大型污水廠中填料對A2O系統微生物種群的影響
摘要：上海某污水處理廠采用移動床生物膜反應器（MBBR）與傳統厭氧/缺氧/好氧（A2O）耦合工藝進行提標改造，通過在原有A2O工藝的缺氧池和好氧池中投加懸浮填料，提高脫氮效率，出水水質執行國家一級A標準。填料掛膜半年后，分別測定A2O-MBBR和A2O系統中活性污泥的硝化和反硝化效能，發現前者的硝化速率和反硝化速率分別是后者的1.63和1.65倍，此外，A2O-MBBR系統中好氧池的填料使硝化速率又升高了1倍。采用高通量測序技術分析系統中的微生物群落結構，發現在綱水平上主要富集了Acidobacteria（16.69%）、Betaproteobacteria（14.04%）和Gammaproteobacteria（11.61%），在屬水平上主要富集了Candidatus_Microthrix（7.30%）、norank_f__Saprospiraceae（4.25%）和Flavobacterium（3.01%）。對兩種工藝進行微生物種群LEfSe線性判別分析，發現A2O-MBBR系統內富集了大量脫氮功能菌，懸浮填料強化了硝化和反硝化作用。
孫曉，博士，高級工程師，主要從事污水、污泥、垃圾等環境污染防治相關工作。
為進一步改善水環境質量，2015年國務院頒布了《水污染防治行動計劃》（簡稱“水十條”），對污水處理廠處理等級以及污染物排放提出了更嚴格的要求。同年12月，《上海市水污染防治行動計劃實施方案》提出，杭州灣沿岸城鎮污水處理廠執行《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918—2002）的一級A標準。近年來，該區域污水廠進水總量不斷增加，高峰時已接近滿負荷運行。隨著污水廠管轄區域污水管道的建設日益完善，針對污水廠處理能力無法滿足現階段污水處理的需求，對其在原有基建上進行改造。在處理相同污染負荷的條件下，通過投加懸浮填料，在原設計生物池容不變的情況下可使填料與污水充分接觸，實現污染物的充分降解，從而滿足一級A排放標準。對于常規的厭氧/缺氧/好氧（A2O）工藝，脫氮效果是衡量其運行狀態是否良好的重要指標。在A2O工藝中投加懸浮填料，形成移動床生物膜反應器（MBBR），通過微生物在填料載體上富集形成的生物膜和活性污泥中微生物的雙重作用可實現生物系統的有效脫氮。因此，對MBBR系統與常規A2O系統中的微生物群落結構特性進行分析，明確填料對污水處理系統的強化作用，對污水廠的參數調控具有指導意義。鑒于此，筆者在上海某大型污水廠改造工程的穩定運行階段取污泥混合液和填料，利用Illumina MiSeq高通量測序技術，對填料上及污泥混合液中的微生物種群進行多樣性分析和LEfSe多級物種差異判別分析。
1 污水處理廠簡介
上海某大型污水處理廠采用MBBR對常規A2O工藝進行改造，工藝流程見圖1，A2O-MBBR系統和A2O系統的處理規模均為5×104m3/d。污水廠進、出水水質見表1。
A2O-MBBR和A2O工藝厭氧池的水力停留時間（HRT）分別為1.30和1.50h，缺氧池的HRT分別為5.50和6.50h，好氧池的HRT分別為6.69和9.50 h。生物處理單元的污泥回流比和硝化液回流比分別為100%和300%，污泥濃度平均值為4.50g/L，設計氣水比為6∶1，厭氧池、缺氧池和好氧池的DO濃度分別為<0.5、0.5～1、4～6 mg/L，pH值在7~8之間。在A2O-MBBR系統的好氧池前三格和缺氧池最后一格投加圓柱形懸浮填料，填充率分別為57%和51%。填料直徑為24 mm、高為12 mm，內部為十字形、外部為縱向條紋。
2 結果與討論
2.1 兩個系統的硝化及反硝化能力
在系統穩定運行期間，分別測定A2O-MBBR和A2O系統的硝化和反硝化速率，結果見圖2。A2O-MBBR系統活性污泥、活性污泥+填料和A2O系統活性污泥的硝化速率分別為1.76、3.51和1.08mg/（gMLSS·h），對應的硝化能力分別為84.70、169.00和46.20mg/L，A2O-MBBR系統的硝化能力顯著提升，同時填料也強化了污泥混合液的硝化作用。A2O-MBBR系統活性污泥、活性污泥+填料和A2O系統活性污泥的反硝化速率分別為2.67、2.13和1.62mg/（gMLSS·h），對應的反硝化能力分別為66.10、52.70和47.40 mg/L，A2O-MBBR系統的反硝化速率高于A2O系統，說明填料的投加可以有效促進活性污泥的反硝化能力，但是A2O-MBBR系統中活性污泥+填料的反硝化速率低于活性污泥，這可能與填料投加在缺氧池末端，反硝化菌未能很好地在填料上富集有關。
2.2 兩個系統中的微生物種群分布
A2O-MBBR和A2O系統分析所得的23 266個序列在綱水平和屬水平上的微生物種群分布見圖3。由圖3（a）可知，酸桿菌綱（Acidobacteria）是最主要的綱（16.69%），可參與單碳化合物的代謝過程，在微氧和缺氧條件下降解纖維素，產生醋酸和氫。變形菌門主要包括β-變形菌綱（Betaproteobacteria，14.04%）、γ-變形菌綱（Gammaproteobacteria，11.61%）、α-變形菌綱（Alphaproteobacteria，6.37%）和δ-變形菌綱（Deltaproteobacteria，6.34%），是降解有機物的重要菌種，其中γ-變形菌綱能夠代謝葡萄糖產酸，利用氨氮作為氮源、葡萄糖作為碳源，將硝酸鹽氮還原為亞硝酸鹽氮，在好氧池的寡營養環境中，誘導細胞裂解并釋放細胞內的物質；α-變形菌綱屬于自養微生物，在硝化過程中發揮著重要的作用。
