吳 巖， 任相浩， 寇瑩瑩， 成 宇

(北京建筑大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院， 北京 100044)

近些年隨著中國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，制革廢水、畜牧廢水、垃圾滲濾液等高濃度氨氮廢水的逐漸增多，污水處理面臨的問題更加嚴(yán)重[1]。國內(nèi)外研究為應(yīng)對(duì)高濃度污水帶來的問題，污水工藝自身的改進(jìn)與革新受到多數(shù)學(xué)者的青睞，Chang等[2]應(yīng)用膜生物反應(yīng)器與小球藻處理高氨氮廢水，成功高效脫氮并將氮源回收；而沼液生物強(qiáng)化工藝、短程硝化-反硝化工藝等，被證明都可有效處理不同種類的高濃度氨氮廢水[3-4]。但是面對(duì)更高濃度廢水，單一工藝難以滿足要求，所以輔助強(qiáng)化工藝同樣成為研究的側(cè)重點(diǎn)。中國研究表明投加化學(xué)藥劑、吹脫法等[5-6]作為輔助預(yù)處理工藝可強(qiáng)化高濃度污水的處理效果。但從微生物方向強(qiáng)化污水處理的研究較為不足。

復(fù)合微生物菌劑自20世紀(jì)70年代誕生至今，已經(jīng)應(yīng)用在眾多環(huán)保領(lǐng)域。劉志剛等[7]將菌劑應(yīng)用于河道治理，成功解決黑臭水體問題。而污水處理領(lǐng)域，Chon等[8]將復(fù)合菌劑應(yīng)用于MBR工藝中，有效解決原工藝造成的膜污染問題；在處理模擬制革廢水工藝中投加菌劑，也可強(qiáng)化系統(tǒng)脫氮效果[9]。所以復(fù)合菌劑從生物工藝角度強(qiáng)化污水的處理效果具有可行性，而其能否應(yīng)用于高濃度污水也需進(jìn)一步研究。因此采用傳統(tǒng)A/O工藝結(jié)合短硝化-反硝化工藝，期間通過投加復(fù)合微生物菌劑處理高氨氮污水，研究復(fù)合菌劑對(duì)高濃度污水的處理效果及對(duì)功能菌群的強(qiáng)化作用。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

1.1.1 實(shí)驗(yàn)菌劑

實(shí)驗(yàn)菌劑為韓國生物資源中心(Daejeon, Republic of Korea)生物科學(xué)和生物技術(shù)研究所生產(chǎn)的BMc-1復(fù)合菌劑，應(yīng)用于強(qiáng)化污水處理、污泥堆肥、污泥原位減量等。菌劑為粉末狀，加入糖蜜(碳源)和水厭氧25 ℃下培養(yǎng)10 d后獲得原液。原液繼續(xù)與糖蜜混合在保證0.5 mg/L溶解氧(DO)下繼續(xù)培養(yǎng)10 d獲得激活液，經(jīng)檢測激活液中每毫升細(xì)胞數(shù)可達(dá)108～109個(gè)。

1.1.2 人工廢水組成

實(shí)驗(yàn)運(yùn)行期間反應(yīng)器使用為高氨氮人工廢水，模擬垃圾滲濾液。進(jìn)水水質(zhì)中氨氮濃度為碳酸氫銨(NH4HCO3)提供，碳源由乙酸鈉(CH3COONa)提供，NH4HCO3投加量3 g/L(濃度為1 000 mg/L)、CH3COONa投加量為5.72 g/L(濃度為2 200 mg/L)、KH2PO40.058 g/L、CaCl20.027 g/L、MgSO4·7H2O 0.051 g/L、FeSO4·7H2O 0.009 g/L、EDTA-2Na 0.025 g/L。微量元素濃度為1.25 mg/L,成分如表1所示。

表1 人工污水微量元素組成Table 1 Element composition of synthetic wastewater

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置為傳統(tǒng)A/O工藝反應(yīng)器,有效池容積為27.3 m3，通過控制DO、pH及游離氨達(dá)到短程硝化。具體如圖1所示，反應(yīng)器包括一個(gè)厭氧池(B)、兩個(gè)好氧池(C)、沉淀池(D)、污泥濃縮池(A:SDC池)及空氣泵(E)，外回流非傳統(tǒng)直接回流，而是先一步回流到A池中再流入?yún)捬醭?。水力停留時(shí)間設(shè)定為18 h，pH控制在7.7～8.0，好氧池DO控制在1.5～2.0 mg/L。

