Fe2+诱导好氧颗粒污泥形成、微生物群落及污水处理效果

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好氧颗粒污泥因特殊的空间结构,使其具有良好的沉降性能,丰富的微生物,可抵抗较强的冲击负荷等优点。好氧颗粒污泥技术操作温度低、对污废水能够高效利用被广泛学者研究。但颗粒污泥的培养通常需要较长的运行周期,如何在周期运行期间维持系统的稳定性等问题限制了它的应用。近年来,大量研究指出,向污泥系统中投加金属阳离子会加速颗粒污泥的形成,污泥表面微生物分泌出的胞外聚合物(EPS)与投加的金属阳离子相结合,形成凝聚体,不仅加快了污泥的颗粒化进程,且形成的颗粒污泥具有更为致密的结构,去除水中污染物能力更加高效。本文研究了不同浓度的Fe2+诱导好氧颗粒污泥形成过程中的污泥体积指数(SVI)、混合液悬浮固体浓度(MLSS)及粒径分布等参数变化,对污水中COD、NH4+-N、TN、TP的去除效果以及对颗粒污泥中微生物群落结构的分析。通过对微生物种群在门、纲、属水平上进行分类,分析Fe2+的投加对颗粒污泥菌群结构的影响。主要结论如下:(1)Fe2+的投加有利于好氧颗粒污泥的快速形成以及污泥粒径增大,添加30mg/L Fe2+中位径达318.6μm,培养出的颗粒污泥表面要比其他浓度Fe2+更加平滑紧实,促进效果更明显。(2)Fe2+的添加有助于提高颗粒污泥的沉降性能,随着Fe2+浓度的增大,在30mg/L Fe2+时达到最高,其SVI和MLSS为40 m L/g和8010 mg/L,随后呈下降趋势。这表明30 mg/L Fe2+更适合污泥中微生物的增长,使污泥浓度增加,提高了污泥中的生物量,更有利于颗粒污泥的形成。(3)通过颗粒污泥溶解型EPS(S-EPS)、松散型EPS(LB-EPS)和紧密型EPS(TB-EPS)的红外光谱(FTIR)分析,不同浓度Fe2+诱导引起S-EPS、LB-EPS和TB-EPS中的结构变化,促进好氧颗粒污泥的形成,其中30 mg/L Fe2+诱导最为明显。在S-EPS中Fe2+与由-C-N、-N-H发生反应,促进了微生物的凝聚,加快了污泥的颗粒化进程。在LB-EPS中,Fe2+与-OH、-N-H基团结合生成螯合物。在TB-EPS中,Fe2+与-COOH、-OH等基团发生了络合反应,从而将Fe2+吸附于颗粒污泥表面,促进颗粒污泥的形成并增强其稳定性。(4)Fe2+的诱导形成的好氧颗粒污泥对COD、NH4+-N、TN、TP去除效果显著,脱氢酶活性明显提高。其中,浓度为30 mg/L Fe2+诱导形成的颗粒污泥对污水中COD去除率可以达到94.02%,出水水质达到国家污水综合排放一级A标准;污水中TP的去除率达到91.42%,其出水水质超过国家污水综合排放一级B标准;污水中NH4+-N去除率为87.36%,并且出水水质超过国家污水综合排放一级A标准;污水中TN去除率可以达到75.91%,且出水水质超过国家污水综合排放一级标准。污泥中脱氢酶活性达90.88μg/m L,微生物含量明显增多,提高了对有机质的利用,并增强其稳定性。(5)高通量测序结果表明,经Fe2+诱导后的颗粒污泥菌群结构发生了显著变化,门水平层级上Proteobacteria、Acidobacteria、Bacteroidota脱氮除磷功效的菌门数量明显增加,其具有反硝化能力和良好的脱氮除磷作用,提高了系统对污染物的去除效果。纲水平层级上Gammaproteobacteria、Alphaproteobacteria、Bacteroidia等菌纲显著增多,对多种有机质有降解作用,可以更好的去除水中COD。属水平层级上Brevundimonas、Ferruginibacter菌属数量增加明显,有助于胞外聚合物的分泌,加快污泥的颗粒化进程。另外,Fe2+诱导造成了颗粒污泥微生物多样性和丰富度降低。
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