服務(wù)區(qū)污水處理設(shè)施長期運(yùn)行效果及菌群特性

陳瑤，黃學(xué)文，孔祥燕，劉學(xué)欣，孫圣凱

（1.交通運(yùn)輸部科學(xué)研究院，北京 100029；2.安徽省交通控股集團(tuán)有限公司，安徽 合肥 230088；3.山東省金鄉(xiāng)縣交通運(yùn)輸局，山東 濟(jì)寧 272200）

0 引言

高速公路服務(wù)區(qū)為司乘人員提供檢修、餐飲、如廁等基本服務(wù)[1-2]，會產(chǎn)生大量以生活污水為主的廢水[3]。服務(wù)區(qū)污水受日人流量和季節(jié)氣候影響較大[4]，具有水質(zhì)波動(dòng)大、成分復(fù)雜、有機(jī)污染濃度高、氮磷含量高等特點(diǎn)[5-6]。尤其服務(wù)區(qū)污水中氨氮濃度顯著高于生活污水[7]，如未達(dá)標(biāo)排放會引發(fā)一系列環(huán)境問題。因此，服務(wù)區(qū)污水能否達(dá)標(biāo)排放是公路行業(yè)環(huán)保督察的重點(diǎn)，開展高速公路服務(wù)區(qū)污水高效穩(wěn)定處理的研究迫在眉睫。

國內(nèi)外關(guān)于高速公路服務(wù)區(qū)污水處理技術(shù)的研究已有很多。國際上，美國、日本、德國等發(fā)達(dá)國家大多采用小型、分散式污水處理工藝，目前主流處理技術(shù)為化糞池-土壤吸收系統(tǒng)、砂濾系統(tǒng)[8]、凈化槽系統(tǒng)[9]、膜生物反應(yīng)器和PKA 濕地污水處理系統(tǒng)。經(jīng)過多年研究與實(shí)踐，一些發(fā)達(dá)國家高速公路服務(wù)區(qū)污水處理與回用技術(shù)已經(jīng)較為成熟，能夠適應(yīng)水質(zhì)水量波動(dòng)大等特點(diǎn)，且大部分污水經(jīng)處理后可用于綠化灌溉或沖洗廁所等。上述污水處理技術(shù)因具有良好的處理效果，現(xiàn)已引入我國并得到應(yīng)用[10]。但受水質(zhì)差異大、我國服務(wù)區(qū)污水量大等影響，此類技術(shù)的應(yīng)用存在一些制約，如因水質(zhì)差異和技術(shù)專利等原因造成的工藝建設(shè)投資成本較高、凈化槽處理規(guī)模較小、PKA 濕地污水處理系統(tǒng)占地面積較大等，需經(jīng)改良方可適用于我國。在國內(nèi)，專家學(xué)者們主要基于試驗(yàn)和實(shí)體工程開展大量研究。部分學(xué)者通過試驗(yàn)探究服務(wù)區(qū)污水處理工藝的可行性，如張龍等[11]通過對運(yùn)行的中試A/O 工藝進(jìn)行200d 水質(zhì)監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)出水水質(zhì)均達(dá)到《城市污水再生利用城市雜用水質(zhì)》（GB/T 18920—2002）排放標(biāo)準(zhǔn)，滿足回用要求；肖志偉等[12]采用生物膜-連續(xù)超濾膜工藝對高速公路生活污水進(jìn)行處理，處理出水可用于綠化等。大部分學(xué)者基于服務(wù)區(qū)污水處理實(shí)體工程展開研究，并嘗試污水處理工藝的有機(jī)組合，如劉學(xué)欣[13]采用多介質(zhì)生物濾池和生態(tài)濕地組合工藝；郭冀峰等[14]采用MBR/人工濕地組合工藝，均經(jīng)過一個(gè)多月的調(diào)試運(yùn)行，出水水質(zhì)達(dá)到《城市污水再生利用城市雜用水質(zhì)》（GB/T 18920—2002）要求?？傮w上，無論試驗(yàn)研究還是工程應(yīng)用研究，對于處理效果的監(jiān)測時(shí)間一般僅短短數(shù)月，而且僅關(guān)注COD,TN,NH3-N,TP 等表觀水質(zhì)指標(biāo)。關(guān)于深層次的污水處理微生物群落結(jié)構(gòu)及耐低溫菌方面，目前國內(nèi)的研究大多關(guān)注普通生活污水領(lǐng)域，尚無關(guān)于服務(wù)區(qū)污水處理系統(tǒng)的菌群特性及耐低溫菌的研究，如Deng等[15]、曾妮[16]、Li等[17]對生活污水或城鎮(zhèn)污水處理廠的模擬研究發(fā)現(xiàn)，生活污水處理系統(tǒng)內(nèi)的關(guān)鍵菌門主要為變形菌門、擬桿菌門、綠彎菌門等；楊麗紅[18]研究發(fā)現(xiàn)，主要耐低溫菌為芽孢桿菌屬、假單胞菌屬、微球菌屬等。