圖1 實(shí)驗(yàn)A/O反應(yīng)器Fig.1 Experiment of A/O reactor

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.4 分析方法

實(shí)驗(yàn)中氨氮使用雙輝CM-05水質(zhì)測定儀快速測定；亞硝態(tài)氮測定采用N-(萘基)-乙二胺光度法；總氮、硝態(tài)氮采用紫外分光度法；pH、DO使用YSL-500A便攜式測定儀。

活性污泥中菌落相關(guān)分析，由上海生工公司完成(Sangon，China)。包括細(xì)菌總RNA提取、PCR擴(kuò)增與16sRNA測序。擴(kuò)增區(qū)域V3-V4，PCR所用的引物為：341F引物：CCCTACACGACGCTCTTCCGATCTG；805R引物：GACTGGAGTTCCTTGGCACCCGAGAATTCCA。

2 結(jié)果與討論

2.1 脫氮效果與分析

氨氮去除效果如圖2所示，實(shí)驗(yàn)組氨氮去除率變化出現(xiàn)在投加菌劑約2周后，證明菌劑需要其內(nèi)部微生物對(duì)原有環(huán)境產(chǎn)生適應(yīng)，以及相關(guān)功能菌群的富集，才會(huì)有強(qiáng)化效果同多數(shù)菌劑一樣。運(yùn)行約21 d后，實(shí)驗(yàn)組對(duì)氨氮去除率增高，穩(wěn)定后的實(shí)驗(yàn)組氨氮去除率最高達(dá)99.6%平均去除率約為98.83%，較對(duì)照組氨氮平均去除率97.12%提升1.7%。表明兩組反應(yīng)器氨氮氧化程度均表現(xiàn)良好，反應(yīng)器處于穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，氨氧化細(xì)菌(AOB)活性充足，保障了后續(xù)反硝化脫氮。菌劑有一定強(qiáng)化效果，但由于進(jìn)水為人工廢水且馴化過程使得原先反應(yīng)器內(nèi)相關(guān)菌種對(duì)氨氮負(fù)荷適應(yīng)性較強(qiáng)，固兩組氨氮去除表現(xiàn)均良好，實(shí)驗(yàn)組對(duì)氨氮去除提升效果不明顯。

圖2 氨氮去除結(jié)果Fig.2 Results of ammonia nitrogen removal

兩組反應(yīng)器總氮去除率結(jié)果如圖3趨勢同氨氮相同。對(duì)照組反應(yīng)器運(yùn)行期間內(nèi)，出水TN平均濃度252.1 mg/L，平均TN去除率為75.45%。結(jié)果近似學(xué)者王永慶等[11]的研究，在應(yīng)用短程硝化-反硝化AOOA工藝處理晚期垃圾滲濾液中，控制穩(wěn)定的亞硝酸鹽累積條件下TN去除率為66.5%～73%。而本實(shí)驗(yàn)為人工污水，水質(zhì)中氮源較易被微生物分解與利用，因此較高于其他學(xué)者的研究結(jié)論。實(shí)驗(yàn)組加入菌劑2周內(nèi)其TN去除率在誤差內(nèi)波動(dòng)變化，之后去除率穩(wěn)定增長最終較為穩(wěn)定。3周后出水TN達(dá)穩(wěn)定，最大去除率達(dá)84.67%，平均TN去除率為81.97%，較對(duì)照組增長6.52%。

圖3 TN去除結(jié)果Fig.3 Results of total nitrogen removal

2.2 功能菌群變化與分析

2.2.1 菌群多樣性變化對(duì)比分析

污泥樣品A1、A2、O1和O2，為從兩組組反應(yīng)器中厭氧池(A)和好氧池(O)取得，A1、O1為對(duì)照組，A2、O2為實(shí)驗(yàn)組。由高通量測序結(jié)果可知，4個(gè)樣品有效測序條帶為37246～47975，覆蓋率均超過98%以上，表明序列很少未被檢測出，菌落豐度與多樣性良好，結(jié)果見表2。

