Optimizacija performansi i sukcesija mikrobne zajednice u kontinuiranom -protočnom anoksičnom MBBR-AAO procesu za poboljšano uklanjanje dušika i fosfora iz gradske kanalizacije

Optimizacija performansi i mikrobiološki Sukcesija zajednice kontinuiranog-protoka anoksičnog MBBR-AAO procesa

Posljednjih su godina napredna obrada gradske kanalizacije i realizacija recikliranja resursa postale vruće teme u području vodnog okoliša. Međutim, tradicionalni postupci uklanjanja dušika i fosfora koji su naširoko prihvaćeni u postrojenjima za pročišćavanje otpadnih voda ne samo da rezultiraju prekomjernim rasipanjem resursa, već također povećavaju operativne troškove [1]. Štoviše, postupno smanjenje omjera ugljika-na-dušika (C/N) u gradskoj kanalizaciji i razlike u životnom okruženju različitih funkcionalnih mikrobnih zajednica postali su važni ograničavajući čimbenici za tehnologije pročišćavanja vode.

Hibridni MBBR postupak s mulj{0}}filmom kombinira postupak s aktivnim muljem s postupkom suspendiranog nosača biofilma kako bi se postiglo poboljšano obogaćivanje funkcionalnih mikroorganizama, rješavajući probleme velikog zauzimanja zemljišta i slabe-tolerancije niske temperature tradicionalnog procesa s aktivnim muljem [2]. U 2008., postrojenje za pročišćavanje otpadnih voda Wuxi Lucun u provinciji Jiangsu, kao prvo postrojenje za pročišćavanje otpadnih voda u Kini koje je izvršilo nadogradnju i rekonstrukciju prema standardima klase IA, uspješno je poboljšalo učinak pročišćavanja dodavanjem suspendiranih nosača u sustav mulja [3]; Hu Youbiao i sur. [4] istraživali su učinak temperature na uklanjanje amonijačnog dušika i organske tvari u MBBR-u i aktivnom mulju, a rezultati su pokazali da temperatura ima manji utjecaj na MBBR, ali veći utjecaj na aktivni mulj; Zhang Ming i sur. [5] koristili su A²O-MBBR proces za obradu ruralne kućne kanalizacije, postižući visoke stope uklanjanja KPK, amonijačnog dušika, TP i TN; Zhou Jiazhong i sur. [2] je putem malih -eksperimenata otkrio da su DO, temperatura u pozitivnoj korelaciji s hibridnim MBBR sustavom mulja-filma, dok je utjecajni omjer C/N u negativnoj korelaciji.

Anoksični MBBR (AM-MBBR) proces može ostvariti istovremenu denitrifikaciju i uklanjanje fosfora u anoksičnom spremniku, što je također proces denitrifikacijskog uklanjanja fosfora (DPR). U usporedbi s tradicionalnim procesima pročišćavanja otpadnih voda, DPR proces može uštedjeti izvore organskog ugljika i smanjiti potrošnju kisika. Zhang Yongsheng [6] i sur. razvio je biofilmski reaktor s kontinuiranim-protokom, a rezultati su pokazali da su pri temperaturi od 20 stupnjeva, koncentraciji DO od 5,5 mg/L, opterećenju od 2,2 kg/(m³·d) i povremenim uvjetima prozračivanja od anaerobnih 3 h/aerobnih 6 h, prosječne koncentracije KPK i fosfora u efluentu bile 76 mg/L i 0,67 mg/L, sa stopama uklanjanja od 72,9% odnosno 78,5%.

Međutim, za mulj{0}}hibridni AM-AAO sustav, postoji složen odnos između suspendiranog flokulentnog mulja i pričvršćenog biofilma. Prethodne studije bile su usredotočene na inženjerske prakse kao što su ponude i rekonstrukcija postrojenja za pročišćavanje otpadnih voda, ali postoji nekoliko studija o sinkronoj nitrifikaciji i DPR-u za poboljšanje uklanjanja dušika i fosfora u kontinuiranom-protočnom mulju-film hibridnim AM-AAO sustavima, a stabilnost performansi uklanjanja zagađivača ovog procesa putem DPR tehnologije također je jedna od poteškoća.

