活性污泥法作為一種成本較為低廉、 處理效果好的污水凈化工藝被廣泛用于城市污水處理廠(chǎng). 在我國約有60%的城市污水處理廠(chǎng)和大部分工業(yè)廢水處理廠(chǎng)采用了活性污泥法[1, 2, 3]，但是污泥膨脹的高發(fā)生率是制約污水處理工藝發(fā)展的主要因素之一[4, 5, 6]. 研究表明超過(guò)50%的污水處理廠(chǎng)受到污泥膨脹的困擾[7]，且95%以上的污泥膨脹是由絲狀菌過(guò)度增殖引起[8, 9]. 污泥發(fā)生絲狀性膨脹的本質(zhì)為細菌對相關(guān)環(huán)境因素變化的響應差異而導致菌落之間的平衡被破壞[10, 11, 12]. 研究發(fā)現在低溫條件下極易發(fā)生污泥膨脹，導致污泥絮體松散、 沉淀壓縮性能變差，影響出水水質(zhì)[13, 14]. 因此冬季低溫誘導的污泥膨脹問(wèn)題已成為目前研究的重點(diǎn). 鄭州某污水處理廠(chǎng)近年來(lái)每年均出現間斷性污泥膨脹問(wèn)題，致使二沉池發(fā)生漂泥現象，后續處理費用增加，經(jīng)濟效益降低. 本研究于2014年對該廠(chǎng)進(jìn)行連續采樣調查，結合水質(zhì)參數和細菌群落結構變化，擬探討該廠(chǎng)冬季發(fā)生污泥膨脹的機制，以期能夠提出相應的調控措施.
1 材料與方法
1.1 樣品采集和水質(zhì)測定
鄭州某污水處理廠(chǎng)主體采用A2/O處理工藝，建設規模為30萬(wàn)m3·d-1，總變化系數為1.30. 設計出水水質(zhì)為BOD5 20mg·L-1，COD 80mg·L-1. 生物池設計參數為：泥齡14 d，BOD5污泥負荷0.08 kg·(kg·d)-1，污泥濃度3.80 g·L-1，產(chǎn)泥率0.97 kg·kg-1，設計水溫最低12℃. 污水水質(zhì)監測的水樣均采自污水處理廠(chǎng)的進(jìn)出水口. 經(jīng)預處理后用快速消解法測定COD，測定間隔為一周. 用于微生物群落結構研究的污泥樣品取自A2/O工藝好氧段. 采集后的樣本在-20℃下保存運輸至實(shí)驗室.
1.2 微生物群落結構測定與分析
污泥樣品解凍后，用美國OMEGA公司土壤DNA提取試劑盒E.Z.N.A.TM Soil DNA Kit(OMEGA D5625-01，USA)進(jìn)行DNA的提取. 提取后的DNA進(jìn)行瓊脂糖凝膠電泳實(shí)驗，檢驗其純度. 最后將純化DNA樣溶解于50 μL TE buffer，-20℃下保存以備用.
圖 1 進(jìn)出水COD變化趨勢
將30 μL的 DNA樣本送到微基生物科技(上海)有限公司進(jìn)行16S rDNA V4可變區的高通量測序. 測得的高質(zhì)量序列優(yōu)化后與silva 119 數據庫中的 aligned(16S/18S，SSU)核糖體序列比對后進(jìn)行OTU聚類(lèi). 使用mothur 軟件 計算菌群豐度指數(chao 1，ACE)和多樣性指數(Shannon指數).
