獨立園區(qū)夏冬兩季污水處理及微生物群落特征分析

秦永麗， 蔣永榮， 孫曉杰

(1.桂林理工大學 廣西環(huán)境污染控制理論與技術重點實驗室，廣西 桂林 541004；2.桂林電子科技大學 生命與環(huán)境科學學院，廣西 桂林 541004)

隨著我國城鎮(zhèn)化進程進一步加快，一些具有特定功能的獨立園區(qū)(如大學園區(qū)、農業(yè)園區(qū)、工業(yè)園區(qū)等)陸續(xù)建成[1]。這些獨立園區(qū)常位于城鎮(zhèn)邊緣或農村，基礎設施建設相對滯后，園區(qū)產生的生活污水和生產廢水對周邊環(huán)境造成了嚴重污染[2-4]。

目前對于獨立園區(qū)的污水多采用膜生物反應器、人工濕地或者多種工藝組合處理[5-8],但由于園區(qū)生活污水和生產廢水混排，水質和水量波動較大，加之缺乏專業(yè)技術人員的有效管理，復雜的污水處理工藝往往達不到預期的處理效果[9-10]。因此，研究適用于獨立園區(qū)的穩(wěn)定、易維護、經濟、高效的污水處理技術，成為亟需解決的問題，其中馴化出適用于獨立園區(qū)污水處理的高效菌種是關鍵[9,11]。

以某大學園區(qū)為研究對象，采用SBR間歇曝氣-UASB厭氧組合工藝處理園區(qū)污水。大學園區(qū)的用水特點為洗漱用水、食堂廢水、實驗室廢水間歇混排，夏季用水量大，冬季用水量小，且夏季溫度高，冬季溫度低，水質和水量的沖擊大。鑒于此，著重分析SBR-UASB組合工藝在冬夏兩季(夏季5-6月，冬季11-12月)的污水處理效果以及工藝系統(tǒng)中的微生物群落特征，分析系統(tǒng)內污染物的去除機理和微生物作用機制，以期為該工藝處理園區(qū)混合污水的放大應用和穩(wěn)定調試提供理論依據。

1 試驗材料與方法

1.1 運行工藝

本試驗采用SBR間歇曝氣-UASB厭氧組合工藝，裝置如圖1所示，從左至右依次為進水箱、SBR反應器、中間水箱、UASB反應器。SBR和UASB反應器的有效容積均為200 L，SBR反應器間歇曝氣運行時間為6～8 h。

圖1 SBR-UASB組合工藝流程圖

1.2 試驗用水和試驗污泥

試驗用水為某大學園區(qū)的實際污水，包括宿舍洗漱用水、食堂廢水、實驗室廢水。試驗期間的進水水質如表1所示。

表1 大學園區(qū)混合污水水質

試驗所用污泥為實際廢水間歇進水馴化的污泥，其SBR反應器的MLSS為14 043.01 mg·L-1，MLVSS為4 849.46 mg·L-1;UASB反應器的MLSS為29 258.06 mg·L-1，MLVSS為8 580.65 mg·L-1，具有一定緩沖環(huán)境變化的能力。

1.3 水質分析方法

水質分析方法采用《水和廢水監(jiān)測分析方法(第四版)》[12]，其中，NH4+-N采用納氏試劑分光光度法；NO2--N采用N-(1-萘基)-乙二胺分光光度法；NO3--N采用紫外分光光度法；TN采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法；COD采用重鉻酸鉀法；TP采用鉬酸銨分光光度法。

1.4 微生物群落特征測定

從各反應器中取泥，利用DNA提取試劑盒，根據說明書步驟提取基因組DNA，再利用瓊脂糖凝膠電泳檢測DNA的純度和濃度，然后進行PCR擴增，其所用引物為V4區(qū)引物：515F 5′-GTGCCAGCMGCCGCGGTAA-3′和806R 5′-GGACTACHVGGGTWTCTAAT-3′，PCR產物使用2%濃度的瓊脂糖凝膠進行電泳檢測。對目的條帶使用QIAGEN公司提供的膠回收試劑盒回收產物。使用TruSeq?DNA PCR-Free Sample Preparation Kit建庫試劑盒進行文庫構建，構建好的文庫經過Qubit和Q-PCR定量合格后，用HiSeq2500 PE250進行上機測序。

