農(nóng)村污水中含有大量的營養(yǎng)元素氮, 如果直接排放到河流和湖泊中, 會(huì)造成水體富營養(yǎng)化, 引起藻類的大量繁殖, 從而降低水質(zhì)和水體生物多樣性, 對(duì)水體生態(tài)和經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生很大的危害.且由于農(nóng)村地區(qū)排水設(shè)施建設(shè)不完善導(dǎo)致的雨污混流現(xiàn)象使得農(nóng)村污水大多具有低污染低碳氮比(C/N)的特點(diǎn).在采用生物法處理農(nóng)村生活污水時(shí), 碳源不足會(huì)導(dǎo)致微生物反硝化作用被嚴(yán)重抑制, 大大降低生物脫氮效率.

　　外加碳源是提高微生物對(duì)低污染低C/N水脫氮的有效手段.然而出于高效性、安全性、可再生性、經(jīng)濟(jì)性和二次污染等角度, 外加碳源材料的選擇及其添加方式需慎重考慮.以甲醇、乙醇和乙酸等小分子物質(zhì)為外加碳源可顯著提高微生物脫氮效率, 但因其消耗量大、價(jià)格昂貴, 且不易控制用量, 因此在實(shí)際工程應(yīng)用中受到一定限制.目前研究較多的可替代碳源包括以天然纖維素物質(zhì)、人工合成高聚物為主的固體碳源、污泥水解上清液、垃圾滲濾液和氣體碳源甲烷等.其中天然纖維素物質(zhì)主要為植物材料, 其價(jià)廉、易得且有機(jī)質(zhì)含量高, 具有一次添加長(zhǎng)期釋放、綠色無害、后續(xù)管理方便的特點(diǎn).Park等利用西紅柿和黃瓜葉的水解液為有機(jī)碳源, 對(duì)污染嚴(yán)重的農(nóng)耕污水中硝酸鹽進(jìn)行強(qiáng)化去除, 去除率高達(dá)68% ~99%;丁怡等在研究植物水解液對(duì)人工濕地中脫氮的影響時(shí)發(fā)現(xiàn), 添加水解液使得總氮(total nitrogen, TN)去除率提高了41%;肖蕾等利用千屈菜植物材料為垂直流人工濕地系統(tǒng)外加碳源, 發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)處理人工模擬配制生活污水時(shí)脫氮效率最高可提升30.85%.還有研究人員發(fā)現(xiàn)采用堿處理玉米秸稈作為反硝化碳源補(bǔ)充材料的潮汐流人工濕地反硝化速率是未添加的2.05倍.此外, 還有許多植物如蘆葦碎段、梧桐樹皮、梧桐樹葉、玉米芯、稻草和蘆竹等也都被用作外加碳源強(qiáng)化生物脫氮, 并且都被證實(shí)是有效的.在這之中, 蘆竹是一種大量生長(zhǎng)于中國南方的竹類植物, 纖維中含有豐富的多糖類物質(zhì), 在水的浸泡及微生物分解作用下釋放出單糖, 可作為反硝化菌的電子供體, 強(qiáng)化系統(tǒng)脫氮;并且, 蘆竹硬度大且表面粗糙, 經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間水的浸泡依然保持形態(tài)不發(fā)生變化, 很適合微生物附著生長(zhǎng), 因此可用作生物填料.

　　活性炭作為最常用的吸附劑, 具有吸附容量大、原料來源廣和造價(jià)低廉的優(yōu)點(diǎn), 廣泛應(yīng)用于水處理中.其在生物法污水處理系統(tǒng)中的作用主要體現(xiàn)在兩方面：第一, 活性炭的多孔結(jié)構(gòu)可吸附水中顆粒污染物, 降低出水濁度.而吸附在活性炭表面的污染物會(huì)被系統(tǒng)中微生物分解, 從而實(shí)現(xiàn)活性炭的吸附再生, 如此循環(huán)以達(dá)到凈水的目的.第二, 活性炭對(duì)微生物絮體的吸附作用可以保證整個(gè)污水處理系統(tǒng)中有更多的微生物量, 強(qiáng)化微生物作用, 促進(jìn)污染物的去除.