2 結果與討論 2.1 污水動(dòng)力學(xué)參數 2.1.1 進(jìn)出水COD變化
該廠(chǎng)2014年1月到12月的進(jìn)出水COD情況如圖 1所示，平均進(jìn)水COD濃度為339 mg·L-1. 平均出水濃度為 22.40 mg·L-1，全部低于出水設計值(50 mg·L-1)，COD去除率達90%以上，凈化效果佳. 本研究中，1~4月的水溫范圍在14~20℃之間，COD去除率始終維持在90%以上，出水COD指標和夏季樣品相差無(wú)幾，活性污泥的降解效率并沒(méi)有受到很大的影響. 這與前人的研究類(lèi)似. 如羅固源等[15]考察了低溫(8~20℃)對螺旋升流式反應器(SUFR)系統處理效果的影響，同樣發(fā)現SUFR系統在低溫運行期間，COD去除率始終保持在86%以上. 崔迪[16]在比較寒區3種污水處理工藝性能時(shí)發(fā)現，水溫變化范圍在10.40~17.10℃之間時(shí)，A/O污水生化處理系統對COD的去除率仍然可達 82.10%，滿(mǎn)足出水水質(zhì)標準. 究其原因，高春娣等[17]認為，活性污泥絲狀菌微膨脹狀態(tài)下，絲狀菌比表面積大，并且使得活性污泥具有很好的網(wǎng)濾作用，可以有效去除出水中細小的懸浮物，改善出水水質(zhì).
2.1.2 SVI變化
2014年全年該廠(chǎng)活性污泥的沉降性能變化趨勢如圖 2所示，表現出很明顯的季節性變化趨勢，即溫度曲線(xiàn)與SVI正好呈相反的變化趨勢. 1月SVI指數從150迅速上升到250; 2月穩定250左右，污泥膨脹最為嚴重. 隨著(zhù)溫度的回升，3月開(kāi)始污泥沉降性能緩慢恢復; 4月恢復速度進(jìn)一步加快. 從5月開(kāi)始到12月，污泥SVI值始終穩定在100，沉降性能良好. 因此，本實(shí)驗采集8月的泥樣代表整個(gè)夏季，而波動(dòng)較大的 1、 2、 3、 4、 12月均需單獨采樣研究微生物菌落結構. 污泥膨脹現象在我國北方寒冷地區城市污水處理廠(chǎng)經(jīng)常發(fā)生[18, 19]，這給污水處理的正常運行和管理帶來(lái)很大困難. Knoop等[20]也發(fā)現系統在12℃運行期間發(fā)生了污泥膨脹. 這與本研究的結論是一致的.
圖 2 全年SVI變化趨勢
2.2 微生物群落結構
2.2.1 多樣性分析
本研究采用高通量測序，讀取6個(gè)樣(1、 2、 3、 4、 8和12月)的有效序列依次為68194、 53100、 61602、 68481、 33532和65724. 序列長(cháng)度集中在400~500 bp. 稀釋性曲線(xiàn)都趨于平坦時(shí)，說(shuō)明測序數據量合理. 為了反映不同樣品中微生物群落組成的相似性以及影響微生物多樣性的主要因素，用PC-ORD軟件將各組樣本之間的數據差異在PCA圖中表現出來(lái). 分析結果顯示如圖 3所示，8月樣品與其他月份存在著(zhù)很大的差異.
圖 3 PCA分析
全樣本相似性分析如圖 4所示，進(jìn)一步反映了樣本之間的相似度，結果與圖 3一致，8月樣品和其他樣品差異最大. 微生物群落結構的多樣性是評價(jià)污水處理系統結構和功能的主要指標之一. 樣品間的多樣性的差異表明夏季的細菌群落結構要顯著(zhù)不同于發(fā)生污泥膨脹的樣品，微生物群落結構的差異與溫度有著(zhù)明顯的相關(guān)性.
圖 4 全樣本相似性分析
2.2.2 優(yōu)勢種變化
在97%的相似度下對所有序列進(jìn)行 OTU分類(lèi)并進(jìn)行生物信息統計分析. 所有序列分屬于細菌的30個(gè)門(mén). 圖 5顯示了在門(mén)水平上的相對豐度的差異. 結果表明8月的細菌菌落結構顯著(zhù)不同于其他月份，幾種主要優(yōu)勢門(mén)的相對豐度均發(fā)生了明顯的變化; 而1、 2、 3、 4、 12月則保持了一定的相似性. 這與之前的微生物結構的多樣性和相似度分析結果一致，即溫度的變化導致活性污泥中細菌群落優(yōu)勢種群組成也發(fā)生了顯著(zhù)變化.
