大型污水厂中填料对A2O系统微生物种群的影响
摘要：上海某污水处理厂采用移动床生物膜反应器（MBBR）与传统厌氧/缺氧/好氧（A2O）耦合工艺进行提标改造，通过在原有A2O工艺的缺氧池和好氧池中投加悬浮填料，提高脱氮效率，出水水质执行国家一级A标准。填料挂膜半年后，分别测定A2O-MBBR和A2O系统中活性污泥的硝化和反硝化效能，发现前者的硝化速率和反硝化速率分别是后者的1.63和1.65倍，此外，A2O-MBBR系统中好氧池的填料使硝化速率又升高了1倍。采用高通量测序技术分析系统中的微生物群落结构，发现在纲水平上主要富集了Acidobacteria（16.69%）、Betaproteobacteria（14.04%）和Gammaproteobacteria（11.61%），在属水平上主要富集了Candidatus_Microthrix（7.30%）、norank_f__Saprospiraceae（4.25%）和Flavobacterium（3.01%）。对两种工艺进行微生物种群LEfSe线性判别分析，发现A2O-MBBR系统内富集了大量脱氮功能菌，悬浮填料强化了硝化和反硝化作用。
孙晓，博士，高级工程师，主要从事污水、污泥、垃圾等环境污染防治相关工作。
为进一步改善水环境质量，2015年国务院颁布了《水污染防治行动计划》（简称“水十条”），对污水处理厂处理等级以及污染物排放提出了更严格的要求。同年12月，《上海市水污染防治行动计划实施方案》提出，杭州湾沿岸城镇污水处理厂执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）的一级A标准。近年来，该区域污水厂进水总量不断增加，高峰时已接近满负荷运行。随着污水厂管辖区域污水管道的建设日益完善，针对污水厂处理能力无法满足现阶段污水处理的需求，对其在原有基建上进行改造。在处理相同污染负荷的条件下，通过投加悬浮填料，在原设计生物池容不变的情况下可使填料与污水充分接触，实现污染物的充分降解，从而满足一级A排放标准。对于常规的厌氧/缺氧/好氧（A2O）工艺，脱氮效果是衡量其运行状态是否良好的重要指标。在A2O工艺中投加悬浮填料，形成移动床生物膜反应器（MBBR），通过微生物在填料载体上富集形成的生物膜和活性污泥中微生物的双重作用可实现生物系统的有效脱氮。因此，对MBBR系统与常规A2O系统中的微生物群落结构特性进行分析，明确填料对污水处理系统的强化作用，对污水厂的参数调控具有指导意义。鉴于此，笔者在上海某大型污水厂改造工程的稳定运行阶段取污泥混合液和填料，利用Illumina MiSeq高通量测序技术，对填料上及污泥混合液中的微生物种群进行多样性分析和LEfSe多级物种差异判别分析。
1 污水处理厂简介
上海某大型污水处理厂采用MBBR对常规A2O工艺进行改造，工艺流程见图1，A2O-MBBR系统和A2O系统的处理规模均为5×104m3/d。污水厂进、出水水质见表1。
A2O-MBBR和A2O工艺厌氧池的水力停留时间（HRT）分别为1.30和1.50h，缺氧池的HRT分别为5.50和6.50h，好氧池的HRT分别为6.69和9.50 h。生物处理单元的污泥回流比和硝化液回流比分别为100%和300%，污泥浓度平均值为4.50g/L，设计气水比为6∶1，厌氧池、缺氧池和好氧池的DO浓度分别为<0.5、0.5～1、4～6 mg/L，pH值在7~8之间。在A2O-MBBR系统的好氧池前三格和缺氧池最后一格投加圆柱形悬浮填料，填充率分别为57%和51%。填料直径为24 mm、高为12 mm，内部为十字形、外部为纵向条纹。
2 结果与讨论
2.1 两个系统的硝化及反硝化能力
在系统稳定运行期间，分别测定A2O-MBBR和A2O系统的硝化和反硝化速率，结果见图2。A2O-MBBR系统活性污泥、活性污泥+填料和A2O系统活性污泥的硝化速率分别为1.76、3.51和1.08mg/（gMLSS·h），对应的硝化能力分别为84.70、169.00和46.20mg/L，A2O-MBBR系统的硝化能力显著提升，同时填料也强化了污泥混合液的硝化作用。A2O-MBBR系统活性污泥、活性污泥+填料和A2O系统活性污泥的反硝化速率分别为2.67、2.13和1.62mg/（gMLSS·h），对应的反硝化能力分别为66.10、52.70和47.40 mg/L，A2O-MBBR系统的反硝化速率高于A2O系统，说明填料的投加可以有效促进活性污泥的反硝化能力，但是A2O-MBBR系统中活性污泥+填料的反硝化速率低于活性污泥，这可能与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关。
2.2 两个系统中的微生物种群分布
A2O-MBBR和A2O系统分析所得的23 266个序列在纲水平和属水平上的微生物种群分布见图3。由图3（a）可知，酸杆菌纲（Acidobacteria）是最主要的纲（16.69%），可参与单碳化合物的代谢过程，在微氧和缺氧条件下降解纤维素，产生醋酸和氢。变形菌门主要包括β-变形菌纲（Betaproteobacteria，14.04%）、γ-变形菌纲（Gammaproteobacteria，11.61%）、α-变形菌纲（Alphaproteobacteria，6.37%）和δ-变形菌纲（Deltaproteobacteria，6.34%），是降解有机物的重要菌种，其中γ-变形菌纲能够代谢葡萄糖产酸，利用氨氮作为氮源、葡萄糖作为碳源，将硝酸盐氮还原为亚硝酸盐氮，在好氧池的寡营养环境中，诱导细胞裂解并释放细胞内的物质；α-变形菌纲属于自养微生物，在硝化过程中发挥着重要的作用。
