STE污水处理新年力作：微量铁盐强化生物除磷，经济又高效！
近日，派索诺生物科技与武汉科技大学合作在 of the Total（最新影响因子5.589）上发表论文，该研究以添加不同浓度铁盐的SBR反应器为研究对象，结合反应器的污水处理性能，采用指数分析法、污泥镜检、二代高通量测序技术探究微量及常规铁盐添加对反应器微生物群落结构及除磷性能的影响，为更加经济高效的生物除磷与化学除磷提供依据，为除磷一体化应用提供理论依据。
背景
污水除磷是污水处理的重要环节，强化生物除磷（EBPR）是目前污水除磷的主要方法，主要采用聚磷菌PAOs。但由于微生物群落结构易受环境变化影响，强化生物除磷（EBPR）仍是污水除磷的主要方法。除磷体系难以长时间维持稳定状态，因此工业实践中会结合化学除磷来提高除磷效果。
化学除磷是通过投加铁盐、铝盐等金属盐混凝剂来增强污水的除磷效果，硫酸亚铁是常用的混凝剂，对于5mg/L含磷废水，所需的铁盐投加量为0.24-0.35mM，但投加较高浓度的铁盐会影响污水处理厂的生物除磷、脱氮效果，同时也会增加化学药剂成本和剩余污泥的产量。
为了平衡生物除磷与化学除磷的效果，本研究采用微量铁盐投加（0.02mM）来运行污水处理厂，探究微量铁盐投加对污水处理综合性能的影响。
目的
探索通过添加微量铁盐来强化生物除磷的策略。
研究方法
测序技术：MiSeq高通量测序平台
测序方式：微生物组细菌16S rRNA基因V3V4区测序
实验对象：SBR反应器
试验设计：采用3个相同装置的SBR反应器R1～R3，其中R1为空白对照组（不投加铁盐），R2为微量铁盐投加组，R3为常规铁盐投加组，评价SBR反应器的污水处理性能、污泥微形貌及微生物群落，综合评价不同规格铁盐投加量对污水除磷效果的影响。
主要发现
1.污泥反应器性能评估
图1a显示R1、R2、R3的COD去除率分别为88.7%、92.9%、93.0%，三组NH4+-N去除率均在97%以上（图1b）。铁盐添加组R3略有下降，而微量铁盐添加组R2有较高的去除率（图1c）。从R1到R3，磷的去除率分别为77.3%、83.1%、86.6%（图1d），说明铁盐的添加可以提高磷的去除效果。
对废水处理过程第66天的COD、N、P的循环规律进行评估（图2）。如图2a所示，在厌氧阶段，COD去除率R2组最高，R3组最低，说明微量铁盐的添加可以刺激微生物对挥发性脂肪酸（VFA）的吸收，而常规铁盐的添加会抑制微生物对VFA的吸收。此外，在厌氧阶段，磷的释放量R2组最高（图2d），氨的释放量，而去除率R3组最低（图2b），说明过量添加铁盐不利于硝化作用。同时，R3组中较高的硝酸盐和亚硝酸盐浓度表明过量的铁盐会影响反硝化作用（图2c）。
图1 铁盐投加量对COD(a)、NH4+-N(b)、TN(c)和TP(d)去除率的影响
图2 营养物COD(a)、NH4+-N(b)、NOx--N(c)及TP(d)循环曲线
2.污泥性质分析
SEM-EDS分析表明，微量铁盐有利于大絮体的形成（图3a~dg）。R1组污泥中絮体表面比较光滑，很少有棒状、椭圆形和球形细菌（图3b），R3组絮体以椭圆形和球形细菌为主（图3e），而R3组絮体以球形细菌为主（图3h），R3组的絮体粗糙、不规则与R1、R2组不同，晶体颗粒极有可能是铁盐沉淀。EDS分析数据显示，R1~R3组铁含量分别为0、2.8%和11.4%（图3c~fi）。
图3 污泥形态及元素组成
R1 (90 天) (abc)、R2 (90 天) (def) 和 R3 (90 天) (ghi)
3. 微生物群落结构分析
3.1 微生物多样性分析
表1表明R2中微生物群落多样性和丰富度最高（P
表1 R1、R2、R3污泥样品中微生物Alpha多样性分析
门水平的群落组成显示，、，和占细菌总量的90%以上(图4A)。过量添加铁盐对和有抑制作用，而对和有富集作用。纲水平的群落组成显示，、，和为优势种(图4B)。此外，铁盐的增加显著降低了和的相对丰度(P
图4 门水平（a）和纲水平（b）的细菌群落组成
3.2 功能细菌分析
为评价铁盐添加对特定功能菌的影响，对100 d样品中氨氧化细菌AOB、亚硝酸盐氧化细菌NOB、反硝化细菌DB和聚磷菌PAOs的相对丰度进行了分析（表2）。结果表明，铁盐的添加可以明显改变功能菌结构：添加铁盐后典型的AOB得到富集，而NOB/AOB的比值变小。随着、的定殖和、的增加，硝化细菌群落结构不断发生变化。整个过程中，聚磷菌和均未检测到，而其他一些聚磷菌如和在添加微量铁盐后相对丰度增加，在添加常规铁盐后相对丰度降低。这说明微量铁盐的增加可以促进聚磷菌PAOs的生长，而常规铁盐的添加则有相反的趋势。
表2 污泥反应器稳定阶段主要功能菌
4、生物除磷（BPR）与化学除磷（CPR）的比较
磷去除可以通过生物和化学方法实现，如BPR(主要通过PAOs去除)和CPR(主要通过吸附和沉淀去除)。APAOs值以总相对丰度来衡量，APAOs值分别为2.41%、3.60%和2.02%(表2)。R1~R3组PAOs的质量浓度分别为73.6 mg/L、119.8 mg/L和75.4 mg/L。这些数据表明微量铁盐添加(R2组)可以促进PAOs细菌的生长。在系统厌氧阶段，R1~R3组的磷释放速率(PRRs)分别为0.0627、0.0622、0.0136 mg P/mg VSS PAOs/h。 PRR绝对数量没有受到明显影响，但PRR值显示R3组生物除磷潜力降低。在投加微量铁盐条件下，BPR和CPR对除磷的贡献率分别为99.2%和0.8%，相比之下，投加常规铁盐时，BPR和CPR对除磷的贡献率分别为21.7%、21.8%和78.3%，说明CPR主要在较高的铁盐浓度下起作用，而过量的铁盐会抑制PAOs的生长，从而影响生物除磷的效果，因此可以投加微量铁盐来帮助EBPR强化生物除磷的主导地位，可明显提高生物除磷和化学除磷整体的除磷效果。
总结
本研究通过污水处理性能指标评价、污泥显微镜观察及微生物群落高通量测序分析，得到以下结论：
1、微量铁盐的投加可以提高污泥反应器的整体性能；
2、微量铁盐的添加可以促进聚磷菌的生长，有助于除磷功能微生物群落的形成；
3、与传统高铁盐浓度投加策略相比，微量铁盐投加策略可以减少化学物质的使用，显著减少污泥产量，节省运行成本。
本研究的测序及部分数据分析工作由上海派索诺生物技术有限公司完成。
文章索引
季斌等。一种新的微阵列。总计 704 (2020): 629–640