李遠(yuǎn)威， 尤俊豪， 宗永臣， 王俊， 傅椿惠

（西藏農(nóng)牧學(xué)院 水利土木工程學(xué)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(wèn)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(jìn)行正常的生命活動(dòng)， 因而導(dǎo)致污水處理效果較差， 影響對(duì)生態(tài)環(huán)境的保護(hù)效果。 許多專家學(xué)者通過(guò)優(yōu)化處理過(guò)程中的HRT 分布條件來(lái)強(qiáng)化脫氮除磷的效能， 其中， 改變工藝運(yùn)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(dǎo)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(guò)改變HRT 保障了氨氧化細(xì)菌的數(shù)量， 使氨氮去除率達(dá)到98% 以上。 康小虎等［4］對(duì)HRT 研究發(fā)現(xiàn)， HRT 的變化將影響菌群結(jié)構(gòu)， 進(jìn)水水質(zhì)情況的變化制約了新的群落結(jié)構(gòu)形成。 目前， 在高原環(huán)境條件下鮮有文獻(xiàn)深度探究HRT 變化對(duì)污水處理效果和微生物群落的影響。

為了探究HRT 對(duì)高原環(huán)境下城市污水處理系統(tǒng)的影響， 設(shè)計(jì)了A2O 工藝HRT 逐漸降低的4 種運(yùn)行模式， 并對(duì)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(cè)序和基于距離的冗余分析（db－RDA）統(tǒng)計(jì)方法， 對(duì)HRT 變化與群落結(jié)構(gòu)和污染物去除效果進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析。 闡釋了HRT 變化對(duì)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(jī)制， 以期為高原環(huán)境下污水處理工藝的升級(jí)改造提供切實(shí)可行的方法。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)用水

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

表1 進(jìn)水水質(zhì)指標(biāo)Tab. 1 Influent water quality

1.2 A2O 反應(yīng)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(yīng)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(shè)可調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的攪拌裝置， 好氧池底部設(shè)有膜片式微孔曝氣頭。 試驗(yàn)進(jìn)水和污泥回流均采用磁力驅(qū)動(dòng)循環(huán)泵， 借助浮子流量計(jì)來(lái)進(jìn)行流量控制； 硝化液回流采用蠕動(dòng)泵控制。 用恒溫循環(huán)器控制試驗(yàn)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(dāng)污泥沉降比（SV30）為28%、 活性污泥濃度（MLSS）為3 716 mg／L 時(shí)， 開(kāi)展正式試驗(yàn)。

1.3 試驗(yàn)方法

保持污泥培養(yǎng)階段的控制指標(biāo)不變， 進(jìn)水流量和各反應(yīng)池HRT 如表2 所示。 采用全天進(jìn)水模式，每間隔24 h 取進(jìn)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(jìn)行TN、 TP 和COD 等水質(zhì)指標(biāo)的檢測(cè)。 為消除HRT 工況改變帶來(lái)的影響， 調(diào)整72 h 后開(kāi)展下一階段試驗(yàn)， 在每個(gè)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(jìn)行基因測(cè)序分析， 研究門(mén)和屬分類學(xué)水平下微生物群落結(jié)構(gòu)的特征。

表2 試驗(yàn)工況及各反應(yīng)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(cè)方法參照《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》［5］進(jìn)行。 所有的統(tǒng)計(jì)分析均采用SPSS22.0 軟件分析， 采用單因素方差分析法（ANOVA）對(duì)水質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)。

對(duì)活性污泥樣品首先利用1% 瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè)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(jié)果， 將PCR 產(chǎn)物用QuantiFluorTM－ST 藍(lán)色熒光定量系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)， 最后構(gòu)建Miseq 文庫(kù)并通過(guò)Miseq 測(cè)序平臺(tái)完成微生物群落結(jié)構(gòu)分析。 采用db－RDA 方法分析群落結(jié)構(gòu)與環(huán)境因子的相關(guān)性［6］。

2 結(jié)果與討論

2.1 HRT 對(duì)COD 去除效果的影響

控制污泥培養(yǎng)和馴化時(shí)的工藝參數(shù)不變， 改變進(jìn)水流量調(diào)整HRT， HRT 由長(zhǎng)到短依次運(yùn)行4 個(gè)階段， 每階段9 d， 不同HRT 下A2O 工藝對(duì)COD的去除效果見(jiàn)圖2。

