作為生物膜法處理技術(shù)之一, 生物濾池在污水處理領(lǐng)域已有不少應(yīng)用, 如工廠(chǎng)化水產(chǎn)養(yǎng)殖用到的各種生物包, 低污染源水的深度處理, 以及與其它水處理工藝的耦合等.在城市污水處理方面, 生物濾池常用于污水深度脫氮, 一般是強(qiáng)化硝化-反硝化, 對(duì)應(yīng)的構(gòu)筑物有曝氣生物濾池、反硝化濾池等.曝氣生物濾池是目前研究和應(yīng)用較多的一種, 有關(guān)其凈化機(jī)制、效能評(píng)價(jià)、參數(shù)優(yōu)化、技術(shù)開(kāi)發(fā)等研究較多.然而持續(xù)曝氣的生物濾池不僅耗能高, 同時(shí)濾池內(nèi)的好氧環(huán)境也不利于反硝化.為此, 研究者們又提出了間歇曝氣生物濾池, 通過(guò)創(chuàng)造濾池內(nèi)的交替好氧/厭氧(或缺氧)狀態(tài), 不僅節(jié)能, 還有利于同步脫氮除磷.

　　對(duì)于新啟用的生物濾池而言, 掛膜所需時(shí)間長(zhǎng)短會(huì)影響到實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用.掛膜通常是指進(jìn)行微生物適應(yīng)性馴化, 定向培育或富集功能微生物.由于生物濾池的構(gòu)筑方式、處理對(duì)象、運(yùn)行環(huán)境條件等多樣, 目前關(guān)于生物濾池的啟動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)短報(bào)道不一.另外, 生物濾池的凈化效率不僅受控于濾料種類(lèi)、填充深度、水力負(fù)荷、污染負(fù)荷、環(huán)境條件等, 還與池形(或流態(tài))密切相關(guān), 如硝化型曝氣濾池可設(shè)計(jì)成下行流, 通過(guò)水-氣對(duì)流增加氧氣傳質(zhì)效果; 反硝化濾池可設(shè)計(jì)成折流式, 減小死水區(qū), 增加污染物與基質(zhì)的充分接觸, 延長(zhǎng)停留時(shí)間.

　　生物濾池的凈化作用主要依賴(lài)于功能微生物, 后者又與上述影響因素密切相關(guān).然而目前從微生物層面深入剖析濾池工況調(diào)整與凈化效率的量化關(guān)系及其機(jī)制的報(bào)道較少.為了探究曝氣、掛膜周期(或生物膜發(fā)育成熟度)、池形(或流態(tài))等改變對(duì)生物濾池凈化效率的影響, 本文設(shè)計(jì)了4種不同運(yùn)行工況的生物濾池, 即3組垂直流濾池(MAVF、NAVF、NVF)和一組折流式水平流濾池(BHF). 4組濾池在同一環(huán)境條件下同步處理模擬配制的生活污水, 通過(guò)各組濾池凈化效率的比較及微生物群落結(jié)構(gòu)解析, 明確濾池凈化效率與上述影響因素的量化關(guān)系, 以期為實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用提供理論指導(dǎo).

　　1 材料與方法1.1 試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與構(gòu)建

　　試驗(yàn)構(gòu)建的4組生物濾池框架均為有機(jī)玻璃, 其中3組垂直流濾池規(guī)格一致, 即L×W×H為48 cm×48 cm×60 cm, 水平流濾池為100 cm×48 cm×48 cm, 水平流濾池內(nèi)還設(shè)置了9個(gè)等間距平行交錯(cuò)的折流板(39 cm×0.9 cm×48 cm). 4組濾池內(nèi)均填充孔徑3~5 mm、孔隙率為0.433的多孔陶粒; 垂直流、水平流濾池填充深度分別為38、34 cm.曝氣濾池安裝了曝氣系統(tǒng), 具體在曝氣濾池底部鋪設(shè)PVC布?xì)夤? 布?xì)夤苤睆?0 mm, 表面鉆有間距5~8 mm、大小5~6 mm的出氣孔; 布?xì)夤軆?nèi)穿插納米微孔曝氣管(內(nèi)徑×外徑=10 mm×15 mm), 后者通過(guò)聚乙烯軟管(內(nèi)徑×外徑=10 mm×13 mm)與旋渦風(fēng)機(jī)相連(風(fēng)量：60 m3·h-1; 最大風(fēng)壓：10 kPa; 品牌：亞士霸; 型號(hào)：HG-250;產(chǎn)地：浙江臺(tái)州).運(yùn)行時(shí), 污水經(jīng)水泵抽提后通過(guò)垂直流濾池表面的布水管流入濾池內(nèi), 其中MAVF濾池出水流入BHF濾池, 而NAVF和NVF濾池出水直接外排.各組濾池底部或末端裝有出水閥, 用于調(diào)控濾池排水(圖 1).

