净水技术|温度对生物膜—活性污泥复合工艺硝化特性及硝化菌种群的影响
随着我国经济迅速发展，城镇污水处理压力越来越大。“十二五”期间，国家重大水专项提出削减城市整体水污染负荷和提高城市水环境质量，不具有脱氮、处理能力不足老旧污水厂面临着提标改造的难题。原活性污泥工艺中投加填料形成的生物膜—活性污泥复合工艺（IFAS），由于其改造费用较少、无需增加池容即能提高处理能力、剩余污泥产量少和硝化作用稳定等优点，已经被越来越多的污水厂所采用。
目前，针对复合工艺的研究多围绕C、N负荷，填料投配率和水利停留时间等对工艺效果的影响，水质差异和试验设计的不同导致各研究结果的统一性不高，同时缺乏深入的微观机理证实，也无法有力的指导工程设计与运行实践。关于固定膜—活性污泥复合系统的研究深度滞后于该工艺的生产性应用速度。在技术研究上，急需从工程技术的基础性研究角度解决当前制约复合工艺的瓶颈机理问题即：填料的投加对复合工艺系统产生何种影响、泥膜两相微生物硝化特性有何不同、二相对系统的硝化贡献率是否相当和其内的硝化细菌种群结构有何差异。本文结合硝化动力学和Illumina MiSeq高通测序技术对生物膜—活性污泥复合工艺中硝化机制特性进行研究，通过小试反应器模拟实际温度条件下的工艺运行，以期对复合工艺的工程设计与运行实践提供有力的指导和微观理论基础。
1.1试验装置
小试反应器为长方体，材料为有机玻璃，有效体积20 L。在小型温控室内运行，运行温度段为30、25、20、15、10℃。所用填料密度为0.95~0.98 kg/m3，有效比表面积为500 m2/m3，尺寸为直径12 mm、高8 mm的圆柱中空体，投配比为30%。曝气采用气泵鼓入，反应器溶解氧控制在3~4 mg/L。反应器采用蠕动泵连续进水和污泥回流。设计水力停留时间为10 h，泥龄控制15 d，进水采用人工配水，所用药品均为分析纯。以葡萄糖为碳源，NH4Cl为氮源，KH2PO4为磷源，配以CaCl2·2H2O：20 mg/L，MgSO4·7H2O：20 mg/L，FeSO4·7H2O：10 mg/L，MnSO4 ·H2O：20mg/L，KCl：20mg/L，碳酸氢钠补充碱度。接种污泥取自上海某污水处理厂，接种后反应器起始污泥浓度1000 mg/L，加入填料充分混合后驯化培养至污泥浓度维持3000 mg/L。约40 d反应器各项进出水指标达稳定。
1.2试验方法
1.2.1 常规水质指标测定方法
COD和氨氮等的测定参考标准方法。温度和溶解氧采用溶氧仪测定。硝化速率和硝化贡献率测定采用如下方法：在一个试验温度段结束前，取400 mL污泥加入1.5 L的有机玻璃容器中；随机取出50个填料于1.5 L的有机玻璃容器中内，加入反应器进水，控制温度曝气，分别在0、45、90、135、180、225、270、315、360 min取样检测。生物膜的硝化贡献率采用移除反应器中的填料检测出水中氨氮浓度的变化来计算贡献率，反应期间将填料至于有机玻璃容器，加入进水曝气维持活性，实验结束后重新加入至反应器。与此同时，通过改变进水速率稳定反应器污泥负荷。硝化贡献速率计算公式如下：
1.2.2 DNA的提取和高通量测序
当反应器在各温度段运行结束时分别取适量污泥和生物膜的样品。DNA提取采用PowerSoil土壤DNA试剂盒，抽提DNA的含量与质量采用分光光度法进行检验。合格的DNA样品-80 ℃冰箱保存等待下一步测序试验。硝化种群信息采用高通量测序检测，DNA用于V3，V4，V5区域扩增；引物序列 “CCTACGGRRBGCASCAGKVRVGAAT”，“GGACTACNVGGGTWTCTAATCC” ，“GTGYCAGCMGCCGCGGTAA”，“CTTGTGCGGKCCCCCGYCAATTC”。引物接头通过PCR加到序列末端，DNA文库的建立采用Agilent 2100 Bioanalyzer (AgilentTechnologies, Palo Alto, CA, USA)，定量化采用Qubit and realtime PCR (Applied Biosystems, Carlsbad, CA, USA)。文库混合后在IlluminaMiSeq平台测序。原始数据采用Qiime进行标准化分析。测序结果可在美国生物技术信息中心上进行查询(登录号：SRR2045858和SRR2045862)。