服務(wù)區(qū)污水處理設(shè)施的核心需求是能夠長期穩(wěn)定達(dá)標(biāo)地運(yùn)行，系統(tǒng)內(nèi)菌群結(jié)構(gòu)變化對其有重要影響，但目前研究多聚焦于短期處理效果的表觀水質(zhì)監(jiān)測，缺乏對處理設(shè)施的長期處理效果跟蹤觀測和深層分子生物學(xué)機(jī)制研究。為此，本研究選取吉林省某低溫地區(qū)高速公路服務(wù)區(qū)污水處理設(shè)施作為研究對象，開展了長達(dá)6 年、覆蓋不同季節(jié)的污水處理效果跟蹤監(jiān)測評估，并采用宏基因組測序法研究處理設(shè)施各單元的微生物特性，分析種群結(jié)構(gòu)與處理效能之間的關(guān)系，為保證服務(wù)區(qū)污水處理設(shè)施長期穩(wěn)定運(yùn)行的優(yōu)勢菌種篩選、定殖提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

污水處理微生物正常發(fā)揮作用的適宜溫度一般為20～35℃，溫度過低會抑制微生物活性，影響生化處理效果，因此導(dǎo)致服務(wù)區(qū)污水冬季很難達(dá)標(biāo)排放[19]，也使得低溫環(huán)境下服務(wù)區(qū)污水處理達(dá)標(biāo)排放成為生化法污水處理設(shè)施推廣的瓶頸。為此，本研究選取縱貫東北三省的鶴大高速公路（G11）的中部吉林省某服務(wù)區(qū)污水處理設(shè)施作為研究對象，開展低溫地區(qū)污水處理效果跟蹤監(jiān)測試驗(yàn)。該區(qū)域年平均氣溫為2.9℃，極端最低氣溫為-41.9℃，最大凍土深度為121cm，具有典型的低溫地區(qū)氣候特征。該服務(wù)區(qū)南側(cè)設(shè)有餐廳、商店、公廁、加油站、維修車間等，產(chǎn)生的污水COD 濃度為113.62～790.86mg/L,TN 濃度為18.79～208.79mg/L,NH3-N濃度為12.07～152.00mg/L。

為提高低溫處理效果，適應(yīng)服務(wù)區(qū)污水處理低成本、低管養(yǎng)的實(shí)際需求，該服務(wù)區(qū)從生物載體、專屬微生物強(qiáng)化、保溫增溫等方面對曝氣生物濾池污水處理工藝進(jìn)行優(yōu)化改良，形成新型多介質(zhì)生物濾池工藝[20]。在南側(cè)服務(wù)區(qū)建設(shè)多介質(zhì)生物濾池污水處理工程，設(shè)計(jì)處理能力為60m3/d，由缺氧格室、好氧格室1 和好氧格室2 組成，如圖1 所示。缺氧格室采用微曝氣，好氧格室采用常規(guī)曝氣，濾池內(nèi)部填充功能化網(wǎng)狀載體。初期向系統(tǒng)投加高效微生物菌劑，運(yùn)行過程中每2～3年排泥以維持系統(tǒng)穩(wěn)定的污泥濃度。采用序批式進(jìn)水和間歇曝氣方式，穩(wěn)定運(yùn)行后曝氣時(shí)間為10～15min/h。為提高低溫期微生物活性，設(shè)置濾池加熱保溫措施，使溫度始終維持在15℃以上，加溫時(shí)間根據(jù)水溫情況而定。該服務(wù)區(qū)設(shè)施于2013 年10 月開工建設(shè)，2013 年11 月建成完工，并于2014 年3 月啟動(dòng)，經(jīng)35d 的調(diào)試后，設(shè)施進(jìn)入運(yùn)營階段，一直穩(wěn)定運(yùn)行至今。

