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厌氧氨氧化生物质在有氧预处理城市污水中的活性和生长

MAR-FISH 16S rRNA基因靶向扩增子测序反硝化作用

摘要

基于厌氧氨氧化（厌氧氨氧化）细菌直接处理城市废水（MWW）有望将废水处理的能量平衡转变为中性甚至是积极的。目前，厌氧氨氧化工艺已经全面成功实施，用于高浓度废水的处理，但其主流应用的可能性仍需要证实。在这项研究中，厌氧氨氧化物生物在经过有氧预处理的城市废水（MWW_预处理）上的生长，用亚硝酸盐进行了修正，在三个平行反应堆中得到了证实。如MWW所预期的，反应器在5e20mg_n∙L¹的总N浓度下操作。在29℃达到高达465mg_nd¹的Anammox活性，最小倍增时间为18天。将温度降至12.5℃导致活性显着降低至46mg_n（倍增时间为79天），仍然在从MWW自养氮去除的合理范围内。在实验期间，生物质从悬浮的生长接种物进化为具有悬浮的絮状物和壁附着的生物膜的混合系统。同时，MWW_预处理对工艺性能有直接影响。将流入物从合成培养基更换为MWW_预处理导致净厌氧氨氧化菌生长延迟两个月，并且厌氧氨氧化菌生物的估计倍增时间增加两到三倍。有趣的是，厌氧氨氧化仍然是主要的氮消耗途径，高通量16S rRNA基因靶向扩增子测序分析显示，性能的变化与显性厌氧氨氧化细菌（^“Candidatus Brocadia fulgida^”）的变化无关。此外，在易于生物降解的有机物（乙酸盐，葡萄糖）存在下仅观察到有限的异养反硝化作用。观察到的净厌氧氨氧化酶生长延迟 因此归因于初始厌氧氨氧化物种群的适应性和/或有益于它们的侧群的发展。另外，通过组合微放射自显影和荧光原位杂交，证实该过程中涉及的厌氧氨氧化菌生物不直接掺入或储存经修饰的乙酸盐和葡萄糖。总之，这些研究强烈支持通过厌氧氨氧化酶处理MWW的可行性。

*通讯作者。Eawag：瑞士联邦水生科学与技术研究所，U berlandstrasse 133，CH-8600Duuml;bendorf，

瑞士

电子邮件地址：michele.laureni@eawag.ch（M。Laureni）。1

现址：代尔夫特理工大学生物技术系，Julianalaan 67，NL-2628 BC Delft，荷兰。2

现在的地址：奥尔堡大学化学与生物科学系，Fredrik Bajers Vej 7H，DK-9220丹麦奥尔堡。http://dx.doi.org/10.1016/j.watres.2015.04.026

0043-1354 /copy;2015作者。由Elsevier Ltd.出版。这是CC BY-NC-ND许可下的开放获取文章（http:// creativecommons. org/ho扫雷 es (nc-nd/)).

copy;2015作者。由Elsevier Ltd.出版。这是CC BY-NC-ND许可下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/).

介绍

从城市废水（MWW）中去除氮以减少其对环境的不利影响（Galloway等，2003）。通常，首先通过自养硝化将铵有氧地氧化成亚硝酸盐和硝酸盐，然后通过异养反硝化（部分）还原成二氮气。这种途径虽然允许可靠的氮去除，但在能量方面要求很高（例如，用于曝气的鼓风机，用于反硝化的进水有机负荷的需求并因此减少生物气产量）和成本（例如污泥处理）。在20世纪90年代中期发现了厌氧氨氧化（厌氧氨氧化）细菌，其能够以亚硝酸盐作为末端电子受体进行自养铵氧化（Mulder等，1995）。今天，基于厌氧氨氧化的工艺被认为是MWW应用中生物脱氮最有前景的替代方法（van Loosdrecht和Brdjanovic，2014），其潜力与厌氧消化相结合，将废水处理的能量平衡转化为中性甚至是正的（ Siegrist等人，2008）。

原则上，基于厌氧氨氧化酶的直接MWW处理将允许有机物（COD）和氮的去除的分离。确实可以通过高速活性污泥或物理化学过程（Versprille等人，1985）在第一步中去除COD，然后可以在厌氧消化中将去除的有机物的能量含量增值。接下来，在部分亚硝化（将一半铵氧化成亚硝酸盐）后，可以通过厌氧氨氧化自养处理富氮液体馏分和消化上清液。这将导致氧气消耗的显着减少和沼气产量的增加（Siegrist等人，2008）。迄今为止，基于厌氧氨氧化物的工艺对于在嗜温条件下具有高氮浓度的废水构成了稳健可靠的处理，并且已在全世界安装了100多个全尺寸工厂（Lackner等人，2014）。然而，尽管实验证据越来越多，但使用基于厌氧氨氧化的工艺直接处理真实MWW的可能性仍未得到充分证实。

保持氮气去除率高于50 g_nd（例如城市污水处理的典型值）并在10e25℃的温度下可靠地达到所需的出水水质，这代表了目前全面应用的主要挑战（例如Gilbert等人（2014年） ））。已经报道了温度降低对厌氧氨氧化酶活性的显着影响（Isaka等人2008; Lotti等人2015）。

