofilm sinergistički ispoljili određenu efikasnost uklanjanja fosfora. Osim toga, koncentracije NH₄⁺-N, NO₃⁻-N i TIN bile su 10,23 mg/L, 6,52 mg/L i 16,82 mg/L, respektivno, što ukazuje da bi smanjenje HRT-a dovelo do smanjenja efekata {℁}N3}N₺ i uklanjanja TIN. 195. dana, HRT je ponovo podešen na 7 h, a u to vrijeme se smanjio sadržaj zagađivača u efluentu, a učinak uklanjanja dušika i fosfora i uklanjanja organske tvari iz sistema se postepeno oporavlja.

U fazi 5 (210~240 d), koncentracija NH₄⁺-N je povećana na 84,06 mg/L (C/N=6.28), a aktivni mulj je i dalje davao glavni doprinos uklanjanju organske materije. Povećanje NH₄⁺-N imalo je mali uticaj na uklanjanje COD-a. Udio COD apsorbiranog u anaerobnom spremniku bio je 68,02%, a većina organske tvari apsorbirana je od strane PAO u anaerobnom spremniku i sintetizirana u interne izvore ugljika (PHA), a anaerobno oslobađanje fosfora je u potpunosti završeno [9]. Maksimalni PRA je bio 72,75 mg, a PUAA i PUAO 35,82 mg/L i 48,20 mg/L, respektivno, ali glavni doprinos unosu fosfora i dalje dolazi iz aerobnog rezervoara. 221. dana, omjer punjenja je povećan na 30%, a koncentracije NH₄⁺-N i TIN su smanjene za 4,49 mg/L odnosno 5,16 mg/L; među njima, NH₄⁺-N i NO₃⁻-N činili su 70,11% odnosno 28,75% efluentnog TIN-a. 231. dana, koncentracija NH₄⁺-N je podešena na 66,34 mg/L, a učinak uklanjanja zagađivača sistema je bio u osnovi stabilan.

U fazi 6 (241~263 d), temperatura reaktora je regulirana kako bi se istražio njen učinak na uklanjanje zagađivača. 241. dana temperatura je smanjena na 18 stepeni, stopa uklanjanja COD-a je smanjena na 84,37%, ali se pravilo promjene COD-a nije promijenilo zbog pada temperature. Proporcija uklanjanja u anaerobnom rezervoaru bila je najveća, 62,02%, proces uklanjanja denitrifikacionog fosfora u anoksičnom rezervoaru je potrošio 26,72% COD, koncentracija NO₃⁻-N u efluentu aerobnog rezervoara bila je 10,44 mg/L od 10,44 mg/L. NH₄⁺-N je ostao; osim toga, na PRA je manje utjecala temperatura, ali se učinak uzimanja fosfora u anoksičnom spremniku smanjio, s PUAA samo 19,77 mg, a fosfor je uklonjen za 3,94 mg/L u aerobnom spremniku. Većina psihofilnih PAO je izvršila aerobni proces apsorpcije fosfora [10]. Kada je temperatura dodatno smanjena na 13 stepeni, stope uklanjanja NH₄⁺-N i TIN su se smanjile za 6,38% i 6,25%, respektivno; Istovremeno, PUAA i PUAO smanjene su za 7,77 mg i 15,00 mg, respektivno, što može biti povezano sa smanjenjem mikrobne aktivnosti i kapaciteta rasta i metabolizma uzrokovanog padom temperature. Jin Yu [11] je otkrio da kada je temperatura niža od 14 stepeni, teško je garantovati koncentraciju zagađivača efluenta u sistemu.

(Slika 2 Uklanjanje zagađivača u AAO i AM-AAO procesima tokom dugotrajnog-radnja: Uključujući (c) Krivulje koncentracije NH₄⁺-N i brzine uklanjanja koje se mijenjaju s radnim danima, (d) Krive koncentracije NOₓ⁻-N koje se mijenjaju sa radnim danima Horizontalne krive mijenjaju se sa radnim danima, (e. dana (0~260 d), a vertikalne ose su ρ (NH₄⁺-N)/(mg·L⁻¹), ρ (NO₃⁻-N)/(mg·L⁻¹), a svaka faza rada je označena na krivinama.