Ova studija optimizirala je-pokretanje i operativne strategije kontinuiranog-protoka (AAO) i kontinuiranog{2}}protočnog mulja-hibridnog filma (AM-AAO) procesa, usredotočujući se na istraživanje učinaka brzine prozračivanja, doziranja punila, hidrauličkog vremena zadržavanja (HRT), omjera refluksa tekućine nitrifikacije, omjera C/N i temperature o dugoročnom -učinkovitosti uklanjanja dušika i fosfora AM-MBBR procesa i učinkovitosti denitrifikacijskog uklanjanja fosfora u anoksičnom spremniku. Istodobno je proučavana 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 ovoj studiji korišten je AAO reakcijski uređaj s kontinuiranim-protokom (Slika 1). Izrađen je od organskog stakla, s ukupno 7 odjeljaka, svaki veličine 10 cm × 10 cm × 40 cm; radni volumen bio je 21 L, a omjer volumena svakog reakcijskog spremnika bio je anaerobno:anoksično:aerobno=2:2:3. U anaerobnim i anoksičnim spremnicima usvojeno je mehaničko miješanje; aerobni spremnik koristio je pješčane glave za prozračivanje kao mikro-porozne aeratore i vanjsku silu za miješanje mulja-vode, a brzinu prozračivanja kontrolirao je mjerač protoka plina. Koncentracija DO u aerobnom spremniku reaktora kontrolirana je na 2~3 mg/L; sekundarni taložnik bio je cilindar radnog volumena oko 40 L; vrijeme zadržavanja mulja (SRT) bilo je 40 d, a omjer refluksa mulja bio je 50%. Reaktor je radio ukupno 263 dana (podijeljen u 6 radnih faza), a polietilenska punila dodavana su u anoksični spremnik počevši od 159. dana kako bi radila u AM-AAO modu. Specifični radni uvjeti prikazani su u tablici 1.

(Slika 1. Shematski dijagram procesne opreme AM-AAO: Slika uključuje kantu za dovod vode, peristaltičku pumpu, anaerobni spremnik, anoksični spremnik, aerobni spremnik, spremnik za taloženje, kantu za odvod vode, kao i unutarnji refluks, cjevovode za refluks mulja i odvodne ventile)

Tablica 1 Vrsta procesnog sustava i radni parametri

1.2 Inokulirani mulj i kvaliteta ulazne vode

Inokulirani mulj u ovom eksperimentu uzet je iz viška mulja ispuštenog iz sekundarnog taložnika postrojenja za pročišćavanje otpadnih voda. Nakon inokulacije, koncentracija mulja (MLSS) u reaktoru iznosila je 2,3 g/L, a hlapljive krutine u mulju (MLVSS) bila je 2,1 g/L.

Utjecaj reaktora bila je stvarna kućna kanalizacija iz restorana, koja je dodana u reaktor nakon filtriranja nečistoća kroz filtarsko sito. Njegovi zagađivači uključuju 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 Predmeti za otkrivanje i metode analize

1.3.1 Rutinske metode otkrivanja

Uzorci mulja{0}}vode prikupljeni su iz ulazne vode, anaerobnog spremnika, anoksičnog spremnika, aerobnog spremnika, sedimentacijskog spremnika i efluenta te filtrirani filtarskim papirom od 0,45 μm. NH4⁺-N određen je Nesslerovim spektrofotometrom; NO₂⁻-N je određen N-(1-naftil) etilendiamin fotometrijom; NO3⁻-N određen je ultraljubičastom spektrofotometrijom; COD je određen višeparametarskim brzim detektorom Lianhua 5B-3A COD; pH/DO i temperatura određeni su WTW Multi3620 detektorom; MLSS je određen gravimetrijskom metodom; MLVSS je određen metodom gubitka težine izgaranjem u muflnoj peći [7].

1.3.2 Ekstrakcija i detekcija izvanstaničnih polimernih tvari

Smatra se da su izvanstanične polimerne tvari (EPS) sastavljene od polisaharida (PS), proteina (PN) i huminskih kiselina (HA). Tri vrste EPS-a, naime topljive izvanstanične polimerne tvari (S-EPS), slabo vezane izvanstanične polimerne tvari (LB-EPS) i čvrsto vezane izvanstanične polimerne tvari (TB-EPS), odvojene su i ekstrahirane. Metoda određivanja PS bila je metoda-antrona sumporne kiseline, a metode određivanja PN i HA bile su modificirana Folin-Lowryjeva metoda [7].

