HRT對(duì)A/O-BF處理低碳氮比農(nóng)村生活污水脫氮的影響

凌 宇, 趙遠(yuǎn)哲, 王海燕*, 閆國(guó)凱, 常 洋, 董偉羊, 儲(chǔ)昭升, 王 歡

1.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院環(huán)境污染控制工程技術(shù)研究中心, 北京 100012 2.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院， 湖泊水污染治理與生態(tài)修復(fù)技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室, 北京 100012

我國(guó)廣大農(nóng)村地區(qū)缺少完善的污水收集和處理系統(tǒng)，大量未經(jīng)有效處理的生活污水直接排入河流湖泊中，成為水體氮污染的重要來(lái)源之一[1-2]. 由于污水收集系統(tǒng)不完善、雨污分流不徹底等原因，農(nóng)村生活污水碳氮比(C/N)較低，不能滿足生物脫氮的要求，而在異養(yǎng)反硝化過(guò)程中，碳源不足往往是限制其脫氮的主要因素[3].

缺氧/好氧生物濾池(Anoxic/oxic biofilter, A/O-BF)對(duì)污(廢)水中氮污染物具有良好的去除效果，且具有較強(qiáng)的抗沖擊性能，廣泛應(yīng)用于生活污水[4]、二級(jí)生化尾水[5]、高鹽廢水[6]和焦化廢水[7]等的脫氮處理. 通過(guò)在A/O-BF缺氧段和好氧段分別添加蘆竹和活性炭的方式，構(gòu)建新型填料A/O-BF來(lái)處理低C/N農(nóng)村生活污水，取得了較好的脫氮效果[8-9]. 空床水力停留時(shí)間(HRT)是A/O-BF運(yùn)行過(guò)程中重要的工藝參數(shù)，直接影響微生物與基質(zhì)底物的接觸時(shí)間及傳質(zhì)過(guò)程[10]. HRT過(guò)短時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)微生物難以實(shí)現(xiàn)完全的氮轉(zhuǎn)化過(guò)程，系統(tǒng)抗沖擊性能較差，出水水質(zhì)易超標(biāo)；HRT過(guò)長(zhǎng)時(shí)，系統(tǒng)處理能力過(guò)剩，浪費(fèi)能源且增加處理成本. 因此，確定合理的HRT對(duì)保證A/O-BF良好的污染物去除效能和經(jīng)濟(jì)性具有十分重要的意義.

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置為四組有機(jī)玻璃材質(zhì)的A/O-BF小試裝置，其中好氧段直徑0.11 m，布水區(qū)高度0.1 m，石英砂承托層0.1 m；缺氧段直徑0.07 m，布水區(qū)高度0.1 m，石英砂承托層0.1 m(見(jiàn)圖1)，實(shí)際運(yùn)行中提高缺氧段高程，使出水重力流入好氧段；好氧段填料層用體積比為1∶1的活性炭與礫石混合填充，缺氧段填料層用體積比為3∶1的蘆竹與礫石混合裝填. 石英砂、蘆竹、活性炭和礫石填料的制備參考文獻(xiàn)[8].

注： 1—進(jìn)水箱；2—提升泵；3—?dú)怏w流量計(jì)；4—空氣壓縮機(jī)；5—回流泵；A—接反沖洗氣泵；B—接自來(lái)水作反沖洗水.圖1 A/O-BF試驗(yàn)裝置Fig.1 A/O-BF experimental set-up

