تحسين الأداء وتعاقب المجتمع الميكروبي في عملية -التدفق المستمر MBBR الخالية من الأكسجين-AAO لتحسين إزالة النيتروجين والفوسفور من مياه الصرف الصحي البلدية

تحسين الأداء والميكروبيال تعاقب المجتمع لعملية -التدفق المستمر لنقص الأكسجين MBBR-AAO

في السنوات الأخيرة، أصبحت المعالجة المتقدمة لمياه الصرف الصحي في المناطق الحضرية وتحقيق إعادة تدوير الموارد موضوعات ساخنة في مجال البيئة المائية. ومع ذلك، فإن عمليات إزالة النيتروجين والفوسفور التقليدية التي تعتمدها محطات معالجة مياه الصرف الصحي على نطاق واسع لا تؤدي فقط إلى إهدار الموارد بشكل مفرط، بل تؤدي أيضًا إلى زيادة تكاليف التشغيل [1]. علاوة على ذلك، فإن الانخفاض التدريجي في نسبة الكربون - إلى - نسبة النيتروجين (C/N) لمياه الصرف الصحي في المناطق الحضرية والاختلافات في البيئات المعيشية لمختلف المجتمعات الميكروبية الوظيفية أصبحت عوامل مقيدة مهمة لتقنيات معالجة المياه.

تجمع عملية MBBR الهجينة للأغشية الحمأة- بين عملية الحمأة المنشطة وعملية الأغشية الحيوية الحاملة المعلقة لتحقيق إثراء مُحسّن للكائنات الحية الدقيقة الوظيفية، وحل مشكلات احتلال الأراضي الكبيرة وضعف تحمل درجات الحرارة المنخفضة- لعملية الحمأة المنشطة التقليدية [2]. في عام 2008، نجحت محطة Wuxi Lucun لمعالجة مياه الصرف الصحي في مقاطعة جيانغسو، باعتبارها أول محطة لمعالجة مياه الصرف الصحي في الصين تنفذ عملية الترقية وإعادة الإعمار وفقًا لمعايير الفئة IA، في تعزيز تأثير المعالجة عن طريق إضافة ناقلات معلقة إلى نظام الحمأة [3]؛ هو يوبياو وآخرون. [4] قام بدراسة تأثير درجة الحرارة على إزالة نيتروجين الأمونيا والمواد العضوية في MBBR والحمأة المنشطة، وأظهرت النتائج أن درجة الحرارة كان لها تأثير أقل على MBBR ولكن لها تأثير أكبر على الحمأة المنشطة؛ تشانغ مينغ وآخرون. [5] استخدم عملية A²O-MBBR لمعالجة مياه الصرف الصحي المنزلية في المناطق الريفية، مما أدى إلى تحقيق معدلات عالية لإزالة COD ونيتروجين الأمونيا وTP وTN؛ تشو جياتشونغ وآخرون. [2] تم العثور على - من خلال تجارب صغيرة الحجم، حيث ارتبطت درجة الحرارة بشكل إيجابي مع نظام MBBR الهجين للحمأة-، بينما كانت نسبة C/N المؤثرة مرتبطة بشكل سلبي.

يمكن لعملية MBBR (AM-MBBR) لنقص الأكسجين تحقيق إزالة النتروجين وإزالة الفوسفور في خزان نقص الأكسجين، وهي أيضًا عملية إزالة النتروجين للفوسفور (DPR). بالمقارنة مع عمليات معالجة مياه الصرف الصحي التقليدية، يمكن لعملية DPR توفير مصادر الكربون العضوي وتقليل استهلاك الأكسجين. تشانغ يونغ شنغ [6] وآخرون. طورت مفاعل بيوفيلم ذو تدفق مستمر -، وأظهرت النتائج أنه عند درجة حرارة 20 درجة، وتركيز D2O يبلغ 5.5 مجم/لتر، وحمل 2.2 كجم/(م³·ي)، وحالة تهوية متقطعة لاهوائية 3 ساعات/هوائية 6 ساعات، كان متوسط تركيزات COD والفوسفور في التدفق السائل 76 مجم/لتر و0.67 مجم/لتر، مع معدلات إزالة 72.9% و 78.5% على التوالي.

ومع ذلك، بالنسبة لنظام -الأغشية الهجين AM-AAO للحمأة، توجد علاقة معقدة بين الحمأة الندفية المعلقة والأغشية الحيوية المرفقة. ركزت الدراسات السابقة على الممارسات الهندسية مثل تقديم العطاءات وإعادة بناء محطات معالجة مياه الصرف الصحي، ولكن هناك القليل من الدراسات حول النترجة المتزامنة وDPR لتعزيز إزالة النيتروجين والفوسفور في أنظمة AAO -حمأة التدفق المستمر-الأغشية AM-AAO، واستقرار أداء إزالة الملوثات لهذه العملية من خلال تقنية DPR هو أيضًا أحد الصعوبات.

قامت هذه الدراسة بتحسين استراتيجيات التشغيل والتشغيل -للتدفق المستمر (AAO) وعمليات -حمأة التدفق المستمر-الغشائية المختلطة (AM-AAO)، مع التركيز على دراسة تأثيرات معدل التهوية، وجرعة الحشو، ووقت الاحتفاظ الهيدروليكي (HRT)، ونسبة ارتداد سائل النترجة، ونسبة C/N المؤثرة، ودرجة الحرارة على أداء إزالة النيتروجين والفوسفور-على المدى الطويل عملية AM-MBBR وكفاءة إزالة الفوسفور في خزان الأكسجين. وفي الوقت نفسه، تمت دراسة تعاقب المجتمعات الميكروبية وقواعد التغيير للمجتمعات الميكروبية الوظيفية في الحمأة المنشطة والأغشية الحيوية.