1.3.3 Metoda izračuna stope uklanjanja onečišćenja

Stopa uklanjanja zagađivača (SRE) korištena je za karakterizaciju ukupnog uklanjanja zagađivača procesnog sustava AM-AAO. Među njima, Sinf i Seff su koncentracije onečišćujućih tvari u dotoku, odnosno efluentu, koje mogu predstavljati masene koncentracije onečišćujućih tvari kao što su NH₄⁺-N, NO₂⁻-N, NO₃⁻-N, COD i PO₄³⁻-P u dotoku i efluent, mg/L.

1.3.4 Metoda sekvenciranja visoke-propusnosti

Korištena je Ilumina metoda sekvencioniranja visoke-propusnosti. Uzorci mulja iz anaerobnog spremnika, anoksičnog spremnika i aerobnog spremnika 1., 110., 194. i 237. dana prikupljeni su i imenovani kao skupina D01 (D01_A1, D01_A2, D01_O), skupina D110 (D110_A1, D110_A2, D110_O), skupina D194 (D194_A1, D194_A2, D194_O), odnosno skupina D237 (D237_A1, D237_A2, D237_O); uzorci mulja biofilma 194. i 237. dana sakupljeni su i nazvani kao M194, odnosno M237. Analizirano je ukupno 14 uzoraka mulja na promjene u mikrobnim zajednicama. DNK je ekstrahirana pomoću kompleta Fast DNA SPIN (MP Biomedicals, Santa Ana, CA, SAD). V3-V4 regija bakterijskog 16S rRNA gena umnožena je s 338F/806R početnicama. Pročišćeni amplikoni sekvencirani su na platformi Illumina MiSeq PE300 (Illumina, SAD) tvrtke Shanghai Majorbio Biomedical Technology Co., Ltd. (Šangaj, Kina) [7].

2 Rezultati i rasprava

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

Dugoročno-uklanjanje zagađivača tijekom rada kontinuiranog{1}}protočnog AAO procesa (Faze 13) i AM-AAO postupak s dodanim suspendiranim polietilenskim punilima (4. faza6) prikazan je na slici 2.

U Fazi 1 (1~45 d), količina otpuštenog PO₄³⁻-P u anaerobnom spremniku, količina unesenog PO₄³⁻-P u anoksičnom spremniku (PUAA) i količina unesenog PO₄³⁻-P u aerobnom spremniku (PUAO) bile su 66,06 mg, 14,22 mg, odnosno 87,81 mg, a proces unosa fosfora uglavnom je postignut u aerobnom spremniku. Stope uklanjanja NH4⁺-N i ukupnog anorganskog dušika (TIN) bile su 92,85% odnosno 86.37%, osiguravajući učinak denitrifikacije. Nakon finog -podešavanja aeracije (DO=2~3 mg/L), učinak uklanjanja NH₄⁺-N povećao se na 98,68%, a koncentracija TIN-a u efluentu i stopa uklanjanja bile su 1,75 mg/L odnosno 95,75%, što ukazuje da pravilno podešavanje DO pogoduje procesima nitrifikacije i denitrifikacije; učinak uklanjanja KPK u anaerobnom spremniku je oslabio (91,60%). Osim toga, fino-podešavanje DO nije imalo utjecaja na efluent PO₄³⁻-P, s prosjekom od 0,47 mg/L, što je u skladu sa zaključkom Yang Sijinga i sur. [8].

U fazi 2 (46~120 d), nakon podešavanja HRT=8 h, učinak uklanjanja COD-a lagano je varirao; maksimalne vrijednosti PRA, PUAA i PUAO dosegnule su 148,01 mg, 81,95 mg i 114,15 mg, što ukazuje da povećanje protoka nije utjecalo na uklanjanje fosfora i da je zadržalo visoku učinkovitost uklanjanja NH₄⁺-N i TIN. 72. dana, omjer refluksa nitrifikacijske tekućine povećan je na 300% i 400%. Povećanje omjera refluksa smanjilo je učinak uklanjanja TIN-a, sa stopama uklanjanja od 80,37% (300%) odnosno 68,68% (400%). Od 108. do 120. dana utvrđeno je da je omjer refluksa nitrifikacijske tekućine 250%. Količina uklanjanja KPK u anaerobnom spremniku 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 otpadu 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 pospješiti 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, protok dotoka je povećan na 5 L/h, smanjili su se učinci KPK i uklanjanja fosfora, a koncentracije efluenta bile su 73,3 mg/L odnosno 3,92 mg/L, što ukazuje da je povećanje protoka dovelo do ispuštanja više KPK 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 onečišćivač u efluentu (4,70 mg/L). Na dan 139, protok dovoda smanjen je na 4 L/h, efluent KPK i stopa uklanjanja bili su 55,7 mg/L odnosno 85,97%, što je više od učinka uklanjanja ugljika pri HRT=5.6 h, što ukazuje da smanjenje HRT može dovesti do smanjenja učinka uklanjanja KPK. Osim toga, maksimalne stope uklanjanja NH4⁺-N i TIN bile su 100% i 97,41%, što ukazuje da prilagodba HRT-a potiče nitrifikaciju i denitrifikaciju, ali pretjerano kratka HRT može dovesti do smanjenja učinka denitrifikacije. Stoga, kada je HRT=7 h, dovoljno je da se reakcije u svakom spremniku odvijaju u potpunosti, a značajno povećanje HRT-a ima mali pospješujući učinak na učinak denitrifikacije.