　　本研究選取采自洱海流域農(nóng)村的蘆竹以及購買到的椰殼活性炭分別作為A/O生物濾池缺氧段和好氧段填料, 并采用掃描電鏡(scanning electronic microscopy, SEM)、高通量測(cè)序和實(shí)時(shí)熒光定量聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(quantitative real time polymerase chain reaction, qPCR)等現(xiàn)代表征手段從微生物角度分析蘆竹和活性炭對(duì)整個(gè)系統(tǒng)脫氮的促進(jìn)機(jī)制, 以期為蘆竹和活性炭作為A/O生物濾池填料對(duì)低污染低C/N農(nóng)村污水的處理提供參考.

　　1 材料與方法

　　1.1 試驗(yàn)裝置

　　試驗(yàn)時(shí)兩套A/O生物濾池反應(yīng)器(1號(hào)和2號(hào))同時(shí)運(yùn)行, 裝置采用有機(jī)玻璃制成, 兩套反應(yīng)器均為圓柱型, 好氧段內(nèi)徑0.11 m, 布水區(qū)高度0.1 m, 采用石英砂承托層, 高度0.1 m, 填料層高度0.7 m.缺氧段內(nèi)徑0.07 m, 布水區(qū)0.1 m, 采用石英砂承托層, 高度0.1 m, 填料層高度0.52 m(圖 1).

1.進(jìn)水水箱；2.提升泵；3.氣體流量計(jì)；4.空氣壓縮機(jī)；5.回流泵；A.接反沖洗氣泵；B.接自來水作反沖洗水

圖 1 A/O生物濾池試驗(yàn)裝置示意

　　1.2 試驗(yàn)材料

　　1.2.1 試驗(yàn)填料及配置

　　將采回的蘆竹用清水反復(fù)沖洗干凈后, 太陽下曬干.破碎機(jī)(800Y, 旭曼)破碎后, 經(jīng)3 mm和5 mm方形篩篩分, 得到3~5 mm大小的蘆竹小段備用.將購買到的粒徑3~5 mm礫石(重慶清源榮順凈水材料有限公司, 重慶)和3~5 mm椰殼活性炭(宜興市華�；钚蕴坑邢薰�司, 宜興)以及5~8 mm石英砂(重慶清源榮順凈水材料有限公司, 重慶)清洗曬干后備用. 1號(hào)裝置好氧段與缺氧段填料層均用3~5 mm礫石填充, 總有效過水體積5.450 L. 2號(hào)裝置好氧段填料層用活性炭與礫石以體積比1 :1填充(活性炭在上, 礫石在下), 缺氧段用蘆竹與礫石以體積比3 :1分層裝填(蘆竹在上, 礫石在下), 總有效過水體積4.475 L.

　　1.2.2 模擬農(nóng)村污水

　　試驗(yàn)時(shí)通過向自來水中投加葡萄糖、氯化銨和磷酸二氫鉀來模擬農(nóng)村污水水質(zhì)(表 1), 并加入1 mL ·L-1微量元素溶液補(bǔ)充微生物所需微量元素, 微量元素溶液組分見表 2.

表 1 模擬污水水質(zhì)  /mg ·L-1

 表 2 微量元素溶液組分 /mg ·L-1

　　1.3 污泥接種及試驗(yàn)設(shè)計(jì)