2 試驗(yàn)材料與方法

2.1 采樣及水質(zhì)監(jiān)測方法

在2014—2020 年設(shè)施穩(wěn)定運(yùn)行的6 年間，每年4 個(gè)季度各采集1 次水樣，采樣點(diǎn)固定在多介質(zhì)生物濾池各格室末端、進(jìn)水口處和出水口處，樣品經(jīng)過濾后現(xiàn)場測定COD,TN,NH3-N,等指標(biāo)濃度，測定過程中每個(gè)樣品取3 個(gè)平行樣，每個(gè)平行樣各測定1 次，以保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。其中，COD 采用重鉻酸鹽法測定，TN采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法測定，NH3-N 采用水楊酸分光光度法測定，采用N-(1-萘基)-乙二胺光度法測定，采用麝香草酚光度法測定。

2.2 宏基因組測序

系統(tǒng)內(nèi)載體表面附著有高度復(fù)雜的微生物群落，在污水處理中起著至關(guān)重要的作用。為了解不同時(shí)期多介質(zhì)生物濾池菌群結(jié)構(gòu)變化及系統(tǒng)內(nèi)去除氮素的關(guān)鍵菌屬，分別于2020年1月12日和2020 年9 月30 日從多介質(zhì)生物濾池各格室的微生物載體中采集實(shí)驗(yàn)樣本。采集的樣品經(jīng)低溫運(yùn)輸（0℃以下）送往實(shí)驗(yàn)室后，提取DNA，然后保存在-20℃環(huán)境中。首先對各DNA 樣品分別提取80μL 進(jìn)行檢測，使用瓊脂糖凝膠電泳（Agarose Gel Electrophoresis,AGE）分析DNA 的純度和完整性，使用核酸蛋白熒光定量儀（Qubit Fluorometer）對DNA 濃度進(jìn)行精確定量，用Covaris 超聲波破碎儀將DNA 隨機(jī)打斷成長度約為350bp 的片段，再經(jīng)末端修復(fù)、加A 尾、加測序接頭、純化、PCR 擴(kuò)增等步驟后采用Illumina HiSeq 高通量測序平臺進(jìn)行測序。采用宏基因組組裝軟件MEGAHIT(v1.0.6)對測序樣本進(jìn)行組裝，使用diamond 比對nr 數(shù)據(jù)庫，并結(jié)合megan6 解析進(jìn)行物種組成分析，從注釋總結(jié)果拆分出古生菌、細(xì)菌、真核生物、真菌、病毒5 大類以及界、門、綱、目、科、屬、種7個(gè)分類水平信息。

3 結(jié)果與討論

3.1 水質(zhì)凈化效果分析

選取典型數(shù)據(jù)分析多介質(zhì)生物濾池的處理效果。從2017年開始，系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行階段，平均出水COD,TN 和NH3-N 分別達(dá)到27.72mg/L,10.54mg/L和3.66mg/L。該多介質(zhì)生物濾池對COD的去除效果如圖2（a）所示，盡管進(jìn)水COD 波動(dòng)較大，但該工藝對COD 去除效率一直較為穩(wěn)定，出水COD 均在50mg/L 以下，達(dá)到《城市污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 18918—2002）一級A 標(biāo)準(zhǔn)，平均去除率達(dá)90.86%，表明該工藝具有較強(qiáng)的耐沖擊能力。系統(tǒng)進(jìn)出水TN 及NH3-N 去除情況如圖2（b）所示，由于服務(wù)區(qū)人流量變化較大，不同季節(jié)用水量存在差異，導(dǎo)致產(chǎn)生的污水量及進(jìn)水水質(zhì)波動(dòng)較大，可以看出工藝運(yùn)行初期（2014 年）出水水質(zhì)不穩(wěn)定，出水TN 達(dá)18.98mg/L，而后出水TN 濃度呈逐年下降趨勢，2020 年9 月系統(tǒng)的總氮去除率達(dá)76.69%，表明系統(tǒng)曝氣量充足，硝化及反硝化菌活性良好。綜上所述，該工藝可有效去除污水中的COD,TN,NH3-N，使出水水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。