Na dan 159, 20% suspendiranih polietilenskih punila je dodano u anoksični spremnik AAO procesa. U Fazi 4 (159~209 d), performanse uklanjanja KPK i PO₄³⁻-P su poboljšane. Počevši od 172. dana, ulazna koncentracija NH4⁺-N povećana je na 64,17 mg/L (C/N=8.59), KPK u efluentu i stopa uklanjanja bili su 77,7 mg/L odnosno 86.06%. Razlog može biti taj što je biofilm sporo rastao, a aktivni mulj je dao glavni doprinos uklanjanju većine KPK; suspendirana punila povećala su stopu uklanjanja PO₄³⁻-P za 1,18%. Međutim, povećanje dotoka NH₄⁺-N u anoksičnom spremniku dovelo je do potrebe za više izvora ugljika za proces denitrifikacije NO3⁻-N, što nije pogodovalo otpuštanju fosfora i unosu PAO; u isto vrijeme, ova operacija nije potpuno smanjila NO₃⁻-N, a minimalna koncentracija efluenta bila je 7,30 mg/L. 185. dana, promjenom HRT-a na 5,6 h, utvrđeno je da je učinak uklanjanja COD-a blago fluktuirao, sa stopom uklanjanja od 86.05%; koncentracija efluenta PO₄³⁻-P porasla je za 0,05 mg/L, popraćena povećanjem PUAA (sa 13,02 mg na 18,90 mg), što ukazuje da su mulj i biofilm sinergistički pokazali određenu učinkovitost uklanjanja fosfora. Osim toga, koncentracije NH4⁺-N, NO₃⁻-N i TIN u efluentu bile su 10,23 mg/L, 6,52 mg/L, odnosno 16,82 mg/L, što ukazuje da bi smanjenje HRT-a dovelo do smanjenja učinaka uklanjanja NH4⁺-N i TIN. Na dan 195, HRT je vraćen na 7 h, iu to vrijeme se sadržaj onečišćujućih tvari u efluentu smanjio, a performanse uklanjanja dušika i fosfora i uklanjanja organske tvari sustava postupno su se oporavile.

U Fazi 5 (210~240 d), ulazna koncentracija NH₄⁺-N povećana je na 84,06 mg/L (C/N=6.28), a aktivni mulj i dalje daje glavni doprinos uklanjanju organske tvari. Povećanje NH4⁺-N imalo je mali učinak na uklanjanje KPK. Udio KPK apsorbiranog u anaerobnom spremniku bio je 68,02%, a većinu organske tvari apsorbirali su PAO u anaerobnom spremniku i sintetizirali u unutarnje izvore ugljika (PHA), a anaerobno otpuštanje fosfora bilo je potpuno završeno [9]. Maksimalni PRA iznosio je 72,75 mg, a PUAA i PUAO 35,82 mg/L odnosno 48,20 mg/L, no glavni doprinos unosu fosfora i dalje dolazi iz aerobnog spremnika. 221. dana, omjer punjenja je povećan na 30%, a koncentracije NH4⁺-N i TIN u efluentu smanjene su za 4,49 mg/L, odnosno 5,16 mg/L; među njima, NH4⁺-N i NO3⁻-N čine 70,11% odnosno 28,75% efluenta TIN. Na dan 231, ulazna koncentracija NH4⁺-N podešena je na 66,34 mg/L, a učinak uklanjanja onečišćujućih tvari sustava bio je u osnovi stabilan.