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)裝置采用連續(xù)流進(jìn)水，進(jìn)水流量為0.45 L/h，通過(guò)改變柱體側(cè)面的出水口位置來(lái)調(diào)節(jié)有效填料層高度，從而改變反應(yīng)柱的有效容積使其具有不同的HRT. 四組A/O-BF在試驗(yàn)前均已成功啟動(dòng)，因此該研究中未報(bào)道啟動(dòng)期數(shù)據(jù). HRT的優(yōu)化試驗(yàn)分為兩個(gè)階段：階段Ⅰ(1～31 d)進(jìn)行好氧段優(yōu)化，此時(shí)保持缺氧段HRT為6 h，比較好氧段HRT為7、8、9和10 h 時(shí)A/O-BF的脫氮效果; 階段Ⅱ(32～74 d)進(jìn)行缺氧段優(yōu)化，好氧段采用階段Ⅰ優(yōu)化出的最佳HRT，比較缺氧段HRT為4、5、6和7 h時(shí)A/O-BF的脫氮效果. 整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，保持好氧段氣水比為4∶1，硝化液回流比為200%. 反沖洗每月1次，具體操作步驟如下[11]：好氧段先氣洗3 min，再氣水聯(lián)合沖洗4.5 min，最后水洗4 min；缺氧段水洗4 min. 氣沖洗和水沖洗的氣量和水量分別為0.4和22.89 mL/(m2·min).

試驗(yàn)中采用模擬的低C/N農(nóng)村生活污水[12](C/N 為1.4～3.0)，通過(guò)自來(lái)水投加葡萄糖、氯化銨和磷酸二氫鉀來(lái)模擬目標(biāo)水質(zhì)(見(jiàn)表1)，添加NaHCO3調(diào)節(jié)進(jìn)水pH為7～8，保持進(jìn)水水溫為18～25 ℃.

1.3 分析方法

A/O-BF運(yùn)行穩(wěn)定階段，每?jī)商烊∫淮嗡畼?，進(jìn)行水質(zhì)分析. 其中ρ(CODCr)采用哈希試劑檢測(cè)法(Hach DRB200, DR1010，美國(guó))測(cè)定；ρ(TN)采用TOC測(cè)定儀TN測(cè)定單元(島津TOC-VCPH，日本)測(cè)定；ρ(NH4+-N)采用納氏試劑分光光度法測(cè)定；ρ(NO2--N)和ρ(NO3--N)采用離子色譜儀(DIONEX ICS-1000，美國(guó))測(cè)定；pH采用便攜式pH計(jì)(Hach PHC10103，美國(guó))測(cè)定.

表1 模擬低C/N農(nóng)村生活污水水質(zhì)Table 1 The characteristics of the synthetic rural domestic sewage with low carbon to nitrogen ratio mg/L

1.4 高通量分析

在不同HRT條件下系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定階段，分別在反應(yīng)器好氧段和缺氧段不同高度處取填料表面的微生物樣本充分混合后進(jìn)行高通量測(cè)序分析[8]. 高通量測(cè)序采用MiSeqPE300測(cè)序模式，選擇細(xì)菌16S rRNA V3～V4區(qū)引物338F(引物序列為5′-ACTCCTACGGGAGGCAGCAG-3′)和806R(引物序列為5′-GGACTACHVGGGTWTCTAAT-3′)對(duì)樣品進(jìn)行測(cè)試，再分析得到樣品的菌群結(jié)構(gòu). 使用上海美吉生物醫(yī)藥科技有限公司(上海)的美吉生物云平臺(tái)對(duì)樣品中優(yōu)質(zhì)DNA序列進(jìn)行篩選并對(duì)測(cè)序數(shù)據(jù)進(jìn)行分析. 所測(cè)得DNA數(shù)據(jù)的NCBI序列編號(hào)為SUB7848620(好氧段)和SUB7862529(缺氧段).

圖2 不同HRT條件下A/O-BF對(duì)CODCr的去除Fig.2 CODCr removal in A/O-BFs at different HRT conditions

2 結(jié)果和討論

2.1 HRT對(duì)CODCr去除的影響

不同HRT條件下A/O-BF對(duì)水中CODCr的去除影響見(jiàn)圖2. 保持缺氧段HRT為6 h，進(jìn)行好氧段HRT優(yōu)化，當(dāng)進(jìn)水ρ(CODCr)為(70.44±10.19)mg/L時(shí)，4個(gè)HRT(7、8、9、10 h)條件下出水ρ(CODCr)分別為(7.82±2.08)(7.48±2.11)(7.85±2.10)和(8.14±3.45)mg/L，去除率分別為89%±3%、89%±3%、89%±4%和88%±6%；保持好氧段HRT為9 h，進(jìn)行缺氧段HRT優(yōu)化，當(dāng)進(jìn)水ρ(CODCr)為(70.63±15.60)mg/L時(shí)，4個(gè)HRT (4、5、6、7 h)條件下出水ρ(CODCr)分別為(7.46±1.99)(7.48±2.11)(7.76±2.57)和(7.42±2.63)mg/L，去除率分別為89%±4%、89%±3%、88%±4%和89%±4%. 這說(shuō)明在好氧段和缺氧段不同的HRT條件下，A/O-BF對(duì)CODCr去除率的差別并不大.

