百邁客合作案例:干擾活性污泥氧氣轉運的“問題少年”絲狀菌(Thiothrix)


英文題目:Thiothrix eikelboomii?Interferes Oxygen Transfer in Activated Sludge

發表期刊:Water Research

影響因子7.01

發表時間:2019.2

合作單位暨南大學?環境學院


背景介紹

曝氣能為好氧污水處理系統中的微生物提供充足氧氣,然而,氧氣在水中的溶解度較低,曝氣通常需要消耗污水處理系統50%以上的能源,因此,氧轉運效率(OTE)的提高對污水處理系統的可持續性運轉意義重大。關于污水處理中的OTE問題,懸浮顆粒物(MLSS)、表面活性劑、混合強度、鹽度、溫度以及粘度對氧氣從空氣轉運至水中的影響都是學者們研究的“寵兒”,很少有人關注微生物。研究表明,菌絲的爆發會導致活性污泥反應器中的OTE降低50%,其中“罪魁禍首”就是絲狀微生物。絲狀菌是活性厭氧污泥中的“常客”,這些臭名昭著的“無賴”往往會降低污泥的處理性能,然而它們的氧轉運研究還未曾報道。可溶物或污泥顆粒引發的菌絲爆發通常伴隨OTE的明顯下降,活性污泥的優勢菌群改變可以影響溶解性微生物產物(SMPs),SMPs(如生物表面活性劑)已被證實有明顯的氧轉運干擾作用。絲狀菌的“細長”菌絲可以改變活性污泥的流體性能(如表觀粘度),絲狀菌“高產”的胞外聚合物(EPS)(如蛋白、多糖)也能夠影響氧轉運,盡管菌絲的膨脹與氧轉運之間的聯系已被很早關注,然而目前仍沒有結論。

目的

本文圍繞氧轉運特征、SMP的產生、EPS的含量與分布、表觀粘度(apparent viscosity)以及絲狀膨脹污泥(FBS)和絮狀物污泥(FFS)的微生物群落進行研究,探究絲狀菌對氧轉運影響的主要機制,鑒定干擾氧轉運的主要微生物種類。

材料方法

1. 活性污泥樣本:FBS和FFS分別來自兩個處理生活污水的試驗規模動態膜生物反應器,兩個生物膜反應器均在實驗室內運行,FBS中的絲狀菌通過倒置熒光顯微鏡來觀察。

2.?氧轉運試驗:檢測容積傳氧系數(KLa)和α-因子。

3.?表觀粘度的檢測旋轉粘度計(NDJ-5S)。

4.?SMP和TB-EPS分析:糖類和蛋白質是SMP和EPS的主要成分,SMP和EPS的含量計算分別采用硫酸/蒽酮氧化法和修正勞力法(Lowry method)檢測糖類和蛋白。

5.?共聚焦激光掃描顯微鏡CLSM分析:采用熒光素異硫氰酸酯(FITC)、刀豆素A(ConA)和熒光增白劑(CW)作為蛋白、α-D-葡萄糖多糖和β-D-葡萄糖多糖的染色劑和探針。磷酸鹽緩沖液(PBS)清洗掉兩種活性污泥中的SMP;取50?μL排出水置于200?μL離心管;加50?μL FITC溶液浸染30?min,碳酸氫鈉(1M)緩沖液調節PH至9.0;離心管中加入50?μL ConA溶液(0.25?g/L),孵育30?min;最后,在離心管中加入50?μL CW(0.3 g/L),孵育30?min(注:每一步結束后均需要用PBS緩沖液沖洗掉多余探針)。用CLSM捕獲污泥樣本的結構特征和EPS的組成分布。

6.?污泥絮狀物與氣泡接觸觀察倒置熒光顯微鏡。

7.?微生物群落分析:16S?rDNA V3-V4(338R/806F),ITS1/ITS2,illumina Hiseq 2500;物種注釋數據庫:RDP、SILVA和UNITE;生物信息分析:百邁客微生物多樣性云平臺(BMK?Cloud oline)。