U fazi 6 (241~263 d), temperatura reaktora je regulirana kako bi se istražio njezin učinak na uklanjanje onečišćivača. 241. dana temperatura je smanjena na 18 stupnjeva, stopa uklanjanja KPK smanjena je na 84,37%, ali pravilo promjene KPK nije se promijenilo zbog pada temperature. Udio uklanjanja u anaerobnom spremniku bio je najveći, 62,02%, proces uklanjanja fosfora denitrifikacijom u anoksičnom spremniku potrošio je 26,72% KPK, koncentracija NO₃⁻-N u efluentu aerobnog spremnika bila je 10,44 mg/L, a 8,50 mg/L NH4⁺-N je ostao; osim toga, temperatura je manje utjecala na PRA, ali se učinak unosa fosfora u anoksičnom spremniku smanjio, s PUAA samo 19,77 mg, a fosfor je uklonjen za 3,94 mg/L u aerobnom spremniku. Većina psihrofilnih PAO provodi aerobni proces unosa fosfora [10]. Kada je temperatura dodatno smanjena na 13 stupnjeva, stope uklanjanja NH4⁺-N i TIN smanjile su se za 6,38% odnosno 6,25%; u isto vrijeme, PUAA i PUAO smanjeni su za 7,77 mg odnosno 15,00 mg, što se može povezati sa smanjenjem mikrobne aktivnosti te sposobnosti rasta i metabolizma uzrokovane padom temperature. Jin Yu [11] je otkrio da kada je temperatura niža od 14 stupnjeva, teško je jamčiti koncentraciju onečišćujućih tvari u otpadu sustava.

(Slika 2 Uklanjanje zagađivača u AAO i AM-AAO procesima tijekom dugotrajnog-radnja: Uključujući (c) krivulje koncentracije NH₄⁺-N i stope uklanjanja koja se mijenja s radnim danima, (d) krivulje NOₓ⁻-N koncentracije koja se mijenja s radnim danima, (e) krivulje stope uklanjanja TIN-a koja se mijenja s radnim danima. Vodoravna os je operacija dana (0~260 d), a okomite osi su ρ (NH₄⁺-N)/(mg·L⁻¹), ρ (NO₃⁻-N)/(mg·L⁻¹) i brzina uklanjanja/%, svaka radna faza je označena na krivuljama).

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

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

Na dan 42 (faza 1), AAO proces je imao dobre performanse denitrifikacije i uklanjanja fosfora. Međutim, visoki utjecaj COD nije poboljšao performanse otpuštanja fosfora, a PRA je u to vrijeme bio 9,13 mg/L. Osim toga, NH4⁺-N je potrošen unaprijed prilikom ulaska u anoksični spremnik; zatim je anoksični spremnik smanjio generirani NO3⁻-N na N2; međutim, aerobni spremnik uklonio je samo 3,52 mg/L NH₄⁺-N, što može biti posljedica dugog HRT-a u Fazi 1 što je dovelo do povećanja DO vraćenog u anoksični spremnik, a većina NH₄⁺-N završila je nitrifikaciju u anoksičnom spremniku, što je rezultiralo niskom koncentracijom koja ulazi u aerobni spremnik.

118. dana (stadij 2), sa smanjenjem influentne COD, otpuštanje fosfora i performanse denitrifikacije su se pogoršale. Koncentracija otpuštenog fosfora u anaerobnom spremniku bila je 5,91 mg/L, a koncentracija NO₃⁻-N u efluentu aerobnog spremnika bila je 8,20 mg/L. Koncentracija PO₄³⁻-P u anoksičnom spremniku smanjila se na 2,78 mg/L, što ukazuje da je PO₄³⁻-P uklonjen u anoksičnom spremniku. Dodatno, omjer refluksa nitrifikacijske tekućine bio je fiksiran na 250% u to vrijeme. U usporedbi s omjerima refluksa od 300% i 400%, performanse procesa uklanjanja dušika i fosfora i uklanjanja organske tvari su poboljšane, što ukazuje da povećanje refluksa nitrifikacijske tekućine unutar određenog raspona može poboljšati učinak uklanjanja onečišćenja.

