低溫下富鐵填料對BAF處理效果及細菌群落的影響

嚴子春， 衛(wèi)明明， 史登峰

(1.甘肅省黃河水環(huán)境重點實驗室， 甘肅 蘭州 730070； 2.蘭州交通大學 環(huán)境與市政工程學院， 甘肅 蘭州 730070)

1 研究背景

富鐵填料具有比表面積大、還原性強且價格低廉等優(yōu)點，在污水處理中不僅可以優(yōu)化生物膜菌群強化生物脫氮效果，還可以通過化學除磷作用提高除磷效果，是一種實用價值較高的新型污水處理填料。Wang等[11]通過實驗室規(guī)模的SBR和中試規(guī)模的SBBR反應器研究了富鐵填料與微生物系統(tǒng)協(xié)同除磷工藝，發(fā)現(xiàn)出水TP濃度可降至0.5 mg/L以下；Xie等[12]通過將富鐵填料浸沒于活性污泥中形成生物富鐵填料系統(tǒng)研究發(fā)現(xiàn)，其對苯胺廢水的處理效果明顯優(yōu)于普通活性污泥系統(tǒng)；鐘麗燕等[13]采用新型緩釋碳源、富鐵填料和活性炭作為反硝化生物濾池的復合填料處理污水廠的尾水，出水TN和TP濃度分別低于5.0和0.3 mg/L。

本試驗通過使用廉價的富鐵填料，在不降低處理能力且不增加處理單元和系統(tǒng)能耗的前提下來強化BAF在低溫下的脫氮除磷效果，并采用MPN(most probable number)法和高通量測序技術考察BAF中硝化細菌數(shù)量和細菌群落的變化，以期對新型BAF填料的研發(fā)及其低溫運行效能的研究提供參考。

2 材料與方法

2.1 試驗裝置

本試驗采用試驗組和對照組兩組BAF裝置，運行方式為下向流，試驗裝置如圖1所示。兩組BAF裝置主要由缺氧(生物)濾柱5和好氧(生物)濾柱6組成，缺氧濾柱的填料為粒徑5～8 mm的陶粒，填裝高度為1.3 m；好氧濾柱的填料為粒徑3～5 mm的沸石，填裝高度為1.3 m。待兩組裝置掛膜啟動完成后，為考察富鐵填料對BAF處理效果的影響，在對照組中間增加陶粒濾柱，試驗組中間增加富鐵填料濾柱，陶粒和富鐵填料粒徑均為5～8 mm，填裝高度同為0.8 m。

圖1 試驗裝置示意圖

2.2 試驗材料

(1)陶粒：由黏土等原料燒制而成的粗糙多孔材料，外觀呈灰黑色，主要元素為Si、Al、O和Ca等，密度為1.42 g/cm3，粒徑為5～8 mm；

(2)沸石：主要成分為硅鋁酸鹽的粗糙多孔礦物，外觀呈紅棕色，主要元素為Si、Al、O和Mg等，密度為2.16 g/cm3，粒徑為3～5 mm；

(3)富鐵填料：一種多孔海綿狀含鐵材料，外觀呈灰黑色，總鐵含量在90%以上，密度為2.49 g/cm3，粒徑為5～8 mm。

2.3 試驗用水

試驗用水為經(jīng)過化糞池處理后的蘭州交通大學校園生活污水，水質(zhì)指標如表1所示。

表1 試驗用水水質(zhì)指標 mg/L

2.4 污染物檢測指標及測定方法

2.5 硝化細菌數(shù)量和細菌群落多樣性檢測

本試驗采用MPN法[15-16]對BAF中硝化細菌的數(shù)量進行檢測。檢測步驟為：定量稱取填料置于錐形瓶中并加入玻璃珠進行震蕩使其生物膜充分脫落，同時制備培養(yǎng)基并滅菌，然后在無菌操作臺上將脫落的生物膜混合液接種至10-3～10-7共5個稀釋度的培養(yǎng)基中，置于生化培養(yǎng)箱中培養(yǎng)至預定時間后對照統(tǒng)計表進行計數(shù)。本試驗委托上海美吉生物醫(yī)藥科技有限公司通過Illumina Miseq 高通量測序平臺[17-18]對細菌群落多樣性進行檢測。

3 結果與分析

3.1 低溫及富鐵填料對BAF去除效果的影響

3.1.1 低溫對BAF去除效果的影響 在水力負荷為0.5 m3/(m2·h)、氣水比為10∶1和回流比為100%的條件下，試驗溫度為14和12 ℃時BAF的去除效果如圖2所示。

圖2 試驗溫度為14和12℃時BAF的去除效果

3.1.2 富鐵填料對BAF去除效果的影響 在溫度為14 ℃、水力負荷為0.5 m3/(m2·h)、氣水比為10 ∶1以及回流比為100%的條件下，富鐵填料作用下BAF的去除效果如圖3所示。

圖3 富鐵填料作用下BAF的去除效果(試驗溫度14℃)

3.1.3 低溫和富鐵填料對BAF去除效果的影響 在水力負荷為0.5 m3/(m2·h)、氣水比10∶1和回流比為100%的條件下，不同溫度和富鐵填料作用下BAF的去除效果如圖4所示。