　　圖 1

圖 1 垂直流和折流式水平流濾池的結(jié)構(gòu)示意

　　1.2 濾池運(yùn)行與數(shù)據(jù)采集

　　本試驗(yàn)開(kāi)始之前, MAVF、BHF濾池已于前期運(yùn)行1 a, 主要用于處理模擬配制的高濃度養(yǎng)殖廢水[9], 濾池內(nèi)已形成成熟的生物膜; 而NAVF、NVF為新啟用濾池.試驗(yàn)啟動(dòng)時(shí), 于各組濾池內(nèi)接種采自武漢某污水處理廠(chǎng)生化池末端的活性污泥, 每天接種1次, 連續(xù)接種3 d.過(guò)后, 再往濾池內(nèi)引入模擬配制的生活污水進(jìn)行掛膜/微生物馴化, 并開(kāi)始采集數(shù)據(jù), 期間MAVF、NAVF濾池進(jìn)行曝氣, 其余未曝氣.生活污水的配制參考該污水廠(chǎng)沉砂池的出水.生活污水的配制方案如下：每升水含面粉、葡萄糖(含少量鈉、鈣、鐵、鋅等元素)、碳酸氫銨、磷酸二氫鉀的質(zhì)量依次為0.30、0.15、0.225 6和0.043 9 g.配制廢水對(duì)應(yīng)各項(xiàng)污染物的質(zhì)量濃度見(jiàn)表 1.

　　表 1 試驗(yàn)?zāi)�擬配制的廢水組成1) /mg·L-1

　　目前關(guān)于生物濾池啟動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)短尚無(wú)定論, 如張菊萍等采用接種掛膜方式, 在平均水溫為16.7℃時(shí), 僅需17 d就可以實(shí)現(xiàn)曝氣生物濾池成功掛膜; 王建華等考察了進(jìn)水是否含有機(jī)物對(duì)硝化型曝氣生物濾池掛膜的影響, 發(fā)現(xiàn)進(jìn)水不含有機(jī)物的濾池成功掛膜僅需18 d, 而進(jìn)水含有機(jī)物的濾池成功掛膜需24 d; 端艷等稱(chēng)懸浮陶粒曝氣生物濾池處理城鎮(zhèn)污水的自然掛膜啟動(dòng)時(shí)間為23 d; 王東等[2]比較了沸石和陶粒填料曝氣生物濾池處理微污染水源水的低溫啟動(dòng)特性, 在水溫為10~14℃的啟動(dòng)條件下, 均可在30 d內(nèi)完成接種掛膜.本研究將新濾池掛膜時(shí)間設(shè)定為一個(gè)月, 期間將各組垂直流濾池水力負(fù)荷設(shè)為0.05、0.10、0.18 m3·(m2·d)-1這3個(gè)水平, 每個(gè)水平持續(xù)運(yùn)行10 d.

　　3組垂直流濾池每天間歇進(jìn)水1次, 其中MAVF出水即為BHF進(jìn)水.曝氣濾池每天間歇曝氣6 h, 即上午09:00~12:00、下午14:30~17:30;對(duì)應(yīng)3種水力負(fù)荷的氣水比約為1 200：1、600：1和300：1.水樣采集點(diǎn)為濾池進(jìn)、出水, 采樣頻率為每天1次.采用美國(guó)YSI多參數(shù)水質(zhì)分析儀(型號(hào)：Pro Plus)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定溫度(T)、溶解氧(DO)、氧化還原電位(ORP)、堿度(pH)、電導(dǎo)率(Cond)、比電導(dǎo)率(SC)、總?cè)芙夤腆w(TDS)、鹽度(Sal)等在線(xiàn)參數(shù).水樣采集后, 按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)方法[10]測(cè)定COD、TN、NO3--N、NO2--N、TAN、TP、IP等指標(biāo), 其中COD為高錳酸鹽指數(shù). COD又分為總有機(jī)物(TCOD)和溶解性有機(jī)物(DCOD). DCOD為水樣經(jīng)0.45μm濾紙過(guò)濾后測(cè)定值, TCOD為直接測(cè)定值.

