百迈客合作案例:干扰活性污泥氧气转运的“问题少年”丝状菌(Thiothrix)


英文题目:Thiothrix eikelboomii Interferes Oxygen Transfer in Activated Sludge

发表期刊:Water Research

影响因子7.01

发表时间:2019.2

合作单位暨南大学 环境学院


背景介绍

曝气能为好氧污水处理系统中的微生物提供充足氧气,然而,氧气在水中的溶解度较低,曝气通常需要消耗污水处理系统50%以上的能源,因此,氧转运效率(OTE)的提高对污水处理系统的可持续性运转意义重大。关于污水处理中的OTE问题,悬浮颗粒物(MLSS)、表面活性剂、混合强度、盐度、温度以及粘度对氧气从空气转运至水中的影响都是学者们研究的“宠儿”,很少有人关注微生物。研究表明,菌丝的爆发会导致活性污泥反应器中的OTE降低50%,其中“罪魁祸首”就是丝状微生物。丝状菌是活性厌氧污泥中的“常客”,这些臭名昭著的“无赖”往往会降低污泥的处理性能,然而它们的氧转运研究还未曾报道。可溶物或污泥颗粒引发的菌丝爆发通常伴随OTE的明显下降,活性污泥的优势菌群改变可以影响溶解性微生物产物(SMPs),SMPs(如生物表面活性剂)已被证实有明显的氧转运干扰作用。丝状菌的“细长”菌丝可以改变活性污泥的流体性能(如表观粘度),丝状菌“高产”的胞外聚合物(EPS)(如蛋白、多糖)也能够影响氧转运,尽管菌丝的膨胀与氧转运之间的联系已被很早关注,然而目前仍没有结论。

目的

本文围绕氧转运特征、SMP的产生、EPS的含量与分布、表观粘度(apparent viscosity)以及丝状膨胀污泥(FBS)和絮状物污泥(FFS)的微生物群落进行研究,探究丝状菌对氧转运影响的主要机制,鉴定干扰氧转运的主要微生物种类。

材料方法

1. 活性污泥样本:FBS和FFS分别来自两个处理生活污水的试验规模动态膜生物反应器,两个生物膜反应器均在实验室内运行,FBS中的丝状菌通过倒置荧光显微镜来观察。

2. 氧转运试验:检测容积传氧系数(KLa)和α-因子。

3. 表观粘度的检测旋转粘度计(NDJ-5S)。

4. SMP和TB-EPS分析:糖类和蛋白质是SMP和EPS的主要成分,SMP和EPS的含量计算分别采用硫酸/蒽酮氧化法和修正劳力法(Lowry method)检测糖类和蛋白。

5. 共聚焦激光扫描显微镜CLSM分析:采用荧光素异硫氰酸酯(FITC)、刀豆素A(ConA)和荧光增白剂(CW)作为蛋白、α-D-葡萄糖多糖和β-D-葡萄糖多糖的染色剂和探针。磷酸盐缓冲液(PBS)清洗掉两种活性污泥中的SMP;取50 μL排出水置于200 μL离心管;加50 μL FITC溶液浸染30 min,碳酸氢钠(1M)缓冲液调节PH至9.0;离心管中加入50 μL ConA溶液(0.25 g/L),孵育30 min;最后,在离心管中加入50 μL CW(0.3 g/L),孵育30 min(注:每一步结束后均需要用PBS缓冲液冲洗掉多余探针)。用CLSM捕获污泥样本的结构特征和EPS的组成分布。

6. 污泥絮状物与气泡接触观察倒置荧光显微镜。

7. 微生物群落分析:16S rDNA V3-V4(338R/806F),ITS1/ITS2,illumina Hiseq 2500;物种注释数据库:RDP、SILVA和UNITE;生物信息分析:百迈客微生物多样性云平台(BMK Cloud oline)。

重要结果与讨论

1.  FBS和FFS的氧转运特征

当曝气不变时,FBS的氧转运效率(OTE)急剧降低(80 mL/g-MLSS),污泥体积指数(SVI)较高(>120 mL/g-MLSS);FFS的OTE值保持正常,SVI值低于80 mL/g-MLSS,表明FBS污泥处理性能较差,OTE的降低可能与菌丝的膨胀有关(图1)。

图1. 倒置荧光显微镜观察下的FBS和FFS

FBS和FFS的氧转运效率均低于自来水和排出水,表明活性污泥阻碍了氧转运。污水中的悬浮颗粒物(MLSS)浓度为1800 mg/L时,FBS比FFS的溶解氧(DO)速率显著更慢,FBS和FFS的容积传氧系数(KLa(20))值分别为5.68和10.02 h-1,表明相同曝气条件下的FBS氧转运速率比FFS低44.3%(图2a)。通气速率的加快显著提高了FBS和FFS的KLa(20)值,然而FBS的KLa(20)值和α因子值仍然低于FFS,表明具有大量丝状微生物的FBS氧转运性能比FFS差(图2b; 2c)。

