HRT 對高原環(huán)境下A2O 工藝處理效果與微生物群落的影響研究

李遠威， 尤俊豪， 宗永臣， 王俊， 傅椿惠

（西藏農(nóng)牧學院 水利土木工程學院， 西藏 林芝 860000）

目前， 西藏污水處理廠普遍存在脫氮除磷效果不佳的問題［1］。 在HRT 不同的條件下， 污染物去除率偏低的活性污泥微生物難以進行正常的生命活動， 因而導致污水處理效果較差， 影響對生態(tài)環(huán)境的保護效果。 許多專家學者通過優(yōu)化處理過程中的HRT 分布條件來強化脫氮除磷的效能， 其中， 改變工藝運行HRT 參數(shù)成為最常用的優(yōu)化方式之一。傅金祥等［2］研究發(fā)現(xiàn)， HRT 降低導致COD、 氨氮去除率下降， 硝酸鹽積累量降低， 易發(fā)生污泥膨脹現(xiàn)象。 李紅巖等［3］通過改變HRT 保障了氨氧化細菌的數(shù)量， 使氨氮去除率達到98% 以上。 康小虎等［4］對HRT 研究發(fā)現(xiàn)， HRT 的變化將影響菌群結構， 進水水質(zhì)情況的變化制約了新的群落結構形成。 目前， 在高原環(huán)境條件下鮮有文獻深度探究HRT 變化對污水處理效果和微生物群落的影響。

為了探究HRT 對高原環(huán)境下城市污水處理系統(tǒng)的影響， 設計了A2O 工藝HRT 逐漸降低的4 種運行模式， 并對比了不同HRT 條件下A2O 工藝的處理效果和微生物群落的變化情況。 采用高通量16S rRNA 基因測序和基于距離的冗余分析（db－RDA）統(tǒng)計方法， 對HRT 變化與群落結構和污染物去除效果進行關聯(lián)分析。 闡釋了HRT 變化對高原環(huán)境下A2O 工藝的處理效果和微生物群落變化的影響機制， 以期為高原環(huán)境下污水處理工藝的升級改造提供切實可行的方法。

1 材料與方法

1.1 試驗用水

試驗用水為校園辦公樓區(qū)生活污水， 主要進水水質(zhì)指標如表1 所示。

表1 進水水質(zhì)指標Tab. 1 Influent water quality

1.2 A2O 反應器及污泥馴化

采用A2O 工藝處理校園辦公樓區(qū)生活污水，該工藝流程如圖1 所示。 裝置總體積為210 L， 各反應池體積比為V厭氧池∶V缺氧池∶V好氧池＝35 ∶58 ∶117， 二沉池體積為39 L。 厭氧池和缺氧池中均設可調(diào)節(jié)轉速的攪拌裝置， 好氧池底部設有膜片式微孔曝氣頭。 試驗進水和污泥回流均采用磁力驅動循環(huán)泵， 借助浮子流量計來進行流量控制； 硝化液回流采用蠕動泵控制。 用恒溫循環(huán)器控制試驗用水溫度， 硝化液回流比和污泥回流比分別控制為200%和100%。

圖1 A2O 工藝流程Fig. 1 Flow of A2O process

自養(yǎng)活性污泥并馴化， 控制溫度為（20.0±0.5）℃， 厭氧池、 缺氧池和好氧池DO 的質(zhì)量濃度分別為0 ～0.2、 0 ～0.5、 2.0 ～3.0 mg／L， pH 值為6.5 ～7.5。 當污泥沉降比（SV30）為28%、 活性污泥濃度（MLSS）為3 716 mg／L 時， 開展正式試驗。

1.3 試驗方法

保持污泥培養(yǎng)階段的控制指標不變， 進水流量和各反應池HRT 如表2 所示。 采用全天進水模式，每間隔24 h 取進出水水樣， 持續(xù)9 d。 所有水樣經(jīng)靜置沉淀30 min 后取上清液， 進行TN、 TP 和COD 等水質(zhì)指標的檢測。 為消除HRT 工況改變帶來的影響， 調(diào)整72 h 后開展下一階段試驗， 在每個階段的末端（第9 天）提取厭氧池、 缺氧池和好氧池中活性污泥樣本， 進行基因測序分析， 研究門和屬分類學水平下微生物群落結構的特征。