　　掛膜結(jié)束后, 采集各組濾池陶粒樣品送杭州聯(lián)川生物技術(shù)股份有限公司進(jìn)行微生物檢測(cè), 具體是通過(guò)16S rDNA高通量測(cè)序方法完成微生物群落結(jié)構(gòu)分析.測(cè)序平臺(tái)為MiSeq, 采用細(xì)菌16S rDNA V3+V4區(qū)域通用引物：338F ACTCCTACGGGAGGC AGCAG和806R GGACTACHVGGGTWTCTAAT.下機(jī)原始數(shù)據(jù)利用overlap將雙端數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接, 并進(jìn)行質(zhì)控、嵌合體過(guò)濾以獲得高質(zhì)量的有效數(shù)據(jù), 隨后對(duì)其進(jìn)行97%的相似度聚類(lèi).為了降低假陽(yáng)性率, 過(guò)濾singleton序列以獲得最終的OTU豐度及代表序列.

　　1.3 數(shù)據(jù)分析

　　生物濾池的凈化效率除受污染負(fù)荷影響外, 還與濾料類(lèi)型、填充深度密切相關(guān), 后者會(huì)影響到構(gòu)建成本.為了綜合多方面因素, 本文采用去除率和一階去除率常數(shù)k來(lái)評(píng)價(jià)濾池的凈化效能, 即：

　　式中, k為一價(jià)去除率常數(shù), d-1; HLR為水力負(fù)荷, m·d-1; ci、ce分別為進(jìn)、出水污染物質(zhì)量濃度, mg·L-1; hw為基質(zhì)填充深度; ε為孔隙率.

　　采用獨(dú)立t-test檢驗(yàn)各組濾池進(jìn)出水間理化特征的差異.因?yàn)锽HF濾池進(jìn)水即為MAVF出水, 為了屏蔽進(jìn)水濃度對(duì)濾池凈化效率的影響, 以進(jìn)水污染負(fù)荷為協(xié)變量, 采用協(xié)方差分析比較各組濾池間凈化效率的差異.此外, 為了比較各組濾池微生物群落結(jié)構(gòu)及凈化效率的相似性, 采用層次聚類(lèi)法對(duì)優(yōu)勢(shì)菌種的相對(duì)豐度、所有OTU序列數(shù)及一階去除率常數(shù)k進(jìn)行聚類(lèi); 同時(shí)為了探究?jī)?yōu)勢(shì)菌種與濾池出水理化環(huán)境特征及凈化效率的關(guān)系, 還對(duì)這些變量進(jìn)行了冗余度(redundancy analysis, RDA)排序分析.選擇RDA是因?yàn)槟承┪廴疚镏笜?biāo)的k值為負(fù).排序、聚類(lèi)分析分別在CANOCO 4.5、ORIGIN8.6軟件中完成, 其它分析在SPSS 19.0軟件中完成.

　　2 結(jié)果與討論2.1 不同運(yùn)行工況濾池進(jìn)出水理化特征比較

　　由表 2可知, 4種不同工況生物濾池進(jìn)出水理化參數(shù)間的差異主要體現(xiàn)在溫度、溶解氧、氧化還原電位、堿度等指標(biāo)上, 而電導(dǎo)率、比電導(dǎo)率、總?cè)芙夤腆w、鹽度等指標(biāo)的變化較小.另外, 與3組垂直流濾池相比, 水平流濾池進(jìn)出水間的差異更小(僅氧化還原電位存在顯著差異).進(jìn)一步比較發(fā)現(xiàn), 經(jīng)垂直流濾池處理后, 出水溫度顯著升高, 溶解氧、pH顯著降低.溫度升高可能是因?yàn)槠貧馑��?鼓風(fēng)機(jī)持續(xù)運(yùn)行發(fā)熱, 吹出的空氣高于室溫); 溶解氧、pH降低是因?yàn)闉V池內(nèi)部存在硝化過(guò)程, 需要消耗溶解氧和堿度.曝氣顯著提高了濾池出水溶解氧和pH(NVF出水的DO、pH分別與NAVF、MAVF出水的DO、pH相比, 所有P<0.05), 原因可能是因?yàn)橄趸�過(guò)程需要消耗CO2, 曝氣能不斷地向?yàn)V池內(nèi)部輸送O2和CO2, 而未曝氣濾池硝化過(guò)程需要消耗原水中的CO32-或HCO3-, 后者致使pH降低.此外, 依據(jù)高立杰等提出的DO等級(jí)劃分方法, 即<0.3mg·L-1代表厭氧、0.4~0.7 mg·L-1代表兼氧及>1.0mg·L-1代表好氧, 本研究4組濾池內(nèi)溶解氧含量處于好氧和兼氧水平.

