4種不同工況生物濾池凈化效能與微生物特性分析

　　作為生物膜法處理技術(shù)之一, 生物濾池在污水處理領(lǐng)域已有不少應用, 如工廠(chǎng)化水產(chǎn)養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, 一般是強化硝化-反硝化, 對應的構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用較多的一種, 有關(guān)其凈化機制、效能評價(jià)、參數優(yōu)化、技術(shù)開(kāi)發(fā)等研究較多.然而持續曝氣的生物濾池不僅耗能高, 同時(shí)濾池內的好氧環(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 )造濾池內的交替好氧/厭氧(或缺氧)狀態(tài), 不僅節能, 還有利于同步脫氮除磷.

　　對于新啟用的生物濾池而言, 掛膜所需時(shí)間長(cháng)短會(huì )影響到實(shí)際生產(chǎn)應用.掛膜通常是指進(jìn)行微生物適應性馴化, 定向培育或富集功能微生物.由于生物濾池的構筑方式、處理對象、運行環(huán)境條件等多樣, 目前關(guān)于生物濾池的啟動(dòng)時(shí)間長(cháng)短報道不一.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、水力負荷、污染負荷、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計成下行流, 通過(guò)水-氣對流增加氧氣傳質(zhì)效果; 反硝化濾池可設計成折流式, 減小死水區, 增加污染物與基質(zhì)的充分接觸, 延長(cháng)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整與凈化效率的量化關(guān)系及其機制的報道較少.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))等改變對生物濾池凈化效率的影響, 本文設計了4種不同運行工況的生物濾池, 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構解析, 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)應用提供理論指導.

　　1 材料與方法1.1 試驗系統設計與構建

　　試驗構建的4組生物濾池框架均為有機玻璃, 其中3組垂直流濾池規格一致, 即L×W×H為48 cm×48 cm×60 cm, 水平流濾池為100 cm×48 cm×48 cm, 水平流濾池內還設置了9個(gè)等間距平行交錯的折流板(39 cm×0.9 cm×48 cm). 4組濾池內均填充孔徑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, 具體在曝氣濾池底部鋪設PVC布氣管, 布氣管直徑20 mm, 表面鉆有間距5~8 mm、大小5~6 mm的出氣孔; 布氣管內穿插納米微孔曝氣管(內徑×外徑=10 mm×15 mm), 后者通過(guò)聚乙烯軟管(內徑×外徑=10 mm×13 mm)與旋渦風(fēng)機相連(風(fēng)量：60 m3·h-1; 最大風(fēng)壓：10 kPa; 品牌：亞士霸; 型號：HG-250;產(chǎn)地：浙江臺州).運行時(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, 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構示意

　　1.2 濾池運行與數據采集

　　本試驗開(kāi)始之前, MAVF、BHF濾池已于前期運行1 a, 主要用于處理模擬配制的高濃度養殖廢水[9], 濾池內已形成成熟的生物膜; 而NAVF、NVF為新啟用濾池.試驗啟動(dòng)時(shí), 于各組濾池內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, 連續接種3 d.過(guò)后, 再往濾池內引入模擬配制的生活污水進(jìn)行掛膜/微生物馴化, 并開(kāi)始采集數據, 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.配制廢水對應各項污染物的質(zhì)量濃度見(jiàn)表 1.

　　表 1 試驗模擬配制的廢水組成1) /mg·L-1

　　目前關(guān)于生物濾池啟動(dòng)時(shí)間長(cháng)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)水是否含有機物對硝化型曝氣生物濾池掛膜的影響, 發(fā)現進(jìn)水不含有機物的濾池成功掛膜僅需18 d, 而進(jìn)水含有機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內完成接種掛膜.本研究將新濾池掛膜時(shí)間設定為一個(gè)月, 期間將各組垂直流濾池水力負荷設為0.05、0.10、0.18 m3·(m2·d)-1這3個(gè)水平, 每個(gè)水平持續運行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;對應3種水力負荷的氣水比約為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YSI多參數水質(zhì)分析儀(型號：Pro Plus)現場(chǎng)測定溫度(T)、溶解氧(DO)、氧化還原電位(ORP)、堿度(pH)、電導率(Cond)、比電導率(SC)、總溶解固體(TDS)、鹽度(Sal)等在線(xiàn)參數.水樣采集后, 按國家標準方法[10]測定COD、TN、NO3--N、NO2--N、TAN、TP、IP等指標, 其中COD為高錳酸鹽指數. COD又分為總有機物(TCOD)和溶解性有機物(DCOD). DCOD為水樣經(jīng)0.45μm濾紙過(guò)濾后測定值, TCOD為直接測定值.

