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优化氧化沟溶解氧梯度实现同步硝化反硝化与磷去除的微生物群落适应性研究，通过三年跟踪监测发现梯度设置使系统稳定运行，微生物功能冗余度提升且群落结构趋近稳定，为中小型水厂低成本升级提供理论支撑。
格蕾丝·廷克（Grace Tinker）|约翰·布福德（John Buford）|塔尼娅·达塔（Tania Datta）
田纳西理工大学水资源管理、利用与保护中心，美国田纳西州库克维尔，邮政信箱5033
摘要
优化水资源回收设施（WRRF）的二级处理过程是一种具有成本效益的策略，有助于实现日益严格的营养物排放限制。生物营养物去除（BNR）通常是此类优化的重点，因为它可以在单一反应器配置（如氧化沟）中实施，并且只需进行最小的工艺改造。然而，很少有研究全面探讨与优化氧化沟相关的工艺稳定性和微生物生态学。因此，影响长期稳定性和整体成功性的因素仍然知之甚少。在这项研究中，我们监测了一个氧化沟三年来的变化情况，该氧化沟在此期间进行了曝气改造，以建立溶解氧（DO）梯度，从而实现同步硝化、反硝化和磷去除（SNDP）。研究内容包括对废水特性、微生物群落动态及其硝化、反硝化和强化生物磷去除（EBPR）能力的评估。在优化的运行条件下，该设施实现了同步硝化和反硝化。尽管进水中的磷浓度相对较低，但氧化沟内正磷酸盐水平的波动、实验室批次试验中观察到的磷释放和吸收速率，以及疑似多磷酸盐积累菌（PAOs）的存在，表明了有利于EBPR的条件。随着时间的推移，微生物群落结构表现出更高的相似性，表明某些菌群选择性地促进了工艺的稳定。这表明该系统可能在优化条件下达到了稳态。此外，疑似反硝化菌群落的结构适应了优化的宏观环境，逐渐变得更加功能冗余和稳定。这些发现支持了氧化沟优化在营养物减少方面的潜力，这种方法可以为希望在不进行大规模资本投入的情况下达到新的出水标准的市政机构提供一种实用且低成本的解决方案。
引言
长期以来，从水资源回收设施（WRRFs）排放的氮（N）和磷（P）被认为是导致富营养化的原因。因此，监管机构正在实施严格的出水限制，以减少废水中的氮和磷含量[1]、[2]、[3]。这些严格的限制促使许多中小型公用事业机构升级或增加营养物去除设施，而这有时在经济上可能负担沉重。因此，优化二级处理过程变得越来越受欢迎，因为它更具成本效益[4]、[5]、[6]、[7]。生物营养物去除（BNR）通常是此类工艺优化的重点[8]、[9]。
优化BNR过程的一种常见策略，尤其是在氧化沟中，是改变曝气模式，以在沟内建立溶解氧（DO）梯度[10]、[11]、[12]。这种操作改进不仅降低了二级处理过程的能耗和成本，还通过在絮体微环境和生物反应器宏观环境中形成厌氧和缺氧条件，使得同步生物营养物去除（SBNR）成为可能，例如同步硝化和反硝化（SND）或同步硝化、反硝化和生物磷去除（SNDP）[6]、[10]、[13]。动态的微观和宏观环境支持了已知的和新型硝化菌、反硝化菌以及多磷酸盐积累菌（PAOs）的共生相互作用[11]、[12]、[14]、[15]、[16]、[17]。通过丰富功能多样的微生物群落，这些复杂环境促进了稳定的BNR过程[18]、[19]。由于氧化沟在美国广泛使用[6]、[20]，建立可靠的工艺优化策略具有重要意义。特别是在考虑环境生态位与建立DO梯度后出现的BNR微生物群落之间的相关性时更是如此。此外，许多氧化沟由服务人口少于5万人的设施运营，这些设施可能没有进行昂贵基础设施升级的资源[20]、[21]、[22]、[23]，因此优化成为更优的选择。