　　表 2 4組濾池進(jìn)出水理化參數(shù)比較1)

  　　2.2 不同運(yùn)行工況濾池凈化效能比較

　　由表 3可知, 4組濾池的出水硝氮、亞硝氮含量都很低(出水硝氮、亞硝氮的均值分別在0.40 mg·L-1和0.02 mg·L-1以下), 表明4組濾池內(nèi)均無(wú)明顯的硝氮、亞硝氮積累, 這也說(shuō)明濾池內(nèi)反硝化進(jìn)行得很充分.相應(yīng)地, 各組濾池出水中溶解性氮素以未被硝化的氨氮為主.此外, 通過(guò)比較濾池出水溶解性氮素和有機(jī)氮含量, 發(fā)現(xiàn)MAVF及BHF濾池出水總氮以有機(jī)氮為主, 而NAVF及NVF濾池出水總氮以溶解性氮素為主, 這可能是因?yàn)榍皟山M濾池內(nèi)生物膜相對(duì)成熟, 微生物數(shù)量豐富, 并由生物膜更新脫落所致.因此, 成熟濾池出水經(jīng)沉淀處理后可進(jìn)一步提高總氮去除效果.比較各組濾池的去除率, 發(fā)現(xiàn)3組垂直流濾池對(duì)有機(jī)物的去除率均較高, 其中TCOD的去除率都在80%以上, 但水平流濾池除對(duì)有機(jī)物/有機(jī)氮有一定的去除作用外, 對(duì)其它指標(biāo)的去除率基本為負(fù). BHF濾池對(duì)有機(jī)物、有機(jī)氮及總氮的去除率為正, 對(duì)氨氮、硝氮、亞硝氮及溶解性氮素的去除率為負(fù), 表明濾池內(nèi)發(fā)生了有機(jī)物的氨化、氨氮的硝化/亞硝化及反硝化等.同時(shí), 由BHF濾池進(jìn)出水各氮素指標(biāo)的數(shù)值大小可知, BHF濾池內(nèi)發(fā)生的上述氮素轉(zhuǎn)化強(qiáng)度非常弱, 可能歸結(jié)于BHF濾池內(nèi)部較低的溶解氧水平.

　　表 3 4種不同工況濾池的進(jìn)出水濃度、去除率及一階去除率常數(shù)比較1)

 　　3組垂直流濾池對(duì)硝氮都有較高的k值(表 3), 表明濾池內(nèi)部反硝化作用較為明顯, 可能是因?yàn)榉聪趸�異養(yǎng)菌易于增殖, 濾池的間歇曝氣運(yùn)行沒(méi)有對(duì)反硝化過(guò)程造成抑制.相反, 在水平流濾池中, 各項(xiàng)氮素指標(biāo)的k值基本為負(fù)(總氮和有機(jī)氮除外), 表明水平流濾池內(nèi)部的硝化-反硝化過(guò)程都受到了一定程度的抑制, 可能是因?yàn)樗�平流濾池沒(méi)有曝氣, 濾池內(nèi)部的低溶解氧水平和相對(duì)不高的環(huán)境溫度不利于硝化過(guò)程的進(jìn)行, 進(jìn)而不能為反硝化提供足夠的反應(yīng)底物.

　　方差分析結(jié)果顯示, 不同工況濾池之間各項(xiàng)指標(biāo)的k值都存在顯著差異(表 3).多重比較發(fā)現(xiàn), 4組濾池對(duì)碳、氮、磷的凈化效率基本是MAVF>NAVF>NVF>BHF.在有機(jī)物去除方面, MAVF顯著高于NAVF和NVF, 后者顯著高于BHF. MAVF較NAVF的TCOD、DCOD的k值分別提高了35.2%、40.5%, 而NAVF較NVF的TCOD、DCOD的k值分別只提高了10.9%、13.3%.類(lèi)似地, MAVF較NAVF的TP、IP、TAN、NO3--N、TN、DIN等k值分別提高了40.0%、33.3%、437.5%、22.8%、300.0%、385.2%, 而MAVF較NAVF的TP、IP、TAN、NO3--N、TN、DIN等k值分別只提高了25.0%、26.3%、100.0%、35.8%、120.0%、80.0%.這些增加值表明, 試驗(yàn)工況下濾池內(nèi)碳、氮、磷的去除主要依賴(lài)于微生物的吸收和降解, 且生物膜成熟度對(duì)污染物去除的影響大于曝氣.有例外曝氣較生物膜成熟度對(duì)硝氮去除的影響更大, 可能是因?yàn)樵囼?yàn)裝置反硝化易于發(fā)生, 且主要受控于硝氮底物濃度, 而后者又主要來(lái)源于氨氮的氧化.此外, 各組濾池對(duì)磷的去除率均不高, 可能是因?yàn)闉V池除磷仍然以生物除磷為主, 這與筆者之前報(bào)道的結(jié)果相似.具體聯(lián)系污水寶或參見(jiàn)http://www.northcarolinalenders.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