3.2 氮素去除途徑分析

為了進(jìn)一步分析多介質(zhì)生物濾池工藝的氮素去除途徑，以2020年9月28日濾池沿程氮素變化情況為例，測定其NH3-N,濃度，如圖3 所示。廢水中主要污染物NH3-N 首先進(jìn)入系統(tǒng)缺氧格室，在微曝氣環(huán)境中通過硝化作用部分被轉(zhuǎn)化為，而后經(jīng)反硝化作用進(jìn)一步還原為N2，使部分氮素從水中脫除，充足的基質(zhì)NH3-N 及微氧環(huán)境為該格室反硝化脫氮菌提供了較好的生存環(huán)境，也為厭氧氨氧化菌的富集提供了可能。相比于傳統(tǒng)脫氮途徑，厭氧氨氧化脫氮途徑被認(rèn)為是更加經(jīng)濟(jì)高效的脫氮方式[21]。接著，廢水進(jìn)入好氧格室，經(jīng)正常曝氣，NH3-N 被進(jìn)一步氧化，TN濃度大幅降低，使出水水質(zhì)達(dá)標(biāo)，出水NH3-N,濃度分別為2.56mg/L,0.01mg/L,2.78mg/L。經(jīng)氮素轉(zhuǎn)化分析可知，系統(tǒng)共去除TN約14.41mg/L，去除NH3-N約9.51mg/L，全程基本無剩余，缺氧格室、好氧格室1及好氧格室2 對TN 去除的貢獻(xiàn)率分別為68.36%,18.67%和13.95%，可見TN 主要在缺氧格室被去除。值得注意的是，缺氧格室處于微曝氣環(huán)境，而好氧格室1 和好氧格室2 處于正常曝氣環(huán)境，但是NH3-N 在缺氧格室中被消耗最多（降低了4.71mg/L），此時(shí)幾乎未檢測到，若不考慮厭氧氨氧化作用，則認(rèn)為缺氧格室中氮素是通過全程硝化和全程反硝化去除的，即反硝化去除4.32mg/L的。不過，由于缺氧格室在微曝氣環(huán)境下NH3-N 濃度的降低量較大，猜測可能存在厭氧氨氧化菌[22-23]，即通過厭氧氨氧化過程（NH3-N+）消耗了部分NH3-N和。因無法確定厭氧氨氧化菌的存在及其脫氮貢獻(xiàn)率，需進(jìn)一步開展系統(tǒng)菌群結(jié)構(gòu)特性分析。