Na dan 207 (faza 4), nakon podešavanja dotoka NH4⁺-N i HRT-a u procesu AM-AAO, stopa uklanjanja KPK bila je 86.15%; aerobni spremnik uklonio je 13,34 mg/L NH4⁺-N, preostala koncentracija TIN-a bila je 7,51 mg/L, a proizvedeno je 4,39 mg/L NO₃⁻-N, a NO3⁻-N postao je dominantni onečišćivač u efluentu. Nije bilo značajne razlike u doprinosu uklanjanja fosfora između anoksičnog spremnika i aerobnog spremnika. Osim toga, povećanje ulazne koncentracije NH4⁺-N nije utjecalo na nitrifikaciju, ali je povećanje ulazne koncentracije TIN-a smanjilo učinak denitrifikacije procesa AM-AAO, čime je utjecalo na uklanjanje TIN-a.

Na dan 262 (faza 6), temperatura reaktora bila je 13 stupnjeva, a stopa uklanjanja KPK bila je 83,67% u to vrijeme. Istovremeno je u anaerobnom spremniku ispušteno 6,95 mg/L fosfora; 20,22 mg/L NH4⁺-N potrošeno je u anoksičnom spremniku i provedena je denitrifikacija, a koncentracija NO3⁻-N u efluentu anoksičnog spremnika bila je 5,07 mg/L; aerobni spremnik imao je gubitak TIN-a od 1,32 mg/L; stopa uklanjanja TIN bila je 77,00%, a TIN u otpadnoj vodi sadržavao je 11,24 mg/L NH₄⁺-N, što ukazuje da je niska temperatura smanjila aktivnost nitrifikacijskih i denitrifikacijskih bakterija, što je rezultiralo nepotpunim uklanjanjem onečišćujućih tvari u kanalizaciji. Osim toga, PRA se smanjio na 6,95 mg/L, a performanse unosa fosfora u anoksičnom spremniku i aerobnom spremniku smanjile su se na 2,41 mg/L odnosno 3,61 mg/L, što ukazuje da je smanjenje temperature reaktora inhibiralo učinak uklanjanja fosfora PAO, što je dovelo do smanjenja PRA u anaerobnom spremniku i visoke koncentracije fosfora u efluentu.

(Slika 3 Promjene onečišćenja u tipičnim ciklusima: Uključujući (a) 42. dan AAO procesa, (b) 118. dan AAO procesa, (c) 207. dan AM-AAO procesa, (d) Krivulje promjene koncentracije onečišćujućih tvari na dan 262 AM-AAO procesa. Vodoravna os je proces reakcije, a okomita os je koncentracija (mg/L) svakog onečišćivača (KPK, NH₄⁺-N, NO₃⁻-N, PO₄³⁻-P))

2.3 Promjene u sastavu i sadržaju izvanstaničnih polimernih tvari (EPS) u AAO i AM-AAO procesima

Tijekom eksperimenta utvrđene su i analizirane promjene u sastavu i sadržaju EPS-a 101. dana (proces AAO) i 255. dana (AM-AAO proces), kao što je prikazano na slici 4. Sve u svemu, ukupni sadržaj EPS-a 101. i 255. dana može se pripisati povećanju sadržaja TB-EPS, a PN i PS činili su glavni dio TB-EPS; 101. dana, ukupni sadržaj EPS-a u anaerobnom spremniku, anoksičnom spremniku i aerobnom spremniku pokazao je trend povećanja (0,12 mg/gVSS, 0,29 mg/gVSS, odnosno 0,37 mg/gVSS); među njima se sadržaj EPS-a značajno povećao tijekom faze nitrifikacije, što može biti posljedica aktivnog metabolizma unutarnjih mikroorganizama kada je sustav radio u uvjetima visokog omjera ugljika-na-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 učinke [8]; u ovom eksperimentu sadržaj S-EPS i LB-EPS bio je relativno nizak, što je stvorilo uvjete za rast mulja; u kontinuiranom{23}}protočnom-film hibridnom sustavu, uloga flokulentnog mulja je nezamjenjiva [2].