图2. (a)FBS及其排出水, FFS及其排出水, 自来水氧转运试验中的溶解氧浓度(mg/L);不同曝气条件下,FBS和FFS的(b)KLa值;(c)α-因子值;(d)FBS和FFS的溶解性微生物产物(SMPs):蛋白和多糖浓度(mg/L)

2.  溶解氧对氧转运的影响

FBS与FFS的氧转运差异可能与微生物或其他生物产生的溶解氧有关,然而,FBS和FFS所在排出水的KLa(20)值与自来水的KLa(20)值相近,表明溶解氧对两种排出水的氧转运影响不明显。一般情况下,蛋白和糖类是性能良好的污水处理系统排出水中主要的SMPs,它们在FBS和FFS所在排出水中的含量均低于5 mg/L(图2d),该浓度水平一般难以对氧转运产生负面影响。尽管本文未检测生物表面活性剂,然而从自来水和两种排出水的KLa(20)值来看,FBS和FFS的微生物合成的生物表面活性剂不足以抑制氧转运。因此,FBS和FFS的氧转运差异由生物量导致。

 3.  生物量对氧转运的影响

对于FBS和FFS,MLSS>3000 mg/L时的KLa(20)值和α-因子显著小于MLSS<2000 mg/L时的,当MLSS浓度相同时,FBS的KLa(20)值总是显著小于FFS(图3a),表明除了生物量浓度以外,其他的生物特征(如:微生物种类、絮状物形态、表观粘度和生物表面特性)也会影响氧转运。研究表明,由于混和强度、曝气强度以及漫射器的型号等试验条件差异都会影响KLa值,因此α-因子与MLSS的相关性在已发表的案例中变化幅度也较大。因此,MLSS浓度和活性污泥特征(如:丝状微生物)能在很大程度上影响氧转运。

图3. FBS和FFS的MLSS与(a)KLa(20)和(b)α-因子的相关性

4.  表观粘度、MLSS与氧转运的关系

从图2和图3来看,FBS聚集了大量丝状微生物,导致FBS的氧转运能力显著低于FFS。研究发现,反应器中OTE的降低往往伴随着丝状微生物丰度的升高,由此来看,FBS中丝状微生物的膨胀影响了氧转运。

FBS中的丝状微生物有较长的细丝(图1),这些细丝可以通过影响活性污泥的表观粘度间接影响氧转运。从图4a来看,当MLSS浓度相同时,FBS的表观粘度显著高于FFS;当MLSS浓度高于3000 mg/L时,FBS的表观粘度呈指数增长。两个反应器的排出水的表观粘度与自来水相近,表明污水中的溶解氧不影响表观粘度,推测可能是FBS中的丝状微生物增强了污水的表观粘度。一方面,表观粘度的增加会减少气泡或搅拌器上升引起的湍流,液膜更新的降低又会对气-液交界面的氧扩散产生负面影响;另一方面,随着表观粘度的增大,气泡阻力系数增大,气泡上升速度减小,氧的传递又被促进。然而,这种正向促进作用并不会抵消表观粘度的增加对氧转运的负面影响,结果将表现为KLa的减少且伴随着表观粘度的增加。因此,丝状微生物可能是通过增强活性污泥的表观粘度来抑制氧转运的。

不同于KLa(20)值(或α-因子)与MLSS的表现关系(图3),两个污泥样本(FBS和FFS)的表观粘度与KLa(20)值具有一致性(图4b),当表观粘度小于5 mPa·s时,KLa(20)值和α-因子会随着表观粘度的增加而迅速降低(图4b; 4c),这种呈指数的变化与很多研究报道的结果类似。因此,表观粘度(非MLSS)是影响活性污泥氧转运的主要因素,而丝状微生物的大量存在又额外增加了表观粘度。

图4. FBS和FFS的表观粘度与(a)MLSS、(b)KLa(20)和(c)α-因子的相关性。

5.  EPS的分布以及絮状物与气泡的接触

FFS在MLSS浓度为5500-6500 mg/L时的表面粘度(2.09-2.20 mPa·s)与FBS在MLSS浓度为800-1800 mg/L时的表面粘度(1.7-2.53 mPa·s)较为接近(图4a),然而,当两者的表面粘度相等时,FBS的KLa(20)显著低于FFS(图4b,红色虚线椭圆),表明除了表观粘度以外,丝状微生物还可能通过其他的途径阻碍氧转运。

