某人工快滲工藝運行效果及細(xì)菌群落分析*

李彬輝 駱靈喜 王磊 劉歡 譚自航

(1.深圳市深港產(chǎn)學(xué)研環(huán)保工程技術(shù)股份有限公司 廣東深圳 518071；2.濱州市深港環(huán)保工程技術(shù)有限公司 山東濱州 256600)

0 引言

人工快速滲濾系統(tǒng)(Constructed Rapid Infiltration System 簡稱CRI系統(tǒng))對污染物的去除過程包括土壤的過濾截流、物理和化學(xué)吸附、化學(xué)分解和沉淀、微生物攝取、氧化降解等，具有系統(tǒng)凈化污水的功能，達(dá)到一定的處理目標(biāo)[1-4]。CRI采用滲透性能較好的天然砂并輔以一定量的特殊填料，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的污水土地處理系統(tǒng)中的天然土層，克服了傳統(tǒng)土地處理水力負(fù)荷低、占地面積大等缺點；同時采用干、濕交替的運行方式，大大提高了系統(tǒng)的富氧能力和對污染物的去除效果[5]。

雖然在其他污水土地系統(tǒng)中已有不少文獻報道了微生物在污染物去除過程中的作用[6]，但對CRI 系統(tǒng)研究其對污染去除效果的同時探究不同深度填料功能細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)和多樣性的分析還很少。本文以某污水廠人工快滲A號池作為研究對象，對20，40，60，80 cm深度填料中的細(xì)菌群數(shù)量進行比較，闡明CRI系統(tǒng)中各功能細(xì)菌活動的空間分布規(guī)律，并連續(xù)監(jiān)測A池進出水污染物濃度變化，以便全面了解本系統(tǒng)的污水生物凈化機制，為CRI處理效果的穩(wěn)定與提高提供理論依據(jù)。

1 實驗材料與方法

1.1 人工快滲系統(tǒng)處理工藝介紹

為削減上源水庫的污染負(fù)荷，白芒河作為水庫入庫支流，需對水環(huán)境作水質(zhì)提升。針對該河水質(zhì)污染情況、特點，工程設(shè)計進水水質(zhì)見表1，設(shè)計采用平流沉淀+人工快滲處理工藝，流程見圖1。

表1 工程設(shè)計進水水質(zhì)參考

圖1 白芒河水質(zhì)提升工程工藝流程

原水出分水池經(jīng)格柵阻截、絮凝沉淀、穩(wěn)定調(diào)節(jié)等預(yù)處理過后，SS、TP和不可溶性COD得到大量去除，但預(yù)處理出水中的可溶性COD、TP、氨氮和TN仍需通過人工快滲池深度處理。出水經(jīng)清水池大部分排入下游生態(tài)濕地，一部分作為反沖洗回用水。處理系統(tǒng)設(shè)有污泥濃縮池，回流水系統(tǒng)。污泥池表層溢流水，污泥脫水濾液經(jīng)回流泵回流至集水池，人工快滲池不產(chǎn)污泥，整個系統(tǒng)只有平流沉淀池產(chǎn)生的泥水排入污泥池，濃縮后經(jīng)脫水機壓濾，泥餅外運填埋。

1.2 快滲池不同深度填料細(xì)菌多樣性研究

(1)基因組DNA提?。阂訟號快滲池為實驗研究對象，分別取距快滲池表面20，40，60，80 cm深處填料200 g，樣品編號計為H20，H40，H60和H80，利用OMEGA土壤DNA試劑盒提取總DNA。

(2)PCR擴增和焦磷酸測序：細(xì)菌擴增使用引物27F和1492R。20 μL反應(yīng)體系含有5×FastPfu Buffer 4 μL、250 μmol/L的dNTPs、引物(5 μmol/L)0.8 μL、0.4 μL FastPfu 酶以及DNA模板10 ng。細(xì)菌PCR擴增條件為94 ℃預(yù)熱2 min；95 ℃變性30 s，55 ℃退火30 s，72 ℃延伸45 s，循環(huán)30次，72 ℃延伸10 min，4 ℃保存。PCR擴增之后，使用Axy Prep DNA Gel Purification Kit(Axygen Biotechnology)進行PCR產(chǎn)物純化，然后使用QuantiFluorTM(Promega,Milano,Italy)進行定量PCR，最終使用Illumina MiSeqplatform完成焦磷酸測序。

(3)系統(tǒng)發(fā)育分析：通過測序得到原始數(shù)據(jù)，進行拼接、過濾，得到有效數(shù)據(jù)?；谟行?shù)據(jù)進行OTUs( Operational Taxonomic Units )聚類和物種分類分析，再對OTUs進行豐度、多樣性指數(shù)等分析，同時對樣品進行群落結(jié)構(gòu)的統(tǒng)計分析。最后進行一系列基于OTUs的聚類分析，挖掘樣品之間的物種組成差異。