1 المواد والأساليب

1.1 الجهاز التجريبي ومعلمات التشغيل

تم استخدام جهاز تفاعل التدفق المستمر -AAO (الشكل 1) في هذه الدراسة. كانت مصنوعة من الزجاج العضوي، بإجمالي 7 حجرات، حجم كل منها 10 سم × 10 سم × 40 سم؛ كان حجم العمل 21 لترًا، وكانت نسبة الحجم لكل خزان تفاعل لاهوائي: نقص الأكسجين: هوائي=2:2:3. تم اعتماد التحريك الميكانيكي في الخزانات اللاهوائية ونقص الأكسجين. استخدم الخزان الهوائي رؤوسًا رملية للتهوية كمهويات مسامية صغيرة وقوة خارجية لخلط الماء-الحمأة، وتم التحكم في معدل التهوية بواسطة مقياس تدفق الغاز. تم التحكم في تركيز D O في الخزان الهوائي للمفاعل عند 2 ~ 3 مجم / لتر؛ كان خزان الترسيب الثانوي عبارة عن أسطوانة بحجم عمل يبلغ حوالي 40 لترًا؛ كان وقت الاحتفاظ بالحمأة (SRT) 40 يومًا، وكانت نسبة ارتجاع الحمأة 50٪. تم تشغيل المفاعل لمدة إجمالية تبلغ 263 يومًا (مقسمة إلى 6 مراحل تشغيل)، وتمت إضافة حشوات البولي إيثيلين إلى خزان نقص الأكسجين بدءًا من اليوم 159 للعمل في وضع AM-AAO. وترد ظروف التشغيل المحددة في الجدول 1.

(الشكل 1 رسم تخطيطي لمعدات معالجة AM-AAO: يتضمن الشكل دلو مدخل المياه، والمضخة التمعجية، وخزان اللاهوائي، وخزان نقص الأكسجين، وخزان هوائي، وخزان الترسيب، ودلو مخرج المياه، بالإضافة إلى الارتجاع الداخلي، وخطوط أنابيب ارتجاع الحمأة، وصمامات الصرف)

الجدول 1: نوع نظام العملية ومعلمات التشغيل

1.2 الحمأة الملقحة ونوعية المياه المؤثرة

تم أخذ الحمأة الملقحة في هذه التجربة من الحمأة الزائدة التي تم تصريفها من خزان الترسيب الثانوي لمحطة معالجة مياه الصرف الصحي. بعد التلقيح، كان تركيز الحمأة (MLSS) في المفاعل 2.3 جم / لتر، وكانت المواد الصلبة المتطايرة للحمأة (MLVSS) 2.1 جم / لتر.

وكان مصدر المفاعل عبارة عن مياه الصرف الصحي المنزلية الفعلية من المطاعم، والتي تم إضافتها إلى المفاعل بعد تصفية الشوائب من خلال شاشة الترشيح. وشملت ملوثاتها NH₄⁺-N (35.0456.54 ملغم/لتر)، NO₂⁻-N (00.42 ملغم/لتر)، NO₃⁻-N (00.05 ملجم/لتر)، COD (362.1605.1 مجم/لتر)، وPO₄³⁻-P (1~5.08 مجم/لتر).

1.3 عناصر الكشف وطرق التحليل

1.3.1 طرق الكشف الروتينية

تم جمع عينات مياه الحمأة من خزان التدفق، والخزان اللاهوائي، وخزان الأكسجين، والخزان الهوائي، وخزان الترسيب، والنفايات السائلة، وتم ترشيحها باستخدام ورق ترشيح بقطر 0.45 ميكرومتر. تم تحديد NH₄⁺-N بواسطة مقياس الطيف الضوئي لنيسلر؛ تم تحديد NO₂⁻-N بواسطة القياس الضوئي للإيثيلينديامين N-(1-naphthyl) ؛ تم تحديد NO₃⁻-N بواسطة قياس الطيف الضوئي للأشعة فوق البنفسجية؛ تم تحديد COD بواسطة كاشف سريع متعدد المعلمات Lianhua 5B-3A COD؛ تم تحديد الرقم الهيدروجيني / D O ودرجة الحرارة بواسطة كاشف WTW Multi3620؛ تم تحديد MLSS بطريقة القياس الوزني؛ تم تحديد MLVSS بواسطة طريقة فقدان الوزن بفرن الاحتراق [7].

1.3.2 استخلاص وكشف المواد البوليمرية خارج الخلية

تعتبر المواد البوليمرية خارج الخلية (EPS) مكونة من السكريات (PS)، والبروتينات (PN)، والأحماض الدبالية (HA). تم فصل واستخراج ثلاثة أنواع من EPS، وهي المواد البوليمرية خارج الخلية القابلة للذوبان (S-EPS)، والمواد البوليمرية خارج الخلية المرتبطة بشكل فضفاض (LB-EPS)، والمواد البوليمرية خارج الخلية المرتبطة بإحكام (TB-EPS). كانت طريقة تحديد PS هي طريقة أنثرون حمض الكبريتيك -، وتم تعديل طرق تحديد PN و HA بواسطة طريقة Folin - Lowry [7].

1.3.3 طريقة حساب معدل إزالة الملوثات

تم استخدام معدل إزالة الملوثات (SRE) لوصف الإزالة الإجمالية للملوثات لنظام معالجة AM-AAO. من بينها، Sinf وSeff هما تركيزات الملوثات للسائل والنفايات السائلة، على التوالي، والتي يمكن أن تمثل التركيزات الجماعية للملوثات مثل NH₄⁺-N، NO₂⁻-N، NO₃⁻-N، COD، وPO₄³⁻-P في التدفق والنفايات السائلة، ملغم/لتر.