　　兩套A/O生物濾池裝置接種污泥取自北京某污水處理廠卡魯賽爾氧化溝缺氧池段, 懸浮固體(mixed liquor suspended solids, MLSS)質(zhì)量濃度為7000 mg ·L-1, 混合液揮發(fā)性固體(mixed liquor volatile suspended solids, MLVSS)質(zhì)量濃度為3549 mg ·L-1, 污泥沉降比為66%, 污泥體積指數(shù)94 mL ·g-1.兩套A/O生物濾池裝置均采用接種掛膜法啟動(dòng)：接種掛膜階段首先將取得的污泥與配水按體積比1 :2的比例混勻后分別送入2根濾柱, 缺氧段不曝氣, 好氧段悶曝1 d(氣量20 L ·h-1), 排空兩根柱子.以此方式重復(fù)3次.之后, 裝置開始小流量進(jìn)水, 逐漸增大流量至水力停留時(shí)間(hydraulic retention time, HRT)10 h.每?jī)商烊∫淮螛? 測(cè)定裝置穩(wěn)定期進(jìn)出水的COD、NH4+-N、NO2--N、NO3--N和TN等水質(zhì)指標(biāo)(裝置啟動(dòng)期為16 d), 第17 d, 開始穩(wěn)定運(yùn)行, 本實(shí)驗(yàn)將第17 d記錄為第1 d(即指穩(wěn)定階段開始的第1 d), 每?jī)商烊∫淮嗡畼?試驗(yàn)時(shí)兩套裝置同時(shí)運(yùn)行, 采用連續(xù)流進(jìn)水方式, 保持HRT為10 h, 氣水比4 :1, 硝化液回流比150%.反沖洗每月1次, 具體操作參數(shù)如下：先氣沖3.0 min, 再氣水聯(lián)沖4.5 min, 最后水沖4.0 min, 氣、水沖洗強(qiáng)度分別為0.4 mL ·(m2 ·min)-1和22.89 mL ·(m2 ·min)-1.

　　1.4 分析方法

　　1.4.1 水質(zhì)分析方法

　　主要水質(zhì)檢測(cè)指標(biāo)與方法：化學(xué)需氧量(chemical oxygen demand, COD)采用哈希試劑檢測(cè)法(UV-2100);TN采用TOC測(cè)定儀TN測(cè)定單元(TOC-VCPH);氨氮(ammonia nitrogen, NH4+-N)采用納氏試劑分光光度法(UV-2100);亞硝酸鹽氮(nitrite nitrogen, NO2--N)和硝酸鹽氮(nitrate nitrogen, NO3--N)采用離子色譜(DIONEX ICS-1000);pH采用便攜式pH計(jì)(PHC10103).

　　1.4.2 蘆竹填料組分測(cè)定

　　取若干塊太陽下曬干的形狀大小相似的蘆竹, 委托青島科創(chuàng)質(zhì)量檢測(cè)有限公司進(jìn)行蘆竹纖維中纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的組分分析, 采用范式洗滌纖維分析法測(cè)定[23].

　　1.4.3 微生物及分子生物學(xué)分析

　　在兩套A/O生物濾池裝置穩(wěn)定階段的第45 d, 取生物膜生長(zhǎng)良好的填料進(jìn)行SEM、高通量及qPCR分析.選取5 mm×5 mm的填料小塊, 用2.5%中性戊二醛固定, 磷酸緩沖液清洗, 乙醇梯度脫水.再進(jìn)行臨界點(diǎn)干燥和噴金后, 置于SEM電鏡下觀察.

　　用土壤基因組DNA提取試劑盒(MPBiomedicals, 美國)提取生物膜樣品的DNA. 20 μL的qPCR混合反應(yīng)物由16.4 μL的2X Taq Plus Master Mix(Vazyme Biotech, 美國), 2 μL的模板DNA, 0.8 μL的正向引物和0.8 μL的反向引物組成.qPCR的反應(yīng)條件為：95℃預(yù)變性5 min;在不同溫度下(amoA, 52℃; Nitrospira 16S rDNA, 60℃;narG和nirS, 60℃;nirK, 54℃;nosZ, 56℃;ANAMMOX, 55℃)變性30 s, 共40個(gè)循環(huán);最后72℃延伸40 s.每個(gè)樣品設(shè)3個(gè)平行樣.用Nano Drop 2000分析儀(Thermo Fisher Scientific, 美國)監(jiān)測(cè)構(gòu)建質(zhì)粒的數(shù)量與質(zhì)量.以10倍梯度稀釋各功能基因重組質(zhì)粒進(jìn)行qPCR(博日9600Plus, 中國)檢測(cè), 獲得各功能基因標(biāo)準(zhǔn)曲線.R2為0.994 9~0.999 9, 擴(kuò)增效率為84.8% ~99.7%.