2.1温度与反应器的运行影响
反应器运行阶段对主要污染物的去除效果如图1所示。由图1（a）可知COD平均去除率达85.0%以上，出水COD为40 mg/L，可达到城镇污水处理指标一级B的标准，温度变化对COD去除没有影响。由图1（b）可知，不同温度下反应器对氨氮的去除较为稳定，平均去除率达到83.6%。当温度在30~20 ℃时，整个系统氨氮去除效果很稳定；但当温度在15~10 ℃时，出水中的氨氮上升了3.0~5.0 mg/L达到12.0 mg/L，去除率较30~20℃降低约20%。这说明，极端低温条件下（10℃）对系统硝化产生影响，可能是因为在低温下微生物的硝化特性及生长规律发生了改变。
图1 IFAS反应器COD和氨氮去除效果的影响
2.2温度对复合系统的硝化特性影响
复合系统内污泥和生物膜的氨氧化速率及硝化贡献率如图 2所示。由图2（a）可知，当温度从25 ℃降低到10 ℃时，泥相的氨氧化速率从4.2 mg NH4+-N/(gMLSS·h) 降低到1.0 mg NH4+-N/(g MLSS·h)，降低约76%；而膜相的氨氧化速率从169.0 mg NH4+-N/(m2·h)降低到 81.0 mg NH4+-N/(m2·h)，降低约52%。这说明温度降低对削弱硝化作用影响显著，然而温度降低对膜相硝化速率影响小于泥相；在15~ 10℃阶段，膜相硝化速率降低约23%，而泥相硝化速率却降低约60%。低温会导致硝化功能细菌的生长速率严重下降，从而导致污水处理厂在冬季发生出水氨氮超标。研究表明温度降低降低硝化微生物的生长速率从而进一步延长其世代周期，硝化细菌将会因世代周期长于污泥泥龄而被淘汰，宏观的表现为整个系统内硝化作用严重破坏，氨氮出水超标；然而对于复合系统而言，附着生长在生物膜内的硝化细菌则可以免受泥龄的影响，定期脱落的膜中含有的硝化细菌也能增强泥相中的硝化作用。从图2（a）得知复合系统的硝化作用并未受到低温的严重影响，且从图2（b）中发现，温度从15℃降低至10℃，膜相对复合系统的硝化贡献率从11%增加至38%。在低温和泥相硝化速率大幅降低的条件下系统仍保持稳定的硝化作用，这与膜相硝化微生物对整个系统硝化贡献提供有重要关系。
图2 不同温度下活性污泥和生物膜硝化速率及硝化贡献率
上述两种结果从宏观上体现了填料的投加能够在低温时保持复合工艺系统较高的硝化效果，低温阶段复合系统内的生物膜对硝化的贡献大大提升，这是IFAS工艺在冬季低温条件下仍能维持稳定的硝化作用的原因。
2.3温度对复合系统硝化细菌种群结构的影响
硝化细菌的种群结构及生长特性是影响硝化作用的根本原因。其中作为主要限速步骤的氨氮氧化为亚硝酸盐氮阶段，主要由氨氧化细菌(AOB)完成，亚硝酸盐氮再由亚硝酸盐氧化菌（NOB）氧化硝酸盐氮。不同温度条件下，泥相和膜相的硝化细菌种群结构动态变化直接关系到复合系统的宏观硝化作用。从Illumina MiSeq 测序所得到的AOB和NOB种群信息知，在属水平上复合系统内泥相和膜相中AOB均由亚硝化单胞菌属和亚硝化螺菌属组成，泥相和膜相中的NOB均由组成硝化螺旋菌属组成。对AOB及NOB丰度统计发现复合系统内泥膜两相的AOB及NOB的优势菌种分别为亚硝化单胞菌属和硝化螺旋菌属。亚硝化单胞菌属是一种广泛存在于污水处理系统内的AOB，相较于其他种类AOB，其生长速率更快，适应能力强，在氨氮浓度较高条件下具有生长优势。从硝化细菌种群结构而言，复合系统内泥相和膜相的优势AOB和NOB是一致的。