　　2.3 不同運(yùn)行工況濾池微生物群落結(jié)構(gòu)比較

　　4種不同工況濾池在試驗(yàn)?zāi)┢谌√樟�樣品進(jìn)行微生物群落結(jié)構(gòu)檢測(cè), 通過(guò)16S rDNA高通量測(cè)序分析共獲得96 708條有效序列, 它們?cè)?組濾池內(nèi)的分布是：MAVF(16676)、NAVF(57367)、NVF(11161)和BHF(11504).這些有效序列經(jīng)聚類(lèi)后共獲得2 260個(gè)OTU, 它們?cè)?組濾池內(nèi)的分布是：MAVF(680)、NAVF(691)、NVF(413)和BHF(828).再依據(jù)4組濾池所含OTU序列數(shù)繪制等級(jí)豐度圖和相應(yīng)的α多樣性指數(shù).由樣品測(cè)序稀釋曲線(xiàn)圖 2(a)可知, Chao1曲線(xiàn)趨于平緩, 表明測(cè)序數(shù)據(jù)量已飽和; 由圖 2(b)可知, 4組濾池的辛普森指數(shù)(Simpson)一致(均為0.98), 而觀察種(Observed species)、香農(nóng)(Shannon)、Chao1等指數(shù)存在明顯差別, 順序都是BHF>MAVF>NAVF>NVF, 表明濾池的成熟度與微生物多樣性密切相關(guān), 即濾池愈成熟, 多樣性指數(shù)愈高.

　　圖 2

圖 2 4種不同工況濾池的稀釋曲線(xiàn)、等級(jí)豐度圖和α多樣性指數(shù)

　　依據(jù)測(cè)序獲得的特征序列進(jìn)行物種注釋, 4組濾池共注釋到341屬種微生物, 其中MAVF、NAVF、NVF、BHF的物種數(shù)分別為212、200、161、257, 這與前面描述的多樣性指數(shù)變化趨勢(shì)一致.此外, 將所有物種的相對(duì)豐度均列出并不便于分析, 而且優(yōu)勢(shì)物種往往就能反映群落結(jié)構(gòu)的主要特征.因此, 本文選取豐度最高的前20個(gè)物種或功能分類(lèi), 將其余的設(shè)置為others, 進(jìn)行相對(duì)豐度計(jì)算, 并據(jù)此繪制相對(duì)豐度堆疊柱狀圖[圖 3(a)和3(b)]和物種分類(lèi)熱圖[圖 3(c)和(d)], 便于直觀進(jìn)行樣品間物種豐度的比較.

　　圖 3

(a)和(c):門(mén)水平; (b)和(d):屬水平圖 3 4種不同工況濾池的微生物相對(duì)豐度和物種分類(lèi)熱圖

　　由相對(duì)豐度堆疊柱狀圖可知, 在門(mén)水平上, 各組濾池的變形菌(Proteobacteria)豐度最高, 其次是擬桿菌(Bacteroidetes)和放線(xiàn)菌(Actinobacteria), 而厚壁菌(Firmicutes)僅在BHF中相對(duì)豐度較高.在屬水平上, 相對(duì)豐度最高的是紅環(huán)菌(Rhodocyclaceae_unclassified), 其余依次是黃桿菌(Flavobacterium)、纖維單胞菌(Cellulomonas)、β變形菌(β-proteobacteria_unclassified)、脫氯單胞菌(Dechloromonas)等.郭曉婭等[13]以玉米淀粉廢水為反硝化碳源進(jìn)行試驗(yàn), 發(fā)現(xiàn)反應(yīng)器內(nèi)優(yōu)勢(shì)菌群中紅環(huán)菌目相對(duì)豐度較大, 據(jù)此推測(cè)紅環(huán)菌目可能較易于降解淀粉, 這與本研究以面粉(含淀粉)和葡萄糖為碳源進(jìn)行脫氮除磷微生物富集相似.