　　在ABI 7500型熒光定量PCR儀(Life Technologies, 美國)對(duì)兩套裝置填料層中取得的不同填料生物膜進(jìn)行qPCR分析.對(duì)硝化過程功能基因amoA和Nitrospira 16S rDNA、厭氧氨氧化細(xì)菌功能基因ANAMMOX以及反硝化過程功能基因narG、nirK、nirS和nosZ的拷貝數(shù)進(jìn)行定量分析, 各目的基因的引物序列見表 3.

 表 3 qPCR引物序列

　　高通量測(cè)序采用MiSeqPE300測(cè)序模式, 選擇細(xì)菌16S rRNA V3~V4區(qū)引物338F和806R(引物序列5′-ACTCCTACGGGAGGCAGCAG-3′和5′-GGACTAC HVGGGTWTCTAAT-3′), 古菌16S rRNA V5~V7區(qū)引物524F和958R(引物序列5′-GGACTACHVGG GTWTCTAAT-3′和5′-YCCGGCGTTGAVTCCAATT-3′)對(duì)樣品進(jìn)行測(cè)試, 再分析得到樣品的菌群結(jié)構(gòu).具體聯(lián)系污水寶或參見http://www.northcarolinalenders.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

　　2 結(jié)果與討論

　　2.1 COD的變化及去除

　　由表 4可知, 兩套A/O生物濾池裝置對(duì)COD都有很好地去除效果, 且差異不大.兩者出水COD可滿足《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838-2002)一類水標(biāo)準(zhǔn)(小于15 mg ·L-1).圖 2可以看出, 采用蘆竹作為填料的2號(hào)濾池缺氧段出水中COD質(zhì)量濃度[(40.80±23.01) mg ·L-1]遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于1號(hào)普通礫石填料缺氧段出水[(11.81±8.64) mg ·L-1], 表明蘆竹作為填料時(shí)可顯著增加缺氧段中碳源含量, 為微生物反硝化過程提供更多的電子供體, 強(qiáng)化系統(tǒng)脫氮.而系統(tǒng)出水中COD質(zhì)量濃度低且差異不大說明蘆竹釋放出的碳源在促進(jìn)微生物反硝化作用的同時(shí)多余的碳源物質(zhì)會(huì)被其它異養(yǎng)菌利用, 從而并不會(huì)造成出水二次污染, 這也從側(cè)面反映了蘆竹作為A/O生物濾池缺氧段填料的可行性與優(yōu)越性.

表 4 A/O生物濾池對(duì)COD的去除效果

圖 2 A/O生物濾池缺氧段出水COD質(zhì)量濃度

　　2.2 NH4+-N的去除

　　兩套A/O生物濾池對(duì)NH4+-N去除效果如表 5所示, 可以看出2號(hào)裝置相比1號(hào)NH4+-N去除率提高了7%, 出水NH4+-N質(zhì)量濃度可滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918-2002)一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)(小于5 mg ·L-1).NH4+-N的去除主要依靠硝化細(xì)菌在好氧條件下將NH4+-N轉(zhuǎn)化為硝氮, 而硝化菌屬于自養(yǎng)菌, 生長(zhǎng)緩慢, 世代周期長(zhǎng), 對(duì)環(huán)境條件要求比較苛刻, 不易富集培養(yǎng).在本試驗(yàn)中, 由于好氧柱與缺氧柱填料層都較長(zhǎng)(分別為520 mm和700 mm), 因此在垂直方向存在溶解氧梯段變化.在好氧段氣水比為4 :1的條件下, 兩套裝置好氧柱填料最底層的溶解氧質(zhì)量濃度為2~3 mg ·L-1, 填料最上層溶解氧質(zhì)量濃度在4.5~7 mg ·L-1之間, 整個(gè)填料層都處于好氧環(huán)境, 是最適于硝化細(xì)菌生長(zhǎng)的條件.在硝化液回流比為150%時(shí), 兩套A/O生物濾池裝置缺氧段填料底層溶解氧質(zhì)量濃度為0.5~1 mg ·L-1, 填料最上層溶解氧質(zhì)量濃度小于1 mg ·L-1, 整個(gè)缺氧段填料層都處于反硝化菌的最佳生長(zhǎng)溶解氧質(zhì)量濃度條件下, 因此也能最大程度發(fā)揮生物脫氮作用.當(dāng)兩套裝置進(jìn)水中氨氮質(zhì)量濃度相同, 且運(yùn)行條件一致時(shí), 2號(hào)裝置對(duì)于NH4+-N具有更好的去除效果:一方面是因?yàn)楹醚醵翁畛涞幕钚蕴烤哂袕?qiáng)大的吸附能力, 在填料表面的生物膜遭受水流沖刷時(shí)使微生物免遭流失, 可為系統(tǒng)保留住更多的硝化菌;另一方面, 缺氧段填充的蘆竹填料在浸泡及微生物分解過程中釋放出的一些微量元素也會(huì)促進(jìn)硝化細(xì)菌的生長(zhǎng)代謝, 從而強(qiáng)化系統(tǒng)對(duì)氨氮的去除.