A/O-BF對(duì)CODCr的去除過(guò)程依賴于多種微生物共同完成. 在好氧段，好氧菌利用水中有機(jī)物進(jìn)行細(xì)胞增殖和代謝完成對(duì)有機(jī)物的去除；而在缺氧段，反硝化菌不僅可以利用有機(jī)物形成細(xì)胞物質(zhì)，還可以通過(guò)反硝化過(guò)程將有機(jī)物轉(zhuǎn)化為二氧化碳〔見(jiàn)式(1)〕[13]. A/O-BF中好氧、缺氧環(huán)境同時(shí)存在使得系統(tǒng)中有豐富的微生物種群，保證了對(duì)CODCr良好的去除效果，同時(shí)使系統(tǒng)具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性. 隨著HRT的改變，CODCr去除率變化不大，因?yàn)闊o(wú)論是好氧段中的碳氧化菌還是缺氧段中的反硝化菌，對(duì)有機(jī)物的利用速率都很快，在短時(shí)間內(nèi)即可完成對(duì)水中CODCr的去除，故當(dāng)HRT能滿足微生物對(duì)有機(jī)物的最短利用時(shí)間后，再增大HRT并不會(huì)顯著增加CODCr的去除. 相反，當(dāng)HRT過(guò)大時(shí)，會(huì)導(dǎo)致生物膜有機(jī)負(fù)荷的降低，微生物內(nèi)源呼吸加重，造成生物膜的脫落和微生物數(shù)量的減少，不利于污染物的去除[14].

5CH3OH+6NO3-→3N2+5CO2+7H2O+6OH-

(1)

2.2 HRT對(duì)NH4+-N去除的影響

不同HRT條件下A/O-BF對(duì)水中NH4+-N的去除影響如圖3所示. 保持缺氧段HRT為6 h，進(jìn)行好氧段HRT優(yōu)化，當(dāng)進(jìn)水ρ(NH4+-N)為(32.29±4.40)mg/L時(shí)，4個(gè)HRT(7、8、9、10 h)條件下出水ρ(NH4+-N)分別為(2.32±0.67)(1.36±0.30)(0.31±0.29)和(0.22±0.19)mg/L，去除率分別為93%±3%、96%±1%、99%±1%和99%±1%. 可見(jiàn)NH4+-N去除率隨著好氧段HRT的增加而增加，HRT為9 h時(shí)，NH4+-N幾乎被完全去除，故9 h是好氧段NH4+-N去除的最佳HRT. 保持好氧段HRT為9 h，進(jìn)行缺氧段HRT優(yōu)化，當(dāng)進(jìn)水ρ(NH4+-N)為(32.64±2.99)mg/L時(shí)，4個(gè)HRT(4、5、6、7 h)條件下出水ρ(NH4+-N)分別為(0.22±0.21)(0.37±0.31)(0.28±0.23)和(0.27±0.28)mg/L，去除率分別為99%±1%、99%±1%、99%±1%和99%±1%，表明缺氧段HRT的變化并不顯著影響系統(tǒng)對(duì)NH4+-N的去除.