1.3.4 طريقة تسلسل الإنتاجية العالية-

تم استخدام طريقة تسلسل الإنتاجية العالية-في Illumina. تم جمع عينات الحمأة من الخزان اللاهوائي، وخزان الأكسجين، والخزان الهوائي في الأيام 1 و110 و194 و237 وتم تسميتها كمجموعة D01 (D01_A1، D01_A2، D01_O)، المجموعة D110 (D110_A1، D110_A2، D110_O)، المجموعة D194 (D194_A1، D194_A2، D194_O)، والمجموعة D237 (D237_A1، D237_A2، D237_O)، على التوالي؛ تم جمع عينات حمأة الأغشية الحيوية في اليومين 194 و237 وتم تسميتها باسم M194 وM237، على التوالي. تم تحليل ما مجموعه 14 عينة من الحمأة لمعرفة التغيرات في المجتمعات الميكروبية. تم استخراج الحمض النووي باستخدام مجموعة Fast DNA SPIN (MP Biomedicals، Santa Ana، CA، USA). تم تضخيم منطقة V3-V4 من جين الرنا الريباسي 16S البكتيري باستخدام الاشعال 338F / 806R. تم تسلسل الأمبليكونات المنقاة على منصة Illumina MiSeq PE300 (Illumina، الولايات المتحدة الأمريكية) بواسطة شركة Shanghai Majorbio Biomedical Technology Co., Ltd. (شنغهاي، الصين) [7].

2 النتائج والمناقشة

2.1-قواعد إزالة الملوثات طويلة المدى في عمليات AAO وAM-AAO

إزالة الملوثات على المدى الطويل- أثناء تشغيل عملية AAO للتدفق المستمر- (المراحل 13) وعملية AM-AAO مع إضافة حشوات البولي إيثيلين المعلقة (المراحل 46) يظهر في الشكل 2.

في المرحلة 1 (1~45 يومًا)، كانت كمية إطلاق PO₄³⁻-P (PRA) في الخزان اللاهوائي، وكمية امتصاص PO₄³⁻-P في خزان نقص الأكسجين (PUAA)، وكمية امتصاص PO₄³⁻-P في الخزان الهوائي (PUAO) 66.06 مجم، 14.22 ملجم، و87.81 ملجم، على التوالي، وتم تحقيق عملية امتصاص الفسفور بشكل رئيسي في الخزان الهوائي. كانت معدلات إزالة NH₄⁺-N وإجمالي النيتروجين غير العضوي (TIN) 92.85% و86.37%، على التوالي، مما يضمن تأثير إزالة النتروجين. بعد الضبط الدقيق للتهوية (DO=2~3 mg/L)، زاد تأثير إزالة NH₄⁺-N إلى 98.68%، وكان تركيز TIN للنفايات السائلة ومعدل الإزالة 1.75 mg/L و95.75%، على التوالي، مما يشير إلى أن الضبط المناسب لـ D O يفضي إلى عمليات النترجة ونزع النتروجين؛ ضعف تأثير إزالة COD في الخزان اللاهوائي (91.60٪). بالإضافة إلى ذلك، لم يكن للضبط الدقيق لـ D2O أي تأثير على التدفق السائل PO₄³⁻-P، بمتوسط ​​0.47 مجم/لتر، وهو ما يتوافق مع استنتاج Yang Sijing et al. [8].

في المرحلة 2 (46 ~ 120 د)، بعد ضبط HRT =8 h، تذبذب أداء إزالة COD قليلاً؛ وصلت القيم القصوى لـ PRA وPUAA وPUAO إلى 148.01 مجم، و81.95 مجم، و114.15 مجم، مما يشير إلى أن الزيادة في التدفق المؤثر لم تؤثر على إزالة الفوسفور، وحافظت على ارتفاع أداء إزالة NH₄⁺-N وTIN. في اليوم 72، تمت زيادة نسبة ارتجاع السائل النترجة إلى 300% و400%. أدت الزيادة في نسبة الارتجاع إلى انخفاض تأثير إزالة TIN، حيث بلغت معدلات الإزالة 80.37% (300%) و68.68% (400%) على التوالي. من اليوم 108 إلى 120، تم تحديد نسبة ارتجاع السائل النترجة لتكون 250٪. كانت كمية إزالة COD في الخزان اللاهوائي عند نسبة ارتجاع سائل النترجة 250% (127.1 مجم/لتر) أعلى من أو تساوي تلك الخاصة بالآخرين (86.2 مجم/لتر، 124.7 مجم/لتر، و128.0 مجم/لتر بنسبة 200%، 300%، و400%، على التوالي)؛ كانت تركيزات الفوسفور السائلة المقابلة لنسب الارتجاع المختلفة 0.52 مجم / لتر، 0.35 مجم / لتر، و0.06 مجم / لتر، مما يشير إلى أن زيادة نسبة ارتجاع سائل النترجة ضمن نطاق معين يمكن أن يعزز إزالة الفوسفور. بالإضافة إلى ذلك، فإن نسبة الارتجاع البالغة 250% تتمتع بأداء جيد في إزالة النتروجين، مع معدل إزالة TIN يبلغ 86.86%.