重要結果與討論

1. ?FBS和FFS的氧轉運特征

當曝氣不變時,FBS的氧轉運效率(OTE)急劇降低(80 mL/g-MLSS),污泥體積指數(SVI)較高(>120?mL/g-MLSS);FFS的OTE值保持正常,SVI值低于80?mL/g-MLSS,表明FBS污泥處理性能較差,OTE的降低可能與菌絲的膨脹有關(圖1)。

圖1. 倒置熒光顯微鏡觀察下的FBS和FFS

FBS和FFS的氧轉運效率均低于自來水和排出水,表明活性污泥阻礙了氧轉運。污水中的懸浮顆粒物(MLSS)濃度為1800?mg/L時,FBS比FFS的溶解氧(DO)速率顯著更慢,FBS和FFS的容積傳氧系數(KLa(20))值分別為5.68和10.02?h-1,表明相同曝氣條件下的FBS氧轉運速率比FFS低44.3%(圖2a)。通氣速率的加快顯著提高了FBS和FFS的KLa(20)值,然而FBS的KLa(20)值和α因子值仍然低于FFS,表明具有大量絲狀微生物的FBS氧轉運性能比FFS差(圖2b;?2c)。

圖2.?(a)FBS及其排出水, FFS及其排出水,?自來水氧轉運試驗中的溶解氧濃度(mg/L);不同曝氣條件下,FBS和FFS的(b)KLa值;(c)α-因子值;(d)FBS和FFS的溶解性微生物產物(SMPs):蛋白和多糖濃度(mg/L)

2. ?溶解氧對氧轉運的影響

FBS與FFS的氧轉運差異可能與微生物或其他生物產生的溶解氧有關,然而,FBS和FFS所在排出水的KLa(20)值與自來水的KLa(20)值相近,表明溶解氧對兩種排出水的氧轉運影響不明顯。一般情況下,蛋白和糖類是性能良好的污水處理系統排出水中主要的SMPs,它們在FBS和FFS所在排出水中的含量均低于5?mg/L(圖2d),該濃度水平一般難以對氧轉運產生負面影響。盡管本文未檢測生物表面活性劑,然而從自來水和兩種排出水的KLa(20)值來看,FBS和FFS的微生物合成的生物表面活性劑不足以抑制氧轉運。因此,FBS和FFS的氧轉運差異由生物量導致。

?3.??生物量對氧轉運的影響

對于FBS和FFS,MLSS>3000?mg/L時的KLa(20)值和α-因子顯著小于MLSS<2000?mg/L時的,當MLSS濃度相同時,FBS的KLa(20)值總是顯著小于FFS(圖3a),表明除了生物量濃度以外,其他的生物特征(如:微生物種類、絮狀物形態、表觀粘度和生物表面特性)也會影響氧轉運。研究表明,由于混和強度、曝氣強度以及漫射器的型號等試驗條件差異都會影響KLa值,因此α-因子與MLSS的相關性在已發表的案例中變化幅度也較大。因此,MLSS濃度和活性污泥特征(如:絲狀微生物)能在很大程度上影響氧轉運。

圖3. FBS和FFS的MLSS與(a)KLa(20)和(b)α-因子的相關性

4. ?表觀粘度、MLSS與氧轉運的關系

從圖2和圖3來看,FBS聚集了大量絲狀微生物,導致FBS的氧轉運能力顯著低于FFS。研究發現,反應器中OTE的降低往往伴隨著絲狀微生物豐度的升高,由此來看,FBS中絲狀微生物的膨脹影響了氧轉運。