3.3 菌群特性分析

3.3.1 系統(tǒng)內(nèi)菌群總體特性分析

研究測定了秋冬兩季多介質(zhì)生物濾池在門水平上的菌群相對豐度（見圖4），發(fā)現(xiàn)多介質(zhì)生物濾池系統(tǒng)內(nèi)主要菌門為變形菌門、硝化螺旋菌門、浮霉菌門、擬桿菌門、放線菌門、綠彎菌門和厚壁菌門等，與城鎮(zhèn)污水處理系統(tǒng)優(yōu)勢菌門相近，可能由于服務(wù)區(qū)污水和城鎮(zhèn)污水的主要成分接近。系統(tǒng)內(nèi)變形菌門和綠彎菌門為具有反硝化功能的菌門[24-25]，其中綠彎菌門為兼性厭氧菌，常在富集有厭氧氨氧化菌的系統(tǒng)中被發(fā)現(xiàn)[26]；硝化螺旋菌門含有能夠?qū)⒀趸癁榈膩喯跛猁}氧化菌[27]；浮霉菌門為厭氧氨氧化菌相關(guān)菌門，主要由Candidatus Brocadia和Candidatus Kuenenia菌屬組成[28]，該菌門在缺氧環(huán)境中，以CO2為唯一碳源，NH3為電子供體，為電子受體，生成N2實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)低能耗脫氮；擬桿菌門為厭氧菌，能夠?qū)?fù)雜大分子有機(jī)物降解為簡單小分子有機(jī)物，主要存在于低氧或缺氧環(huán)境中[29]；放線菌門能夠分解纖維素等復(fù)雜有機(jī)物[30]；厚壁菌門具有硝化或反硝化功能[31]。正因?yàn)橄到y(tǒng)內(nèi)存在大量硝化菌和反硝化菌，浮霉菌門可能有助于TN 去除，故系統(tǒng)表觀氮素處理效果很好。此外，擬桿菌門和放線菌門有利于降解系統(tǒng)內(nèi)復(fù)雜有機(jī)物，因此系統(tǒng)對COD 去除效果一直高效穩(wěn)定。由于變形菌門、擬桿菌門、厚壁菌門均為耐低溫菌[32-33]，進(jìn)一步從分子生物學(xué)角度解釋了本系統(tǒng)在低溫環(huán)境下處理效果好的原因。

圖4（a）和圖4（b）所示分別為系統(tǒng)2020年1 月12 日和9 月30 日的菌門相對豐度情況。對比可知，從冬季到秋季硝化螺旋菌門相對豐度由6.39%提高至11.07%，經(jīng)菌屬相對豐度統(tǒng)計(jì)可知，系統(tǒng)內(nèi)亞硝酸鹽氧化關(guān)鍵菌屬為硝化螺菌屬，其相對豐度由18.69%提高至32.60%，硝化作用明顯增強(qiáng)，為反硝化菌提供了更多的基質(zhì)，所以系統(tǒng)的總氮去除率由57.51%提高至76.69%。

3.3.2 系統(tǒng)各格室菌群特性分析

為進(jìn)一步探究多介質(zhì)生物濾池不同格室內(nèi)菌群結(jié)構(gòu)變化對系統(tǒng)脫氮的影響，選取2020 年9 月30 日的菌門相對豐度占比情況進(jìn)行分析，如圖5所示。缺氧格室、好氧格室1 及好氧格室2 中具有反硝化功能的變形菌門相對豐度分別為45.74%,48.10%和54.45%，即好氧格室2 的反硝化相關(guān)菌門相對豐度最大。而圖3 所示的沿程數(shù)據(jù)顯示好氧格室2 基本沒有反硝化作用，這可能是由于該格室曝氣量過大，導(dǎo)致反硝化活性受到抑制，因此應(yīng)適當(dāng)降低曝氣量以提高反硝化活性。此外，圖5所示的硝化螺旋菌門在缺氧格室、好氧格室1 及好氧格室2 中相對豐度逐漸降低，分別為23.02%,8.16%和2.02%，可能是由于缺氧格室進(jìn)水NH3-N 濃度較高，在該格室經(jīng)硝化作用積累的-N 濃度較高，為硝化螺旋菌門提供了更多的-N 基質(zhì)，從而富集了硝化螺旋菌門。值得注意的是，在菌屬統(tǒng)計(jì)中發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)存在自富集厭氧氨氧化菌屬Candidatus Brocadia，其相對豐度均值為0.08%，其中在缺氧格室的相對豐度為0.06%，比以往研究的Anammox菌豐度占比要高，如Wang等[34]通過qPCR 測定系統(tǒng)絮凝污泥中Anammox菌的相對豐度，發(fā)現(xiàn)其小于0.003%；Guo等[35]通過宏基因組測序發(fā)現(xiàn)Anammox菌的相對豐度小于0.01%，可能是由于本系統(tǒng)內(nèi)長期同時(shí)存在NH3和基質(zhì)，為厭氧氨氧化菌提供了適宜的底物環(huán)境，使厭氧氨氧化菌不斷富集，結(jié)合工藝沿程數(shù)據(jù)分析可知，TN 在缺氧格室中共去除9.85mg/L，即對TN 去除的貢獻(xiàn)率為68.36%，說明厭氧氨氧化菌對系統(tǒng)TN的去除有一定的貢獻(xiàn)。