學(xué)習(xí)是一種教與學(xué)的交互式活動(dòng)，單純依賴模仿和記憶難以實(shí)現(xiàn)有效教學(xué)，自主探索、合作交流和動(dòng)手實(shí)踐是學(xué)生學(xué)習(xí)的重要方式。在學(xué)生自主探索過(guò)程中，教師要根據(jù)教學(xué)內(nèi)容和學(xué)生心理特征，適時(shí)啟發(fā)學(xué)生，引導(dǎo)學(xué)生向知識(shí)的深度和廣度探索，使其實(shí)現(xiàn)知識(shí)的永久掌握，培養(yǎng)學(xué)習(xí)能力，從而主動(dòng)愉快地學(xué)習(xí)。

在上流式A/O-BF中，NH4+-N的去除依賴于好氧段中硝化菌的硝化作用，反應(yīng)速率相對(duì)較緩，當(dāng)HRT較短時(shí)就會(huì)造成NH4+-N無(wú)法完全去除[15]. 同時(shí)，好氧段中曝氣氣流和水流沿著濾池自下而上透過(guò)濾料在頂部排出，生物膜外側(cè)有機(jī)物和DO濃度較高，繁殖速率快的異養(yǎng)菌主要集中在生物膜外側(cè)，而好氧自養(yǎng)型的硝化菌主要在生物膜內(nèi)側(cè)[16-17]；DO在向生物膜內(nèi)部擴(kuò)散時(shí)的氧傳遞效率較低，當(dāng)HRT不足時(shí)，內(nèi)側(cè)的硝化菌無(wú)法得到足夠的DO，生長(zhǎng)代謝會(huì)受到抑制[16]，NH4+-N的去除也會(huì)受到影響. 因此當(dāng)好氧段HRT由7 h增至8 h和9 h時(shí)，硝化菌獲得足夠的DO，此時(shí)NH4+-N基本完全去除. HRT繼續(xù)增加會(huì)導(dǎo)致運(yùn)行成本上升，且HRT為10 h時(shí)NH4+-N的去除率與9 h相比并無(wú)明顯變化，所以好氧段運(yùn)行的最佳HRT為9 h. 丁紹蘭等[18]在優(yōu)化核桃殼-沸石曝氣生物濾池的最佳運(yùn)行工藝參數(shù)時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)平均進(jìn)水ρ(NH4+-N)為30 mg/L、氣水比為6∶1、HRT為9 h時(shí)，系統(tǒng)對(duì)NH4+-N的去除率最高(83.16%)，這與該研究結(jié)果一致.

圖3 不同HRT條件下A/O-BF對(duì)NH4+-N的去除Fig.3 NH4+-N removal in A/O-BFs at different HRT conditions

2.3 HRT對(duì)TN去除的影響

不同HRT條件下A/O-BF對(duì)水中TN的去除影響見(jiàn)圖4. 保持缺氧段HRT為6 h，進(jìn)行好氧段HRT優(yōu)化，4個(gè)HRT(7、8、9、10 h)條件下，當(dāng)進(jìn)水ρ(TN)為(32.50±5.31)mg/L時(shí)，A/O-BF出水ρ(TN)分別為(10.79±0.86)(9.69±0.91)(7.96±0.56)和(7.90±1.04)mg/L，去除率分別為66%±6%、70%±5%、75%±5%和75%±5%. 系統(tǒng)對(duì)TN的去除率在好氧段HRT為7～9 h時(shí)逐漸升高，當(dāng)達(dá)到9 h后，再增加HRT并不能使TN的去除率進(jìn)一步提高. 在這4個(gè)HRT條件下，A/O-BF出水中的ρ(NO2--N)均極低(<0.5 mg/L)，ρ(NO3--N)分別為(7.12±1.24)(7.78±1.18)(7.77±0.87)和(7.56±0.94)mg/L，差別并不顯著. 在A/O-BF中，好氧段不能單獨(dú)完成對(duì)于TN的去除，水中NH4+-N必須先通過(guò)好氧段中的硝化菌將NH4+-N轉(zhuǎn)化為NOx--N(NO2--N和NO3--N)，然后通過(guò)硝化液回流至缺氧段，通過(guò)微生物反硝化作用將NOx--N轉(zhuǎn)化為氮?dú)馀懦?，從而完成?duì)于TN的去除. 因此，好氧段HRT主要影響硝化菌對(duì)NH4+-N的轉(zhuǎn)化程度，使得進(jìn)入反硝化段的NOx--N含量不同，NOx--N作為反硝化過(guò)程的電子受體，其含量多少直接影響缺氧段中微生物反硝化過(guò)程，最終使得TN的去除產(chǎn)生差異[15].