　　從門(mén)水平的熱圖組成來(lái)看, NAVF和NVF的優(yōu)勢(shì)菌種組成最相似, 其中疣微菌(Verrucomicrobia)、擬桿菌、放線(xiàn)菌等豐度較高, 而Ignavibacteriae、綠彎菌(Chloroflexi)、硝化螺旋菌(Nitrospirae)、藍(lán)細(xì)菌(Cyanobacteria)等豐度較低.相反, Ignavibacteriae、綠彎菌、硝化螺旋菌、藍(lán)細(xì)菌等在BHF和MAVF中豐度較高.聚類(lèi)結(jié)果顯示, NAVF和NVF最相似, 而B(niǎo)HF與3組垂直流濾池差異最大.在屬水平上, 聚類(lèi)結(jié)果與門(mén)水平一致.同樣, 4組濾池的優(yōu)勢(shì)菌種組成存在明顯差別, BHF濾池中地桿菌(Geobacter)豐度最高, 而β變形菌、紅環(huán)菌、伯克氏菌(Burkholderiales_unclassified)、沉積物桿狀菌(Sediminibacterium)、芽殖桿菌(Gemmobacter)、脫氯單胞菌、熱單胞菌(Thermomonas)等在MAVF中豐度較高.各組濾池的優(yōu)勢(shì)菌種相對(duì)豐度組成存在明顯差別, 它們的代謝特征和主要功能注釋見(jiàn)表 4.

　　表 4 圖 3中優(yōu)勢(shì)菌種的功能注釋

 

  　　傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為, 硝化過(guò)程屬于化能自養(yǎng)過(guò)程, 且嚴(yán)格好氧.本研究通過(guò)物種注釋, 于4四組濾池內(nèi)僅檢測(cè)到了3種專(zhuān)性硝化微生物, 即亞硝化單胞菌屬(Nitrosomonas)、亞硝化螺菌屬(Nitrosospira)及硝化螺菌屬(Nitrospira), 且三者的相對(duì)豐度都很低(表 5).這與戴琦、黃菲等報(bào)道的硝化/亞硝化菌富集低豐度結(jié)果相似.戴琦等采用膜生物反應(yīng)器處理含環(huán)丙沙星(CIP)的模擬廢水, 發(fā)現(xiàn)在0、5、10mg·L-1的CIP投加濃度下, 亞硝化單胞菌屬的總相對(duì)豐度依次為0.02、0.01、0.006, 硝化螺菌屬的總相對(duì)豐度依次為0.73、1.57、0.82;黃菲等研究了在冬季低溫條件下, 膜生物反應(yīng)器與傳統(tǒng)活性污泥法工藝運(yùn)行效果及微生物群落特征的差異, 發(fā)現(xiàn)R1(高污泥濃度膜生物反應(yīng)器)、R2(低污泥濃度膜生物反應(yīng)器)、R3(傳統(tǒng)活性污泥工藝)中主要的硝化菌為Nitrospira, 其總相對(duì)豐度依次為1.22%、1.64%、0.15%.將上述3種自養(yǎng)硝化菌與表 4中前20種優(yōu)勢(shì)菌種按代謝功能進(jìn)行合并統(tǒng)計(jì), 結(jié)果見(jiàn)表 5.從中可知, 4組濾池內(nèi)豐度最高的微生物為異養(yǎng)反硝化脫氮菌, 其次為異養(yǎng)反硝化聚磷菌, 再次為異養(yǎng)硝化菌.因?yàn)楹芏喈愷B(yǎng)反硝化脫氮菌兼為異養(yǎng)反硝化聚磷菌和(或)異養(yǎng)硝化菌(表 4), 因此, 三者豐度相對(duì)較高.