في المرحلة 3 (121~158 د)، تم تثبيت نسبة ارتجاع سائل النترجة عند 250%. في اليوم 131، تمت زيادة التدفق المتدفق إلى 5 لتر/ساعة، وانخفضت تأثيرات إزالة COD والفوسفور، وكانت تركيزات النفايات السائلة 73.3 مجم/لتر و3.92 مجم/لتر، على التوالي، مما يشير إلى أن الزيادة في التدفق المؤثر أدت إلى تفريغ المزيد من COD دون علاج. بالإضافة إلى ذلك، كان الحد الأقصى لمعدلات إزالة NH₄⁺-N وTIN هو 93.82% و79.12%، على التوالي، ومن بينها NO₃⁻-N أصبح الملوث الرئيسي في النفايات السائلة (4.70 مجم/لتر). في اليوم 139، تم تقليل التدفق المتدفق إلى 4 لتر/ساعة، وكان معدل COD وإزالة النفايات السائلة 55.7 مجم/لتر و85.97%، على التوالي، وهو أعلى من أداء إزالة الكربون عند HRT=5.6 h، مما يشير إلى أن تقليل HRT قد يؤدي إلى انخفاض في تأثير إزالة COD. بالإضافة إلى ذلك، كان الحد الأقصى لمعدلات إزالة NH₄⁺-N وTIN 100% و97.41%، مما يشير إلى أن تعديل العلاج التعويضي بالهرمونات عزز النترجة ونزع النتروجين، لكن العلاج التعويضي بالهرمونات القصير بشكل مفرط قد يؤدي إلى انخفاض في تأثير إزالة النتروجين. لذلك، عندما يكون HRT=7 h، يكفي أن تستمر التفاعلات في كل خزان بشكل كامل، وتكون الزيادة الكبيرة في HRT لها تأثير تعزيز ضئيل على تأثير إزالة النتروجين.

في اليوم 159، تمت إضافة 20% من حشوات البولي إيثيلين المعلقة إلى خزان نقص الأكسجين الخاص بعملية AAO. في المرحلة 4 (159~209 يومًا)، تم تحسين أداء إزالة COD وPO₄³⁻-P. بدءًا من اليوم 172، تمت زيادة تركيز NH₄⁺-N المتدفق إلى 64.17 مجم/لتر (C/N=8.59)، وكان معدل COD وإزالة النفايات السائلة 77.7 مجم/لتر و86.06%، على التوالي. قد يكون السبب هو أن الغشاء الحيوي نما ببطء، وقد ساهمت الحمأة المنشطة بشكل رئيسي في إزالة معظم COD؛ أدت الحشوات المعلقة إلى زيادة معدل إزالة PO₄³⁻-P بنسبة 1.18%. ومع ذلك، فإن الزيادة في NH₄⁺-N المؤثر في خزان نقص الأكسجين أدت إلى الحاجة إلى المزيد من مصادر الكربون لعملية إزالة النتروجين من NO₃⁻-N، والتي لم تكن مواتية لإطلاق الفوسفور وامتصاص PAOs؛ وفي الوقت نفسه، لم تؤدي هذه العملية إلى تقليل NO₃⁻-N بشكل كامل، وكان الحد الأدنى لتركيز النفايات السائلة 7.30 ملجم/لتر. في اليوم 185، تم تغيير HRT إلى 5.6 ساعة، وجد أن تأثير إزالة COD يتقلب قليلاً، مع معدل إزالة 86.05%؛ زاد تركيز المخلفات السائلة PO₄³⁻-P بمقدار 0.05 مجم/لتر، مصحوبًا بزيادة في PUAA (من 13.02 مجم إلى 18.90 مجم)، مما يشير إلى أن الحمأة والأغشية الحيوية بذلتا بشكل تآزري كفاءة معينة في إزالة الفوسفور. بالإضافة إلى ذلك، كانت تركيزات NH₄⁺-N، وNO₃⁻-N، وTIN المتدفقة 10.23 مجم/لتر، و6.52 مجم/لتر، و16.82 مجم/لتر، على التوالي، مما يشير إلى أن تقليل العلاج التعويضي بالهرمونات سيؤدي إلى انخفاض في تأثيرات إزالة NH₄⁺-N وTIN. في اليوم 195، تم تعديل العلاج التعويضي بالهرمونات مرة أخرى إلى 7 ساعات، وفي هذا الوقت، انخفض محتوى الملوثات في النفايات السائلة، واستعاد أداء إزالة النيتروجين والفوسفور وإزالة المواد العضوية في النظام تدريجيًا.

في المرحلة 5 (210~240 يومًا)، تمت زيادة تركيز NH₄⁺-N المتدفق إلى 84.06 مجم/لتر (C/N=6.28)، ولا تزال الحمأة المنشطة تقدم المساهمة الرئيسية في إزالة المادة العضوية. الزيادة في NH₄⁺-N كان لها تأثير ضئيل على إزالة COD. كانت نسبة COD الممتصة في الخزان اللاهوائي 68.02%، وتم امتصاص معظم المواد العضوية بواسطة PAOs في الخزان اللاهوائي وتم تصنيعها في مصادر الكربون الداخلية (PHAs)، وتم إكمال إطلاق الفوسفور اللاهوائي بالكامل [9]. كان الحد الأقصى لـ PRA 72.75 مجم، وكان PUAA وPUAO 35.82 مجم/لتر و48.20 مجم/لتر، على التوالي، لكن المساهمة الرئيسية في امتصاص الفوسفور لا تزال تأتي من الخزان الهوائي. في اليوم 221، تمت زيادة نسبة الملء إلى 30%، وتم تقليل تركيزات NH₄⁺-N وTIN من النفايات السائلة بمقدار 4.49 مجم/لتر و5.16 مجم/لتر، على التوالي؛ من بينها، NH₄⁺-N وNO₃⁻-N تمثل 70.11% و28.75% من TIN للنفايات السائلة، على التوالي. في اليوم 231، تم تعديل تركيز NH₄⁺-N المؤثر إلى 66.34 مجم/لتر، وكان أداء إزالة الملوثات للنظام مستقرًا بشكل أساسي.