對高通量測序所得序列進行質控(QC)[13-14]，利用Uparse軟件對所有樣品進行OTU聚類[15]，對OTUs代表序列進行物種注釋，用Mothur方法與SILVA的SSUrRNA數(shù)據庫進行物種注釋分析(設定閾值為0.8～1)[16-17]，獲得分類學信息，并分別在各個分類水平統(tǒng)計各樣本的群落組成。

2 結果與討論

2.1 獨立園區(qū)污水中污染物的去除

2.1.1 各反應器COD的去除情況

反應器內夏季和冬季COD的去除情況如圖2所示。由圖2可知，夏季進水、SBR反應器和UASB反應器出水COD平均濃度分別為151.89、19.08和29.42 mg·L-1，冬季進水、SBR反應器和UASB反應器出水COD平均濃度分別為109.09、27.07、44.44 mg·L-1，夏季和冬季COD平均去除率分別為80.63%和59.26%。由此可見，盡管冬季進水COD濃度較低，但其去除率較低，說明冬季溫度的降低確實降低了微生物的活性并影響了其對有機物的代謝效率[18]，但冬季COD出水濃度仍可達到我國《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準(GB 18918—2002)》一級A標準(≤50 mg·L-1)。同時在試驗過程中發(fā)現(xiàn)UASB厭氧反應器出水的COD濃度均比SBR反應器高，夏季和冬季分別高出10.34、17.37 mg·L-1，推測可能存在一些不溶性有機物在UASB厭氧反應器內被分解為可溶性有機物[19]。

圖2 各反應器內COD的去除情況

2.1.2 各反應器氮的去除情況

圖3為夏季和冬季反應器內氨氮的去除情況。從圖3可看出，夏季進水氨氮、SBR反應器出水氨氮和UASB反應器出水氨氮平均濃度分別為44.87、7.81、1.08 mg·L-1，冬季進水氨氮、SBR反應器出水氨氮和UASB反應器出水氨氮平均濃度分別為33.69、2.80、3.90 mg·L-1，夏冬兩季氨氮平均去除率分別為97.59%和88.42%。冬季氨氮去除效果有所降低，但出水氨氮濃度仍遠低于我國《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準(GB 18918—2002)》一級A標準(≤5(8)mg·L-1)。同時發(fā)現(xiàn)，在冬季UASB反應器出水氨氮濃度高于SBR反應器，推測可能是UASB反應器內殘余的難降解含氮有機物在厭氧微生物作用下進一步轉化為氨氮[20]，進而增加了UASB反應器內氨氮濃度。

圖3 各反應器內氨氮的去除情況

各反應器內TN的去除效果如表2所示。從表2可看出，夏季和冬季TN的去除率均較高，分別為84.53%和88.40%，夏季和冬季TN平均出水濃度分別為8.11、3.91 mg·L-1，均低于我國《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準(GB 18918—2002)》一級A標準(≤15 mg·L-1)，顯著優(yōu)于A2O工藝、A/O工藝、組合工藝處理污水的TN去除效果[21-23]。

表2 各反應器內TN去除效果

2.1.3 各反應器TP的去除情況

此工藝TP的去除情況如圖4所示。從圖4可看出，夏季進水和UASB反應器出水TP平均濃度分別為5.51、3.84 mg·L-1，冬季進水和UASB反應器出水TP平均濃度分別為5.91、4.07 mg·L-1，除磷效果欠佳。研究表明[24-25]，生物方法脫氮功能較好，但其工藝除磷效果往往不佳，需輔助化學除磷。因此，為了提高除磷效果，本工藝在UASB反應器出水后，采用實驗室自制的絮凝劑進行化學除磷，經化學除磷后，夏季和冬季的出水TP分別為0.099、0.100 mg·L-1，達到了我國《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準(GB 18918—2002)》一級A標準(≤0.5 mg·L-1)。