圖2 HRT 對(duì)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(duì)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(duì)COD去除率有顯著影響。 但改變HRT 均不能使出水COD 濃度達(dá)到GB 18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》一級(jí)B 標(biāo)準(zhǔn)［7］。 COD 的去除率在第Ⅰ階段最高， 較長(zhǎng)的HRT 為污泥中微生物提供了更充足的反應(yīng)時(shí)間， 有利于微生物降解COD。 HRT 的減小使得進(jìn)水流速增大， 沉降性能較差的污泥絮體隨出水流失， 導(dǎo)致COD 去除率隨HRT 的減小而逐漸降低［8］。

2.2 HRT 對(duì)TP 去除效果的影響

不同HRT 下A2O 工藝對(duì)TP 的去除效果見(jiàn)圖3。由圖3 可知， 不同HRT 條件下， 對(duì)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(duì)TP 去除率有顯著影響。 改變HRT 均不能使出水TP 濃度達(dá)到GB 18918—2002 一級(jí)B 標(biāo)準(zhǔn)。 HRT 減小導(dǎo)致污泥過(guò)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(zhǎng)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(zhǎng)會(huì)使硝化細(xì)菌和聚磷菌產(chǎn)生碳源競(jìng)爭(zhēng)， 不利于吸磷， 所以， 最佳HRT 為15.00 h。

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

2.3 HRT 對(duì)TN 去除效果的影響

不同HRT 下A2O 工藝對(duì)TN 的去除效果見(jiàn)圖4。

圖4 HRT 對(duì)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(duì)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(duì)TN 去除率有顯著影響。 延長(zhǎng)HRT 使得進(jìn)水流量減小， 導(dǎo)致有機(jī)碳源不足； 縮短HRT 雖補(bǔ)充了碳源， 但過(guò)短的反應(yīng)時(shí)間會(huì)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(dá)到GB 18918—2002 一級(jí)B 標(biāo)準(zhǔn)。 在第Ⅲ階段和第Ⅱ階段TN 去除效果最好， 進(jìn)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(duì)NH3－N 去除效果的影響

不同HRT 下A2O 工藝對(duì)NH3－N 的去除效果見(jiàn)圖5。

圖5 HRT 對(duì)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(duì)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(duì)NH3－N 的去除率無(wú)顯著影響。 出水NH3－N 濃度均達(dá)到GB 18918—2002 一級(jí)B 標(biāo)準(zhǔn)。 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(yīng)供能充足， 使NH3－N 去除效果最好。雖然延長(zhǎng)HRT 可提供更多的反應(yīng)時(shí)間， 但硝化細(xì)菌對(duì)碳源的競(jìng)爭(zhēng)導(dǎo)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(guān)性。 各污染物去除率最高時(shí)對(duì)應(yīng)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(duì)微生物群落結(jié)構(gòu)的影響

2.5.1 HRT 對(duì)門(mén)水平微生物群落結(jié)構(gòu)的影響

在門(mén)水平下共檢出微生物種類31 門(mén)， 較邵宇琪等［13］在污泥中檢出門(mén)類少10 門(mén)。 選取優(yōu)勢(shì)豐度前5 的門(mén)類進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析， 各階段優(yōu)勢(shì)門(mén)占總門(mén)類比例大于93.40%， 即表示優(yōu)勢(shì)門(mén)相對(duì)豐度變化可較高程度上反應(yīng)微生物總門(mén)類的變化趨勢(shì)。 門(mén)水平優(yōu)勢(shì)微生物群落結(jié)構(gòu)如圖6 所示。

圖6 門(mén)水平優(yōu)勢(shì)微生物相對(duì)豐度Fig. 6 Relative abundance of dominant microorganisms at phylum level

在第Ⅰ階段中， 相對(duì)豐度最大的微生物屬于Bacteroidetes 門(mén)（35.40%）， Proteobacteria 門(mén)（34.11%）相對(duì)豐度次之。 隨著HRT 的減小， 上述兩類門(mén)在各階段相對(duì)豐度有波動(dòng)， 但仍是各階段下的優(yōu)勢(shì)門(mén)類。 在第Ⅱ階段Actinobacteria 門(mén)相對(duì)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(shí)污泥沉降性能不好［14］， 污泥流失嚴(yán)重使其相對(duì)豐度減小。 在第Ⅲ階段Actinobacteria門(mén)相對(duì)豐度增加， 因HRT 的減小， 進(jìn)水流量增大提供充足的營(yíng)養(yǎng)成分， 促進(jìn)了菌膠團(tuán)的形成。 在第Ⅳ階段， HRT 過(guò)小， 污泥流失嚴(yán)重， 使群落層級(jí)結(jié)構(gòu)不明顯， 優(yōu)勢(shì)微生物作用不能完全凸顯。 因此， 當(dāng)HRT 為26.25 h 時(shí)， 污泥群落層級(jí)結(jié)構(gòu)分明， 且Actinobacteria 門(mén)豐度較高， 表征污泥具有良好的沉降性能， 與水質(zhì)分析結(jié)果相符。