2.2 Pravila promjene zagađivača u tipičnim ciklusima AAO i AM-AAO procesa

Kako bi se dalje istražio mehanizam uklanjanja zagađivača u AAO i AM-AAO procesima, analizirane su promjene koncentracije zagađivača u tipičnim ciklusima različitih faza rada, kao što je prikazano na slici 3.

Dana 42 (faza 1), AAO proces je imao dobre performanse denitrifikacije i uklanjanja fosfora. Međutim, COD visokog utjecaja nije poboljšao učinak oslobađanja fosfora, a PRA je u to vrijeme iznosio 9,13 mg/L. Osim toga, NH₄⁺-N je potrošen unaprijed prilikom ulaska u anoksični rezervoar; zatim je anoksični rezervoar smanjio generisani NO₃⁻-N u N₂; međutim, aerobni rezervoar je uklonio samo 3,52 mg/L NH₄⁺-N, što može biti zbog dugog HRT-a u Fazi 1 koji je doveo do povećanja DO koji se vratio u anoksični rezervoar, a većina NH₄⁺-N je završila nitrifikaciju u anoksičnom rezervoaru, što je dovelo do niske koncentracije u anoksičnom rezervoaru.

118. dana (faza 2), sa smanjenjem utjecaja COD-a, performanse oslobađanja fosfora i denitrifikacije su se pogoršale. Koncentracija oslobađanja fosfora u anaerobnom rezervoaru bila je 5,91 mg/L, a koncentracija NO₃⁻-N u efluentu aerobnog rezervoara bila je 8,20 mg/L. Koncentracija PO₄³⁻-P u anoksičnom rezervoaru smanjena je na 2,78 mg/L, što ukazuje da je PO₄³⁻-P uklonjen u anoksičnom rezervoaru. Osim toga, omjer refluksa nitrifikacijske tekućine je u to vrijeme fiksiran na 250%. U poređenju sa omjerima refluksa od 300% i 400%, učinak procesa uklanjanja dušika i fosfora i uklanjanja organske tvari je poboljšan, što ukazuje da povećanje refluksa nitrifikacijske tekućine unutar određenog raspona može poboljšati učinak uklanjanja zagađivača.

Dana 207. (Faza 4), nakon prilagođavanja ulaznog NH₄⁺-N i HRT u AM-AAO procesu, stopa uklanjanja COD-a bila je 86.15%; aerobni rezervoar je uklonio 13,34 mg/L NH₄⁺-N, preostala koncentracija TIN-a je bila 7,51 mg/L, i proizvedeno je 4,39 mg/L NO₃⁻-N, a NO₃⁻-N je postao dominantni zagađivač. Nije bilo značajne razlike u doprinosu uklanjanja fosfora između anoksičnog rezervoara i aerobnog rezervoara. Osim toga, povećanje ulaznog NH₄⁺-N nije utjecalo na nitrifikaciju, ali je povećanje ulazne koncentracije TIN-a smanjilo performanse denitrifikacije AM-AAO procesa, čime je utjecalo na uklanjanje TIN-a.

Dana 262 (Stapa 6), temperatura reaktora je bila 13 stepeni, a stopa uklanjanja COD-a bila je 83,67% u to vrijeme. Istovremeno je u anaerobnom rezervoaru otpušteno 6,95 mg/L fosfora; Anoksični rezervoar je potrošio 20,22 mg/L NH₄⁺-N i izvršena je denitrifikacija, a koncentracija NO₃⁻-N u efluentu anoksičnog rezervoara bila je 5,07 mg/L; aerobni rezervoar je imao gubitak TIN-a od 1,32 mg/L; stopa uklanjanja TIN-a bila je 77,00%, a efluentni TIN je sadržavao 11,24 mg/L NH₄⁺-N, što ukazuje da je niska temperatura smanjila aktivnost nitrifikujućih bakterija i denitrifikujućih bakterija, što je rezultiralo nepotpunim uklanjanjem zagađivača u kanalizaciji. Osim toga, PRA se smanjio na 6,95 mg/L, a performanse apsorpcije fosfora u anoksičnom rezervoaru i aerobnom rezervoaru su se smanjile na 2,41 mg/L odnosno 3,61 mg/L, što ukazuje da je smanjenje temperature reaktora inhibiralo performanse uklanjanja fosfora dovodeći do smanjenja PRA i visokih performansi uklanjanja PRA. koncentracija fosfora u efluentu.