保持好氧段HRT為9 h，進(jìn)行缺氧段HRT優(yōu)化，由圖4可知：當(dāng)進(jìn)水ρ(TN)為(33.79±2.98)mg/L時(shí)，4個(gè)HRT(4、5、6、7 h)條件下出水ρ(TN)分別為(13.77±2.16)(8.84±1.22)(7.32±1.15)和(8.51±0.98)mg/L，去除率分別為59%±7%、74%±5%、78%±4%和75%±4%. 在HRT為4、5、6 h時(shí)，TN去除率逐漸增加，這是因?yàn)樵龃驢RT可延長(zhǎng)反硝化菌與NOx--N的接觸時(shí)間使反硝化過(guò)程進(jìn)行的更為徹底. 但當(dāng)HRT增至7 h時(shí)，TN去除率不僅沒(méi)有增加反而稍微下降，這一方面可能是因?yàn)楫?dāng)HRT過(guò)長(zhǎng)時(shí)，水中有機(jī)物負(fù)荷降低，反硝化菌缺乏足夠的電子供體導(dǎo)致反硝化過(guò)程被抑制；另一方面也可能是因?yàn)橛袡C(jī)物含量的降低使得生物膜的活性降低甚至導(dǎo)致部分生物膜脫落，減少了系統(tǒng)中的微生物量，最終影響了系統(tǒng)脫氮[14].

綜上，好氧段和缺氧段HRT的變化對(duì)水中TN去除影響的機(jī)理不同，但二者又相互影響. 因此在實(shí)際操作中，只有兩段都采用最合理的HRT才能取得最佳的脫氮效果. 綜合2.1～2.3節(jié)的研究結(jié)果，確定A/O-BF脫氮過(guò)程中好氧段和缺氧段的最佳HRT分別為9和6 h. 此時(shí)，好氧段和缺氧段對(duì)TN的去除率分別為75%±5%和78%±4%，A/O-BF的TN去除率為0.033～0.054 kg/(m3·d).

圖4 不同HRT條件下A/O-BF對(duì)TN的去除效果Fig.4 TN removal in A/O-BFs at different HRT conditions

2.4 HRT對(duì)填料表面微生物群落結(jié)構(gòu)的影響

2.4.1好氧段中填料表面微生物群落結(jié)構(gòu)

不同HRT條件下好氧段填料表面微生物群落多樣性指數(shù)見(jiàn)表2，在HRT為7、8、9和10 h時(shí)，Good′s Coverage指數(shù)相近，均大于0.990，表明所鑒定序列對(duì)系統(tǒng)中微生物多樣性具有顯著代表性[19]；在HRT為9 h時(shí)，Shannon-Wiener指數(shù)、ACE指數(shù)和Chao 1指數(shù)最大，Simpson指數(shù)最小，表明HRT為9 h時(shí)微生物群落多樣性最為豐富[20].