在所有樣本中，變形菌門(mén)的Proteobacteria 為主導優(yōu)勢門(mén)，其相對豐度占細菌總數的比例在1、 2、 3、 4、 8和12月依次為50.18%、 43.77%、 43.24%、 43.58%、 36.15%和44.39%，表現出顯著(zhù)的季節變化趨勢. 第二優(yōu)勢門(mén)為擬桿菌門(mén)的Bacteroidetes，其相對豐度在8月變化顯著(zhù)，比例為15.66%的，遠低于其他月份. 第三優(yōu)勢門(mén)綠彎菌門(mén)的Chloroflexi 的相對豐度隨溫度增加而上升.
圖 5 不同細菌門(mén)的相對豐度
值得注意的是放線(xiàn)菌門(mén)的Actinobacteria相對豐度在溫度較低的月份中僅占到1%左右的比例，而在8月占到了細菌總數的8.50%.
以上對群落結構的進(jìn)一步分析表明正是由于主要的細菌菌群變形菌門(mén)、 擬桿菌門(mén)、 放線(xiàn)菌門(mén)對溫度的響應不一致，導致了細菌菌落結構發(fā)生了顯著(zhù)改變. 溫度降低，嗜冷菌(主要是擬桿菌門(mén))的大量繁殖取代不耐低溫的細菌的優(yōu)勢地位，進(jìn)而引發(fā)污泥膨脹，沉降性能變差，表現為SVI值變高，而溫度正是誘導這種群落結構變化的根本原因.
2.2.3 絲狀菌變化
根據OTU分類(lèi)數據，篩選出所有絲狀菌進(jìn)一步的分析. 如圖 6所示，8月(夏季)的絲狀菌群落組成與其他月份存在顯著(zhù)差異，表明絲狀菌菌落結構隨溫度發(fā)生了較明顯的變化. 腐螺旋菌科Saprospiraceae在1、 2、 3、 4、 12月占到了絲狀菌總數的50%左右，且相對豐度較為穩定，但在8月的樣品急劇下降至25%以下，這與污泥的SVI變化趨勢一致，同屬擬桿菌門(mén)的黃桿菌科的Flavobacteriales的相對豐度發(fā)生了類(lèi)似的變化趨勢. 說(shuō)明該廠(chǎng)活性污泥膨脹與擬桿菌門(mén)絲狀菌(主要是腐螺旋菌科的Saprospiraceae和黃桿菌科的Flavobacteriales)在低溫月份的大量增殖有關(guān). 另外，值得注意的是綠彎菌門(mén)的Anaerolineae和放線(xiàn)菌門(mén)的Candidatus Microthrix作為常見(jiàn)的絲狀菌[21, 22]，在8月的相對豐度有顯著(zhù)的增殖. 綠彎菌門(mén)絲狀菌普遍存在于市政污水處理廠(chǎng)和工業(yè)廢水處理廠(chǎng)中，它們一般隱藏在污泥菌膠團絮狀體內部，通常也不會(huì )引起污泥膨脹[23, 24]. 并且由于其在污泥膨脹月份的相對豐度過(guò)低，這兩種絲狀菌不是引起污泥膨脹的主要菌種.
針對低溫條件污泥膨脹的調控方法，保溫等措施無(wú)疑會(huì )增加基建和運行費用，不太經(jīng)濟可行. 有人提出，通過(guò)人工篩選、 培育耐低溫優(yōu)勢菌是解決這類(lèi)問(wèn)題的最佳途徑[25, 26]. 本研究建議針對鄭州某污水處理廠(chǎng)冬季污泥膨脹問(wèn)題，添加相關(guān)藥劑抑制擬桿菌門(mén)絲狀菌的生長(cháng)，改善污泥沉降性能.具體參見(jiàn)污水寶商城資料或http://www.sharpedgetext.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。
圖 6 絲狀菌相對豐度
3 結論
(1)季節變化引起的溫度變化是該廠(chǎng)發(fā)生冬季污泥膨脹的根本原因.
(2)該廠(chǎng)發(fā)生的絲狀菌污泥膨脹的優(yōu)勢絲狀菌為腐螺旋菌科的Saprospiraceae和黃桿菌科的Flavobacteriales.（來(lái)源及作者：天津理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與安全工程學(xué)院 端正花 田樂(lè )琪 陳曉歐 天津市市政工程設計研究院 潘留明 王秀朵 趙樂(lè )軍）