FBS中的絲狀微生物有較長的細絲(圖1),這些細絲可以通過影響活性污泥的表觀粘度間接影響氧轉運。從圖4a來看,當MLSS濃度相同時,FBS的表觀粘度顯著高于FFS;當MLSS濃度高于3000 mg/L時,FBS的表觀粘度呈指數增長。兩個反應器的排出水的表觀粘度與自來水相近,表明污水中的溶解氧不影響表觀粘度,推測可能是FBS中的絲狀微生物增強了污水的表觀粘度。一方面,表觀粘度的增加會減少氣泡或攪拌器上升引起的湍流,液膜更新的降低又會對氣-液交界面的氧擴散產生負面影響;另一方面,隨著表觀粘度的增大,氣泡阻力系數增大,氣泡上升速度減小,氧的傳遞又被促進。然而,這種正向促進作用并不會抵消表觀粘度的增加對氧轉運的負面影響,結果將表現為KLa的減少且伴隨著表觀粘度的增加。因此,絲狀微生物可能是通過增強活性污泥的表觀粘度來抑制氧轉運的。

不同于KLa(20)值(或α-因子)與MLSS的表現關系(圖3),兩個污泥樣本(FBS和FFS)的表觀粘度與KLa(20)值具有一致性(圖4b),當表觀粘度小于5 mPa·s時,KLa(20)值和α-因子會隨著表觀粘度的增加而迅速降低(圖4b;?4c),這種呈指數的變化與很多研究報道的結果類似。因此,表觀粘度(非MLSS)是影響活性污泥氧轉運的主要因素,而絲狀微生物的大量存在又額外增加了表觀粘度。

圖4. FBS和FFS的表觀粘度與(a)MLSS、(b)KLa(20)和(c)α-因子的相關性。

5. ?EPS的分布以及絮狀物與氣泡的接觸

FFS在MLSS濃度為5500-6500 mg/L時的表面粘度(2.09-2.20 mPa·s)與FBS在MLSS濃度為800-1800 mg/L時的表面粘度(1.7-2.53 mPa·s)較為接近(圖4a),然而,當兩者的表面粘度相等時,FBS的KLa(20)顯著低于FFS(圖4b,紅色虛線橢圓),表明除了表觀粘度以外,絲狀微生物還可能通過其他的途徑阻礙氧轉運。

圖5.?(a)?FBS和FFS的胞外聚合物(EPS)濃度比較;共聚焦激光掃描顯微鏡(CLSM)拍攝的FBS(b)蛋白,(c)α-多糖,(d)β-多糖,(e)所有EPS;CLSM拍攝的FFS(f)蛋白,(g)α-多糖,(h)β-多糖,(i)所有EPS

蛋白和多糖既是EPS的主要成分,又是污泥絮狀物的重要組成部分,它們通常位于細胞壁外圍,極大地影響了細菌的表面特征和絮凝能力。從圖5來看,FBS的氧轉運能力較差,FBS的兩種胞外聚合物(蛋白和多糖)濃度均低于FFS。從圖6來看,FBS的大量絲狀菌菌絲直接粘附于氣泡-水交界面,柔軟又纖細的菌絲難以刺破氣泡(圖6a),因此在曝氣的時候,粘附與氣-液交界面的“細、長”菌絲降低了液膜更新、增加了液膜厚底,直接阻止了氧轉運,導致液膜轉運系數(KL)降低;FFS的絮狀物棱角分明、形態穩定,與氣泡的接觸面積小于FBS的絲狀菌(圖6b)。因此,氧轉運的阻礙不僅受到表觀粘度增加的影響,還受到絲狀菌菌絲與氣泡直接接觸的影響。另外,細菌表面特性對氧轉運的影響仍需要進一步研究。