进一步在属水平上进行分析可知，最主要的属包括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%）可以促进含氮物质的降解，两者在A2O-MBBR系统中的相对丰度高于A2O系统，说明悬浮填料上富集了一些氮功能菌有利于氮的转化，促进了硝化作用。在反硝化脱氮方面，Candidatus_Microthrix对水体中氨氮及硝酸盐氮具有较好的去除作用，其在A2O-MBBR系统缺氧池填料中的相对丰度低于A2O系统，说明填料上没有富集相关的脱氮功能菌，这与2.1节中反硝化速率结果一致。黄杆菌属（Flavobacterium，3.01%）、unclassified_f__Comamonadaceae（1.50%）也属于反硝化优势功能菌，它们在A2O-MBBR缺氧池污泥中的相对丰度高于A2O，这可能是因为硝化作用的增强使大量的氨氮转化成硝酸盐氮，给反硝化作用补充了充足的基质，促进了反硝化菌的富集，在A2O-MBBR系统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，同时产生大量的硝酸盐氮也促进了污泥中反硝化菌的富集，强化了反硝化能力。
2.3 填料与污泥中微生物种群的差异性
图4为A2O-MBBR系统中微生物的LEfSe多级物种层级树图，不同颜色节点表示在对应组别中显著富集，且对组间差异性存在显著影响的微生物种群。LDA值越大，代表物种丰度对差异效果影响越大。填料上的差异性物种有51个，而污泥中只有38个，填料上富集了更多的差异微生物种群。污泥中的差异性微生物物种主要有Candidatus_Microthrix属（4.94）、Acidimicrobiales_Incertae_Sedis科（4.94）、Micrococcales目（4.07）和Tetrasphaera属（3.86）。填料上的差异性微生物物种有Alphaproteobacteria纲（4.96）、Methylococcales目（显性甲烷氧化菌，4.05）和Crenothrix属（3.95）。Alphaproteobacteria对组间差异有显著影响，具有良好的脱氮能力，在硝化过程中发挥着重要作用；其次是Methylococcales目，由于填料表面的氧传递效率降低，在生物膜表面的内部形成缺氧环境，有利于Methylococcales的富集。此外，在污泥中的Tetrasphaera属，是一种可以直接利用葡萄糖及氨基酸进行发酵并释磷的新型PAO菌属，可使得污水厂出水的磷浓度满足一级A排放标准。
2.4 填料对活性污泥中微生物种群的影响
对A2O-MBBR和A2O系统中污泥的微生物种群进行差异性分析，得到LEfSe多级物种层级树图，如图5所示。
A2O系统的差异性物种主要有Ignavibacteriae门（3.48）、0319_6G20科（2.87）、unclassified_c__Gammaproteobacteria科（2.71）。A2O-MBBR系统的差异性物种主要有Synergistetes门（2.44）、Lactivibrio门（2.15）、AKYG1722目（2.08）、Singulisphaera属（2.00）。Singulisphaera属于Planctomycetes门，其在A2O-MBBR系统内显著富集，对水体中的氨氮和亚硝酸盐氮有较好的去除效果；此外，Bacteroidetes门的U29_B03属和Firmicute门的Hespellia属在A2O-MBBR系统的污泥中富集，可促进含氮物质的利用，在有氧或缺氧的环境中进行代谢，参与硝化和反硝化过程。以上表明，投加悬浮填料后，使得一些脱氮功能菌在污泥中富集，强化了活性污泥的硝化和反硝化作用。
3 结论
① A2O-MBBR和A2O系统的硝化能力分别为169.00和46.20mg/L，表明投加悬浮填料后硝化能力显著提高。
② 污水处理厂的生物系统中富集的微生物种群在纲水平上主要有Acidobacteria（16.69%）、Betaproteobacteria（14.04%）和Gammaproteobacteria（11.61%），在属水平上有Candidatus_Microthrix（7.30%）、norank_f__Saprospiraceae（4.25%）和Flavobacterium（3.01%），系统内富集了大量脱氮功能菌，有利于硝化和反硝化作用。
③ A2O-MBBR系统的悬浮填料上富集的大量Alphaproteobacteria具有良好的脱氮能力，在硝化过程中发挥着重要作用。相比A2O系统，A2O-MBBR的污泥中脱氮功能菌Planctomycetes、Bacteroidetes和Firmicutes显著富集，它们对水体中含氮物质有较好的去除效果，表明投加悬浮填料后强化了污泥的硝化和反硝化作用。
④ 综合A2O-MBBR和A2O系统的硝化、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，促进了系统的硝化作用，硝化作用的强化使大量氨氮被转化为硝酸盐氮，从而有利于反硝化菌的富集，硝化菌与反硝化菌的共同作用使系统的脱氮功能得到强化。
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