(Slika 3. Promjene zagađivača u tipičnim ciklusima: Uključujući (a) 42. dan AAO procesa, (b) 118. dan AAO procesa, (c) 207. dan AM-AAO procesa, (d) krivulje promjene koncentracije zagađivača na dan 262. AM-AAO procesa. Horizontalna osa koncentracije a, a/o je vertikalna osa reakcije axi procesa,/g. svaki zagađivač (COD, NH₄⁺-N, NO₃⁻-N, PO₄³⁻-P))

2.3 Promjene u sastavu i sadržaju ekstracelularnih polimernih supstanci (EPS) u AAO i AM-AAO procesima

Tokom eksperimenta utvrđene su i analizirane promjene u sastavu i sadržaju EPS-a 101. (AAO proces) i 255. dana (AM-AAO proces) kao što je prikazano na slici 4. Sveukupno, ukupan sadržaj EPS-a na dan 101. i 255. može se pripisati povećanju TB-EPS-a i glavnog sadržaja PN{{6} EPS-a; 101. dana, ukupan sadržaj EPS u anaerobnom rezervoaru, anoksičnom rezervoaru i aerobnom rezervoaru pokazao je trend rasta (0,12 mg/gVSS, 0,29 mg/gVSS, odnosno 0,37 mg/gVSS); među njima, sadržaj EPS-a se značajno povećao tokom faze nitrifikacije, što može biti posljedica aktivnog metabolizma unutrašnjih mikroorganizama kada je sistem radio u uvjetima visokog ugljika-prema-odnosa dušika (C/N=5.9) [12]. Međutim, TB-EPS je imao pozitivnu ulogu u formiranju flokula mulja, dok su S-EPS i LB-EPS imali negativne efekte [8]; u ovom eksperimentu sadržaj S-EPS i LB-EPS je bio relativno nizak, što je stvorilo uslove za rast mulja; u hibridnom sistemu neprekidnog-protočnog mulja-filmskog sistema, uloga flokulantnog mulja je nezamjenjiva [2].

Osim toga, pravila promjene PN/PS u različitim slojevima mulja u svakom reakcionom spremniku bila su različita. PN u svakom reakcionom rezervoaru je uvijek bio veći od PS. 101. dana, omjeri PN/PS u S-EPS, LB-EPS i TB-EPS mulja bili su 0,06, 1,62 i 2,67, respektivno, dok su 255. dana bili 0,03, 1,30,20, i PN 7, i/3 pokazuju trend rasta omjera 7 i/3. od vanjskog sloja do unutrašnjeg sloja ćelija mulja. Međutim, kada je temperatura reaktora smanjena na 13 stepeni, ukupan EPS sadržaj u tri rezervoara pokazao je trend rasta (0,28 mg/gVSS, 0,41 mg/gVSS, odnosno 0,63 mg/gVSS). Razlog može biti taj što su mikroorganizmi koji se nisu mogli prilagoditi niskoj temperaturi umrli ili autolizirani, a ti mrtvi mikroorganizmi su otpuštali EPS, što je dovelo do povećanja sadržaja EPS u mulju, ili je niska temperatura izazvala neke psihofilne mikroorganizme da luče više EPS kako bi se prilagodili smanjenju temperature u reaktoru [13].

(Slika 4 Promjene u sadržaju i sastavu EPS-a na dan 101 (AAO proces) i dan 255 (AM-AAO proces): Lijeva strana je AAO proces, a desna strana AM-AAO proces. Horizontalna os je reakcioni rezervoar (kraj anaerobnog, kraj anoksičnog, kraj aerobnog tipa EPS, kraj aerobnog tipa EPS, verski tip EPS). osa je sadržaj EPS (mg·gVSS⁻¹), a desna vertikalna os je odnos PN/PS Ona uključuje histograme sadržaja PN, PS i ukupnog EPS-a i linijski grafikon omjera PN/PS.