表 5 A/O生物濾池對(duì)NH4+-N的去除效果

　　2.3 TN的去除

　　兩套A/O生物濾池在60 d的穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)間里對(duì)模擬農(nóng)村污水中TN的去除見圖 3.當(dāng)進(jìn)水TN質(zhì)量濃度為(34.73±3.87)mg ·L-1時(shí), 1號(hào)和2號(hào)裝置出水TN質(zhì)量濃度分別為(21.56±4.26)mg ·L-1和(11.04±1.88)mg ·L-1, TN平均去除率分別為(37±15)%和(68±7)%.可見, 填充了蘆竹和活性炭的2號(hào)裝置對(duì)TN有更好的去除效果.余波等采用以多孔聚合物顆粒和空心球?yàn)樘盍系囊惑w式生物流化床-生物濾池處理低COD/TN(C/N)城市污水時(shí), 發(fā)現(xiàn)當(dāng)進(jìn)水C/N為2.64時(shí), TN的平均去除率只有30.8%.而在本試驗(yàn)中, 平均進(jìn)水C/N為2.28, 當(dāng)采用普通礫石填料時(shí), 1號(hào)系統(tǒng)TN去除率與上述研究接近;而在相同運(yùn)行條件下添加了活性炭和蘆竹的2號(hào)裝置TN去除率提高了31%, 這體現(xiàn)了蘆竹和活性炭作為A/O生物濾池填料的優(yōu)越性.

圖 3 A/O生物濾池對(duì)TN的去除效果

　　蘆竹組分測(cè)定結(jié)果如表 6所示, 蘆竹主要由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素這3部分組成.纖維素是由纖維二糖結(jié)構(gòu)單元組成的長(zhǎng)鏈大分子多聚糖組成, 易水解, 井洪晶等研究發(fā)現(xiàn)水稻秸稈中纖維素水解為葡萄糖等物質(zhì)是纖維素利用的重要途徑.半纖維素是一種相對(duì)低分子質(zhì)量、無定形, 并且具有多官能團(tuán)(包括乙�；�、甲基、葡萄糖醛酸、肉桂酸以及半乳糖醛酸)的雜多糖, 易水解, 且水解時(shí)會(huì)產(chǎn)生一種以上的單糖或單糖衍生物, 如透明質(zhì)酸、糖醛酸等.木質(zhì)素是由氧代苯丙醇或其衍生物結(jié)構(gòu)單元形成的芳香性高聚物, 是這3種物質(zhì)中最難水解的成分.從表 6的結(jié)果可以看出, 纖維素和半纖維素質(zhì)量之和在蘆竹總質(zhì)量中所占比重超過60%, 表明蘆竹作為反硝化外加碳源是可行的.有研究發(fā)現(xiàn), 以纖維素物質(zhì)楓樹葉為碳源時(shí)會(huì)分解出以延胡索酸為主要成分的低分子有機(jī)酸;劉長(zhǎng)莉等也發(fā)現(xiàn)水稻秸稈中纖維素的分解能釋放出丙酸、乙醇和異丙酸等揮發(fā)性脂肪酸.因此可以推測(cè)蘆竹中纖維素與半纖維素分解也會(huì)產(chǎn)生類似的多聚糖、單糖或單糖衍生物、小分子揮發(fā)性脂肪酸及低分子有機(jī)酸等.而Elefsiniotis等的研究已證實(shí), 這些揮發(fā)性脂肪酸及低分子有機(jī)酸作為反硝化碳源時(shí)能獲得更高的反硝化速率, 這就解釋了蘆竹填料可強(qiáng)化系統(tǒng)脫氮的原因.