3.4 工藝優(yōu)化建議

針對上述微觀菌群特性研究，從設(shè)施的處理效果和運(yùn)行成本的宏觀角度，提出工藝優(yōu)化建議：①好氧格室2 的進(jìn)水NH3-N 濃度較低，無需提供過大的曝氣量，否則會造成反硝化菌活性降低與曝氣能耗成本增加，因此可適當(dāng)降低好氧格室2 的曝氣量，并輔以投加有機(jī)碳源的措施，以提高工藝的脫氮效果；②增設(shè)污泥回流管，污泥由沉淀池底部以一定比例流至缺氧格室首端，增大了缺氧格室污泥濃度，出水NH3-N 可進(jìn)一步得到降解，通過強(qiáng)化反硝化及厭氧氨氧化活性，充分發(fā)揮缺氧格室脫氮作用，進(jìn)一步提高服務(wù)區(qū)污水特征污染物氮素的去除效果。

4 結(jié)論

本文以吉林省某服務(wù)區(qū)多介質(zhì)生物濾池污水處理工程為研究對象，通過6 年不同季節(jié)的長期跟蹤水質(zhì)處理效果監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)該工藝平均出水COD,TN 和NH3-N 分別為27.72mg/L,10.54mg/L 和3.66mg/L，達(dá)到了《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918—2002）一級A 標(biāo)準(zhǔn)，處理出水效果良好。通過分析處理系統(tǒng)內(nèi)微生物群落分布情況，研究得出系統(tǒng)內(nèi)沿程氮素去除途徑，并確定了對TN 去除貢獻(xiàn)率（68.36%）最大的為缺氧區(qū)，該區(qū)域自富集了0.06%的厭氧氨氧化菌屬Candidatus Brocadia，可同時(shí)消耗NH3-N和-N基質(zhì)，促進(jìn)TN去除；研究確定了促進(jìn)系統(tǒng)脫氮的關(guān)鍵菌，系統(tǒng)反硝化耐寒關(guān)鍵菌門為變形菌門，相對豐度為49.43%，亞硝酸鹽氧化關(guān)鍵菌屬為硝化螺菌屬，相對豐度為32.60%，耐低溫菌為變形菌門、擬桿菌門、厚壁菌門。研究結(jié)果可為多介質(zhì)生物濾池工藝優(yōu)化及耐低溫菌屬篩選提供依據(jù)，從而縮短處理系統(tǒng)調(diào)試時(shí)間，提高系統(tǒng)抗沖擊能力。

受工程現(xiàn)場和實(shí)驗(yàn)條件所限，本研究采用分子生物學(xué)手段揭示了服務(wù)區(qū)污水處理效果與菌群特性之間的關(guān)系，但欠缺對微生物表面物理特性及內(nèi)在作用機(jī)理等全方位的探究。后續(xù)可采用掃描電鏡、關(guān)鍵功能酶活性測定[36]、熒光原位雜交[37]及宏基因組測序等新技術(shù)，深入探究多介質(zhì)生物濾池系統(tǒng)內(nèi)存在的新型脫氮菌株及其演替規(guī)律，并拓展應(yīng)用于類似水質(zhì)的船舶、高鐵站、機(jī)場等污水處理領(lǐng)域，以實(shí)現(xiàn)分子生物學(xué)研究價(jià)值[38]。此外，在服務(wù)區(qū)層面今后還可考慮將新型氣水連通LID 結(jié)構(gòu)與服務(wù)區(qū)污水處理相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)服務(wù)區(qū)雨污協(xié)同處理，完善服務(wù)區(qū)水污染防治與水資源利用技術(shù)體系。