　　掛膜結束后, 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, 具體是通過(guò)16S rDNA高通量測序方法完成微生物群落結構分析.測序平臺為MiSeq, 采用細菌16S rDNA V3+V4區域通用引物：338F ACTCCTACGGGAGGC AGCAG和806R GGACTACHVGGGTWTCTAAT.下機原始數據利用overlap將雙端數據進(jìn)行拼接, 并進(jìn)行質(zhì)控、嵌合體過(guò)濾以獲得高質(zhì)量的有效數據, 隨后對其進(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 數據分析

　　生物濾池的凈化效率除受污染負荷影響外, 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k來(lái)評價(jià)濾池的凈化效能, 即：

　　式中, k為一價(jià)去除率常數, d-1; HLR為水力負荷, 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.

　　采用獨立t-test檢驗各組濾池進(jìn)出水間理化特征的差異.因為BHF濾池進(jìn)水即為MAVF出水, 為了屏蔽進(jìn)水濃度對濾池凈化效率的影響, 以進(jìn)水污染負荷為協(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構及凈化效率的相似性, 采用層次聚類(lèi)法對優(yōu)勢菌種的相對豐度、所有OTU序列數及一階去除率常數k進(jìn)行聚類(lèi); 同時(shí)為了探究?jì)?yōu)勢菌種與濾池出水理化環(huán)境特征及凈化效率的關(guān)系, 還對這些變量進(jìn)行了冗余度(redundancy analysis, RDA)排序分析.選擇RDA是因為某些污染物指標的k值為負.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 結果與討論2.1 不同運行工況濾池進(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)出水理化參數間的差異主要體現在溫度、溶解氧、氧化還原電位、堿度等指標上, 而電導率、比電導率、總溶解固體、鹽度等指標的變化較小.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(zhù)差異).進(jìn)一步比較發(fā)現, 經(jīng)垂直流濾池處理后, 出水溫度顯著(zhù)升高, 溶解氧、pH顯著(zhù)降低.溫度升高可能是因為曝氣所致(鼓風(fēng)機持續運行發(fā)熱, 吹出的空氣高于室溫); 溶解氧、pH降低是因為濾池內部存在硝化過(guò)程, 需要消耗溶解氧和堿度.曝氣顯著(zhù)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), 原因可能是因為硝化過(guò)程需要消耗CO2, 曝氣能不斷地向濾池內部輸送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, 依據高立杰等提出的DO等級劃分方法, 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)出水理化參數比較1)

  　　2.2 不同運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組濾池內均無(wú)明顯的硝氮、亞硝氮積累, 這也說(shuō)明濾池內反硝化進(jìn)行得很充分.相應地, 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氮含量, 發(fā)現MAVF及BHF濾池出水總氮以有機氮為主, 而NAVF及NVF濾池出水總氮以溶解性氮素為主, 這可能是因為前兩組濾池內生物膜相對成熟, 微生物數量豐富, 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3組垂直流濾池對有機物的去除率均較高, 其中TCOD的去除率都在80%以上, 但水平流濾池除對有機物/有機氮有一定的去除作用外, 對其它指標的去除率基本為負. BHF濾池對有機物、有機氮及總氮的去除率為正, 對氨氮、硝氮、亞硝氮及溶解性氮素的去除率為負, 表明濾池內發(fā)生了有機物的氨化、氨氮的硝化/亞硝化及反硝化等.同時(shí), 由BHF濾池進(jìn)出水各氮素指標的數值大小可知, BHF濾池內發(fā)生的上述氮素轉化強度非常弱, 可能歸結于BHF濾池內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比較1)

 　　3組垂直流濾池對硝氮都有較高的k值(表 3), 表明濾池內部反硝化作用較為明顯, 可能是因為反硝化異養菌易于增殖, 濾池的間歇曝氣運行沒(méi)有對反硝化過(guò)程造成抑制.相反, 在水平流濾池中, 各項氮素指標的k值基本為負(總氮和有機氮除外), 表明水平流濾池內部的硝化-反硝化過(guò)程都受到了一定程度的抑制, 可能是因為水平流濾池沒(méi)有曝氣, 濾池內部的低溶解氧水平和相對不高的環(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底物.