表 6 蘆竹組分分析 /g ·g-1

　　活性炭與蘆竹對(duì)于A/O生物濾池系統(tǒng)脫氮的促進(jìn)作用機(jī)制不同.對(duì)活性炭而言, 對(duì)TN的去除主要依靠強(qiáng)大的吸附作用固定更多的硝化菌在填料表面從而促進(jìn)氨氮在好氧段的轉(zhuǎn)化, 為缺氧段微生物反硝化作用提供電子受體, 直接促進(jìn)水中氨氮的去除, 間接地強(qiáng)化系統(tǒng)對(duì)于TN的去除.而蘆竹作為生物濾池缺氧段的填料時(shí), 在水的浸泡及微生物分解雙重作用下, 蘆竹纖維中的大分子糖類會(huì)分解為小分子糖類及有機(jī)酸, 為反硝化菌提供更多的電子供體, 強(qiáng)化缺氧段反硝化作用, 增強(qiáng)系統(tǒng)對(duì)于TN的去除.

　　值得注意的是, 蘆竹對(duì)于系統(tǒng)強(qiáng)化脫氮是一個(gè)持續(xù)且穩(wěn)定的過程, 在經(jīng)歷了60 d的碳源釋放后, 蘆竹對(duì)于系統(tǒng)強(qiáng)化脫氮的作用絲毫沒有減弱, 說明蘆竹作為生物濾池缺氧段填料時(shí)可保證在一個(gè)較長(zhǎng)的時(shí)期內(nèi)發(fā)揮作用.孫雅麗等以腐朽木為碳源去除廢水中硝酸鹽氮, 發(fā)現(xiàn)腐朽木在添加46 d后釋放碳源的能力顯著下降.而同樣在使用蘆竹作為外加碳源及微生物填料時(shí), Li等發(fā)現(xiàn)將蘆竹填入反硝化膜生物反應(yīng)器中強(qiáng)化系統(tǒng)脫氮時(shí), 170 d后蘆竹仍有很好地促進(jìn)系統(tǒng)脫氮的能力, 但質(zhì)量損失高達(dá)92%, 這很好地體現(xiàn)出蘆竹作為植物碳源的優(yōu)越性.結(jié)合上述試驗(yàn)結(jié)果及已有研究, 可推測(cè)蘆竹作為植物碳源最少可在170 d內(nèi)保持碳源穩(wěn)定釋放, 而作為微生物載體時(shí)由于碳源釋放過程導(dǎo)致質(zhì)量損失嚴(yán)重會(huì)使得填料表面形態(tài)發(fā)生變化, 不能很好地附著微生物, 因此需要及時(shí)更換填料.但保守估計(jì)120 d內(nèi), 蘆竹都能很好地發(fā)揮填料及外加碳源的雙重功能.

　　2.4 不同填料上的生物膜形態(tài)

　　圖 4所示為活性炭及蘆竹附著生物膜前后的填料表面掃描電鏡圖.可以看出, 礫石表面光滑, 微生物附著能力較弱;活性炭表面多孔, 能很好地吸附生物膜和水中的顆粒污染物;蘆竹表面粗糙, 很適于微生物附著生長(zhǎng).兩套裝置缺氧段中無論是礫石還是蘆竹填料上, 生物膜都以短桿菌為主.相比1號(hào)裝置缺氧段礫石填料上較稀薄的生物膜, 2號(hào)缺氧段礫石填料上黏性物質(zhì)將細(xì)菌緊緊粘合在一起, 形成更為密實(shí)的生物膜結(jié)構(gòu);而蘆竹上附著的生物膜較礫石顯然更為均勻緊湊, 黏性物質(zhì)也更少.這一方面說明蘆竹作為微生物載體效果優(yōu)于普通礫石填料;另一方面也表明蘆竹釋放出的有機(jī)物和微量元素促進(jìn)了微生物的生長(zhǎng).在微生物反硝化過程中, 典型的反硝化假單胞菌屬(Pseudomonaceae)和色桿菌屬(Chromobacterium)均呈桿狀.圖 4中顯示的缺氧段填料上的短桿菌可能就屬于這兩類細(xì)菌.

