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低温氧化沟处理高效城市废水：活性污泥中的细菌群落结构
- 达到了高效的低温污染物去除和良好的污泥沉降性能。
- 在较低温度下，硝化细菌的相对丰度较高。
- 超低污泥负荷高DO，有效保证了良好的WWTP运行。
温度是影响活性污泥中微生物活性的关键因素。 水温低通常会降低废水处理效率，破坏污泥的沉降性。 本研究采用城市污水处理厂(WWTP)实施氧化沟工艺的活性污泥样品，通过高通量16SrRNA基因测序，研究了在寒冷地区（中国新疆）运行良好的系统的细菌群落特征。 结果表明，冬季进水温度为7-12°C
夏季为13-17°C，而样品的污泥体积指数(SVI)在51~74mL/g之间。
化学需氧量(COD)、生化需氧量(BOD)的平均去除效率5)、悬浮固体(SS)、氨氮(NH 总氮、总磷分别为94%、95%、95%、91%、73%和89。 细菌分布于32门559属。 优势门为蛋白质细菌（28.85%-48.45%)、类杆菌(20.00%-31.22%)、氯曲菌(3.59-12.23%)、放线菌(1.58-15.54%)和飞虱(1.38-10.49%）。黄杆菌（0.32-8.14%)、铁杆菌(0.36-5.19%)和硝基苯(0.084-5.37%）与暖区WWTPs不同。 与以往的研究相反，当温度降低时，氨氧化细菌(AOB；亚硝酸单胞菌和亚硝酸根科)和亚硝酸盐氧化细菌(NOB；亚硝酸根)的相对丰度增加。 这一WWTP的成功运行表明，冷区WWTPs通过同时保持氧化沟中超低的污泥负荷和高溶解氧浓度，可以达到良好的污染物去除效率。 本研究的结果为WWTPs在寒冷地区的有效和稳定运行提供了所需的基本知识。
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- 导言
氧化沟工艺是利用封闭式沟状曝气池对常规活性污泥工艺进行改造，可实现环槽内交替缺氧区有机碳，氮，磷的同时去除(Terashima等人，2016年；Han等人，2018年). 氧化沟工艺因其去除效率高，运行成本低，管理要求低，被广泛应用于污水处理厂(WWTPs)(张等人，2016年)。 氧化沟系统中的微生物群落决定了污染物的去除效率(Miura等人，2007年)。 许多研究证实，废水温度是影响微生物生长速率、繁殖和代谢(Nedwell，1999年；Morales等人，2016年). 寒冷地区的经验-
低平均年温度(1-15°C)，包括大多数
加拿大、美国北部、北欧、俄罗斯和中国北部(维特格伦和Maelig;赫勒姆，1997年)。 低温对氧化沟工艺有几个负面影响，微生物活性和底物利用率经常下降，导致废水处理性能恶化(萨尔维蒂
等人，2006年；杨等人，2013年；周等人，2018年)。 同时，低温降低活性污泥絮体和污泥沉降性能，导致污泥膨胀(克里希纳和 Van Loosdrecht，1999年；Duan等人，2016年).
在寒冷地区，大多数WWTPs在污泥膨胀方面存在困难，由于极端寒冷和漫长的冬季，处理效果较差。 在北欧，冬季低温条件下WWTPs污泥体积指数(SVI)的增加表明污泥沉降性的恶化程度较高(Gurung等人， 2017)。 在东北地区，如沈阳，哈尔滨和牡丹江，由于低温，WWTPs中氨氮的去除率显著降低，导致处理性能不理想(崔等人，2012年；刘等人，2019年)。 西北地区新疆污水处理厂处理效率低下、冬季污泥膨胀严重(徐等人。， 2018)。 然而，一个WWTP使用氧化沟工艺位于新疆最北部，经历干旱和寒冷的条件，冬季持续半年和最低温度-
真值低于50°C，显示出有效的去除污染物和
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污泥沉降性能好，尽管冬季和夏季的水温分别为7-12°C和13-17°C，年进水温度在180天内低于12°C。 目前，关于WWTPs中活性污泥细菌群落结构的研究报道较少，这些研究不仅能保持良好的污泥沉降性能，而且能有效地去除低温下的污染物。
研究表明，活性污泥中可培养微生物的比例小于所有微生物的1。 因此，传统的与培养无关的生物分子技术，如变性梯度凝胶电泳(DGGE)(Hesham等人，2011年荧光原位杂交(FISH)(Luxmy等人，2000年和限制性片段长度多态性(RFLP)(Eschenhagen等人，2003年)，不能有效地检测活性污泥中许多低丰度微生物的存在，因此不能充分揭示活性污泥的微生物结构和组成(夏等人，2010年；Wang等人。， 2012)。 高通量测序技术由于其高容量，低成本和精确定量，逐渐成为提供丰富，真实，可靠的基因序列信息以重建微生物群落的重要高效工具(Salipante等人，2014年). 在废水处理方面，已经进行了许多研究来探索WWTPs中活性污泥的细菌群落(Metch等人。， 2019年；Awolusi等人，2018年). 从这些研究可以看出蛋白质细菌，细菌，氯福莱西(秦等人，2018年)，Saprospiraceae，Comamonadaceae，Anerolineaceae，Nirrospira，Dechloromonas，Candidatus_堆积菌最常被鉴定为优势菌，在功能上与WWTPs活性污泥中的水解，硝化，反硝化和生物除磷有关(陈等人，2016年).