2 分析結(jié)果與討論

2.1 快滲池對污染物去除效果

圖2 A號快滲池對COD的去除效果

圖3 A號快滲池對NH4+-N的去除效果

圖4 A號快滲池對TP的去除效果

2.2 處理系統(tǒng)中細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)

2.2.1 細(xì)菌多樣性分析

高通量測序分析表明，A號快滲池距表面20，40，60，80 cm深處填料分別有1 307，1 290，1 103和507個細(xì)菌OTU(表2)。Ace和Chao分析表明，快滲池內(nèi)細(xì)菌OTU豐度隨深度不斷降低，表層20 cm深處填料比80 cm深處擁有更高的細(xì)菌OTU豐度。同時Shannon和Simpson指數(shù)分析表明20 cm深處填料具有最高的細(xì)菌多樣性，快滲池缺氧段即60～80 cm深處細(xì)菌多樣性大致相當(dāng)，富氧段即20～40 cm深處細(xì)菌多樣性隨深度降低。

表2 快滲池中微生物多樣性指數(shù)分析結(jié)果

2.2.2 細(xì)菌群落組分分析

快滲池中參與COD降解的微生物除上述桿菌屬細(xì)菌外，發(fā)現(xiàn)Blastocatella、Nitrospira、Paracoccus和Pseudomonasalcaligenes也具有COD去除能力。Blastocatella在快滲池好氧段廣泛存在，在40～80 cm豐度幾近為0。YANG Q等[12]發(fā)現(xiàn)Blastocatella是MHA-A/O反應(yīng)器中第四大優(yōu)勢菌屬，僅次于Anaerolineaceae、Sulfuritalea、Lactococcus，對高濃石化廢水中COD的去除率為達(dá)72%～79%。在整個系統(tǒng)可鑒別的菌屬中Nitrospira是第二大優(yōu)勢菌屬，細(xì)菌相對豐度為7.54%，Nitrospira多篩自污水反應(yīng)器活性污泥中，是亞硝酸鹽氧化菌群中的優(yōu)勢菌屬，主要功能是維系氨氮-硝酸鹽-亞硝酸鹽循環(huán)體系正常運行，該菌在整個系統(tǒng)好氧、缺氧段中均廣泛存在，是去除氨氮的又一重要硝化細(xì)菌。張秀紅等[13]在A/O反應(yīng)器活性污泥中發(fā)現(xiàn)Nitrospira是主要的脫氮細(xì)菌，在A段數(shù)量相對較多，O段較少，在水溫20 ℃～23 ℃，HRT為18 h，進水TN為61～78 mg/L，COD分別為110～165 mg/L和205～272 mg/L條件下，COD去除率均在90%以上，硝化率分別為98%和95%，TN去除率50%和78%。Pseudomonasalcaligenes主要功能是好氧降解COD，王遠(yuǎn)紅等[14]發(fā)現(xiàn)該菌在污水處理中還有產(chǎn)絮凝劑能力，不僅對COD有高效去除效果(54.25%～90.33%)，出水濁度和色度理想；李朝霞等[15]從造紙廢水中篩得該菌，發(fā)現(xiàn)其可在COD質(zhì)量濃度為500 mg/L中增殖，最適降解條件下可降解80%以上的COD。

快滲池可鑒定細(xì)菌菌屬的豐度見圖5。

圖5 快滲池可鑒定細(xì)菌菌屬的豐度

3 結(jié)論

(1)對進出水連續(xù)監(jiān)測35 d發(fā)現(xiàn)，原水經(jīng)預(yù)處理布入A號快滲池處理后，進水COD質(zhì)量濃度55～248 mg/L、氨氮質(zhì)量濃度19.6～31.1 mg/L、TP質(zhì)量濃度1.11～2.96 mg/L，出水均穩(wěn)定達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)一級A標(biāo)準(zhǔn)，去除率分別為52.7%～100%、88.3%～100%、78.4%～96.2%。

(2)快滲池細(xì)菌OTU豐度隨深度逐漸減少，Shannon和Simpson指數(shù)分析表明快滲池中細(xì)菌多樣性：H20>H60≥H80>H40，快滲池缺氧段(60～80 cm)比富氧段(20～40 cm)細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)復(fù)雜，種類豐富。

(3)快滲池中桿菌是優(yōu)勢菌屬，第二大菌屬是硝化螺旋菌屬(Nitrospira)。在富氧段主要參與COD降解的菌屬是：芽孢桿菌屬(Bacillus)、雙歧桿菌屬(Bifidobacterium)和乳酸桿菌屬(Lactobacillus)；整個系統(tǒng)中硝化螺旋菌屬(Nitrospira)是去除氨氮的一種重要硝化菌；缺氧段具有反硝化作用的菌屬包括：布魯式菌屬(Brucella)、甲基桿菌屬(Methylobacterium)、副球菌屬(Paracoccus)。