科研 | Water Research：温度对活性污泥系统中可溶性微生物特性，尤其是溶解性有机氮的影响
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目前对于可溶性微生物产物（SMP）的研究主要集中于溶解性有机碳（DOC），已有研究发现温度对生物过程中基于SMP的DOC（SDOC）的产生具有显著影响。尽管一些含氮有机物已被确定为SMP的重要组成部分，人们对基于SMP的溶解有机氮（SDON）知之甚少。本研究调查了不同温度（8℃，15℃和25℃）对活性污泥系统中SMP，尤其是SDON特性的影响。结果显示降低温度有利于SDON的产生。荧光光谱和超高分辨率质谱显示，与25℃相比，在8℃和15℃下产生的SDON稳定性更低。另外，藻类生物测定表明在低温下产生的SDON生物可利用率更高。此外，主成分分析表明温度对SDON化学特性的影响不同于SDOC。本研究强调了低温条件下控制SDON对降低污水SMP在承接水域或废水再利用方面的潜在影响，这一结果在活性污泥系统中发生的生物过程至关重要。
论文ID
原名：Effect of temperature on the characterization of soluble microbial products in activated sludge system with special emphasis on dissolved organic nitrogen
译名：温度对活性污泥系统中可溶性微生物特性，尤其是溶解性有机氮的影响
期刊：Water Research
IF：7.913
发表时间：2019
通信作者：任洪强
通信作者单位：南京大学环境学院
实验设计
六个相同的反应器在三种不同的温度下操作。反应器由一个3L的聚甲基丙烯酸甲酯容器组成，液体体积为2L。双反应器用于控制低温，即8℃和15℃，以及室温（通常在23℃-26℃，平均在25℃）。每个反应器加入从中国南京市政污水处理厂的曝气池收集的种泥。初始阶段每个反应器的混合液悬浮固体（MLSS）约为3000mg/L。化学需氧量（COD），铵（NH4+）和进水合成废水中的总磷的初始浓度分别维持在约300mg/L，20mg/L和3.5mg/L。进水的pH保持在7.2和7.6之间。通过控制空气流速将每个反应器中的溶解氧浓度保持在约4.5mg/L。水力停留时间（HRT）为24小时，污泥停留时间（SRT）通过污泥排放维持在约20天。每个反应器连续进行12小时的循环，包括4小时反硝化，6小时硝化和2小时沉降。
确保稳态条件后，收集流出物样品，并在每个反应器稳定后分析SDON和SDOC的浓度，每10天一次，持续30天。每个样品重复三次。其中，从两个代表性采样周期收集的样本也用于SDON和SDOC化学特性分析。
用多N/C3100总有机碳（TOC）分析仪（Analytik AG，Jena，Germany）测量SDOC。SDON=总溶解氮（TDN）-无机氮总和（包括NH4+，硝酸盐NO3-和亚硝酸盐NO2-等）。
用14天的藻类生长生物测定法测定SDON（生物可利用的SDON/SDON）的生物可利用率。在温控实验室中250mL的烧瓶（22-25℃）中进行试验，设置两个重复。1.5mL藻类的种子和1mL混合培养物的细菌（收集自市政污水处理厂的流出液）加入到装有100mL SDON样品的锥形瓶中。生物可利用SDON的浓度由孵育期前后样品中SDON的变化决定。废水中TDN和NO3-采用戴安ICS-1100离子色谱法分析。采用标准方法分析NH4+，NO2-，MLSS和COD。使用氧气计（SG6，Mettler-Toledo，USA）监测温度和溶解氧浓度。
实验结果
1 不同温度下活性污泥系统的处理性能
COD在三种不同温度条件的生物反应器中都降解完全，其中流出物COD浓度<14.4mg/L。所有生物反应器中都没有NO2-积累（<0.1mg/L）。所有测试温度下，NH4+的平均去除效率均大于99.5％，表明在所有生物反应器中NH4+硝化完全。8℃和15℃条件下NO3-的出水浓度高于25℃。Lu等（2014）也报道了低温下较高的NO3-水平与环境温度的关系，表明低温会抑制反硝化作用。
2 温度对SDON浓度的影响