圖4 各反應器內TP的去除情況

2.2 各反應器內微生物群落特征

2.2.1 微生物群落豐富度與多樣性分析

選取冬季SBR反應器和UASB反應器的污泥，研究其微生物群落結構特征。試驗采用高通量測序技術對SBR反應器、UASB反應器的污泥進行微生物菌群結構組成多樣性及豐富度分析。首先對SBR反應器、UASB反應器2個樣品所得有效序列按照97%的一致性計算多樣性指數(shù)，結果如表3所示。從表3可看出，2個反應器污泥樣品的測序深度指數(shù)Coverage均高于98%，說明本次測序結果能夠全面反映微生物群落結構特征。對于不同反應器污泥菌群豐富度指數(shù)ACE和Chao1，SBR反應器(ACE∶4 022.96；Chao1∶6 136)>UASB反應器(ACE：3 271.985；Chao1∶3 082.017)，說明SBR反應器較UASB反應器具有較高的菌群豐度。種群多樣性指數(shù)shannon和simpson越高，多樣性越高。由種群多樣性指數(shù)shannon和simpson分析結果可知，SBR反應器(shannon：8.72；simpson：0.99)>UASB反應器(shannon：8.34；simpson：0.989)，說明SBR反應器較UASB反應器具有更高的生物多樣性，從種群多樣性指數(shù)角度進一步證實了污泥菌群豐度情況。以上結果可能歸因于大學園區(qū)的食堂廢水中存在大量的有機物，而異養(yǎng)菌具有種類多樣、代謝速率快、增殖能力強等特點，導致SBR反應器內異養(yǎng)菌快速、大量繁殖，從而導致SBR反應器的菌群豐度和多樣性指數(shù)增加。

表3 各個反應器微生物菌群多樣性指數(shù)表

2.2.2 微生物菌群結構分析

門水平相對豐度排名前10的微生物分布如圖5所示。從圖5可看出，在SBR和UASB反應器中，變形菌門Proteobacteria所占比例最大，分別為49.77%、34.10%，與多數(shù)污水處理系統(tǒng)的菌群結構分布相似[26-27]；Proteobacteria既可以進行好氧代謝，又可以進行厭氧代謝，且包含了許多與碳循環(huán)、氮循環(huán)有關的菌屬，因此在間歇曝氣且碳源和氮源豐富的SBR反應器中相對豐度較高；綠彎菌門Chloroflexi、酸桿菌門Acidobacteria、厚壁菌門Firmicutes和浮霉菌門Planctomycetes等在UASB反應器中的相對豐度均大于SBR反應器，說明其更適合生長在厭氧環(huán)境；擬桿菌門Bacteroidetes和硝化螺旋菌門Nitrospirae在SBR反應器中的相對豐度(8.79%和2.79%)大于UASB反應器(7.84%和1.04%)，表明擬桿菌門Bacteroidetes是化能有機營養(yǎng)菌，對有機碳源的適應性較強，能夠代謝碳水化合物，降解許多復雜有機物[28]，而硝化螺旋菌門Nitrospirae可代謝含氮化合物，因此，推測SBR反應器內較高COD和氨氮的去除率可能與系統(tǒng)內較為豐富的擬桿菌門Bacteroidetes和硝化螺旋菌門Nitrospirae有關。

圖5 門水平前10的物種相對豐度分布

為了進一步了解體系內的微生物群落作用機理，對SBR和UASB反應器內污泥屬水平上的微生物數(shù)據進行梳理，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)內存在大量除碳的異養(yǎng)型菌屬(表4)，其中較為公認且相對豐度較高的除碳異養(yǎng)型菌屬為Thauera[29]、Blastocatella[30]、Denitratisoma[31]、unidentified_Anaerolineaceae[32]、Dechloromonas[33]、Pseudomonas[34]、Zoogloea[35]、Candidatus_Competibacter[36]、Sterolibacterium[37]、Candidatus_Accumulibacter[36]。除碳異養(yǎng)菌屬在SBR反應器的相對豐度(19.27%)高于UASB反應器(18.69%)，這與SBR反應器較高的COD去除率相一致(圖2)。

