Towards low carbon demand and highly efficient nutrient removal: Establishing denitrifying phosphorus removal in a biofilm-based system
第一作者：董开悦
通讯作者：赵骥
作者排名：董开悦，邱艳玲，王晓霞，于德爽，于政达，冯娟，王继苗，顾瑞环，赵骥
论文DOI：
https://doi.org/10.1016/j.biortech.2023.128658
图文摘要
研究背景
我国市政污水处理厂进水有机物主要用于反硝化脱氮，但有机碳源不足的问题仍然普遍存在。污水中的磷多依靠化学除磷，因此对化学药剂用量需求较大，这增加了污水处理成本。反硝化除磷（DPR）技术打破了低碳污水同步深度脱氮除磷难的壁垒，且在厌氧缺氧/硝化（A2N）工艺研究中发现DPR可显著提高氮磷去除效能。本研究考察了生物膜反应器中DPR过程优化与性能强化的可行性。试验采用序批式生物膜反应器（SBBR），接种普通絮体污泥（AS），经146天实现了固定载体上生物膜的形成和反硝化聚磷菌（DPAOs）的驯化培养；同时对系统脱氮除磷性能进行了长期监测，并比较了异位、原位磷去除特性变化。高通量测序分析揭示了AS和生物膜样品中微生物群落结构的差异与变化。宏基因组分析确定了与生物膜形成和氮磷去除相关的功能基因。最终，针对生物膜DPR性能恶化的潜在风险，提出了相应的对策。
主要内容
（1）长期氮磷去除性能：（A）进出水COD浓度及COD去除率；（B）进水中有机碳在厌氧阶段储存为胞内碳的比例；（C）进出水PO43--P浓度和磷去除效率(PRE)；（D）释磷量(PRA)，好氧和缺氧阶段吸磷量(PUAo和PUAax)；（E）进出水NH4+-N浓度和NH4+-N去除率(ARE)；（F）缺氧阶段NO3--N的减少(ΔNO3--Nax)，好氧阶段NO3--N的增加(ΔNO3--Nax)以及缺氧阶段PO43--P减少和NO3--N减少的比率(ΔPO43-/NO3-)
阶段1（1-46天）A/O运行模式，有利于PAOs的富集，PRA维持在较高水平，但CODintra从82.2%降至72.4%。阶段2（47-146天）A/A/O运行模式，DPR的性能先逐渐增强后有所恶化，但磷的释放和吸收过程持续进行，最终生物膜DPR系统磷去除率保持在55.65%。
（2）除磷性能评估：异位（A：絮体污泥；B：生物膜）和原位（C：第35天；D：第133天）测试。
（3）微生物群落分析：对4份样品进行高通量测序分析，分别为絮体污泥AS-7、AS-46和生物膜Bf-39、Bf-146。门(A)和属(B)水平上微生物分类组成。
（4）宏基因组分析：分析了Bf-146样品的潜在代谢途径，图为鉴定出的13个属(前49个属)的功能图谱。
与生物膜形成相关的功能基因分析：（A）QS相关基因数量及其相对丰度；（B）13个已鉴定属（前49个属中）所含的胞外多糖生物合成基因和氨基酸生物合成基因的相对丰度。
生物膜的形成依赖于群体感应（QS）调节和胞外聚合酶（EPS）的分泌。在QS方面，群落从QQ-型向QS-型可能导致信号积累和生物膜的形成。在胞外多糖方面，algR和algZ基因丰度较低，相反galE和glmS的相对丰度较高。除了phhA和serB外，与氨基酸生物合成基因也很丰富。因此，在13个分类属中Candidatus_Contendobacter、Candidatus_Competibacter、Rubrivivax和Candidattus_Promineofilum可能在EPS分泌中发挥重要作用。
结论：
生物膜反硝化除磷反应器在当运行模式改为A/A/O后，PRE保持在55.65%。大部分PO43--P主要在缺氧段被去除，而好氧段可实现PO43--P的进一步吸收和NH4+-N的同步氧化。Candidatus_Competibacter在EPS分泌中更活跃，并在生物膜中占主导地位（相对丰度22.35%），导致缺氧段ΔPO43-/NO3-比率较低。当MLSS降至<60 mg/L时，PRE最终降至17.17%。因此，后续仍需进一步探究不排放絮体污泥的条件下DPR长期稳定运行的调控策略，以促进其与Anammox耦合实现同步脱氮除磷。
创新点：
1、不排放悬浮污泥易导致DPR-SBBR系统PRE降低；
2、厌氧吸磷量和好氧吸磷量分别为51 mg和40 mg，表明了好氧条件的必要性；
3、Pseudomonas和Thiothrix可能在DPR中发挥重要作用；
4、Ca. Competibacter可能通过分泌EPS从而促进生物膜形成。
论文引用参考格式：
Dong, K., Qiu, Y., Wang, X., Yu, D., Yu, Z., Feng, J., Wang, J., Gu, R., Zhao, J., 2023. Towards low carbon demand and highly efficient nutrient removal: Establishing denitrifying phosphorus removal in a biofilm-based system. Bioresour. Technol.372,128658. (DOI:https://doi.org/10.1016/j.biortech.2023.128658)
该研究得到了国家自然科学基金（52070106、52170040和32101302）、山东省高等学校青创人才引育计划团队“城镇污水高效治理与资源化”及山东省自然科学基金（ZR2023QE134）等项目资助。
主要作者介绍
董开悦：第一作者，青岛大学环境科学与工程学院硕士研究生。研究方向为污水脱氮除磷研究。目前以第一作者发表SCI一区论文1篇。联系邮箱：dkylljiayou@163.com
赵骥：通讯作者，青岛大学特聘教授，山东省高效智慧污水处理技术创新中心理事会副会长，中国环境科学学会生态修复专业委员会委员，研究方向为污水生化处理与资源化。主持并参与国家自然科学基金、山东省自然科学基金及横向课题等10余项，发表高水平学术论文30余篇，申请国家发明专利14项（已获授权4项）。联系邮箱：zhaoji@qdu.edu.cn