2.4 Mikrobna raznolikost i populacijska dinamička pravila sukcesije zajednice

Rezultati sekvencioniranja visoke{0}}propusnosti pokazali su da je broj sekvenci od 14 uzoraka mulja bio 1,027,419, a broj OTU sekvenci svakog uzorka prikazan je u Tabeli 2. Pokrivenost uzoraka je bila iznad 0,995, što ukazuje da su rezultati sekvenciranja imali visoku tačnost. Grupa D01 je opisala početnu strukturu mikrobne zajednice, sa visokim Ace indeksom, što ukazuje da je mulj imao veliko bogatstvo mikrobnih vrsta na početku-sustava. Transformacijom sistema iz AAO u AM-AAO proces, Ace indeks se smanjio, a bogatstvo mikrobne zajednice u AM-AAO sistemu se smanjilo. Osim toga, Simpsonov indeks se smanjio, što ukazuje na smanjenje raznolikosti mikrobne zajednice. Prema promjeni Ace indeksa, ukupan broj vrsta u mikrobnoj zajednici biofilma anoksičnog rezervoara pokazao je opadajući trend; smanjenjem Shanonovog indeksa dokazano je da se diverzitet mikrobne zajednice u biofilmu smanjio.

Tabela 2 Varijacije indeksa mikrobne raznolikosti

The main phyla with relative abundance >Analizirano je 10% u 14 uzoraka (Slika 5a). Dominantni tip u grupi D01 bili su Actinobacteriota (25,76%32,90%), proteobakterije (21,98%27,16%), Bacteroidota (15,50%18,36%) i Firmicutes (10,37%13,77%); međutim, relativna brojnost Actinobacteriota (16,89%19,16%) i Firmicutes (3,83%6,52%) u grupi D110 se smanjilo, a relativna brojnost Proteobakterije porasla (32,96%~40,75%). U AM-AAO procesnom sistemu, Actinobacteriota se brzo smanjila, čak i na manje od 3% u grupi D237, dok je 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% su bile Proteobacteria (35,26%) i Bacteroidota (30,61%), što ukazuje da je struktura mikrobne zajednice biofilma slična onoj u aktivnom mulju. U uzorku M237 relativna brojnost Firmicutes smanjena je na manje od 2%, a brojnost Acidobacteriota (5,33%) se povećala.

By creating a heat map (Figure 5b), the 14 samples were compared at the genus level (relative abundance >3%). Utvrđeno je da su dominantni rodovi u grupi D01 Candidatus_Microthrix (11,32%20,65%), norank_f__norank_o__norank_c__SJA-28 (3,97%6,36%), trichococcus (6,99%9,95%) i Ornithinibacter (3,99%6,41%); nakon što je sistem radio u AM-AAO procesu, relativna zastupljenost Candidatus_Microthrix naglo je pala na 0,02% (grupa D237); dok je norank_f__norank_o__norank_c__SJA-28 pokazao trend prvo povećanja, a zatim opadanja (grupa D237, 1,91%2,91%). Kada je proces stabilno funkcionisao, Azospira je postala jedan od relativno dominantnih rodova (grupa D237, 7,37%18,41%). Pored toga, rodovi biofilma su u osnovi bili slični mulju, a relativna zastupljenost norank_f__norank_o__Run-SP154 u M194 i M237 iznosila je 6,61%~7,66% i 7,43%, respektivno.

Za analizu je odabrano ukupno 12 rodova i 1 familija amonijak-oksidirajućih bakterija (AOB), nitrit-oksidirajućih bakterija (NOB), organizama koji akumuliraju glikogen- (GAO) i organizama koji akumuliraju fosfor- (PAO) u sistemu koji se može upotrijebiti (T3). Utvrđeno je da u grupi D01, Nitrosomonas (0,02%0,03%), Ellin6067 (0,01%0,02%) i Nitrospira (0,04%0,07%) može osigurati učinak oksidacije NH₄⁺-N. Smanjenje Nitrosomonas i Nitrospira u grupi D110 može biti uzrokovano visokim omjerom unutrašnjeg refluksa, ali Ellin6067 (0,01%0,02%) nije poremećeno. U grupi D194, sistem je radio u AM-AAO procesu, a smanjenje HRT-a je ispralo NOB i dio AOB. Povećanje influentnog amonijačnog azota može biti razlog povećanja relativne zastupljenosti tri navedena roda u grupi D237 (Slika 5b). Pored toga, AOB (Nitrosomonas i Ellin6067, 0,03%0,07%) i NOB (Nitrospira, 0,01%0,02%) u uzorku M237 pokazalo je blagi porast, što ukazuje da je biofilm pomogao sistemu mulja da postigne proces denitrifikacije.