泥相和膜相的AOB和NOB相对含量分布情况如图3所示。当温度为30~20 ℃时，泥相中的AOB含量要略高于膜相；随着温度降低到15 ~ 10℃，膜相中AOB含量逐渐升高并高于膜相。由图3(b)可知，当温度为30~25 ℃，泥相中的NOB含量要略高于膜相；随着温度降低到25~10 ℃尤其是15~10 ℃，膜相中NOB含量迅速升高并高于膜相。结合图2关于氨氧化速率和硝化贡献率结果不难发现，复合系统的硝化作用受温度的影响可分为两个阶段：高温阶段（30、25℃和20℃）和低温阶段（15℃和10℃）。在低温阶段（15℃和10℃）时填料的投加有效地为AOB和NOB提供稳定的生存条件而不至于因低温生长速率降低导致世代周期变长而被系统淘汰，补充了系统的硝化能力，为冬季低温稳定硝化提供保障；相反在高温阶段（30、25℃和20℃），泥相的硝化细菌比膜相的硝化细菌更有优势，填料投加对于增强系统硝化能力而言作用不大。
图3 不同温度下硝化细菌种群的相对丰度
通过对不同温度泥膜样品微生物种群特性进行的主坐标分析（图4）发现，接种污泥与复合系统微生物种群结构差异较大；反应器内高温阶段（30、25℃和20℃）泥膜样品可聚类到一起，并和低温阶段（15℃和10℃）聚类的泥膜样品有着明显的距离。这一结果与系统内泥膜两相所表达的硝化特性差异相一致，这说明在复合工艺系统内存在两种不同的生长阶段，即高温阶段（30、25℃和20℃）和低温阶段（15℃和10℃），两种阶段对应着不同的泥膜两相硝化特性和种群结构。
图4 活性污泥和生物膜的微生物种群结构差异分析（J2：接种污泥；S：污泥；B：生物膜；30:30℃）
（1）生物膜—活性污泥复合工艺同对COD和氨氮具有稳定去除效果，去除率分别达到85.0%和83.6%，是一种较好的提高污水处理能力的改造选择。
（2）在生物膜—活性污泥系统内，按泥膜两相硝化特性可分为高温阶段（30、25℃和20℃）和低温阶段（15℃和10℃）。在高温段（20~30 ℃），泥相内硝化细菌平均数量高于膜相，泥相对系统硝化贡献率平均达85%，硝化作用主要发生在泥相；在低温段（10~15 ℃），膜相内硝化细菌平均数量高于泥相，泥相氨氧化速率降低约60%，而膜相对系统的硝化贡献率从11%增加至38%，填料的投加确保了工艺在低温时稳定的硝化效果。
（3）泥膜两相优势AOB均为为亚硝化单胞菌属，优势NOB均为硝化螺旋菌属。
（4）基于生物膜—活性污泥系统内泥膜两相不同的硝化特性，对于生物膜—活性污泥复合工艺的污水处理厂而言可在15~10 ℃时使用填料增强硝化效果，而在30~20℃内移除填料以节省额外曝气推流费用，提高运营效能。
想了解本文更多信息，可点击此链接http://www.cnki.net/KCMS/detail/31.1513.TQ.20160428.0842.008.html进行下载。
【项目基金】国家“十二五”水专项。水专项：节地型城镇污水处理工艺技术研究与工程示范-污水处理工艺生物量提升技术研究(2013ZX07314-003)。
【作者简介】谭杰(1991-)，男，硕士，研究方向为污水处理与资源化。E-mail: tj_2008 @163.com。
【通讯作者】戴晓虎，电话: 021-65986297；E-mail: daixiaohu@tongji.edu.cn。
净水技术
WPT
《净水技术》杂志是面向广大市政给排水、工业水处理、建筑给排水和水环境治理等行业，以宏观综述、理论研究、应用经验、工程案例和工程信息为主要报道内容的核心期刊，最新发布的2014年度复合影响因子0.961，在土木建筑工程学科中排名第15位。
【杂志订阅】
1、邮局订购：通过全国范围任一邮局，凭邮发代码（4-652）直接订阅，每份单价72元/年（6期）。
2、电话或邮件订购：可拨打（021）66250061确认订阅信息，或将收件人姓名、收件地址、邮编、联系电话、发票信息等内容发送邮件至shjsjs@vip.126.com。
【广告咨询】
市场部联系人：阮辰旼 13585990831 孙丽华021-66250061-803