في المرحلة 6 (241 ~ 263 يومًا)، تم تنظيم درجة حرارة المفاعل لاستكشاف تأثيرها على إزالة الملوثات. في اليوم 241، انخفضت درجة الحرارة إلى 18 درجة، وانخفض معدل إزالة COD إلى 84.37%، لكن قاعدة تغيير COD لم تتغير بسبب انخفاض درجة الحرارة. كانت نسبة الإزالة في الخزان اللاهوائي هي الأعلى، 62.02%، واستهلكت عملية إزالة الفوسفور في خزان نقص الأكسجين 26.72% من COD، وكان تركيز NO₃⁻-N في التدفق السائل للخزان الهوائي 10.44 مجم/لتر، وبقي 8.50 مجم/لتر من NH₄⁺-N؛ بالإضافة إلى ذلك، كان PRA أقل تأثرًا بدرجة الحرارة، لكن أداء امتصاص الفوسفور في خزان الأكسجين انخفض، مع PUAA فقط 19.77 مجم، وتمت إزالة الفوسفور بمقدار 3.94 مجم / لتر في الخزان الهوائي. نفذت معظم منظمات PAO المحبة للذهان عملية امتصاص الفوسفور الهوائية [10]. عندما تم تخفيض درجة الحرارة إلى 13 درجة، انخفضت معدلات إزالة NH₄⁺-N وTIN بنسبة 6.38% و6.25% على التوالي؛ في الوقت نفسه، انخفض PUAA وPuAO بمقدار 7.77 مجم و15.00 مجم على التوالي، وهو ما قد يكون مرتبطًا بانخفاض النشاط الميكروبي وقدرة النمو والتمثيل الغذائي الناجم عن انخفاض درجة الحرارة. وجد جين يو [11] أنه عندما تكون درجة الحرارة أقل من 14 درجة، فمن الصعب ضمان تركيز الملوثات السائلة في النظام.

(الشكل 2 إزالة الملوثات في عمليات AAO وAM-AAO أثناء التشغيل على المدى الطويل-: بما في ذلك (ج) منحنيات تركيز NH₄⁺-N المتغيرة مع أيام التشغيل، (د) منحنيات NOₓ⁻-N المتغيرة مع أيام التشغيل، (هـ) منحنيات معدل إزالة TIN المتغيرة مع أيام التشغيل. المحور الأفقي هو أيام التشغيل (0 ~ 260 د)، والمحاور الرأسية هي ρ (NH₄⁺-N)/(mg·L⁻¹)، ρ (NO₃⁻-N)/(mg·L⁻¹)، ومعدل الإزالة/%، على التوالي، يتم وضع علامة على كل مرحلة تشغيل على المنحنيات)

2.2 قواعد تغيير الملوثات في الدورات النموذجية لعمليات AAO وAM-AAO

لمزيد من استكشاف آلية إزالة الملوثات في عمليات AAO وAM-AAO، تم تحليل تغيرات تركيز الملوثات في الدورات النموذجية لمراحل التشغيل المختلفة، كما هو موضح في الشكل 3.

في اليوم 42 (المرحلة 1)، كان لعملية AAO أداء جيد في إزالة النتروجين والفوسفور. ومع ذلك، فإن COD عالي التأثير لم يحسن أداء إطلاق الفوسفور، وكان PRA 9.13 ملغم / لتر في هذا الوقت. بالإضافة إلى ذلك، تم استهلاك NH₄⁺-N مسبقًا عند دخول خزان نقص الأكسجين؛ بعد ذلك، قام خزان نقص الأكسجين بتقليل NO₃⁻-N إلى N₂؛ ومع ذلك، فإن الخزان الهوائي أزال فقط 3.52 مجم/لتر من NH₄⁺-N، والذي قد يكون بسبب العلاج التعويضي بالهرمونات الطويل في المرحلة 1 مما يؤدي إلى زيادة في D2O الذي تم إرجاعه إلى خزان نقص الأكسجين، ومعظم NH₄⁺-N قد أكمل النترجة في خزان نقص الأكسجين، مما أدى إلى دخول تركيز منخفض إلى الخزان الهوائي.

في اليوم 118 (المرحلة 2)، مع انخفاض COD المؤثر، تدهور أداء إطلاق الفوسفور ونزع النتروجين. كان تركيز إطلاق الفوسفور في الخزان اللاهوائي 5.91 مجم/لتر، وكان تركيز NO₃⁻-N في التدفق السائل للخزان الهوائي 8.20 مجم/لتر. انخفض تركيز PO₄³⁻-P في خزان نقص الأكسجين إلى 2.78 مجم/لتر، مما يشير إلى أنه تمت إزالة PO₄³⁻-P في خزان نقص الأكسجين. بالإضافة إلى ذلك، تم تثبيت نسبة ارتجاع سائل النترجة عند 250% في هذا الوقت. بالمقارنة مع نسب الارتجاع البالغة 300% و400%، تم تحسين أداء عملية إزالة النيتروجين والفوسفور وإزالة المواد العضوية، مما يشير إلى أن زيادة ارتداد سائل النترجة ضمن نطاق معين يمكن أن يعزز تأثير إزالة الملوثات.