　　方差分析結果顯示, 不同工況濾池之間各項指標的k值都存在顯著(zhù)差異(表 3).多重比較發(fā)現, 4組濾池對碳、氮、磷的凈化效率基本是MAVF>NAVF>NVF>BHF.在有機物去除方面, MAVF顯著(zhù)高于NAVF和NVF, 后者顯著(zhù)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, 試驗工況下濾池內碳、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硝氮去除的影響更大, 可能是因為試驗裝置反硝化易于發(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, 各組濾池對磷的去除率均不高, 可能是因為濾池除磷仍然以生物除磷為主, 這與筆者之前報道的結果相似.具體聯(lián)系污水寶或參見(jiàn)http://www.sharpedgetext.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

　　2.3 不同運行工況濾池微生物群落結構比較

　　4種不同工況濾池在試驗末期取陶粒樣品進(jìn)行微生物群落結構檢測, 通過(guò)16S rDNA高通量測序分析共獲得96 708條有效序列, 它們在4組濾池內的分布是：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, 它們在4組濾池內的分布是：MAVF(680)、NAVF(691)、NVF(413)和BHF(828).再依據4組濾池所含OTU序列數繪制等級豐度圖和相應的α多樣性指數.由樣品測序稀釋曲線(xiàn)圖 2(a)可知, Chao1曲線(xiàn)趨于平緩, 表明測序數據量已飽和; 由圖 2(b)可知, 4組濾池的辛普森指數(Simpson)一致(均為0.98), 而觀(guān)察種(Observed species)、香農(Shannon)、Chao1等指數存在明顯差別, 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, 多樣性指數愈高.

　　圖 2

圖 2 4種不同工況濾池的稀釋曲線(xiàn)、等級豐度圖和α多樣性指數

　　依據測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的物種數分別為212、200、161、257, 這與前面描述的多樣性指數變化趨勢一致.此外, 將所有物種的相對豐度均列出并不便于分析, 而且優(yōu)勢物種往往就能反映群落結構的主要特征.因此, 本文選取豐度最高的前20個(gè)物種或功能分類(lèi), 將其余的設置為others, 進(jìn)行相對豐度計算, 并據此繪制相對豐度堆疊柱狀圖[圖 3(a)和3(b)]和物種分類(lèi)熱圖[圖 3(c)和(d)], 便于直觀(guān)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豐度和物種分類(lèi)熱圖

　　由相對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中相對豐度較高.在屬水平上, 相對豐度最高的是紅環(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, 發(fā)現反應器內優(yōu)勢菌群中紅環(huán)菌目相對豐度較大, 據此推測紅環(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)、藍細菌(Cyanobacteria)等豐度較低.相反, Ignavibacteriae、綠彎菌、硝化螺旋菌、藍細菌等在BHF和MAVF中豐度較高.聚類(lèi)結果顯示, 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)結果與門(mén)水平一致.同樣, 4組濾池的優(yōu)勢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)勢菌種相對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)勢菌種的功能注釋

 

  　　傳統觀(guān)點(diǎn)認為, 硝化過(guò)程屬于化能自養過(guò)程, 且嚴格好氧.本研究通過(guò)物種注釋, 于4四組濾池內僅檢測到了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), 且三者的相對豐度都很低(表 5).這與戴琦、黃菲等報道的硝化/亞硝化菌富集低豐度結果相似.戴琦等采用膜生物反應器處理含環(huán)丙沙星(CIP)的模擬廢水, 發(fā)現在0、5、10mg·L-1的CIP投加濃度下, 亞硝化單胞菌屬的總相對豐度依次為0.02、0.01、0.006, 硝化螺菌屬的總相對豐度依次為0.73、1.57、0.82;黃菲等研究了在冬季低溫條件下, 膜生物反應器與傳統活性污泥法工藝運行效果及微生物群落特征的差異, 發(fā)現R1(高污泥濃度膜生物反應器)、R2(低污泥濃度膜生物反應器)、R3(傳統活性污泥工藝)中主要的硝化菌為Nitrospira, 其總相對豐度依次為1.22%、1.64%、0.15%.將上述3種自養硝化菌與表 4中前20種優(yōu)勢菌種按代謝功能進(jìn)行合并統計, 結果見(jiàn)表 5.從中可知, 4組濾池內豐度最高的微生物為異養反硝化脫氮菌, 其次為異養反硝化聚磷菌, 再次為異養硝化菌.因為很多異養反硝化脫氮菌兼為異養反硝化聚磷菌和(或)異養硝化菌(表 4), 因此, 三者豐度相對較高.