不同HRT條件下好氧段中填料表面微生物群落分布如圖5所示. 由圖5(a)可知：在好氧段HRT為7 h時(shí)，微生物主要由變形菌門(mén)(Proteobacteria)(占比為49.36%)、綠彎菌門(mén)(Chloroflexi)(占比為15.37%)、放線菌門(mén)(Actinobacteria)(占比為10.37%)和厚壁菌門(mén)(Firmicutes)(占比為6.28%)組成；HRT為8 h時(shí)，變形菌門(mén)(占比為42.23%)、綠彎菌門(mén)(占比為19.68%)、放線菌門(mén)(占比為11.60%)和擬桿菌門(mén)(Bacteroidetes)(占比為6.45%)是優(yōu)勢(shì)菌門(mén)；HRT為9 h時(shí)，變形菌門(mén)(占比為54.06%)、綠彎菌門(mén)(占比為11.45%)、放線菌門(mén)(占比為8.85%)和硝化螺旋菌門(mén)(Nitrospirae)(占比為8.52%)為優(yōu)勢(shì)菌門(mén)；HRT為10時(shí)，變形菌門(mén)(占比為30.57%)、綠彎菌門(mén)(占比為15.84%)、擬桿菌門(mén)(占比為10.30%)和放線菌門(mén)(占比為9.47%)為優(yōu)勢(shì)菌門(mén). 可見(jiàn)，好氧段不同HRT條件下細(xì)菌的種群分布有所差異，但總體而言，4種HRT條件下變形菌門(mén)、綠彎菌門(mén)和放線菌門(mén)都是優(yōu)勢(shì)種群，此三類細(xì)菌門(mén)類之和在總細(xì)菌門(mén)類中的占比分別為75.10%(HRT=7)、73.51%(HRT=8)、74.36%(HRT=9)和55.88%(HRT=10). 也有研究[21-22]發(fā)現(xiàn)污(廢)水生物處理中的硝化細(xì)菌主要屬于硝化螺旋菌門(mén)和變形菌門(mén). 當(dāng)HRT為9 h時(shí)，填料表面變形菌門(mén)和硝化螺旋菌門(mén)的占比均最大(分別為54.06%和8.52%)；而當(dāng)HRT為7和8 h時(shí)，變形菌門(mén)(分別為49.36%和42.23%)占比略小于HRT為9 h(54.06%)時(shí)；但當(dāng)HRT為10 h時(shí)，變形菌門(mén)的占比有明顯的降低(30.57%)；硝化螺旋菌門(mén)的占比在HRT為7、8和9 h 時(shí)明顯上升，分別為2.51%、4.31%和8.52%，但隨著HRT繼續(xù)增至10 h時(shí)，其占比反而有一些降低(6.99%). 這表明在一定范圍內(nèi)增大HRT有利于硝化細(xì)菌的生長(zhǎng)，但當(dāng)HRT過(guò)大時(shí)，將會(huì)對(duì)硝化細(xì)菌產(chǎn)生不利影響，可能是因?yàn)镹H4+-N負(fù)荷隨著HRT增大而降低，低的NH4+-N負(fù)荷不利于硝化菌生長(zhǎng)，使得硝化菌數(shù)量減少[23].

表2 不同HRT條件下A/O-BF填料表面微生物群落多樣性指數(shù)Table 2 Alpha diversity analysis for biofilm samples on the surface of filter media in A/O-BFs at different HRT conditions

圖5 好氧段不同HRT條件下填料表面微生物組成和多樣性分析Fig.5 Microbial community diversity and its composition on the surface of filter media in oxic columns at different HRT conditions

由圖5(b)可知：當(dāng)好氧段HRT為7 h時(shí)，生物膜中亞硝化單胞菌屬(Nitrosomonas)和硝化螺旋菌屬(Nitrospira)的占比分別為2.12%和2.49%；HRT為8 h 時(shí)，兩種菌屬的占比分別為3.11%和4.28%；HRT為9 h時(shí)，兩種菌屬占比分別為2.94%和8.48%；HRT為10 h時(shí)，兩種菌屬的占比分別為0.67%和6.97%. 亞硝化單胞菌屬和硝化螺旋菌屬是污(廢)水處理中氨氧化細(xì)菌和亞硝酸鹽氧化細(xì)菌的主要菌屬，在硝化過(guò)程中起關(guān)鍵作用[24-26]，這兩種菌屬的占比越大預(yù)示著系統(tǒng)的硝化能力越強(qiáng). 在HRT為7、8和9 h時(shí)，亞硝化單胞菌屬的占比均先增后減，但變幅不大，三者幾乎處于同一水平；硝化螺旋菌屬的占比隨著HRT增大而增加，并呈倍數(shù)增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)；這兩種菌屬占比之和分別為4.61%(HRT=7 h)、7.39%(HRT=8 h)和11.42%(HRT=9 h)，隨著HRT的增大有較大程度的增加. 然而，當(dāng)HRT繼續(xù)增至10 h時(shí)，兩種菌屬的占比與HRT為9 h時(shí)相比分別降低了2.27%(亞硝化單胞菌屬)和1.51%(硝化螺旋菌屬)，兩種菌屬占比之和也降至7.64%. 此時(shí)，亞硝化單胞菌屬的占比極低(0.67%)，這很有可能影響NH4+-N轉(zhuǎn)化為NO2--N的過(guò)程，進(jìn)而影響整個(gè)硝化過(guò)程的進(jìn)行. 上述結(jié)果表明，在HRT小于9 h時(shí)，增大HRT有助于硝化細(xì)菌的生長(zhǎng)，但當(dāng)HRT大于9 h后，繼續(xù)增大HRT不僅不能促進(jìn)硝化菌的生長(zhǎng)還會(huì)減少硝化菌在生物膜中的分布，影響NH4+-N轉(zhuǎn)化，故9 h是好氧段的最佳HRT. 亞硝化單胞菌屬和硝化螺旋菌屬的變化結(jié)果與2.2節(jié)中NH4+-N的去除率隨HRT的變化結(jié)果相一致.