表 4 反應器內異養(yǎng)型菌屬的相對豐度

系統(tǒng)內發(fā)現(xiàn)脫氮類相關微生物主要是氨氧化菌(ammonia-oxidizingbacteria，簡稱AOB)、亞硝酸鹽氧化菌(nitrite-oxidizingbacteria，NOB)、反硝化菌(denitrifyingbacteria，簡稱DB)，見表5。其中AOB主要包括unidentified_Nitrosomonadaceae和Nitrosomonas，在SBR和UASB反應器中的相對豐度分別為1.35%、0.43%，1.26%、0.11%，由此可見，AOB在SBR反應器中的相對豐度遠高于UASB反應器，因此SBR反應器具有較高的氨氮去除率(圖3)，且unidentified_Nitrosomonadaceae是氨氧化的優(yōu)勢菌屬。NOB主要包括unidentified_Nitrospiraceae、Candidatus_Nitrotoga，其也表現(xiàn)出在SBR反應器中的相對豐度(2.24%和0.16%)遠高于UASB反應器(0.88%和0.05%)，unidentified_Nitrospiraceae為亞硝酸鹽氧化的優(yōu)勢菌屬。DB主要包括Thauera、Denitratisoma、Dechloromonas、Pseudomonas、Zoogloea、Candidatus_Competibacter、Sterolibacterium等，SBR反應器和UASB反應器中反硝化菌屬相對豐度總和分別為15.23%、10.51%，因此SBR反應器具有較高的TN去除率(表2)，其中Denitratisoma、Dechloromonas在UASB反應器中的相對豐度(4.57%和1.96%)大于SBR反應器(2.94%和1.69%)，說明二者更適合在厭氧環(huán)境中生存，可進一步輔助脫氮，使出水TN達標。另外，在UASB厭氧反應器中還檢測出屬于浮霉菌門的厭氧氨氧化菌(anaerobicammoniaoxidizingbacteria, 簡稱AnAOB)Candidatus_Brocadia，其豐度所占比例為0.16%(表5)，遠高于分布于常規(guī)工藝污水處理系統(tǒng)中的厭氧氨氧化菌(占全細菌的比例為0.02‰～0.08‰)[38]，由此可見，AnAOB對脫氮也起了一定作用。

表5 系統(tǒng)內與除氮相關菌屬的相對豐度

雖然系統(tǒng)的生物除磷效果不佳，但在反應器內均發(fā)現(xiàn)除磷菌(表6)，如Dechloromonas、Pseudomonas、Zoogloea、Candidatus_Accumulibacter，其在SBR和UASB反應器中的相對豐度分別為4.73%、3.04%，因此進一步調節(jié)反應器運行參數(shù)如曝氣量和HRT等，有望優(yōu)化系統(tǒng)的生物除磷效果。另外，系統(tǒng)內還發(fā)現(xiàn)與硫轉化相關的菌屬(如Sulfuritalea)，且各反應器內還存在一些豐度較高但功能不明確的菌屬(如unidentified_TA06等)，它們的存在可能與獨立園區(qū)復雜的污水組成有關。

表6 系統(tǒng)內與除磷相關菌屬的相對豐度

3 結束語

1)SBR間歇曝氣-UASB厭氧組合工藝可實現(xiàn)獨立園區(qū)污染物的高效去除。夏季和冬季出水COD平均濃度分別為29.42、44.44 mg·L-1，出水氨氮的平均濃度分別為1.08、3.90 mg·L-1，出水TN的平均濃度分別為8.11、3.91 mg·L-1。經化學除磷后，夏季和冬季出水TP平均濃度分別為0.099、0.100 mg·L-1，均達到了我國《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準(GB 18918—2002)》一級A標準。

2)SBR反應器較UASB反應器具有較高的菌群豐富度和生物多樣性。系統(tǒng)內除碳的異養(yǎng)菌屬有10類，氨氧化菌屬有2類，亞硝酸鹽氧化菌屬有2類，反硝化菌屬有7類，除磷的菌屬有4類。

3)與碳、氮、磷去除相關的菌屬在SBR反應器中的相對豐度總和均明顯高于UASB反應器，表明SBR反應器是COD、氨氮、TN和TP等污染物去除的主要承擔者，UASB厭氧反應器則僅作為進一步輔助脫氮的承擔者。