في اليوم 207 (المرحلة 4)، بعد ضبط NH₄⁺-N المؤثر وHRT في عملية AM-AAO، كان معدل إزالة COD هو 86.15%؛ أزال الخزان الهوائي 13.34 مجم/لتر من NH₄⁺-N، وكان تركيز TIN المتبقي 7.51 مجم/لتر، و4.39 مجم/لتر من NO₃⁻-N تم إنتاجه، وأصبح NO₃⁻-N الملوث السائد في النفايات السائلة. لم يكن هناك اختلاف كبير في مساهمة إزالة الفسفور بين خزان الأكسجين والخزان الهوائي. بالإضافة إلى ذلك، فإن زيادة NH₄⁺-N المؤثر لم تؤثر على النترجة، لكن الزيادة في تركيز TIN المؤثر قللت من أداء إزالة النتروجين لعملية AM-AAO، مما أثر على إزالة TIN.

في اليوم 262 (المرحلة 6)، كانت درجة حرارة المفاعل 13 درجة، وكان معدل إزالة COD 83.67% في هذا الوقت. وفي الوقت نفسه، تم إطلاق 6.95 ملغم/لتر من الفوسفور في الخزان اللاهوائي؛ تم استهلاك 20.22 مجم / لتر من NH₄⁺-N بواسطة خزان نقص الأكسجين وتم إجراء عملية إزالة النتروجين، وكان تركيز NO₃⁻-N في التدفق السائل لخزان نقص الأكسجين 5.07 مجم / لتر؛ كان للخزان الهوائي خسارة في TIN تبلغ 1.32 مجم / لتر ؛ كان معدل إزالة TIN 77.00%، ويحتوي TIN المتدفق على 11.24 مجم/لتر من NH₄⁺-N، مما يشير إلى أن درجة الحرارة المنخفضة قللت من نشاط البكتيريا الآزوتية وبكتيريا إزالة النتروجين، مما أدى إلى الإزالة غير الكاملة للملوثات في مياه الصرف الصحي. بالإضافة إلى ذلك، انخفض PRA إلى 6.95 مجم / لتر، وانخفض أداء امتصاص الفوسفور في خزان الأكسجين والخزان الهوائي إلى 2.41 مجم / لتر و3.61 مجم / لتر، على التوالي، مما يشير إلى أن الانخفاض في درجة حرارة المفاعل أعاق أداء إزالة الفسفور لـ PAOs، مما أدى إلى انخفاض PRA في الخزان اللاهوائي وارتفاع تركيز الفوسفور السائل.

(الشكل 3 تغيرات الملوثات في الدورات النموذجية: بما في ذلك (أ) اليوم 42 من عملية AAO، (ب) اليوم 118 من عملية AAO، (ج) اليوم 207 من عملية AM-AAO، (د) منحنيات تغير تركيز الملوثات في اليوم 262 من عملية AM-AAO. المحور الأفقي هو عملية التفاعل، والمحور الرأسي هو التركيز (مجم/لتر) لكل ملوث (COD، NH₄⁺-N، NO₃⁻-N، PO₄³⁻-P))

2.3 التغييرات في تركيب ومحتوى المواد البوليمرية خارج الخلية (EPS) في عمليات AAO وAM-AAO

أثناء التجربة، تم تحديد وتحليل التغييرات في تكوين ومحتوى EPS في اليوم 101 (عملية AAO) واليوم 255 (عملية AM-AAO)، كما هو موضح في الشكل 4. بشكل عام، يمكن أن يعزى إجمالي محتوى EPS في اليومين 101 و255 إلى الزيادة في محتوى TB-EPS، وتمثل PN وPS الجزء الرئيسي من TB-EPS؛ في اليوم 101، أظهر إجمالي محتوى EPS في الخزان اللاهوائي، وخزان الأكسجين، والخزان الهوائي اتجاهًا متزايدًا (0.12 مجم/gVSS، 0.29 مجم/gVSS، و0.37 مجم/gVSS، على التوالي)؛ من بينها، زاد محتوى EPS بشكل ملحوظ خلال مرحلة النترجة، والذي قد يكون بسبب التمثيل الغذائي النشط للكائنات الحية الدقيقة الداخلية عندما تم تشغيل النظام تحت نسبة عالية من الكربون - إلى - نسبة النيتروجين (C / N =5.9) [12]. ومع ذلك، لعب TB-EPS دورًا إيجابيًا في تكوين كتل الحمأة، بينما كان لـ S-EPS وLB-EPS تأثيرات سلبية [8]؛ في هذه التجربة، كانت محتويات S-EPS وLB-EPS منخفضة نسبيًا، مما خلق ظروفًا لنمو الحمأة؛ في النظام الهجين للأغشية -حمأة التدفق المستمر-، لا يمكن استبدال دور الحمأة الندفية [2].

بالإضافة إلى ذلك، كانت قواعد تغيير PN/PS في طبقات مختلفة من الحمأة في كل خزان تفاعل مختلفة. كان PN في كل خزان تفاعل دائمًا أعلى من PS. في اليوم 101، كانت نسب PN/PS في S-EPS وLB-EPS وTB-EPS للحمأة 0.06 و1.62 و2.67 على التوالي، بينما في اليوم 255 كانت 0.03 و1.30 و3.27، مما يشير إلى أن نسبة PN/PS أظهرت اتجاهًا متزايدًا من الطبقة الخارجية إلى الطبقة الداخلية طبقة من خلايا الحمأة. ومع ذلك، عندما تم تخفيض درجة حرارة المفاعل إلى 13 درجة، أظهر إجمالي محتوى EPS في الخزانات الثلاثة اتجاهًا متزايدًا (0.28 مجم/gVSS، 0.41 مجم/gVSS، و0.63 مجم/gVSS، على التوالي). قد يكون السبب هو أن الكائنات الحية الدقيقة غير القادرة على التكيف مع درجات الحرارة المنخفضة ماتت أو تحللت ذاتيًا، وأطلقت هذه الكائنات الحية الدقيقة الميتة EPS، مما أدى إلى زيادة في محتوى EPS من الحمأة، أو دفعت درجة الحرارة المنخفضة بعض الكائنات الحية الدقيقة المحبة للنفس إلى إفراز المزيد من EPS للتكيف مع انخفاض درجة الحرارة في المفاعل [13].