尽管氧化沟应用广泛，也有全规模研究探讨了SBNR，但人们对微生物如何适应工艺优化并支持BNR可靠性的全面理解仍然不足。Daigger和Littleton[10]研究了七个采用Orbal?氧化沟工艺进行SBNR的WRRFs中的微观和宏观环境。他们观察到，在缺乏明确厌氧、缺氧或好氧反应器的设施中，总氮和总磷的去除率可高达90%，从而为非常规设计中的成功SBNR提供了基础。Littleton等人[24]通过研究新型微生物对Orbal?氧化沟中SBNR的潜在贡献，扩展了这项研究。在一项针对强化生物磷去除（EBPR）的批次测试中，他们在其中一个设施中检测到了PAOs。另一项在表现出EBPR的Orbal?氧化沟中检测到PAOs的研究发现，外部通道提供了磷释放的缺氧环境，而内部曝气通道则允许磷的吸收[25]。利用荧光原位杂交（FISH），他们确定活性污泥中22%的微生物群落由PAOs组成。Zhou等人[26]通过在Orbal?氧化沟的外部通道保持0.20 mg/L的低DO浓度实现了SND。在测试曝气模式时，他们使用PCR-DGGE研究了微生物群落并观察到了微生物多样性的变化。Xu等人[27]利用高通量扩增子测序比较了六个不同Carrousel?氧化沟设施中执行SND的微生物群落。他们发现Nitrospira、Denitratisoma和Nitrosomonadaceae的未培养成员与地理位置、COD和氨浓度有很强的相关性。他们还发现Dechloromonas、Thauera、Rhodocyclaceae和Comamonadaceae与流量和温度有很强的相关性。尽管这些研究集中在氧化沟中的SBNR上，并描述了一些BNR微生物群落，但没有将群落结构与BNR过程稳定性联系起来。此外，由于不同的运行配置、进水特性和气象因素，不同WRRFs中的微生物群落可能存在差异[27]、[28]、[29]、[30]。这些因素强调了需要更多全规模研究来更好地理解微生物群落与SBNR过程性能之间的关系。
在三年的时间里，我们研究了一个正在优化SNDP的扩展曝气氧化沟中的微生物群落结构和废水特性。我们的目标是阐明微生物群落对工艺优化的响应，并确定群落组成是否随时间稳定。在这项研究中，我们展示了在氧化沟中建立DO梯度可以创造必要的环境生态位，利用活性污泥群落中已存在的微生物来实现SBNR。
部分内容摘录
WRRF描述和采样
本研究在田纳西州中部的库克维尔市的WRRF进行。该设施平均每天接收700万加仑（MGD）的废水，设计处理能力为1400万加仑/天。这相当于平均日流量为26,497.88立方米，设计日流量为52,995.76立方米。典型的水力停留时间（HRT）为2天，固体停留时间（SRT）为40天。四个配备表面曝气器的氧化沟并行运行
生物营养物去除的改进
图2展示了库克维尔市WRRF在优化前后废水流量、温度以及总氮和总磷去除效率的变化。冬季和夏季的原始数据以及具体的采样事件分别见表格S1、S3、S4。冬季的数据是 January、February 和 March 的平均值，夏季的数据是 July、August 和 September 的平均值，以代表典型的流量和温度结论
这项为期三年的研究评估了氧化沟中微生物群落对旨在实现SNDP的工艺优化的响应。在优化系统中建立的DO梯度支持了成功的SND，而没有影响硝化性能。值得注意的是，疑似反硝化菌群落的组成适应了优化的宏观环境，可能随着时间的推移变得更加功能冗余和稳定。
CRediT作者贡献声明
格蕾丝·廷克（Grace Tinker）：撰写——初稿、方法论、调查。
约翰·布福德（John Buford）：方法论、数据管理。
塔尼娅·达塔（Tania Datta）：撰写——审阅与编辑、验证、监督、方法论、调查、概念化。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
这项工作得到了田纳西理工大学水资源管理、利用与保护中心的支持。国家科学基金会研究生研究奖学金计划（DGE-1649609）为第一作者格蕾丝·廷克提供了额外资助。这项工作还得到了Sigma Xi研究补助金的支持。感谢Tom Graham提供有关WRRF运营的信息。我们也感谢Rachel Stewart、Juliet Ohemeng-Ntiamoah、Paul Tinker和Dave的帮助。