圖6. 靜止狀態下的(a)FBS和(b)FFS的污泥絮狀物與氣泡的接觸

6. ?微生物群落結構

FBS和FFS的菌群結構如圖7所示。FBS和FFS含有大量的共有菌,其中絲硫菌屬(thiothrix)、球衣菌屬(Sphaerotilus)、古字狀菌屬(Runella)、meganema(甲基桿菌科分類下的屬)、纖毛菌屬(Leptothrix)、金黃桿菌屬(chryseobacterium)、毛球菌屬(Trichococcus)、黃桿菌屬(Trichococcus)、isosphaera(浮霉菌科分類下的屬)和浮霉菌科(planctomycetaceae)是FBS和FFS豐度排名前十的菌;?FBS和FFS的優勢菌存在差異,未分離培養(uncultured)的噬纖維菌(cytophagaceae)和鞘脂桿菌(sphingobacteriales)分別在FBS和FFS中豐度最高;FFS和FBS的所有菌在各自反應器的排出水中均被檢測到。從圖8來看,絲硫菌屬(thiothrix)在FFB中的相對豐度超過8.5%,而在FFS中數量極少,絲硫菌屬(thiothrix)的長菌絲(0.5-1.5 μm)會連接污泥絮狀物,導致污泥降解能力降低,污水的表面粘度增加;盡管球衣菌屬(Sphaerotilus)和古字狀菌屬(Runella)在FFS和FBS中的豐度均較高,但它們的菌絲較短,對污泥沉降、表觀粘度和氧轉運的負面影響較小;其他絲狀細菌的豐度較低,影響程度較小。因此推測,絲硫菌屬(thiothrix)就是影響FBS氧轉運的最大“元兇”。從種水平來看,絲硫菌屬(thiothrix)分類下的eikelboomii是FBS的優勢菌,至此,“真兇”也基本確定。

圖8. FBS和FFS的絲狀菌的相對豐度、產生物表面活性劑菌的相對豐度

eikelboomii是污水處理系統污泥中的“常客”,它可以在高硫環境中異養生長。研究表明,與eikelboomii具有相似形態特征的其他同屬菌種,以及具有長菌絲的微絲菌(?Microthrix parvicella),它們對活性污泥的表觀粘度和氧轉運也有負面影響。

目前,已經報道有超過30種微生物能夠合成生物表面活性劑,其中3種出現在本研究的FBS和FFS樣品中,它們分別是氣單胞菌屬(aeromonas)、腸桿菌屬(enterobacter)和不動桿菌屬(enterobacter)(圖8)。然而,FBS中的腸桿菌屬(enterobacter)和不動桿菌屬(acinetobacter)相對豐度(0.24%和0.08%)明顯低于FFS(0.81%和0.63%),表明FBS中細菌合成的生物表面活性劑不是降低氧轉運的“主謀”。

總結

Thiothrix eikelboomii,一種常見的污泥膨脹絲狀菌,能夠干擾污水處理系統中的氧傳遞。在生物量相同的情況下,絲狀菌提高了污泥的表觀粘度(apparent viscosity),導致絲狀膨脹污泥(FBS)?比絮狀污泥(FFS)的容積傳氧系數(KLa)降低了43%。即使在表面粘度相同的情況下,FBS的KLa值仍低于FFS。附著于氣泡表面的大量微小、自由游動的菌絲能引起液膜更新降低和液膜厚度增加,絲狀菌胞外的類似表面活性劑的“兩親分子”聚合物(EPS)(蛋白、多聚糖)阻礙了氧轉運,因此,菌絲特殊的表面性狀及其它們與氣泡的相互作用影響了氧轉運。本研究發現,具有較長菌絲的絲狀菌Thiothrix eikelboomii能夠降低KLa值,而菌絲較短的絲狀菌并不影響氧轉運。污泥膨脹的控制不僅利于污泥處理,而且利于氧轉運。

關鍵詞:

1. ?膨脹污泥比絮狀污泥的KLa值低;

2. ?絲狀微生物能夠提高污泥的表觀粘度;

3. ?菌絲能夠阻礙液態膜上的氧轉運;

4. ?絲硫菌(Thiothrix eikelboomii)是膨脹污泥主要的絲狀微生物;

5. ?菌絲膨脹控制好,節約能源沒煩惱!

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