2.4.2缺氧段中填料表面微生物群落結(jié)構(gòu)

不同HRT條件下缺氧段填料表面微生物群落多樣性指數(shù)見(jiàn)表2. 由表2可見(jiàn)：缺氧段4種HRT (4、5、6、7 h)條件下的微生物種群 Good′s Coverage指數(shù)相近，均大于0.990；在HRT為6 h時(shí)，Shannon-Wiener指數(shù)、ACE指數(shù)和Chao 1指數(shù)最大，Simpson指數(shù)最小，表明HRT為6 h時(shí)微生物群落多樣性最為豐富.

圖6 缺氧段不同HRT條件下填料表面微生物組成和多樣性分析Fig.6 Microbial community diversity and its composition on the surface of filter media in anoxic columns at different HRT conditions

不同HRT條件下缺氧段填料表面微生物群落分布如圖6所示. 由圖6(a)可知：HRT為4 h時(shí)，變形菌門(mén)(占比為43.78%)、擬桿菌門(mén)(占比為17.05%)、綠彎菌門(mén)(占比為12.27%)和厚壁菌門(mén)(占比為11.89%)為缺氧段微生物群落的主要細(xì)菌門(mén)類；HRT為5 h時(shí)，變形菌門(mén)(占比為34.30%)、綠彎菌門(mén)(占比為24.35%)、擬桿菌門(mén)(占比為14.13%)和放線菌門(mén)(占比為5.70%)為主要菌門(mén)；當(dāng)HRT為6和7 h時(shí)，主要細(xì)菌門(mén)類均為變形菌門(mén)(占比分別為60.99%和32.34%)、綠彎菌門(mén)(占比分別為14.11%和28.83%)、擬桿菌門(mén)(占比分別為8.16%和10.84%)和放線菌門(mén)(占比分別為4.42%和8.36%). 整體來(lái)看，不同HRT使得細(xì)菌豐度發(fā)生了變化，但細(xì)菌種類均以變形菌門(mén)、擬桿菌門(mén)、放線菌門(mén)、綠彎菌門(mén)和厚壁菌門(mén)為主. 上述菌門(mén)是實(shí)際污(廢)水微生物反硝化脫氮過(guò)程中主要涉及的細(xì)菌門(mén)類[27-31].2.3節(jié)中TN去除率在HRT為4、5、6 h時(shí)逐漸增大，但當(dāng)HRT增至7 h時(shí)，TN去除率不僅沒(méi)有增加反而稍微下降. 在HRT為6 h時(shí)，系統(tǒng)中變形菌門(mén)的占比遠(yuǎn)高于HRT為4、5、6時(shí)，且這3種HRT下變形菌門(mén)占比無(wú)明顯差異，表明系統(tǒng)中參與脫氮的微生物可能主要屬于變形菌門(mén).