進一步在屬水平上進行分析可知，最主要的屬包括Candidatus_Microthrix（7.30%）、norank_f__Saprospiraceae（4.25%）和norank_o__Run-SP154（3.96%）。在硝化方面，norank_f__Saprospiraceae和氨氧化菌Nitrospira（1.00%）可以促進含氮物質的降解，兩者在A2O-MBBR系統中的相對豐度高于A2O系統，說明懸浮填料上富集了一些氮功能菌有利于氮的轉化，促進了硝化作用。在反硝化脫氮方面，Candidatus_Microthrix對水體中氨氮及硝酸鹽氮具有較好的去除作用，其在A2O-MBBR系統缺氧池填料中的相對豐度低于A2O系統，說明填料上沒有富集相關的脫氮功能菌，這與2.1節中反硝化速率結果一致。黃桿菌屬（Flavobacterium，3.01%）、unclassified_f__Comamonadaceae（1.50%）也屬于反硝化優勢功能菌，它們在A2O-MBBR缺氧池污泥中的相對豐度高于A2O，這可能是因為硝化作用的增強使大量的氨氮轉化成硝酸鹽氮，給反硝化作用補充了充足的基質，促進了反硝化菌的富集，在A2O-MBBR系統形成交替的同步硝化反硝化，使其反硝化效能有所提高。因此，填料富集了大量硝化菌有利于硝化效能的提高，同時產生大量的硝酸鹽氮也促進了污泥中反硝化菌的富集，強化了反硝化能力。
2.3 填料與污泥中微生物種群的差異性
圖4為A2O-MBBR系統中微生物的LEfSe多級物種層級樹圖，不同顏色節點表示在對應組別中顯著富集，且對組間差異性存在顯著影響的微生物種群。LDA值越大，代表物種豐度對差異效果影響越大。填料上的差異性物種有51個，而污泥中只有38個，填料上富集了更多的差異微生物種群。污泥中的差異性微生物物種主要有Candidatus_Microthrix屬（4.94）、Acidimicrobiales_Incertae_Sedis科（4.94）、Micrococcales目（4.07）和Tetrasphaera屬（3.86）。填料上的差異性微生物物種有Alphaproteobacteria綱（4.96）、Methylococcales目（顯性甲烷氧化菌，4.05）和Crenothrix屬（3.95）。Alphaproteobacteria對組間差異有顯著影響，具有良好的脫氮能力，在硝化過程中發揮著重要作用；其次是Methylococcales目，由于填料表面的氧傳遞效率降低，在生物膜表面的內部形成缺氧環境，有利于Methylococcales的富集。此外，在污泥中的Tetrasphaera屬，是一種可以直接利用葡萄糖及氨基酸進行發酵并釋磷的新型PAO菌屬，可使得污水廠出水的磷濃度滿足一級A排放標準。
2.4 填料對活性污泥中微生物種群的影響
對A2O-MBBR和A2O系統中污泥的微生物種群進行差異性分析，得到LEfSe多級物種層級樹圖，如圖5所示。
A2O系統的差異性物種主要有Ignavibacteriae門（3.48）、0319_6G20科（2.87）、unclassified_c__Gammaproteobacteria科（2.71）。A2O-MBBR系統的差異性物種主要有Synergistetes門（2.44）、Lactivibrio門（2.15）、AKYG1722目（2.08）、Singulisphaera屬（2.00）。Singulisphaera屬于Planctomycetes門，其在A2O-MBBR系統內顯著富集，對水體中的氨氮和亞硝酸鹽氮有較好的去除效果；此外，Bacteroidetes門的U29_B03屬和Firmicute門的Hespellia屬在A2O-MBBR系統的污泥中富集，可促進含氮物質的利用，在有氧或缺氧的環境中進行代謝，參與硝化和反硝化過程。以上表明，投加懸浮填料后，使得一些脫氮功能菌在污泥中富集，強化了活性污泥的硝化和反硝化作用。
3 結論
① A2O-MBBR和A2O系統的硝化能力分別為169.00和46.20mg/L，表明投加懸浮填料后硝化能力顯著提高。
② 污水處理廠的生物系統中富集的微生物種群在綱水平上主要有Acidobacteria（16.69%）、Betaproteobacteria（14.04%）和Gammaproteobacteria（11.61%），在屬水平上有Candidatus_Microthrix（7.30%）、norank_f__Saprospiraceae（4.25%）和Flavobacterium（3.01%），系統內富集了大量脫氮功能菌，有利于硝化和反硝化作用。
③ A2O-MBBR系統的懸浮填料上富集的大量Alphaproteobacteria具有良好的脫氮能力，在硝化過程中發揮著重要作用。相比A2O系統，A2O-MBBR的污泥中脫氮功能菌Planctomycetes、Bacteroidetes和Firmicutes顯著富集，它們對水體中含氮物質有較好的去除效果，表明投加懸浮填料后強化了污泥的硝化和反硝化作用。
④ 綜合A2O-MBBR和A2O系統的硝化、反硝化速率及微生物群落分布可知，填料的投加富集了大量硝化菌，促進了系統的硝化作用，硝化作用的強化使大量氨氮被轉化為硝酸鹽氮，從而有利于反硝化菌的富集，硝化菌與反硝化菌的共同作用使系統的脫氮功能得到強化。
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