 (a)1號(hào)好氧段礫石填料; (b)2號(hào)好氧段活性炭填料; (c)空白蘆竹表面; (d)1號(hào)缺氧段礫石填料; (e)2號(hào)缺氧段礫石填料; (f)2號(hào)缺氧段蘆竹填料

圖 4 A/O生物濾池填料表面掃描電鏡

　　2.5 填料表面細(xì)菌分布特征

　　2.5.1 好氧段填料表面細(xì)菌在門層面的分布特征

　　A/O生物濾池好氧段微生物群落多樣性分析結(jié)果見圖 5, 兩組生物濾池好氧段細(xì)菌門類多樣性都比較豐富;在1號(hào)好氧段中, 微生物主要由Proteobacteria(變形菌門, 28.45%)、Actinobacteria(放線菌門, 22.21%)、Patescibacteria(16.59%)、Chloroflexi(綠彎菌門, 9.92%)和Bacteroidetes(擬桿菌門, 6.54%)組成. 2號(hào)好氧段中, 主要由變形菌門(30.57%)、綠彎菌門(15.84%)、擬桿菌門(10.30%)、放線菌門(9.47%)、Patescibacteria(8.45%)和Nitrospirae(硝化螺旋菌門, 6.99%)組成, 二者優(yōu)勢(shì)類群均包括變形菌門、綠彎菌門、擬桿菌門、放線菌門和Patescibacteria.污水處理微生物群落中的硝化細(xì)菌主要屬于變形菌門和硝化螺旋菌門.而1號(hào)好氧段中變形菌門占比高而硝化螺旋菌門的占比極低(0.31%), 表明氨氮的轉(zhuǎn)化主要是由變形菌門完成.而2號(hào)好氧段中變形菌門占比大于1號(hào)好氧段且硝化螺旋菌門占比較高, 表明是變形菌門與硝化螺旋菌門共同完成硝化過程.

圖 5 A/O生物濾池好氧段微生物門層面群落組成分析

　　從上述結(jié)果可以看出, 活性炭作為好氧段填料會(huì)顯著改變生物膜中微生物的種群結(jié)構(gòu), 提高好氧段中微生物的多樣性, 使裝置具有更好地抗擊負(fù)荷變化的能力;同時(shí)也有效提高了硝化菌的豐度占比, 強(qiáng)化系統(tǒng)氨氮的去除.這就很好地解釋了兩套裝置對(duì)氨氮去除的差異.

　　2.5.2 缺氧段填料表面細(xì)菌在門層面的分布特征

　　A/O生物濾池缺氧段微生物群落多樣性分析如圖 6所示.在1號(hào)缺氧段中, 細(xì)菌門類主要由綠彎菌門(25.38%)、變形菌門(16.33%)、擬桿菌門(15.44%)和浮霉菌門(12.16%)組成. 2號(hào)缺氧段中, 占比較高的細(xì)菌門類為擬桿菌門(24.00%)、變形菌門(19.97%)、Firmicutes(厚壁菌門, 15.82%)和Patescibacteria(12.83%), 二者共同的優(yōu)勢(shì)類群為變形菌門和擬桿菌門.據(jù)報(bào)道, 綠彎菌門和厚壁菌門是微生物反硝化脫氮過程中的主要參與菌種, 常見于各種規(guī)模的試驗(yàn)及實(shí)際污水處理中.擬桿菌門和變形菌門在污水中的作用主要對(duì)應(yīng)于化能有機(jī)營養(yǎng)的專性厭氧和固氮作用, 因此也常被認(rèn)為是反硝化過程的主要參與者.浮霉菌門是一小門水生細(xì)菌.可通過厭氧氨氧化過程脫氮的厭氧氨氧化(anaerobic ammonium oxidation, ANAMMOX)細(xì)菌主要就存在于浮霉菌門.因此, 浮霉菌門在微生物種群中分布較多時(shí)預(yù)示著系統(tǒng)中可能存在厭氧氨氧化脫氮過程.總體來看, 兩套裝置缺氧段中反硝化脫氮微生物都占據(jù)主導(dǎo)地位, 表明反硝化脫氮是兩套裝置缺氧段中氮去除的主要途徑.值得注意的是, 1號(hào)缺氧段中浮霉菌門的占比高達(dá)12.16%, 表明1號(hào)裝置缺氧段很可能存在厭氧氨氧化脫氮過程, 但ANAMMOX細(xì)菌在系統(tǒng)TN去除中的貢獻(xiàn)率還有待于進(jìn)一步研究.