　　表 5 4組生物濾池中自養(yǎng)硝化菌及優(yōu)勢(shì)功能菌占細(xì)菌總豐度的百分比/% 

　　進(jìn)一步分析自養(yǎng)硝化菌相對(duì)豐度數(shù)值, 發(fā)現(xiàn)NVF濾池缺乏自養(yǎng)硝化及亞硝化菌, BHF濾池內(nèi)缺乏自養(yǎng)亞硝化菌, 而NAVF中缺乏自養(yǎng)硝化菌, 只有MAVF濾池同時(shí)含有硝化及亞硝化菌, 且MAVF濾池自養(yǎng)硝化菌(硝化+亞硝化菌)豐度明顯高于其它3組濾池.這與2.2節(jié)觀測(cè)到的MAVF濾池氨氧化作用最強(qiáng), BHF濾池氨氧化作用最弱相一致. NVF及BHF濾池內(nèi)的氨氧化過(guò)程均由異養(yǎng)菌完成, 且NVF濾池的氨氧化能力強(qiáng)于BHF濾池, 這是因?yàn)榍罢叩漠愷B(yǎng)硝化菌豐度明顯高于后者(表 5).此外, 與兩組曝氣濾池(MAVF和NAVF)相比, 其余兩組未曝氣濾池(NVF和BHF)內(nèi)均未檢測(cè)到亞硝化菌, 說(shuō)明曝氣促進(jìn)了濾池內(nèi)氨氧化菌的富集.將表 5中各功能菌相對(duì)豐度與碳、氮、磷去除的k值進(jìn)行相關(guān)性分析, 發(fā)現(xiàn)僅自養(yǎng)硝化菌(硝化+亞硝化菌)與氨氮、總氮及溶解性氮素之間存在顯著正相關(guān)(P<0.05), Pearson相關(guān)系數(shù)分別為0.97、0.97和0.96, 這可能也暗示影響各種濾池脫氮的主要過(guò)程仍然為硝化過(guò)程, 且主要依賴(lài)于自養(yǎng)硝化菌.

　　2.4 濾池凈化效能與微生物結(jié)構(gòu)特征耦聯(lián)分析

　　如2.3節(jié)所述, 將獲得的2260個(gè)OTU按各自所含的序列數(shù)進(jìn)行樣品聚類(lèi), 結(jié)果如圖 4(a)所示; 同樣地, 按測(cè)定的各項(xiàng)污染物指標(biāo)k值進(jìn)行樣品聚類(lèi), 結(jié)果如圖 4(b)所示.由圖 4可知, 兩種不同途徑聚類(lèi)結(jié)果與豐度最高的前20個(gè)優(yōu)勢(shì)物種熱圖聚類(lèi)[圖 3(c)和3(d)]具有一致性, 即豐度最高的前20個(gè)優(yōu)勢(shì)物種基本能涵蓋所有物種的聚類(lèi)信息.另外, 各組濾池凈化效率聚類(lèi)結(jié)果與物種聚類(lèi)結(jié)果一致, 這也表明濾池之間凈化效率的差異主要由濾池內(nèi)微生物結(jié)構(gòu)差異所致.為了進(jìn)一步探討濾池凈化效率與微生物群落組成的關(guān)系, 將濾池的凈化效率與圖 3中優(yōu)勢(shì)物種組成以及后者與濾池出水理化特征進(jìn)行多元排序分析, 結(jié)果如圖 5所示.

　　圖 4

圖 4 基于4種濾池所有OTU和各項(xiàng)指標(biāo)k值的層次聚類(lèi)圖

　　圖 5

圖中數(shù)字1~20代表的物種見(jiàn)表 4圖 5 微生物優(yōu)勢(shì)菌種與濾池凈化效率k、出水理化特征間的冗余度排序

　　由各項(xiàng)污染物指標(biāo)的k值與優(yōu)勢(shì)菌種的排序圖 5(a)可知, 總氮、氨氮及溶解性氮素的去除具有一致性, 且與沉積物桿狀菌、動(dòng)膠菌(Zoogloea)、伯克氏菌、β變形菌、熱單胞菌等正相關(guān), 這是因?yàn)檫@些細(xì)菌兼有異養(yǎng)硝化和(或)反硝化功能(表 4), 而上述3種形態(tài)氮素的去除主要依賴(lài)于硝化-反硝化.沉積物桿狀菌為兼性好氧異養(yǎng)菌, 在中性條件下的最佳生長(zhǎng)溫度為10~37℃. Papirio等以芬蘭坦佩雷市某污水處理除廠(chǎng)活性污泥為接種物進(jìn)行硝化菌的富集培養(yǎng), 當(dāng)流化床反應(yīng)器的起始氨氮濃度為66.5~77.8mg·L-1、平均溶解氧為7.0mg·L-1時(shí), 經(jīng)過(guò)35d富集培養(yǎng)后于接種污泥及富集物中都檢測(cè)到了優(yōu)勢(shì)菌屬沉積物桿狀菌的存在, 表明沉積物桿狀菌可能具有硝化功能, 這與本研究結(jié)果相似.本研究中, 雖然沉積物桿狀菌相對(duì)豐度不高(在MAVF、NAVF、NVF、BHF中的相對(duì)豐度分別為2.92、0.82、0.49、0.09), 但與自養(yǎng)硝化菌一樣, 仍然發(fā)揮著一定的硝化功能.本研究中NVF濾池缺乏自養(yǎng)硝化菌, 但卻發(fā)生了硝化作用, 證明了異養(yǎng)硝化菌的存在.此外, 排序圖中有機(jī)物、磷及硝氮的去除也具有一致性, 表明磷主要通過(guò)反硝化聚磷方式去除.本研究通過(guò)16S rDNA高通量測(cè)序和物種注釋并未檢測(cè)到好氧聚磷菌.

