厌氧侧流活性污泥内源减量系统微生物群落及代谢响应机制研究

Anaerobic side-stream process (ASSP) can achieve excess sludge reduction effectively at source. And it is widely noted in the wastewater treatment for its ecological friendly for sludge reduction, energy saving, simple to realize in existing wastewater treatment processes. However, the mechanism underlying the ASSP is not clearly identified yet，limiting the application of the process at full scale. The responses of microbial community during the sludge reduction will be explored based on the microbes and the mechanism of biomass proliferation and decay will be clarified in the ASSP. The characteristic of microbial metabolism of the ASSP will be resolved in view of metabolic regulation on the genetic level and intracellular metabolite on the molecular level. The microbial metabolism pathway in the ASSP will be established based on distribution of functional genes and typical intracellular metabolic intermediates. The internal driving and maintenance mechanism of the sludge reduction in view of microbiology in the ASSP will be obtained. This work will provide a new theoretical basis for the clear-cut mechanism of sludge reduction in the ASSP, and thus may play an important role in the promoting the application and development of the ASSP.

厌氧侧流污泥减量工艺能够有效的实现剩余污泥的源头减量，同时因具有 “生态”的减量过程，较低的能耗，易于在现有污水处理工艺上实现等特点而备受业界关注。但针对其污泥减量机制的争议极大阻碍了其在实际工程中的应用。本课题以该工艺污泥微生物为研究对象，考察工艺污泥减量发生过程微生物群落响应机制，揭示该工艺微生物增殖以及衰亡机理。在微生物细胞基因水平及胞内内源性代谢物水平，分析厌氧侧流污泥减量工艺微生物代谢特征；基于微生物种群功能基因以及典型胞内代谢中间物分布，构建该工艺代谢通路，从而揭示工艺污泥减量发生过程基于微生物学的驱动机制。本项目研究成果能够为厌氧侧流污泥减量工艺减量机制的明确，提供新的理论依据，对于推动该工艺的应用和发展意义重大。

厌氧侧流污泥减量技术能够有效的实现剩余污泥源头减量，同时具有较低的能耗、环境友好、易于在现有污水处理工艺上实现等特点被认为是一种具有良好应用前景的污泥原位减量技术。但针对其污泥减量机制的争议极大阻碍了其在实际工程中的应用。本项目以厌氧侧流污泥工艺污泥微生物为研究对象，基于多孔流离填料构建了生物强化厌氧侧流污泥减量系统，在对其运行效能分析的基础上，对其系统微生物群落特征以及功能微生物种群进行分析，进而分析了微生物代谢特征，在微生物群落以及代谢层面对厌氧侧流系统减量机制进行了解析。在厌氧侧流污泥减量系统侧流池中投加多孔流量填料对其进行生物强化，系统总氮以及总磷平均去除率达到79.00%和77.66%，高于参照系统。连续稳定运行120天后，系统污泥表观产率Yobs分别为0.109g SS/g COD，相比参照系统实现了26.4%的污泥减量率。基于高通量测序技术对系统中污泥微生物群落结构进行分析，系统侧流池投加多孔流离填料增加了系统内部的微生物种群丰富性和多样性；同时系统反硝化细菌Azospira和聚磷菌Dechloromonas在反应器中和填料上明显富集，促进了系统脱氮除磷效果提升。填料上明显富集了一些与污泥减量相关功能微生物，主要包括：水解细菌，发酵细菌和缓慢生长的微生物，在这些微生物的共同作用下，系统的污泥减量效果得到提升。进而对系统污泥微生物进行宏基因组分析，在微生物群落结构、基因功能、代谢途径以及碳水化合物酶层面进行分析。与参照系统相比，厌氧侧流污泥减量系统内代谢机制类基因相对丰富度有所降低，但细胞过程和遗传信息这两类基因相对丰富度增加，有利于维持系统内微生物的活性。参与氮代谢和糖酵解代谢的功能基因数量在系统中提高，有助于系统污染物去除和污泥减量的能力增强。基于CAZy碳水化合物活性酶基因功能注释分析，GTs和GHs活性酶基因在强化系统和填料上得到富集，有利于维持微生物活性和加速污泥水解的过程，对提高系统的污染物去除和污泥减量能力具有积极意义。本项目揭示厌氧侧流污泥减量系统污泥减量发生过程微生物学的驱动机制，对于推动该工艺的应用和发展具有重要意义。