表2 細(xì)菌群落多樣性指數(shù)Table 2 Bacterial community diversity indices

Simpson指數(shù)與Shannon指數(shù)在生態(tài)學(xué)中可定量的描述一個(gè)區(qū)域的生物多樣性。Simpson 指數(shù)值越大，說明群落多樣性越低，而Shannon指數(shù)相反，其值越高多樣性越高。ACE指數(shù)和Chao1指數(shù)可估算樣品中微生物豐度，二者表達(dá)方式相同，其值越大代表種群豐度越高。OTUs代表不同的16sRNA序列，可間接代表一種微生物種。從結(jié)果可知，投加菌劑的實(shí)驗(yàn)組的物種數(shù)多于對(duì)照組，而在好氧池中的體現(xiàn)較厭氧池更為明顯。而 Simpson指數(shù)的下降和Shannon指數(shù)的上升同樣體現(xiàn)這一結(jié)果。后觀察到兩組樣品的ACE和Chao1指數(shù)均有明顯提升，厭氧池Chao1指數(shù)從1 744.38升高為2 432.74，好氧池從2 217.35升高為2 730.72，說明投加菌劑可使得微生物種群豐度同樣得到提高。

微生物菌群隨序列的變化如圖4所示，豐度選取ACE指數(shù)、多樣性選取Shannon指數(shù)?？芍S著序列的增大ACE指數(shù)逐漸提高，且增長趨勢區(qū)別明顯，只有樣品O2測試序列數(shù)量超過40000以趨近平緩，不同的趨勢代表各個(gè)序列區(qū)間豐度不同，Shannon指數(shù)均明顯飽和，表明有效序列深度可有覆蓋現(xiàn)樣品間全部微生物菌落，兩指數(shù)結(jié)果也可體現(xiàn)兩系統(tǒng)內(nèi)微生物群落變化明顯。

圖4 細(xì)菌群落豐富度稀疏曲線Fig.4 Rarefaction curves of bacterial community abundance

用聚類熱圖表明微生物菌落變化繪制如圖5所示，區(qū)塊的顏色代表兩樣品菌落差異的距離值，如果兩者相似度非常接近，則區(qū)塊呈現(xiàn)為紅色，反之則會(huì)趨近藍(lán)色。由圖5可知，相同反應(yīng)器取得的樣品群落差異偏小，不同反應(yīng)器間樣品的群落存在異較，區(qū)塊偏紅說明兩組反應(yīng)器間群落差異適中，菌劑對(duì)原有群落沖擊較小。此結(jié)果與反應(yīng)器投加菌劑后最初的脫氮效果變化相對(duì)應(yīng)，波動(dòng)較小系統(tǒng)同穩(wěn)定菌落差異。

圖5 細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)相關(guān)性圖Fig.5 Corrlation of bacterial community composition

2.2.2 反應(yīng)器微生物門水平的變化對(duì)比

選取門水平的微生物成分進(jìn)行對(duì)比結(jié)果見圖6，每個(gè)樣品分別取占比前7的門進(jìn)行對(duì)比。由結(jié)果可知4個(gè)樣品中前三位的門均相同可判定為共有的優(yōu)勢門，均為Proteobacteria、Bacteroidetes和Chloroflexi，其中Proteobacteria占有絕對(duì)比重，A1、A2、O1、O2占比分別為77.2%、73.51%、80.85%、75.49%，其次Bacteroidetes為13.79%、18.93%、11.85%、16.56%，第三的Chloroflexi占比分別為4.05%、1.69%、2.13%、1.79%。Proteobacteria廣泛包括了應(yīng)用于污水處理污水處理固氮脫氮菌，Bacteroidetes則包括較多的厭氧菌存在于污水處理工藝[12]。投加菌劑使得實(shí)驗(yàn)組Bacteroidetes占比獲得少量提升，Proteobacteria無明顯變化。結(jié)果與樓菊青等[13]研究一致，高氨氮脫氮污泥中Proteobacteria會(huì)占主要部分，Chloroflexi由于氨氮抑制僅會(huì)有較少量占比。