本研究采用16SrRNA基因高通量测序技术，对位于中国阿勒泰市的WWTP氧化沟活性污泥中的细菌群落结构进行了分析。 本研究的目的是探讨冷区微生物群落的特征，并建立特定的操作条件，以保持良好的沉降性能和低温处理效果。 本研究收集的信息将为如何控制冷区WWTPs污泥膨胀，保持良好的污泥沉降性能，以及提高处理效果和运行效率提供参考或理论依据。
-
材料和方法
- 活性污泥样品采集
在2016年1月至2018年1月期间，从位于新疆阿勒泰市（中国）的WWTP氧化沟好氧段采集标记为ALT1-9的活性污泥样品(n=9。 在本研究中，氧化沟的流型特征是局部区域的推流，但总体上完全混合。 连续两年取样，在氧化沟好氧段结束时从同一地点采集。 有关样品的详细信息载于
表1。 如图所示表1大多数样品在8.5~11.5°C之间的温度下采集，所有样品的SVI值均在51~74mL/g之间。 WWTP的设计规模为1.5104 m3/d。 主要WWTP进水为城市污水，出水执行GB18918-2002lt;污水综合排放标准gt;1B类(周等人，2018年)。 该WWTP的混合液悬浮固体(MLSS)为4800mg/L，污泥负荷为0.077kgBOD5d.活性污泥样品在80°C°黑暗中储存，直到进一步使用。
times;
-
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- 水质和污泥监测的分析方法
下列项目中化学需氧量(COD)，生化需氧量(BOD5)、悬浮固体(SS)、氨氮(NH 按标准法测定总氮(TN)、总磷(TP)和MLSS。 具体而言，COD采用开放回流法测定。 博德5 用5天BOD试验测量，包括填充样品、溢出、指定大小的密闭瓶并在指定温度下孵育5天、初始和孵育后测定溶解氧以及BOD5 是从初始溶解氧与最终溶解氧的差异。
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表1
关于本研究中所做样本的详细信息。
|
样本 |
取样日期 |
温度(°C) |
SVI（升/克） |
|
备选案文1 |
01-13-2016 |
8.7 |
54 |
|
备选案文2 |
10-09-2016 |
13.6 |
51 |
|
备选案文3 |
12-14-2016 |
10.4 |
55 |
|
备选案文4 |
01-06-2017 |
8.5 |
64 |
|
备选案文5 |
05-03-2017 |
11.5 |
72 |
|
备选案文6 |
07-11-2017 |
17.4 |
74 |
|
备选案文7 |
09-21-2017 |
15.2 |
65 |
|
备选案文8 |
11-18-2017 |
11.5 |
57 |
|
备选案文9 |
01-03-2018 |
8.6 |
59 |
-
- DNA提取和PCR扩增
活性污泥样品送至MajorbioBio-Pharm科技有限公司。 有限公司。 （中国上海）用于DNA提取和PCR扩增。 E.Z.N。 采用土壤试剂盒(OmegaBio-Tek，NorCross，GA，美国)对污泥样品进行微生物DNA提取。 用纳米滴2000紫外-可见分光度计(ThermoScience，Wilmington，USA)测定最终DNA浓度和纯化，用1%琼脂糖凝胶电泳检测DNA质量。 用引物515F扩增细菌16SrRNA基因V4-V5高变区 (50 -gtgccagcmgccgcgg- 30 )及907R (50 -ccgtcaattcmtt
特拉吉特-30 在热循环PCR系统上(基因Amp9700，ABI，美国)。 将PCRS执行一式三份，20mL反应混合物，含4mL的5times;FastPfu缓冲液，2mL的2.5mMdNTP，每个引物0.8mL(5mM)，FastPfu聚合酶0.4mL，模板DNA10ng。 用AxyP准备DNA凝胶提取试剂盒(AxygenBiosciences，UnionCity，CA，USA)与QuantiFluor-ST系统(Promega，USA)一起定量，首次从2%琼脂糖凝胶中提取PCR产物，并进行进一步纯化。
-
- 伊利米娜测序和数据分析
纯化的扩增子以等摩尔浓度集合，并在IlluminaMiSeq平台上(Illumina，圣地亚哥，美国)按照Majorbio生物制药技术有限公司（中国上海)的标准协议进行配对测序(2300）。 原始读取被上传到NCBI序列读取存档(SRA)数据库中，记录在登录号SRP198327下。 数据分析使用i-Sanger平台(http:// www.i-
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