在稳态条件下，不同温度下生物反应器流出物中SDON的浓度如图1所示。出水中SDON平均浓度范围为0.91-1.30mg/L。Eom等人（2017）研究发现两种常规活性污泥系统和生物营养物去除系统的总DON浓度范围为2.1-3.8 mg/L。据此推断微生物产生的SDON可能是生物过程中流出物总DON的重要组成部分。温度会显著影响活性污泥系统中SDON的产生。在8℃时SDON含量最高（1.01-1.30mg/L，平均水平为1.17mg/L），而在25℃条件下出水中SDON含量最低（0.91-0.97mg/L，平均水平为0.93mg/L，见图1）。
含氮有机物质例如氨基酸，核酸，蛋白质和腐殖酸等已被证实是SMP的重要部分。因此，生物过程中释放的SMP也会导致流出物中存在有机氮。先前的研究表明，在基质利用过程中，受到胁迫的微生物会被诱导产生更多的SMP。此外，在胁迫条件下，一些细胞可能会被分解或裂解。因此，低温条件下SDON浓度升高可以解释为：当活性污泥系统处于胁迫条件下时，微生物和/或分解或裂解的细胞会产生较多的含氮有机化合物。硝酸盐的去除和形成主要由氮循环中的微生物代谢决定，而氮循环包括涉及DON和DIN之间转化的过程。因此，抑制反硝化作用可能与微生物代谢中DON和DIN的转化有关。
图1 小提琴图，显示在稳态条件下不同温度下生物反应器流出物中SDON的中值（白点）和四分位数范围（盒子和晶须）以及密度分布（阴影区域）。
3 温度对SDON化学表征的影响
废水DON释放到环境中后，其行为和潜在的生物效应与其化学特性的差异有关。因此，本研究比较了不同温度下生物反应器流出物中SDON的荧光组分和分子特性，目的是为了更好地理解温度对SDON的影响及其在环境中的潜在影响。
荧光组分：使用PARAFAC，基于残差分析建立了六组分（C1-C6）模型。六个组分的EEM如图2a所示。组分C1在275/325nm处有最大的激发/发射（ex/em）值，与类蛋白质组分类似。组分C2，C3，C4，C5和C6的ex/em最大值显示他们可归于类腐殖质成分。在不同温度下产生的SDON的荧光组分显著不同。如图2B中，部件C1（类蛋白质组分）的流出物从在8℃和15℃时略高于25℃。相比之下，8℃和15℃时出水中总腐殖质成分（C2+C3+C4+C5+C6）的百分比略低于25℃。研究表明源自蛋白质的化合物是生物可利用的，而源自腐殖质的化合物往往具有抗生物降解性。这表明低温（即8℃和15℃）下产生的SDON比室温（即25℃）更不稳定。
图2 （a）使用PARAFAC模型鉴定的所有样品的EEM组分（C1-C6）和（b）它们在稳态条件下，不同温度的生物反应器对流出物SDON的相对贡献。
分子组成：如图3a所示，范氏图显示了根据其官能团组成的聚类元素分子式组成具有特性H/C和O/C比率的主要生化化合物种类。这些化合物种类包括脂类，蛋白质/氨基糖，碳水化合物，不饱和烃，木质素，单宁和缩合芳烃。虽然这些类别的分配不确定（即单宁类似的公式不一定来自单宁），但为深入了解每个样本中存在的一般化合物类别提供了依据。来自所有样品的含有N的大约19.8-29.1％的分子式归属于蛋白质/氨基糖类区域。来自蛋白质和氨基糖的含N化合物普遍存在于废水中。另外，含N的分子式同样也归属于碳水化合物，不饱和烃，单宁，木质素和稠合的芳烃类区域（图3）。本研究观察到的含N分子式的归属区域与前人的研究一致，这表明SMP的组成极其复杂，并且是各种未知化合物的混合物，然而这些化合物不只归属于特定的某一个组。
在不同温度下产生的SDON的分子式类型显著不同（图3b）。在25℃下产生的SDON在脂质，蛋白质/氨基糖和类碳水化合物区域中的特有分子式占到34.4％，在不饱和烃类，单宁，缩合芳烃和类木质素区域中占65.6％。与在25℃下生产的SDON相比，在15℃和8℃下生成的SDON在脂质，蛋白质/氨基糖和类碳水化合物区域中特有分子式占据更大份额。前人研究表明在H/C≥1.5的范氏区域上方的有机成分对应于更不稳定的材料，而在范氏区域以下H/C<1.5的有机成分则表现出较不稳定和更顽固的特性。因此，与在25℃下生成的SDON相比，在8℃和15℃时产生的含有更多脂质，蛋白质/氨基糖，类碳水化合物的SDON更不稳定。
荧光光谱和超高分辨率质谱显示，与25℃相比，在8℃和15℃下产生的SDON稳定性更低。藻类生物测定实验进一步证实了这一结论。
图3 （a）范氏图显示了SDON的分子式。含氮分子的类型包括（1）脂质，（2）蛋白质/氨基糖，（3）碳水化合物，（4）木质素，（5）单宁，（6）不饱和烃，和（7）缩合芳烃。（b）在稳态条件下，不同温度下生物反应器的流出物SDON中每种类型的含N分子的分布。
4 SDON在不同温度下的生物利用度