Osim toga, pravila promjene PN/PS u različitim slojevima mulja u svakom reakcijskom spremniku bila su različita. PN u svakom reakcijskom spremniku uvijek je bio viši od PS. 101. dana, omjeri PN/PS u S-EPS, LB-EPS i TB-EPS mulja bili su 0,06, 1,62, odnosno 2,67, dok su 255. dana bili 0,03, 1,30 i 3,27, što ukazuje da je omjer PN/PS pokazao rastući trend od vanjskog sloja prema unutarnjem sloju stanica mulja. Međutim, kada je temperatura reaktora smanjena na 13 stupnjeva, ukupni sadržaj EPS-a u tri spremnika pokazao je trend povećanja (0,28 mg/gVSS, 0,41 mg/gVSS, odnosno 0,63 mg/gVSS). Razlog može biti u tome što su mikroorganizmi koji se nisu mogli prilagoditi niskim temperaturama umrli ili se autolizirali, a ti su mrtvi mikroorganizmi otpustili EPS, što je dovelo do povećanja sadržaja EPS-a u mulju, ili je niska temperatura potaknula neke psihrofilne mikroorganizme da luče više EPS-a kako bi se prilagodili padu 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 je AM-AAO proces. Vodoravna os je reakcijski spremnik (kraj anaerobnog, kraj anoksičnog, kraj aerobnog) i tip EPS-a (S, LB, TB). Lijeva okomita os je sadržaj EPS-a (mg·gVSS⁻¹), a desna okomita os je omjer PN/PS. Uključuje histograme sadržaja PN, PS i ukupnog EPS-a i linijski grafikon omjera PN/PS).

2.4 Mikrobna raznolikost i dinamička pravila sukcesije zajednice

-Rezultati sekvenciranja visoke propusnosti pokazali su da je broj sekvenci od 14 uzoraka mulja bio 1 027 419, a broj OTU sekvenci svakog uzorka prikazan je u tablici 2. Pokrivenost uzoraka bila je iznad 0,995, što ukazuje da su rezultati sekvenciranja imali visoku točnost. Grupa D01 opisala je početnu strukturu mikrobne zajednice, s visokim Ace indeksom, što ukazuje na to da je mulj bio bogat mikrobnim vrstama na početku-sustava. S transformacijom sustava iz AAO u AM-AAO proces, Ace indeks se smanjio, a bogatstvo mikrobne zajednice u AM-AAO sustavu se smanjilo. Osim toga, smanjio se Simpsonov indeks, što ukazuje na smanjenje raznolikosti mikrobne zajednice. Prema promjeni Ace indeksa, ukupan broj vrsta u mikrobnoj zajednici biofilma anoksičnog spremnika pokazao je trend pada; smanjenje Shannonovog indeksa pokazalo je da se smanjila raznolikost mikrobne zajednice u biofilmu.

Tablica 2 Varijacije indeksa mikrobne raznolikosti

The main phyla with relative abundance >Analizirano je 10% u 14 uzoraka (Slika 5a). Dominantna vrsta u skupini D01 bila je Actinobacteriota (25,76%32,90%), Proteobakterije (21,98%)27,16%), bakteroidota (15,50%18,36%) i Firmicutes (10,37%)13,77%); međutim, relativna zastupljenost Actinobacteriota (16,89%19,16%) i Firmicutes (3,83%)6,52%) u skupini D110 smanjena, a relativna brojnost proteobakterija porasla (32,96%~40,75%). U procesnom sustavu AM-AAO, Actinobacteriota se brzo smanjila, čak na manje od 3% u skupini D237, dok su Proteobacteria (33,72%43,54%), bakteroidota (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 bila slična strukturi aktivnog mulja. U uzorku M237 relativna abundancija Firmicutes smanjena je na manje od 2%, a povećana abundancija Acidobacteriota (5,33%).

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 skupini 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 sustav radio u procesu AM-AAO, relativna brojnost Candidatus_Microthrixa naglo je pala na 0,02% (skupina D237); dok je norank_f__norank_o__norank_c__SJA-28 pokazao trend prvo povećanja, a zatim pada (skupina D237, 1,91%2,91%). Kada je proces stabilno funkcionirao, Azospira je postala jedan od relativno dominantnih rodova (skupina D237, 7,37%18,41%). Osim toga, rodovi biofilma bili su u osnovi slični mulju, a relativne količine norank_f__norank_o__Run-SP154 u M194 i M237 bile su 6,61%~7,66% odnosno 7,43%.