表2 試驗工況及各反應單元HRTTab. 2 Experimental conditions and HRT of each reaction unit

1.4 分析方法

TN、 TP 和COD 等水質(zhì)檢測方法參照《水和廢水監(jiān)測分析方法》［5］進行。 所有的統(tǒng)計分析均采用SPSS22.0 軟件分析， 采用單因素方差分析法（ANOVA）對水質(zhì)數(shù)據(jù)進行差異顯著性檢驗。

對活性污泥樣品首先利用1% 瓊脂糖凝膠電泳檢測抽提的基因組DNA， 然后合成帶有barcode 的特異引物。 參照電泳定量結果， 將PCR 產(chǎn)物用QuantiFluorTM－ST 藍色熒光定量系統(tǒng)進行檢測， 最后構建Miseq 文庫并通過Miseq 測序平臺完成微生物群落結構分析。 采用db－RDA 方法分析群落結構與環(huán)境因子的相關性［6］。

2 結果與討論

2.1 HRT 對COD 去除效果的影響

控制污泥培養(yǎng)和馴化時的工藝參數(shù)不變， 改變進水流量調(diào)整HRT， HRT 由長到短依次運行4 個階段， 每階段9 d， 不同HRT 下A2O 工藝對COD的去除效果見圖2。

圖2 HRT 對COD 去除效果的影響Fig. 2 Effect of HRT on COD removal

由圖2 可知， 不同HRT 條件下， 對COD 的去除率由大到小依次為： 26.25 h ＞21.00 h ＞17.50 h ＞15.00 h。 單因素方差分析表明： 4 種HRT 條件間存在顯著性差異（P ＜0.05）， 即HRT 改變對COD去除率有顯著影響。 但改變HRT 均不能使出水COD 濃度達到GB 18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》一級B 標準［7］。 COD 的去除率在第Ⅰ階段最高， 較長的HRT 為污泥中微生物提供了更充足的反應時間， 有利于微生物降解COD。 HRT 的減小使得進水流速增大， 沉降性能較差的污泥絮體隨出水流失， 導致COD 去除率隨HRT 的減小而逐漸降低［8］。

2.2 HRT 對TP 去除效果的影響

不同HRT 下A2O 工藝對TP 的去除效果見圖3。由圖3 可知， 不同HRT 條件下， 對TP 的去除率總體上由大到小依次為： 15.00 h ＞26.25 h ＞17.50 h ＞21.00 h。 單因素方差分析表明： 4 種HRT 條件間存在顯著性差異（P ＜0.05）， 即HRT 改變對TP 去除率有顯著影響。 改變HRT 均不能使出水TP 濃度達到GB 18918—2002 一級B 標準。 HRT 減小導致污泥過量吸磷， 使得TP 去除率在第Ⅳ階段最高［9］。彭永臻等［10］研究發(fā)現(xiàn)， HRT 延長使厭氧區(qū)內(nèi)聚磷菌（PAOs）釋磷量變大， 缺氧區(qū)內(nèi)反硝化除磷菌（DPAOs）繁殖加快， 這也是第Ⅰ階段TP 去除率較高的原因。 但HRT 延長會使硝化細菌和聚磷菌產(chǎn)生碳源競爭， 不利于吸磷， 所以， 最佳HRT 為15.00 h。

圖3 HRT 對TP 去除效果的影響Fig. 3 Effect of HRT on TP removal

2.3 HRT 對TN 去除效果的影響

不同HRT 下A2O 工藝對TN 的去除效果見圖4。

圖4 HRT 對TN 去除效果的影響Fig. 4 Effect of HRT on TN removal

由圖4 可知， 不同HRT 條件下， 對TN 的去除率總體上由大到小依次為： 17.50 h ＞21.00 h ＞26.25 h ＞15.00 h。 單因素方差分析表明： 4 種HRT 條件間存在顯著性差異（P ＜0.05）， 即HRT 改變對TN 去除率有顯著影響。 延長HRT 使得進水流量減小， 導致有機碳源不足； 縮短HRT 雖補充了碳源， 但過短的反應時間會降低反硝化速率， 影響TN 去除效果。出水TN 濃度在第Ⅰ階段、 第Ⅱ階段和第Ⅲ階段均達到GB 18918—2002 一級B 標準。 在第Ⅲ階段和第Ⅱ階段TN 去除效果最好， 進水ρ（COD）／ρ（TN） ≥7.33， 基本滿足脫氮完全ρ（COD）／ρ（TN） ≥8.00的理論［11］。