在25℃，15℃和8℃下生物反应器流出物中SDON的生物可利用率分别为55.3±4.1％，61.5±6.6％和65.8±3.0％（图4）。生物反应器流出物中的SDON在15℃和8℃下的生物可利用率显著高于25℃。SDON的生物可利用率很重要，因为生物可利用的含氮有机化合物可以被天然藻类和微生物利用，从而消耗氧气，最终在废水回收过程中促进富营养化或促进系统中的微生物生长。因此，应控制低温下生产的SDON，以尽量减少其对承接水域或再生水质量的负面影响。这些藻类生物测定实验结果与SDON化学特性分析结果（图2和3）表明，低温下生成的SDON比室温下更加不稳定，对废水的排放和再利用更为不利。研究证明低温不利于抑制微生物代谢和加速细胞裂解。此外，相当一部分的细胞内化合物由不稳定的物质组成，如蛋白酶，蛋白质和微生物氨基酸内细胞，并且可以在细胞裂解后从破碎的细胞中产生。因此，具有模拟藻类生长潜力的含氮化合物的释放可能是在寒冷条件下观察到更高SDON生物可利用率的原因。
图4 在14天的藻类生物测定实验中，SDON（生物可利用的SDON/SDON）在不同温度处理下的生物反应器流出物中的生物可利用率。
5 温度对SDON和SDOC浓度和化学特性的作用效应比较
在25℃，15℃和8℃下，生物反应器流出物中SDON浓度与SDOC浓度的比值分别为0.33±0.02％，0.35±0.03％和0.31±0.03％。主成分分析（PCA）（图5）表明第一组分（PC1）和第二组分（PC2）分别占SDON化学特性总方差的62.5％和16.5％，两个组分共解释了数据集总方差的79.0％。PC1和PC2分别占SDOC化学特性类型总变异的45.0％和21.6％，解释了数据集总方差的66.6％。值得注意的是，在不同温度下产生的流出物SDON的数据点分离比SDOC更明显。例如，然而，在15℃和8℃下产生的SDOC的PCA分离不明显。PC1和PC2在15℃下产生的SDOC的PCA得分分别为-0.08至3.21和-4.33至5.89，而在8℃下产生的SDOC的PCA得分分别为-10.02至0.98和-2.72至1.87。这些结果证实了我们先前的假设，即温度对SDON化学特性的影响不同于温度对SDOC的影响。这可能是由于SDON和SDOC化合物的化学特性的差异造成的，例如分子组成，分子量，疏水性和官能团等，这些特性可能会进一步影响生物可利用率。总之，SDON和SDOC的变化不一定在活性污泥过程中偶联，且温度对SDON化学特性的影响也与对SDOC的影响不同。
图5 在稳态条件下，不同温度下生物反应器流出物中SDON和SDOC的化学特性的主成分分析（PCA）。两个主要组分（PC1和PC2）分别解释了SDON和SDOC化学表征类型的79.0％和66.6％的方差。
与DOC相比，量化DON分析更为困难。因此，大多数对SMP组成的研究主要靠测量SDOC完成。对于SMP中SDON的定性和定量分析以及温度对SDON特性的影响知之甚少。本研究中PCA结果表明温度对SDON化学特性的影响与对SDOC的影响不同（图5））。如此一来，之前关注SDOC作为SMP替代品的研究将可以部分解释温度对生物过程中SMP产生的影响及其对承接水域或废水再利用的影响。更重要的是，SDON的产量随着温度下降而持续增加（图1）。结合藻类生物测定的化学特性分析表明，低温下产生的SDON具有更高的生物可利用率，易于刺激藻类和微生物（图2，图3，图4）。总而言之，这是首次关于温度对SDON特性影响的研究，并强调了控制SDON在低温生物过程中的重要性，以减少污水SMP对承接水域或废水再利用的潜在影响。基于低温会影响微生物活动，采用增强微生物活动的方法可能有利于降低细胞死亡的比例，并在寒冷条件下增强微生物的稳定性。此外，SDON和SDOC之间的特性差异将有助于灵活进行污水处理控制。对于不同SDON/SDOC比值的流出水体系统，可以设计更可行的出水水质调节策略。
结论
在这项研究中，我们研究了温度（8℃，15℃和25℃）对活性污泥系统中SMP尤其是SDON特性的影响。从该研究中可以得出以下结论：
1）平均出水SDON浓度范围为0.91mg/L至1.30mg/L，结果显示降低温度能够促进SDON的产生。
2）荧光光谱和超高分辨率质谱显示，与25℃相比，在8℃和15℃下产生的SDON稳定性更低，这一结果在藻类生物测定实验得到了进一步证实。
3）温度对SDON化学特性的影响与对SDOC的影响不同。
4）有必要在低温条件下的生物过程中控制SDON，以减少污水SMP对承接水域或废水再利用的潜在影响。
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