图5. (a) FBS和FFS的胞外聚合物(EPS)浓度比较;共聚焦激光扫描显微镜(CLSM)拍摄的FBS(b)蛋白,(c)α-多糖,(d)β-多糖,(e)所有EPS;CLSM拍摄的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,又是污泥絮状物的重要组成部分,它们通常位于细胞壁外围,极大地影响了细菌的表面特征和絮凝能力。从图5来看,FBS的氧转运能力较差,FBS的两种胞外聚合物(蛋白和多糖)浓度均低于FFS。从图6来看,FBS的大量丝状菌菌丝直接粘附于气泡-水交界面,柔软又纤细的菌丝难以刺破气泡(图6a),因此在曝气的时候,粘附与气-液交界面的“细、长”菌丝降低了液膜更新、增加了液膜厚底,直接阻止了氧转运,导致液膜转运系数(KL)降低;FFS的絮状物棱角分明、形态稳定,与气泡的接触面积小于FBS的丝状菌(图6b)。因此,氧转运的阻碍不仅受到表观粘度增加的影响,还受到丝状菌菌丝与气泡直接接触的影响。另外,细菌表面特性对氧转运的影响仍需要进一步研究。

图6. 静止状态下的(a)FBS和(b)FFS的污泥絮状物与气泡的接触

6.  微生物群落结构

FBS和FFS的菌群结构如图7所示。FBS和FFS含有大量的共有菌,其中丝硫菌属(thiothrix)、球衣菌属(Sphaerotilus)、古字状菌属(Runella)、meganema(甲基杆菌科分类下的属)、纤毛菌属(Leptothrix)、金黄杆菌属(chryseobacterium)、毛球菌属(Trichococcus)、黄杆菌属(Trichococcus)、isosphaera(浮霉菌科分类下的属)和浮霉菌科(planctomycetaceae)是FBS和FFS丰度排名前十的菌; FBS和FFS的优势菌存在差异,未分离培养(uncultured)的噬纤维菌(cytophagaceae)和鞘脂杆菌(sphingobacteriales)分别在FBS和FFS中丰度最高;FFS和FBS的所有菌在各自反应器的排出水中均被检测到。从图8来看,丝硫菌属(thiothrix)在FFB中的相对丰度超过8.5%,而在FFS中数量极少,丝硫菌属(thiothrix)的长菌丝(0.5-1.5 μm)会连接污泥絮状物,导致污泥降解能力降低,污水的表面粘度增加;尽管球衣菌属(Sphaerotilus)和古字状菌属(Runella)在FFS和FBS中的丰度均较高,但它们的菌丝较短,对污泥沉降、表观粘度和氧转运的负面影响较小;其他丝状细菌的丰度较低,影响程度较小。因此推测,丝硫菌属(thiothrix)就是影响FBS氧转运的最大“元凶”。从种水平来看,丝硫菌属(thiothrix)分类下的eikelboomii是FBS的优势菌,至此,“真凶”也基本确定。

图8. FBS和FFS的丝状菌的相对丰度、产生物表面活性剂菌的相对丰度

eikelboomii是污水处理系统污泥中的“常客”,它可以在高硫环境中异养生长。研究表明,与eikelboomii具有相似形态特征的其他同属菌种,以及具有长菌丝的微丝菌( Microthrix parvicella),它们对活性污泥的表观粘度和氧转运也有负面影响。

目前,已经报道有超过30种微生物能够合成生物表面活性剂,其中3种出现在本研究的FBS和FFS样品中,它们分别是气单胞菌属(aeromonas)、肠杆菌属(enterobacter)和不动杆菌属(enterobacter)(图8)。然而,FBS中的肠杆菌属(enterobacter)和不动杆菌属(acinetobacter)相对丰度(0.24%和0.08%)明显低于FFS(0.81%和0.63%),表明FBS中细菌合成的生物表面活性剂不是降低氧转运的“主谋”。

总结

Thiothrix eikelboomii,一种常见的污泥膨胀丝状菌,能够干扰污水处理系统中的氧传递。在生物量相同的情况下,丝状菌提高了污泥的表观粘度(apparent viscosity),导致丝状膨胀污泥(FBS) 比絮状污泥(FFS)的容积传氧系数(KLa)降低了43%。即使在表面粘度相同的情况下,FBS的KLa值仍低于FFS。附着于气泡表面的大量微小、自由游动的菌丝能引起液膜更新降低和液膜厚度增加,丝状菌胞外的类似表面活性剂的“两亲分子”聚合物(EPS)(蛋白、多聚糖)阻碍了氧转运,因此,菌丝特殊的表面性状及其它们与气泡的相互作用影响了氧转运。本研究发现,具有较长菌丝的丝状菌Thiothrix eikelboomii能够降低KLa值,而菌丝较短的丝状菌并不影响氧转运。污泥膨胀的控制不仅利于污泥处理,而且利于氧转运。

关键词:

1.  膨胀污泥比絮状污泥的KLa值低;

2.  丝状微生物能够提高污泥的表观粘度;

3.  菌丝能够阻碍液态膜上的氧转运;

4.  丝硫菌(Thiothrix eikelboomii)是膨胀污泥主要的丝状微生物;

5.  菌丝膨胀控制好,节约能源没烦恼!

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