2.4 HRT 對NH3－N 去除效果的影響

不同HRT 下A2O 工藝對NH3－N 的去除效果見圖5。

圖5 HRT 對NH3-N 去除效果的影響Fig. 5 Effect of HRT on NH3-N removal

由圖5 可知， 不同HRT 條件下， 對NH3－N 的去除率總體上由大到小依次為： 15.00 h ＞26.25 h ＞17.50 h ＞21.00 h。 單因素方差分析表明： 4 種HRT條件間不存在顯著性差異（P ＞0.05）， 即HRT 改變對NH3－N 的去除率無顯著影響。 出水NH3－N 濃度均達到GB 18918—2002 一級B 標準。 在第Ⅳ階段NH3－N 去除效果最好， 因HRT 提供了充足的碳源，為反硝化反應供能充足， 使NH3－N 去除效果最好。雖然延長HRT 可提供更多的反應時間， 但硝化細菌對碳源的競爭導致NH3－N 去除率低于第Ⅳ階段。

單因素方差分析表明， 4 種HRT 條件與COD、TP、 TN 的去除均有顯著相關性。 各污染物去除率最高時對應的HRT 不同， 綜合考慮上述4 種污染物的去除， 優(yōu)選HRT 為26.25 h 為最優(yōu)工況。 高原環(huán)境下A2O 工藝的最佳HRT 高于平原地區(qū)［12］。

2.5 HRT 對微生物群落結構的影響

2.5.1 HRT 對門水平微生物群落結構的影響

在門水平下共檢出微生物種類31 門， 較邵宇琪等［13］在污泥中檢出門類少10 門。 選取優(yōu)勢豐度前5 的門類進行統(tǒng)計分析， 各階段優(yōu)勢門占總門類比例大于93.40%， 即表示優(yōu)勢門相對豐度變化可較高程度上反應微生物總門類的變化趨勢。 門水平優(yōu)勢微生物群落結構如圖6 所示。

圖6 門水平優(yōu)勢微生物相對豐度Fig. 6 Relative abundance of dominant microorganisms at phylum level

在第Ⅰ階段中， 相對豐度最大的微生物屬于Bacteroidetes 門（35.40%）， Proteobacteria 門（34.11%）相對豐度次之。 隨著HRT 的減小， 上述兩類門在各階段相對豐度有波動， 但仍是各階段下的優(yōu)勢門類。 在第Ⅱ階段Actinobacteria 門相對豐度減小，因其菌落呈放射狀且有菌絲， 適宜其他微生物的附著和吸附， 此時污泥沉降性能不好［14］， 污泥流失嚴重使其相對豐度減小。 在第Ⅲ階段Actinobacteria門相對豐度增加， 因HRT 的減小， 進水流量增大提供充足的營養(yǎng)成分， 促進了菌膠團的形成。 在第Ⅳ階段， HRT 過小， 污泥流失嚴重， 使群落層級結構不明顯， 優(yōu)勢微生物作用不能完全凸顯。 因此， 當HRT 為26.25 h 時， 污泥群落層級結構分明， 且Actinobacteria 門豐度較高， 表征污泥具有良好的沉降性能， 與水質(zhì)分析結果相符。

2.5.2 HRT 對屬水平微生物群落結構的影響

在屬水平下共檢出微生物種類703 屬， 選取優(yōu)勢豐度前10 的屬類進行統(tǒng)計分析， 各階段優(yōu)勢屬占總屬類比例大于43.65%， 即表示優(yōu)勢屬相對豐度變化一定程度上反應微生物總屬類的變化情況。