2.5.2 HRT 對(duì)屬水平微生物群落結(jié)構(gòu)的影響

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

屬水平優(yōu)勢(shì)微生物群落結(jié)構(gòu)如圖7 所示， 在第Ⅰ階段和第Ⅲ階段中， 群落層級(jí)結(jié)構(gòu)明顯， 優(yōu)勢(shì)菌屬作用凸顯， 但反硝化菌屬Thermomonas sp.［15］和Rhodanobacter sp.［16］的相對(duì)豐度均小于0.22%， 此時(shí)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(jìn)生物絮凝的菌屬Trichococcus sp.［17］相對(duì)豐度僅有0.80%， 此時(shí)因污泥流失導(dǎo)致COD、 TP 和NH3－N 的去除率下降， 與門(mén)類優(yōu)勢(shì)微生物分析一致。 在第Ⅳ階段中， 反硝化菌屬Dokdonella sp.［18］相對(duì)豐度僅0.90%， 但反硝化菌屬Thermomonas sp.和Rhodanobacter sp.相對(duì)豐度卻大幅增長(zhǎng)， 此時(shí)NH3－N 的去除率最好， 但因HRT 減小導(dǎo)致硝化反應(yīng)時(shí)間縮短， 使得TN 去除率降低。

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

門(mén)和屬分類學(xué)水平下， HRT 為26.25 h 時(shí)群落層級(jí)結(jié)構(gòu)明顯， 優(yōu)勢(shì)微生物突出， 各微生物間的關(guān)系更加復(fù)雜， 使得對(duì)各污染物的去除效果均相對(duì)較好。 高原地區(qū)優(yōu)勢(shì)微生物種類與平原地區(qū)差別不大， 各優(yōu)勢(shì)微生物豐度差異明顯， 群落間層級(jí)關(guān)系更為復(fù)雜［14］。

2.6 群落結(jié)構(gòu)與環(huán)境因子相關(guān)性分析

采用db－RDA 分析， 針對(duì)厭氧池、 缺氧池和好氧池的種水平下群落結(jié)構(gòu)及環(huán)境因子開(kāi)展回歸分析， 評(píng)價(jià)HRT 對(duì)微生物群落結(jié)構(gòu)的影響程度， 結(jié)果見(jiàn)圖8。 不同形狀的點(diǎn)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(zhǎng)度代表影響程度。 點(diǎn)之間的距離表示樣本間群落的差異性和相似性， 點(diǎn)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(jié)構(gòu)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(diǎn)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(gè)樣本點(diǎn)處于分組橢圓外， 即樣本間物種存在差異性。 長(zhǎng)HRT 為微生物的生命活動(dòng)提供了充足的反應(yīng)時(shí)間， 對(duì)污染物的消耗量也相對(duì)較大， 使得樣本間群落結(jié)構(gòu)較相似； 隨著HRT 的減小， 過(guò)大的進(jìn)水流量導(dǎo)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(duì)群落結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)變化； TN 的去除效果受HRT 影響較大， 過(guò)長(zhǎng)或過(guò)短的HRT 均不利于硝化或反硝化反應(yīng)進(jìn)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(duì)群落結(jié)構(gòu)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(zhǎng)度較短， 即表明HRT、 COD 和NH3－N 的變化對(duì)微生物群落結(jié)構(gòu)無(wú)較大影響。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)不同HRT 條件下A2O 工藝污染物處理效果、 群落結(jié)構(gòu)的變化及與環(huán)境因子間的相關(guān)性進(jìn)行分析， 初步探究了高原環(huán)境HRT 條件下A2O 工藝的運(yùn)行特征。

（1） HRT 的改變對(duì)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(mén)水平優(yōu)勢(shì)微生物種類未見(jiàn)明顯變化，但其群落結(jié)構(gòu)層級(jí)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(guān)， 當(dāng)群落結(jié)構(gòu)層級(jí)分明時(shí)污染物去除效果最好。

（3） 環(huán)境因子相關(guān)性分析表明， TP 和TN 的變化對(duì)群落結(jié)構(gòu)影響較大， HRT、 COD 和NH3－N的變化對(duì)群落結(jié)構(gòu)無(wú)明顯影響， 進(jìn)一步驗(yàn)證了HRT 對(duì)污染物去除效果的影響和對(duì)微生物群落結(jié)構(gòu)的影響基本一致。