　　由優(yōu)勢(shì)菌種與濾池出水的理化特征排序圖 5(b)可知, 動(dòng)膠菌、伯克氏菌、β變形菌、沉積物桿狀菌、熱單胞菌、Chitinophagaceae_unclassified、芽殖桿菌、叢毛單胞菌科(Comamonadaceae_unclassified)等與溶解氧或氧化還原電位正相關(guān), 表明這些菌傾向于好氧環(huán)境, 與這些菌為兼性好氧菌相符(表 4).各組濾池出水總?cè)芙夤腆w、鹽度、電導(dǎo)率及比電導(dǎo)率的變化具有一致性, 這是因?yàn)樯鲜鲋笜?biāo)之間的關(guān)聯(lián)性較強(qiáng), 而且這些指標(biāo)高低主要取決于出水中溶解性氮素高低(尤其是硝氮).此外, 由圖 5(b)還可知, 上述4項(xiàng)指標(biāo)與脫氯單胞菌、短波單胞菌(Brevundimonas)、簡(jiǎn)易螺旋菌(Simplicispira)、紅環(huán)菌、黃桿菌、假單胞菌(Pseudomonas)、成對(duì)桿菌(Dyadobacter)、食酸菌(Acidovorax)、纖維單胞菌等正相關(guān).據(jù)表 4, 這些優(yōu)勢(shì)菌屬基本兼有反硝化脫氮功能, 它們與總?cè)芙夤腆w、鹽度、電導(dǎo)率及比電導(dǎo)率的正相關(guān), 表明反硝化強(qiáng)度主要取決于反應(yīng)底物濃度.

　　3 結(jié)論

　　(1) 配制原水經(jīng)垂直流濾池處理后, 出水溶解氧、pH顯著降低.曝氣顯著提高了濾池出水溶解氧和pH.與3組垂直流濾池相比, BHF濾池對(duì)進(jìn)出水理化參數(shù)的影響更弱.本試驗(yàn)期間4組濾池內(nèi)的溶解氧水平處于好氧和兼氧狀態(tài).

　　(2) 本試驗(yàn)工況下4組濾池內(nèi)都無(wú)明顯的硝氮、亞硝氮積累, 說(shuō)明濾池內(nèi)反硝化進(jìn)行得很充分.各組濾池出水中溶解性氮素以未被硝化的氨氮為主, MAVF及BHF濾池出水總氮以有機(jī)氮為主, 而NAVF及NVF濾池出水總氮以溶解性氮素為主.垂直流濾池對(duì)碳、氮、磷的去除效率顯著高于水平流濾池, 且水平流濾池內(nèi)部發(fā)生的氮素轉(zhuǎn)化過(guò)程非常微弱.各濾池內(nèi)碳、氮、磷的去除主要依賴(lài)于微生物的吸收和降解, 且生物膜成熟度對(duì)污染物去除的影響大于曝氣.

　　(3) 4組濾池的多樣性指數(shù)高低是BHF>MAVF>NAVF>NVF, 表明濾池愈成熟, 多樣性指數(shù)愈高.濾池之間凈化效率的差異主要由濾池內(nèi)微生物結(jié)構(gòu)差異所致.各組濾池的優(yōu)勢(shì)菌種以兼性異養(yǎng)菌為主, 且以異養(yǎng)反硝化脫氮菌最為豐富. NVF濾池內(nèi)缺乏自養(yǎng)硝化菌, 但發(fā)生了異養(yǎng)硝化過(guò)程; MAVF濾池內(nèi)自養(yǎng)硝化菌相對(duì)豐度最高, 與其最強(qiáng)的硝化作用相呼應(yīng).曝氣促進(jìn)了濾池內(nèi)亞硝化菌的富集, 進(jìn)而增強(qiáng)了氨氧化能力. 4組濾池內(nèi)均未檢測(cè)到好氧聚磷菌, 磷的去除以反硝化聚磷為主.濾池對(duì)總氮的去除率不高主要?dú)w結(jié)于富集的自養(yǎng)硝化菌數(shù)量不高, 后者導(dǎo)致硝化作用較弱——這不僅引起出水中氨氮?dú)堄噍^高, 還會(huì)減少反硝化的底物濃度, 最終致使總氮去除率不高.(來(lái)源：環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào) 作者：江肖良)