屬水平優(yōu)勢微生物群落結構如圖7 所示， 在第Ⅰ階段和第Ⅲ階段中， 群落層級結構明顯， 優(yōu)勢菌屬作用凸顯， 但反硝化菌屬Thermomonas sp.［15］和Rhodanobacter sp.［16］的相對豐度均小于0.22%， 此時反硝化作用不明顯， TN 和NH3－N 去除效果一般。在第Ⅱ階段中， 促進生物絮凝的菌屬Trichococcus sp.［17］相對豐度僅有0.80%， 此時因污泥流失導致COD、 TP 和NH3－N 的去除率下降， 與門類優(yōu)勢微生物分析一致。 在第Ⅳ階段中， 反硝化菌屬Dokdonella sp.［18］相對豐度僅0.90%， 但反硝化菌屬Thermomonas sp.和Rhodanobacter sp.相對豐度卻大幅增長， 此時NH3－N 的去除率最好， 但因HRT 減小導致硝化反應時間縮短， 使得TN 去除率降低。

圖7 屬水平優(yōu)勢微生物相對豐度Fig. 7 Relative abundance of dominant microorganisms at genus level

門和屬分類學水平下， HRT 為26.25 h 時群落層級結構明顯， 優(yōu)勢微生物突出， 各微生物間的關系更加復雜， 使得對各污染物的去除效果均相對較好。 高原地區(qū)優(yōu)勢微生物種類與平原地區(qū)差別不大， 各優(yōu)勢微生物豐度差異明顯， 群落間層級關系更為復雜［14］。

2.6 群落結構與環(huán)境因子相關性分析

采用db－RDA 分析， 針對厭氧池、 缺氧池和好氧池的種水平下群落結構及環(huán)境因子開展回歸分析， 評價HRT 對微生物群落結構的影響程度， 結果見圖8。 不同形狀的點代表不同樣本， 同一分組用分組橢圓（95% 置信區(qū)間）表示， 環(huán)境因子用向量形式表示， 向量長度代表影響程度。 點之間的距離表示樣本間群落的差異性和相似性， 點到環(huán)境因子向量的投影距離表示受環(huán)境因子的影響程度。

圖8 群落結構與環(huán)境因子db-RDA 分析Fig. 8 db-RDA analysis of community structure and environmental factors

由圖8 可知， 在第Ⅰ階段各樣本點均在分組橢圓上， 即各樣本間物種較相似； 其余各階段下均有一個樣本點處于分組橢圓外， 即樣本間物種存在差異性。 長HRT 為微生物的生命活動提供了充足的反應時間， 對污染物的消耗量也相對較大， 使得樣本間群落結構較相似； 隨著HRT 的減小， 過大的進水流量導致污泥流失較大， 使其差異性也逐漸凸顯， 且在第Ⅳ階段表現(xiàn)最明顯。 TP 對群落結構影響最大， TN 次之。 因HRT 的變化影響污泥的吸磷量， 從而影響群落結構變化； TN 的去除效果受HRT 影響較大， 過長或過短的HRT 均不利于硝化或反硝化反應進行。 在高原環(huán)境下， 磷和氮的高效去除以污泥吸磷、 硝化和反硝化為主。 HRT、 COD和NH3－N 對群落結構影響較小， 隨著HRT 的減小， COD 和NH3－N 的去除率并未發(fā)生明顯變化，且圖中HRT、 COD 和NH3－N 的向量長度較短， 即表明HRT、 COD 和NH3－N 的變化對微生物群落結構無較大影響。

3 結論

通過對不同HRT 條件下A2O 工藝污染物處理效果、 群落結構的變化及與環(huán)境因子間的相關性進行分析， 初步探究了高原環(huán)境HRT 條件下A2O 工藝的運行特征。

（1） HRT 的改變對COD、 TP 和TN 均有顯著性差異（P ＜0.05）， 但各污染物去除效果的最佳HRT 不完全相同， 綜合考慮各污染物的去除效果，本研究中選取26.25 h 為最佳HRT。

（2） 在門水平優(yōu)勢微生物種類未見明顯變化，但其群落結構層級分明， 有利于污染物的去除； 在屬水平活性污泥的沉降性和污泥流失密切相關， 當群落結構層級分明時污染物去除效果最好。

（3） 環(huán)境因子相關性分析表明， TP 和TN 的變化對群落結構影響較大， HRT、 COD 和NH3－N的變化對群落結構無明顯影響， 進一步驗證了HRT 對污染物去除效果的影響和對微生物群落結構的影響基本一致。