Za analizu je odabrano ukupno 12 rodova i 1 obitelji bakterija-oksidirajućih amonijak (AOB), nitrit-oksidirajućih bakterija (NOB), organizama-akumulirajućih glikogen (GAO) i organizama-akumulirajućih fosfor (PAO) (Tablica 3). Utvrđeno je da u skupini 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 skupini D110 može biti uzrokovano visokim omjerom unutarnjeg refluksa, ali Ellin6067 (0,01%0,02%) nije poremećen. U skupini D194, sustav je radio u procesu AM-AAO, a redukcija HRT-a isprala je NOB i neke AOB. Povećanje dotoka amonijačnog dušika može biti razlog povećanja relativne zastupljenosti gornja tri roda u skupini D237 (Slika 5b). Osim toga, AOB (Nitrosomonas i Ellin6067, 0,03%0,07%) i NOB (Nitrospira, 0,01%)0,02%) u uzorku M237 pokazalo je blago povećanje, što ukazuje da je biofilm pomogao sustavu mulja da postigne proces denitrifikacije.

Postojao je širok raspon PAO u skupini D01, uključujući Acinetobacter, Candidatus_Accumulibacter, Candidatus_Microthrix, Defluviimonas, Pseudomonas i Tetrasphaera. Promjene Candidatus_Microthrix (10,93%~11,88%) i PAO s 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 skupini D237, Candidatus_Microthrix je gotovo eliminiran (0,02%), a PAO-i koji su ga zamijenili da izvrše funkciju uklanjanja fosfora bili su Defluviimonas (0,70%1,07%) i Dechloromonas (0,95%)1,06%); osim toga, također je potvrđeno da porodica Comamonadaceae ima performanse uklanjanja fosfora [8], a relativna brojnost Comamonadaceae u anaerobnom spremniku ili anoksičnom spremniku bila je relativno visoka, otprilike dvostruko veća od aerobnog spremnika. Osim toga, Candidatus_Competibacter i Defluviicoccus bili su dominantni rodovi GAO-a u svim uzorcima, ali je brojnost dvaju rodova u skupini 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 razini roda. Vodoravna os je uzorak, a okomita os relativna brojnost/%. Uključuje glavne vrste kao što su Actinobacteriota i Proteobacteria; (b) Toplinska karta relativne brojnosti na razini roda. Vodoravna os je uzorak, a okomita os su dominantni rodovi. dubina boje označava razinu relativne zastupljenosti)

Tablica 3. Brojnost funkcionalnih skupina u 14 bioloških uzoraka

3 Zaključci

Korištenjem stvarne kanalizacije kao objekta obrade, optimizirani su radni uvjeti procesa AM-AAO. Utvrđeno je da je, kada se proces odvijao pod uvjetima HRT=7 h, temperature oko 25 stupnjeva, unutarnjeg refluksa=250%, SRT=40 d, refluksa mulja=50%, i brzine punjenja anoksičnog spremnika=30%, učinak uklanjanja onečišćivača bio najbolji. Maksimalna stopa uklanjanja NH4⁺-N bila je 98,57%; koncentracija NO3⁻-N u efluentu, koncentracija PO₄³⁻-P, stopa uklanjanja TIN i stopa uklanjanja KPK bile su 6,64 mg/L, 0,42 mg/L, 83,08%, odnosno 86.16%.

Anaerobni spremnik izvršio je dobro uklanjanje organske tvari i otpuštanje fosfora, s 64,51% uklonjenog COD-a i 9,77 mg/L otpuštenog fosfora u isto vrijeme; anoksični spremnik izveo je dobre denitrifikacijske reakcije uklanjanja fosfora; aerobni spremnik izvršio je potpune procese nitrifikacije i unosa fosfora, pri čemu je stopa uklanjanja NH4⁺-N bila 97,85% odnosno 59,12 mg.

Kada je proces AM-AAO stabilno funkcionirao, povećanje AOB (Ellin6067 i Nitrosomonas, 0,02%~0,04% → 0,04%0,12%) i NOB (Nitrospira, 00.01% → 0.02%0,04%) osiguralo je dovoljan napredak nitrifikacije, a stopa uklanjanja NH4⁺-N povećala se za 8,35%; GAO (Candidatus_Competibacter i Defluviicoccus, 1,31%1.61% → 3.49%4,46%) dominira endogeni proces denitrifikacije; rast PAO (porodica Defluviimonas, Dechloromonas i Comamonadaceae, 3,29%)8,67% → 3,79%~9,35%) bio je razlog za održavanje dobrih performansi uklanjanja fosfora; osim toga, struktura mikrobne zajednice biofilma anoksičnog spremnika bila je u osnovi slična onoj aktivnog mulja, što je zajedno jamčilo učinkovitost uklanjanja dušika i fosfora sustava.