圖 6 A/O生物濾池缺氧段微生物門層面群落組成分析

　　2.6 A/O生物濾池脫氮菌功能基因拷貝數(shù)

　　A/O生物濾池脫氮主要依靠微生物硝化-反硝化過程, 其間需要不同種類微生物參與.其中微生物硝化過程包括2個(gè)連續(xù)的步驟(NH4+ NO2-NO3-), amoA和Nitrospira 16S rDNA基因是硝化細(xì)菌在氨氮轉(zhuǎn)化過程中的兩個(gè)關(guān)鍵基因.反硝化過程包括4個(gè)連續(xù)的步驟(NO3- NO2- NO N2 O N2), 其中narG、nosZ、nirS和nirK是硝氮和亞硝氮轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵基因, 也是研究最為廣泛的基因;ANAMMOX基因是典型厭氧氨氧化基因, 與NO2-去除密切相關(guān).因此, 以上這些與氮的轉(zhuǎn)化有關(guān)的功能基因豐度即可反映出系統(tǒng)的脫氮能力.用qPCR測(cè)定裝置穩(wěn)定期的生物膜中基因拷貝數(shù)(表 7和表 8).可以看出, 2號(hào)裝置好氧段兩種硝化功能基因豐度要高于1號(hào)好氧段2個(gè)數(shù)量級(jí).且2號(hào)裝置缺氧段幾種反硝化功能基因和厭氧氨氧化功能基因都要顯著高于1號(hào)裝置缺氧段, 而且除了narG和nosZ基因, 其余幾種都有1~2個(gè)數(shù)量級(jí)上的差別.微生物脫氮功能基因豐度的變化反映在宏觀上即脫氮微生物種群數(shù)量的差異.因此以上結(jié)果表明以活性炭和蘆竹為填料會(huì)顯著增加脫氮微生物在裝置中的數(shù)量分布, 同時(shí)促進(jìn)生物濾池系統(tǒng)對(duì)于氨氮和總氮的去除, 這也很好地解釋了兩套生物濾池裝置對(duì)氨氮和TN去除的變化趨勢(shì).

表 7 A/O生物濾池好氧段填料生物膜中各基因拷貝數(shù)(以SS計(jì)) /copies ·g-1

 表 8 A/O生物濾池缺氧段填料生物膜中各基因拷貝數(shù)(以SS計(jì)) /copies ·g-1

　　3 結(jié)論

　　(1) 在兩套A/O生物濾池穩(wěn)定運(yùn)行的60 d內(nèi), 采用蘆竹和活性炭作為填料的2號(hào)A/O生物濾池對(duì)水中NH4+-N和TN的去除率相比于采用礫石填料的1號(hào)A/O生物濾池分別提高了7%和31%.

　　(2) 生物濾池缺氧段中的微生物以短桿菌為主.蘆竹表面粗糙, 作為填料時(shí)適于微生物附著生長(zhǎng).且蘆竹表面附著的生物膜較礫石表面的更為均勻緊湊, 黏性物質(zhì)更少.

　　(3) 采用蘆竹和活性炭填料的2號(hào)A/O生物濾池好氧段和缺氧段中脫氮微生物種群多樣性更加豐富, 且硝化功能基因(amoA和Nitrospira16S rDNA)、反硝化功能基因(narG、nosZ、nirS和nirK)和厭氧氨氧化功能基因(ANAMMOX)豐度均明顯高于普通礫石A/O生物濾池中.這些結(jié)果與兩套裝置對(duì)于TN和NH4+-N的去除結(jié)果一致.(來源：西安建筑科技大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院 作者：趙遠(yuǎn)哲)