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

　　進(jìn)一步分析自養硝化菌相對豐度數值, 發(fā)現NVF濾池缺乏自養硝化及亞硝化菌, BHF濾池內缺乏自養亞硝化菌, 而NAVF中缺乏自養硝化菌, 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節觀(guān)測到的MAVF濾池氨氧化作用最強, BHF濾池氨氧化作用最弱相一致. NVF及BHF濾池內的氨氧化過(guò)程均由異養菌完成, 且NVF濾池的氨氧化能力強于BHF濾池, 這是因為前者的異養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)內均未檢測到亞硝化菌, 說(shuō)明曝氣促進(jìn)了濾池內氨氧化菌的富集.將表 5中各功能菌相對豐度與碳、氮、磷去除的k值進(jìn)行相關(guān)性分析, 發(fā)現僅自養硝化菌(硝化+亞硝化菌)與氨氮、總氮及溶解性氮素之間存在顯著(zhù)正相關(guān)(P<0.05), Pearson相關(guān)系數分別為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)于自養硝化菌.

　　2.4 濾池凈化效能與微生物結構特征耦聯(lián)分析

　　如2.3節所述, 將獲得的2260個(gè)OTU按各自所含的序列數進(jìn)行樣品聚類(lèi), 結果如圖 4(a)所示; 同樣地, 按測定的各項污染物指標k值進(jìn)行樣品聚類(lèi), 結果如圖 4(b)所示.由圖 4可知, 兩種不同途徑聚類(lèi)結果與豐度最高的前20個(gè)優(yōu)勢物種熱圖聚類(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)結果與物種聚類(lèi)結果一致, 這也表明濾池之間凈化效率的差異主要由濾池內微生物結構差異所致.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, 結果如圖 5所示.

　　圖 4

圖 4 基于4種濾池所有OTU和各項指標k值的層次聚類(lèi)圖

　　圖 5

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

　　由各項污染物指標的k值與優(yōu)勢菌種的排序圖 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), 這是因為這些細菌兼有異養硝化和(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菌, 在中性條件下的最佳生長(cháng)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, 當流化床反應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富集培養后于接種污泥及富集物中都檢測到了優(yōu)勢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, 這與本研究結果相似.本研究中, 雖然沉積物桿狀菌相對豐度不高(在MAVF、NAVF、NVF、BHF中的相對豐度分別為2.92、0.82、0.49、0.09), 但與自養硝化菌一樣, 仍然發(fā)揮著(zhù)一定的硝化功能.本研究中NVF濾池缺乏自養硝化菌, 但卻發(fā)生了硝化作用, 證明了異養硝化菌的存在.此外, 排序圖中有機物、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高通量測序和物種注釋并未檢測到好氧聚磷菌.

　　由優(yōu)勢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).各組濾池出水總溶解固體、鹽度、電導率及比電導率的變化具有一致性, 這是因為上述指標之間的關(guān)聯(lián)性較強, 而且這些指標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項指標與脫氯單胞菌、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)、成對桿菌(Dyadobacter)、食酸菌(Acidovorax)、纖維單胞菌等正相關(guān).據表 4, 這些優(yōu)勢菌屬基本兼有反硝化脫氮功能, 它們與總溶解固體、鹽度、電導率及比電導率的正相關(guān), 表明反硝化強度主要取決于反應底物濃度.

　　3 結論

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

　　(2) 本試驗工況下4組濾池內都無(wú)明顯的硝氮、亞硝氮積累, 說(shuō)明濾池內反硝化進(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.垂直流濾池對碳、氮、磷的去除效率顯著(zhù)高于水平流濾池, 且水平流濾池內部發(fā)生的氮素轉化過(guò)程非常微弱.各濾池內碳、氮、磷的去除主要依賴(lài)于微生物的吸收和降解, 且生物膜成熟度對污染物去除的影響大于曝氣.

　　(3) 4組濾池的多樣性指數高低是BHF>MAVF>NAVF>NVF, 表明濾池愈成熟, 多樣性指數愈高.濾池之間凈化效率的差異主要由濾池內微生物結構差異所致.各組濾池的優(yōu)勢菌種以兼性異養菌為主, 且以異養反硝化脫氮菌最為豐富. NVF濾池內缺乏自養硝化菌, 但發(fā)生了異養硝化過(guò)程; MAVF濾池內自養硝化菌相對豐度最高, 與其最強的硝化作用相呼應.曝氣促進(jìn)了濾池內亞硝化菌的富集, 進(jìn)而增強了氨氧化能力. 4組濾池內均未檢測到好氧聚磷菌, 磷的去除以反硝化聚磷為主.濾池對總氮的去除率不高主要歸結于富集的自養硝化菌數量不高, 后者導致硝化作用較弱——這不僅引起出水中氨氮殘余較高, 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 作者：江肖良)