(الشكل 4 التغييرات في محتوى EPS وتكوينه في اليوم 101 (عملية AAO) واليوم 255 (عملية AM-AAO): الجانب الأيسر هو عملية AAO، والجانب الأيمن هو عملية AM-AAO. المحور الأفقي هو خزان التفاعل (نهاية اللاهوائية، نهاية نقص الأكسجين، نهاية الهوائية) ونوع EPS (S، LB، TB). المحور العمودي الأيسر هو محتوى EPS (mg·gVSS⁻¹)، والمحور العمودي الأيمن هو نسبة PN/PS ويتضمن رسومًا بيانية لـ PN وPS وإجمالي محتويات EPS ومخططًا خطيًا لنسبة PN/PS.

2.4 التنوع الميكروبي وقواعد الخلافة المجتمعية الديناميكية السكانية

أظهرت نتائج تسلسل الإنتاجية العالية- أن عدد تسلسلات عينات الحمأة الـ 14 كان 1,027,419، وعدد تسلسلات OTU لكل عينة موضح في الجدول 2. وكانت تغطية العينات أعلى من 0.995، مما يشير إلى أن نتائج التسلسل كانت ذات دقة عالية. وصفت المجموعة D01 البنية الأولية للمجتمع الميكروبي، مع مؤشر Ace مرتفع، مما يشير إلى أن الحمأة كانت غنية بالأنواع الميكروبية عند -بدء تشغيل النظام. مع تحويل النظام من عملية AAO إلى AM-AAO، انخفض مؤشر Ace، وانخفض ثراء المجتمع الميكروبي في نظام AM-AAO. بالإضافة إلى ذلك، انخفض مؤشر سيمبسون، مما يشير إلى انخفاض تنوع المجتمع الميكروبي. وفقًا لتغير مؤشر Ace، أظهر العدد الإجمالي للأنواع في المجتمع الميكروبي للأغشية الحيوية لخزان الأكسجين اتجاهًا تنازليًا؛ أثبت انخفاض مؤشر شانون أن تنوع المجتمع الميكروبي في الغشاء الحيوي انخفض.

الجدول 2: تباين مؤشر التنوع الميكروبي

The main phyla with relative abundance >وتم تحليل 10% في العينات الـ 14 (الشكل 5 أ). كانت الشعبة السائدة في المجموعة D01 هي الأكتينوباكتريوتا (25.76%32.90%، البروتينات (21.98%)27.16%، باكترويدوتا (15.50%)18.36%، وفيرميكوتس (10.37%)13.77%)؛ ومع ذلك، فإن الوفرة النسبية للبكتيريا الأكتينوباكتريوتا (16.89٪)19.16%) والمصانع الثابتة (3.83%)انخفض 6.52٪ في المجموعة D110، وزادت الوفرة النسبية للبكتيريا البروتينية (32.96٪ ~ 40.75٪). في نظام معالجة AM-AAO، انخفضت البكتيريا الشعاعية بسرعة، حتى إلى أقل من 3% في المجموعة D237، بينما انخفضت البكتيريا البروتينية (33.72%)43.54%، باكترويدوتا (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% كانت البروتيوباكتريا (35.26%) والبكتيرويدوتا (30.61%)، مما يشير إلى أن بنية المجتمع الميكروبي للبيوفيلم كانت مماثلة لتلك الموجودة في الحمأة المنشطة. في العينة M237، انخفضت الوفرة النسبية للـ Firmicutes إلى أقل من 2%، وزادت وفرة البكتيريا الحمضية (5.33%).

By creating a heat map (Figure 5b), the 14 samples were compared at the genus level (relative abundance >3%). وقد وجد أن الأجناس السائدة في المجموعة D01 هي Candidatus_Microthrix (11.32%20.65%)، norank_f__norank_o__norank_c__SJA-28 (3.97%6.36%، المشعرة (6.99%)9.95%، والأورنيثينباكتر (3.99%)6.41%)؛ بعد تشغيل النظام في عملية AM-AAO، انخفضت الوفرة النسبية لـ Candidatus_Microthrix بشكل حاد إلى 0.02% (المجموعة D237)؛ بينما أظهر norank_f__norank_o__norank_c__SJA-28 اتجاهًا للزيادة أولاً ثم التناقص (المجموعة D237، 1.91٪2.91%). عندما تم تشغيل العملية بشكل مستقر، أصبحت الأزوسبيرا واحدة من الأجناس المهيمنة نسبيًا (المجموعة D237، 7.37٪)18.41%). بالإضافة إلى ذلك، كانت أجناس الأغشية الحيوية مشابهة بشكل أساسي للحمأة، وكانت الوفرة النسبية لـ norank_f__norank_o__Run-SP154 في M194 وM237 6.61%~7.66% و7.43% على التوالي.