然而，在MWW范围内的氮浓度下，已经获得了CODfree合成废水的概念证明。组合的部分亚硝化/厌氧氨氧化反应器已在12℃（Hu等人，2013）和10℃（Gilbert等人，2014）中稳定地操作。然而，据报道，体积厌氧氨氧化酶活性的范围相对较低（Gilbert等，2014）。

此外，真实MWW中有机物的复杂混合物的存在可直接影响厌氧氨氧化的性能（例如甲醇毒性（Guuml;ven等人，2005））或间接影响（例如培育竞争性微生物物种（Lackner等人，2008））。到目前为止，人们对MWW组合物对过程性能，厌氧氨氧化代谢和微生物群落整体结构的内在影响知之甚少，例如在源分离尿液处理的情况下观察到的（Buuml;rgmann等人2011）。只有少数研究工作集中于实际MWW，即预置稀释原料MWW（De Clippeleir等人2013）或亚硝酸盐修正二级澄清器流出物（Ma等人2013）和需氧量预处理MWW（Lotti等人2014） 。所有这些研究仅限于颗粒或生物膜，并且没有关于悬浮生长型氨基磺酸盐污泥用于主流应用的信息。此外，MWW的直接影响尚不清楚。

此外，没有确凿的证据表明处理真正的MWW是否会选择特定的厌氧氨氧化物种。最近公布的基于荧光原位杂交（FISH）的结果突出了 ^“Candidatus Brocadia fulgida^”作为MWW中的优势种（Lotti等人，2014）。然而，据作者所知，在MWW应用中没有可用于厌氧氨氧化物候选物种的DNA测序数据。

目前的工作目标是评估厌氧氨氧化物协会在主流应用相关条件下在MWW上生长的可能性。三个平行反应器用厌氧氨氧化物污泥接种处理消化器上清液并最初在29℃下操作以研究：（i）厌氧氨氧化酶活性和预处理MWW的生长速率和（ii）MWW对厌氧氨氧化酶和氮营业额，优势种群动态和基质竞争的总体人口。还评估了温度降低对嗜冷条件（12.5℃）的影响。通过定量FISH，微放射自显影结合FISH和高通量16S rRNA基因靶向扩增子测序有效补充反应堆水平的过程性能研究，以获得有关微生物组成和生态生理学的信息。

材料和方法

2.1. 反应堆运行

操作三套基于厌氧氨氧化的序批式反应器（SBR; 12L工作体积）。将其中两个（R1和R2）用两种不同的悬浮亚硝化/厌氧氨氧化污泥接种处理消化器上清液。用来自全尺寸反应器（WWTP Werdholzli，Zu，uml;，瑞士）的生物质接种R1。R2从其他地方描述的pilotscale反应器接收生物质（Eawag，400L;（Joss等人，2011））。两种反应器均在29plusmn;2℃下操作，总N浓度在5e20 mg_n∙L¹范围内，正如主流应用所预期的那样，具有三个不同的操作阶段：

阶段I：首先测试联合亚硝化/厌氧氨氧化物与悬浮污泥的可能性，反应器在微好氧条件下运行（空气供应控制在溶解的O₂浓度lt;0.05mg_o2）并且预先加入经处理的城市废水（MWW_预处理，如下所述）。每个SBR循环包括五个步骤：沉降（30分钟），进料（3L MWW_预处理），缺氧混合（30分钟），通气（可变持续时间，当NH^thorn;4达到浓度lt;2mg时终止_n）和缺氧混合（30分钟）。循环持续时间在3到10小时之间变化，取决于活动。

阶段II：为了在典型的MWW条件下特异性地测试厌氧氨氧化活性，在没有O₂供应的情况下操作反应器并且用合成废水（MWW_合成的，如下所述）进行操作。每个SBR循环由三个步骤组成：沉降（30分钟），进料（1L MWW_预处理），缺氧混合（持续时间在3和8小时之间，取决于活性）。NO₂通常在缺氧阶段的前半部分内被耗尽，剩余时间留下用于释放N₂气泡。

阶段III：为了评估厌氧氨氧化物协会在MWW上生长的可能性，将进料改变为补充有NH^thorn;4和NO₂的MWW_预处理，并且反应器如在阶段II中缺氧操作。根据MWW中设定的N浓度_预处理（见下文），进料量

在R1和R2中，umes分别为3和1L。

向第三反应器（R3）接种来自R2的一半生物质，然后在不同的温度水平下运行

（12.5plusmn;1e29plusmn;2℃）在MWW_预处理上补充NH^thorn;4和NO₂作为第二阶段的R2。在所有反应器中，通过加入0.5mol L¹HCl将pH控制在7.3plusmn;0.2的范围内。

2.2. 底物（MWWpre处理，MWW合成）

来自Duuml;bendorf市（瑞士）的城市废水在12L曝气SBR中进行初级沉淀后进行预处理，在1d污泥停留时间（SRT）下去除COD。总溶解COD和可溶性COD均获得gt; 75％的去除效率。预处理的城市废水（MWW_预处理）显示以下组成：71plusmn;19 mgCODtot,47plusmn;13 mgCODsol∙L1,19plusmn;6 mgNH4-N∙L1，lt;0.3 mg_n的NO₂和NO₃，EC 1.9e2.4 mS / cm和pH7.7 plusmn; 0.1.MWW_预处理在阶段I期间直接进料到R1和R2。在阶段III中，MWW_预处理首先在外部50L桶中补充NH^thorn;4和NO₂以达到20mg_n ）对于R1和R3的进水中R1和6

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