圖6 細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)門水平上的組成Fig.6 Bacterial community composition at phylum level

樣品后4位所屬門不同，對(duì)照組厭氧池(A1)為Ignavibacteriae、Planctomycetes、Verrucomicrobia、Spirochaetes，分別占比0.82%、0.63%、0.50%和0.23%。實(shí)驗(yàn)組厭氧池(A2)為Planctomycetes、Verrucomicrobia、Firmicutes、Ignavibacteriae，分別占比0.91%、0.59%、0.45%和0.28%。對(duì)照組好氧池(O1)為Ignavibacteriae、Planctomycetes、Spirochaetes、Verrucomicrobia，分別占比0.91%、0.71%、0.26%和0.23%。實(shí)驗(yàn)組好氧池(O2)為Planctomycetes、Verrucomicrobia、Firmicutes、Ignavibacteriae，分別占比0.70%、0.53%、0.44%和0.22%。綜合分析，投加菌劑對(duì)脫氮相關(guān)的3個(gè)優(yōu)勢門主要地位不造成影響，剩余的門類會(huì)有變化，例如出現(xiàn)Firmicutes等新優(yōu)勢門類，對(duì)原系統(tǒng)穩(wěn)定性影響很小。

2.2.3 反應(yīng)器微生物屬水平的變化分析

4個(gè)樣品屬水平豐度如圖7所示。從圖7可得，對(duì)照組反應(yīng)器內(nèi)Thauera、Nitrosomonas、Solitalea、Ignavibacterium為優(yōu)勢屬，A1中占63.12%、2.30%、2.95%及0.82%，O1中占比65.41%、2.20%、1.98%及0.91%。投加菌劑后反應(yīng)器內(nèi)Thauera、Thiopseudomonas、Nitrosomonas、Acinetobacter為優(yōu)勢屬，A2中占46.55%、4.42%、2.03%和2.67%，O2中占48.54%、3.60%、1.85%和1.87%。并且實(shí)驗(yàn)組檢測出了原先不存在的如Thermomonas、Flavobacterium、Acinetobacter等菌?？偲饋碇v，實(shí)驗(yàn)組較對(duì)照組而言實(shí)驗(yàn)組微生物多樣性與豐度明顯更高，這也印證了前兩節(jié)的結(jié)論。

圖7 細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)屬水平上的組成Fig.7 Bacterial community composition at genus level

表3 微生物組成變化Table 3 Changes in the microbial components during different stages

綜合分析實(shí)驗(yàn)組內(nèi)微生物豐度多樣性提高，但反應(yīng)器內(nèi)微生物的優(yōu)勢門不變。屬水平結(jié)果表明，Thauera為主要反硝化菌，均在兩組反應(yīng)器內(nèi)所占主要比重。實(shí)驗(yàn)組內(nèi)檢測出Thiopseudomonas，Acinetobacter與Nitrosomonas，作為典型反硝化菌、硝化菌和AOB，說明該系統(tǒng)具有良好的脫氮性能。系統(tǒng)內(nèi)脫氮功能菌種類數(shù)量均變多，與對(duì)氨氮、TN的去除率提升相對(duì)應(yīng)。

3 結(jié)論

(1)在A/O短程硝化-反硝化工藝中投加BMc-1復(fù)合微生物菌劑，能夠有效地強(qiáng)化系統(tǒng)地脫氮效果，處理高氨氮廢水效果良好。

(2)菌劑的投加，使得系統(tǒng)內(nèi)微生物總量增多，且微生物的豐度、多樣性均得到提高。未改變Proteobacteria、Bacteroidetes、Chloroflexi為主導(dǎo)細(xì)菌門，對(duì)原微生物菌落的沖擊較小，可較為穩(wěn)定的發(fā)揮作用。

(3)系統(tǒng)中Thauera與Nitrosomonas占比下降但數(shù)量穩(wěn)定，Pseudomonas、Pedobacter、Thiopseudomonas、Terrimonas這4種反硝化菌被檢測出占比提升，以及檢測出Nitrosomonas、Acinetobacter、Candidatus、Hydrogenedens等其他脫氮相關(guān)功能菌，解釋了菌劑對(duì)系統(tǒng)脫氮的強(qiáng)化效果。