Postojao je širok spektar PAO u grupi D01, uključujući Acinetobacter, Candidatus_Accumulibacter, Candidatus_Microthrix, Defluviimonas, Pseudomonas i Tetrasphaera. Promjene Candidatus_Microthrix (10,93%~11,88%) i PAO sa relativnom brojnošću<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 i 0,31%0,39% [14]. U grupi D237, Candidatus_Microthrix je skoro eliminisan (0,02%), a PAO-i koji su ga zamijenili da bi izvršio funkciju uklanjanja fosfora bili su Defluviimonas (0,70%1,07%) i Dechloromonas (0,95%1,06%); pored toga, potvrđeno je da porodica Comamonadaceae ima učinak uklanjanja fosfora [8], a relativna brojnost Comamonadaceae u anaerobnom ili anoksičnom rezervoaru bila je relativno visoka, oko dva puta veća od aerobnog rezervoara. Pored toga, Candidatus_Competibacter i Defluviicoccus su bili dominantni rodovi GAO u svim uzorcima, ali je zastupljenost dva roda u grupi D01 bila<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].

(Slika 5. Sastav mikrobne zajednice: (a) Trakasti dijagram relativne brojnosti na nivou tipa. Horizontalna osa je uzorak, a vertikalna osa je relativna brojnost/%. Uključuje glavne tipove kao što su Actinobacteriota i Proteobacteria; (b) Toplotna mapa relativne brojnosti na nivou roda. Vertikalna axi dominantna dubina je horizontalna axi dubina. boja označava nivo relativnog obilja)

Tabela 3. Broj funkcionalnih grupa u 14 bioloških uzoraka

3 Zaključci

Koristeći stvarnu kanalizaciju kao objekt tretmana, optimizirani su radni uvjeti AM-AAO procesa. Utvrđeno je da kada se proces odvijao u uslovima HRT=7 h, temperature oko 25 stepeni, unutrašnjeg refluksa=250%, SRT=40 d, refluksa mulja=50%, i brzine punjenja anoksičnog rezervoara{7}}%, efekat uklanjanja zagađivača je bio najbolji. Maksimalna stopa uklanjanja NH₄⁺-N iznosila je 98,57%; efluentna koncentracija NO₃⁻-N, koncentracija PO₄³⁻-P, brzina uklanjanja TIN-a i brzina uklanjanja COD-a bili su 6,64 mg/L, 0,42 mg/L, 83,08% i 86.16%, respektivno.

Anaerobni rezervoar je izveo dobre procese uklanjanja organske materije i oslobađanja fosfora, pri čemu je istovremeno uklonjeno 64,51% COD i 9,77 mg/L fosfora; anoksični rezervoar je izveo dobre reakcije uklanjanja denitrifikacionog fosfora; aerobni rezervoar je izvršio potpune procese nitrifikacije i uzimanja fosfora, sa stopom uklanjanja NH₄⁺-N 97,85% i PUAO 97,85%, odnosno 59,12 mg.

Kada je proces AM-AAO stabilno funkcionisao, povećanje AOB-a (Ellin6067 i Nitrosomonas, 0,02%~0,04% → 0,04%0,12%) i NOB (Nitrospira, 00.01% → 0.02%0,04%) je osiguralo dovoljan napredak nitrifikacije, a stopa uklanjanja NH₄⁺-N povećana je za 8,35%; GAO (Candidatus_Competibacter i Defluviicoccus, 1,31%1.61% → 3.49%4,46%) je dominiralo procesom endogene denitrifikacije; rast PAO (porodica Defluviimonas, Dechloromonas i Comamonadaceae, 3,29%8,67% → 3,79%~9,35%) je bio razlog za održavanje dobrih performansi uklanjanja fosfora; pored toga, struktura mikrobne zajednice biofilma anoksičnog rezervoara bila je u osnovi slična onoj aktivnog mulja, što je zajedno garantovalo performanse uklanjanja azota i fosfora iz sistema.