從圖6(b)可知：缺氧段HRT為4 h時(shí)，不動(dòng)桿菌屬(Acinetobacter)(占比為18.12%)、綠菌屬(Chlorobium)(占比為11.51%)和Trichococcus(占比為7.40%)的豐度最高；HRT為5 h時(shí)，JG30-KF-CM45(占比為9.86%)、Haliangium(占比為8.62%)和暖繩菌屬(Caldilinea)(占比為5.59%)是缺氧段的優(yōu)勢(shì)菌屬；HRT為6 h時(shí)，缺氧段的優(yōu)勢(shì)菌屬為JG30-KF-CM45(占比為8.78%)、暖繩菌屬(占比為5.87%)和Denitratisoma(占比為5.83%)；HRT為7 h時(shí)，缺氧段的優(yōu)勢(shì)菌屬為不動(dòng)桿菌屬(占比為35.84%)、腸桿菌屬(Enterobacter)(占比為5.44%)和暖繩菌屬(占比為3.92%). 其中不動(dòng)桿菌屬、綠菌屬和暖繩菌屬都被證實(shí)有一定的脫氮能力，但在生物脫氮過(guò)程中的貢獻(xiàn)并不大[32-36].Denitratisoma為變形菌門(mén)的異養(yǎng)菌屬，具有反硝化脫氮能力，被多數(shù)學(xué)者認(rèn)為是生物反硝化脫氮過(guò)程中的主要參與者[37-38]，因此，其豐度占比的大小最能反映整個(gè)系統(tǒng)的脫氮能力. 在HRT為4、5、6和7 h時(shí)，Denitratisoma的占比分別為0.81%、2.90%、5.83%、3.27%，說(shuō)明HRT由4 h增至6 h的過(guò)程中，微生物系統(tǒng)的反硝化脫氮能力在逐漸增強(qiáng)，因此在一定范圍內(nèi)增大HRT有利于提高A/O-BF的脫氮效果. HRT繼續(xù)增至7 h時(shí)，Denitratisoma的占比有了一些下降，表明該HRT條件不利于反硝化菌的生長(zhǎng)，可能是因?yàn)檫^(guò)長(zhǎng)的HRT會(huì)顯著降低水中氮和有機(jī)物的負(fù)荷，破壞了反硝化菌最適的生存環(huán)境，使得內(nèi)源呼吸作用加劇，致使其豐度下降. 綜上，不能通過(guò)無(wú)限制地增加HRT來(lái)強(qiáng)化脫氮，6 h是缺氧段最佳的HRT，這與2.3節(jié)所得結(jié)果一致.

3 結(jié)論

a) A/O-BF對(duì)CODCr有較好的去除效果，在好氧段和缺氧段進(jìn)水ρ(CODCr)分別為(70.44±10.19)和(70.63±15.60)mg/L，改變各工段HRT時(shí)，A/O-BF對(duì)CODCr的去除率仍在88%以上.

b) 在進(jìn)水ρ(NH4+-N)和ρ(TN)分別為(32.50±5.31)和(32.29±4.40)mg/L、好氧段HRT為7、8、9和10 h時(shí)，A/O-BF對(duì)二者的平均去除率分別為93%、96%、99%、99%和66%、70%、75%、75%；在進(jìn)水ρ(NH4+-N)和ρ(TN)分別為(32.64±2.99)和(33.79±2.98)mg/L、缺氧段HRT為4、5、6和7 h時(shí)，A/O-BF對(duì)二者的平均去除率分別為99%、99%、99%、99%和59%、74%、78%、75%. 這表明HRT會(huì)影響微生物與底物接觸時(shí)間和傳質(zhì)過(guò)程，從而導(dǎo)致脫氮效果差異. 在A/O-BF運(yùn)行過(guò)程中，好氧段和缺氧段最佳HRT分別為9和6 h.

c) 高通量測(cè)序結(jié)果表明：好氧段中硝化過(guò)程的關(guān)鍵菌屬為亞硝化單胞菌屬(Nitrosomonas)和硝化螺旋菌屬(Nitrospira)，在HRT為9 h時(shí)兩種菌屬的占比為11.42%，明顯高于7 h(4.61%)、8 h(7.39%)和10 h(7.64%)；缺氧段中反硝化過(guò)程的主要菌屬為Denitratisoma，在HRT為6 h時(shí)其占比為5.83%，明顯高于4 h(0.81%)、5 h(2.90%)和7 h(3.27%)，這與A/O-BF運(yùn)行結(jié)果一致.