تم اختيار إجمالي 12 جنسًا وعائلة واحدة من بكتيريا الأمونيا المؤكسدة (AOB)، والبكتيريا المؤكسدة النتريت - (NOB)، والكائنات الحية المتراكمة للجليكوجين (GAOs)، والكائنات الحية المتراكمة للفوسفور - (PAOs) في النظام (الجدول 3). وقد وجد أنه في المجموعة D01 يوجد النيتروزوموناس (0.02%).0.03%)، إلين6067 (0.01%)0.02%)، ونيتروسبيرا (0.04%)0.07%) قد يضمن أداء الأكسدة لـ NH₄⁺-N. قد يكون سبب انخفاض النيتروزوموناس والنيتروسبيرا في المجموعة D110 هو ارتفاع نسبة الارتجاع الداخلي، لكن Ellin6067 (0.01%)0.02%) لم ينزعجوا. في المجموعة D194، تم تشغيل النظام في عملية AM-AAO، وتم تقليل تقليل HRT من NOB وبعض AOB. قد تكون الزيادة في نيتروجين الأمونيا المؤثر هي السبب في الزيادة في الوفرة النسبية للأجناس الثلاثة المذكورة أعلاه في المجموعة D237 (الشكل 5 ب). بالإضافة إلى ذلك، AOB (Nitrosomonas وEllin6067، 0.03%)0.07%) وNOB (نيتروسبيرا، 0.01%أظهرت نسبة 0.02%) في العينة M237 زيادة طفيفة، مما يشير إلى أن الغشاء الحيوي ساعد نظام الحمأة على تحقيق عملية نزع النتروجين.

كانت هناك مجموعة واسعة من PAOs في المجموعة D01، بما في ذلك Acinetobacter، Candidatus_Accumulibacter، Candidatus_Microthrix، Defluviimonas، Pseudomonas، وTetrasphaera. التغييرات في Candidatus_Microthrix (10.93٪ ~ 11.88٪) و PAOs مع الوفرة النسبية<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 و 0.31%0.39% [14]. في المجموعة D237، تم التخلص تقريبًا من Candidatus_Microthrix (0.02%)، وكانت PAOs التي حلت محلها لممارسة وظيفة إزالة الفوسفور هي Defluviimonas (0.70%)1.07%) وديكلوروموناس (0.95%)1.06%)؛ بالإضافة إلى ذلك، تم التأكد أيضًا من أن عائلة Comamonadaceae تتمتع بأداء إزالة الفوسفور [8]، وكانت الوفرة النسبية لـ Comamonadaceae في الخزان اللاهوائي أو خزان نقص الأكسجين مرتفعة نسبيًا، حوالي ضعف مثيلتها في الخزان الهوائي. بالإضافة إلى ذلك، كانت Candidatus_Competibacter وDefluviicoccus هي الأجناس السائدة في GAOs في جميع العينات، ولكن وفرة الجنسين في المجموعة D01 كانت<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].

(الشكل 5 تكوين المجتمع الميكروبي: (أ) مخطط شريطي للوفرة النسبية على مستوى الشعبة. المحور الأفقي هو العينة، والمحور الرأسي هو الوفرة النسبية /٪. ويشمل الشعب الرئيسية مثل الأكتينوباكتريوتا والبروتيوباكتريا؛ (ب) خريطة الحرارة للوفرة النسبية على مستوى الجنس. المحور الأفقي هو العينة، والمحور الرأسي هو الأجناس السائدة. يشير عمق اللون إلى مستوى الوفرة النسبية)

الجدول 3: وفرة المجموعات الوظيفية في 14 عينة بيولوجية

3 الاستنتاجات

باستخدام مياه الصرف الصحي الفعلية ككائن معالجة، تم تحسين ظروف التشغيل لعملية AM-AAO. لقد وجد أنه عندما تم تشغيل العملية تحت ظروف HRT=7 h، ودرجة الحرارة حوالي 25 درجة، والارتجاع الداخلي =250%، وSRT=40 d، وارتجاع الحمأة =50%، ومعدل ملء خزان الأكسجين =30%، كان تأثير إزالة الملوثات هو الأفضل. كان الحد الأقصى لمعدل إزالة NH₄⁺-N هو 98.57%؛ كان تركيز NO₃⁻-N، وتركيز PO₄³⁻-P، ومعدل إزالة TIN، ومعدل إزالة COD 6.64 مجم/لتر، 0.42 مجم/لتر، 83.08%، و86.16%، على التوالي.

أجرى الخزان اللاهوائي عمليات جيدة لإزالة المواد العضوية وإطلاق الفوسفور، مع إزالة 64.51% من COD وإطلاق 9.77 ملجم/لتر من الفوسفور في نفس الوقت؛ أجرى خزان الأكسجين تفاعلات جيدة لإزالة الفوسفور. أجرى الخزان الهوائي عمليات نترجة كاملة وامتصاص الفوسفور، مع معدل إزالة NH₄⁺-N وPuAO يبلغ 97.85% و59.12 مجم على التوالي.

عندما تم تشغيل عملية AM-AAO بشكل ثابت، زادت نسبة AOB (Ellin6067 وNitrosomonas، 0.02%~0.04% → 0.04%0.12%) وNOB (نيتروسبيرا، 00.01% → 0.02%0.04%) يضمن التقدم الكافي للنترجة، وزاد معدل إزالة NH₄⁺-N بنسبة 8.35%؛ جاو (Candidatus_Competibacter وDefluviicoccus، 1.31٪)1.61% → 3.49%4.46٪ سيطروا على عملية نزع النتروجين الذاتية؛ نمو الـ PAOs (عائلة Defluviimonas وDecloromonas وComamonadaceae بنسبة 3.29%8.67% → 3.79%~9.35%) كان السبب في الحفاظ على الأداء الجيد لإزالة الفوسفور؛ بالإضافة إلى ذلك، كان هيكل المجتمع الميكروبي للأغشية الحيوية لخزان الأكسجين مشابهًا بشكل أساسي لتركيب الحمأة المنشطة، مما يضمن بشكل مشترك أداء إزالة النيتروجين والفوسفور في النظام.