圖4 不同溫度和富鐵填料作用下BAF的去除效果

3.2 低溫下富鐵填料對BAF中硝化細菌數(shù)量的影響

在水力負荷為0.5 m3/(m2·h)、氣水比為10 ∶1、回流比為100%的條件下，不同低溫下2組裝置中硝化細菌的計數(shù)結果如表2所示。

表2 不同低溫下2組裝置硝化細菌計數(shù)結果 104cfu/mL

由表2可以看出，溫度的變化影響了硝化細菌的生長。溫度由14 ℃降為12 ℃時，2組試驗中亞硝酸菌和硝酸菌的數(shù)量均減少，說明溫度降低抑制了BAF中硝化細菌的增殖；14 ℃時，試驗組中亞硝酸菌和硝酸菌的數(shù)量均多于對照組，并且硝酸菌數(shù)量差異更明顯，說明富鐵填料通過微電解形成的Fe2+和被氧化形成的Fe3+促進了亞硝酸菌和硝酸菌的生長，尤其是對硝酸菌的促進作用更顯著，從而增加了BAF中硝化細菌的數(shù)量。溫度由14 ℃降為12 ℃時，試驗組和對照組的硝酸菌數(shù)量分別減少了70.60%和40.00%，說明在富鐵填料作用下硝酸菌數(shù)量受溫度影響更明顯。

3.3 低溫下富鐵填料對BAF中細菌群落多樣性的影響

3.3.1 細菌群落多樣性分析 AU14、AM14、AL14分別代表14 ℃時取自對照組好氧濾柱上、中、下部的生物膜樣本；BU14、BM14、BL14分別代表14 ℃時取自試驗組好氧濾柱上、中、下部的生物膜樣本；AM12、BM12分別代表12 ℃時取自對照組和試驗組中部的生物膜樣本。每個生物膜樣本均在各工況條件穩(wěn)定運行期間進行取樣操作。

采用高通量測序技術對上述8個樣本的細菌群落多樣性進行檢測，并將獲取的有效序列進行OTU聚類(operational taxonomic unit，可操作分類單元，通常以97%的序列相似度歸類為一個OTU)。各樣本OTU數(shù)量及多樣性指數(shù)如表3所示。

表3 各樣本OTU數(shù)量及群落多樣性指數(shù)

由表3可看出，OTU數(shù)量由大到小依次為：AM12、BM12、BU14、AU14、AL14、BM14、AM14、BL14。樣本的ACE指數(shù)(the ACE estimator，豐富度估計指數(shù))與細菌群落豐度呈正相關，而Shannon指數(shù)(Shannon index，香農(nóng)指數(shù))和Simpson指數(shù)(Simpson index，辛普森指數(shù))則與細菌群落多樣性分別呈正相關和負相關[27]。對比AM14、BM14、AM12、BM12這4個樣本的多樣性指數(shù)可知，溫度下降導致BAF中細菌的物種豐度和群落多樣性增加[28]。由表3還可以看出樣本AU14、AM14、AL14的Simpson指數(shù)差異較明顯，而樣本BU14、BM14、BL14的Simpson指數(shù)差異較小,說明溫度為14 ℃時，采用富鐵填料使BAF上、中、下部生物膜中細菌群落多樣性的變化較小、菌群的空間分布更相近。

豐度等級曲線反映了樣本細菌群落多樣性的兩個方面，即樣本所含物種的豐度和均勻度。反映各樣本中OTU豐度分布規(guī)律的豐度等級曲線如圖5所示。

圖5 各樣本的OTU等級豐度分布曲線

由圖5可知，樣本AM12和BM12的曲線在橫軸上的長度大于其他樣本，且下降相對平緩，說明該2個樣本中細菌群落豐度和均勻度高于其他樣本，即群落多樣性較高。樣本BU14、BM14和BL14的曲線相對較陡，說明采用富鐵填料使BAF中各物種的豐度差異較大，即優(yōu)勢種群的豐度更高，其原因可能為富鐵填料在水中發(fā)生微電解消耗了溶解氧，無法滿足多種微生物的生長需求，從而使優(yōu)勢群落的豐度較高。

圖6 目分類水平下各樣本菌群組成分析

圖7 細菌群落結構與環(huán)境因子的RDA分析

4 結 論

(2)采用富鐵填料會使BAF中亞硝酸菌和硝酸菌的數(shù)量增多；富鐵填料的使用對硝酸菌數(shù)量的影響較大，溫度對亞硝酸菌數(shù)量的影響較大。

(3)采用富鐵填料使BAF上、中、下部生物膜中各菌群的豐度更相近；12 ℃時兩組生物膜樣本中細菌群落豐度和均勻度均高于14 ℃時的其他樣本；在富鐵填料的影響下試驗組裝置中各菌群的豐度差異較大，且亞硝化單胞菌目、黃單胞菌目以及紅環(huán)菌目等優(yōu)勢種群的豐度在12和14 ℃兩種溫度下均高于對照組；富鐵填料的使用減弱了溫度下降導致上述3種優(yōu)勢菌目豐度減少的不利影響。