低溫下磁性載體強(qiáng)化MBBR硝化性能及微生物群落分析

敬雙怡，劉超，蔡怡婷，李衛(wèi)平，于玲紅，侯娜

（內(nèi)蒙古科技大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，內(nèi)蒙 古包頭 014010）

目前，我國污水處理廠的核心工藝普遍為生物處理工藝，冬季低溫（≤15℃）將抑制生物反應(yīng)器內(nèi)硝化菌的活性，影響硝化過程并限制系統(tǒng)的脫氮量。硝化細(xì)菌屬于自養(yǎng)菌，世代周期較長，對(duì)溫度變化較為敏感，其適宜的生長溫度在20～35℃之間。已有研究表明，傳統(tǒng)活性污泥法在低于10℃時(shí)其硝化速率急劇下降，在低于2～5℃時(shí)其硝化作用基本停止。而移動(dòng)床生物膜反應(yīng)器（MBBR）中的生物膜附著生長在載體表面，可滿足世代周期較長微生物的生長，從而提高系統(tǒng)內(nèi)硝化菌的含量。故MBBR工藝相對(duì)于活性污泥工藝在低溫下具有更強(qiáng)的硝化性能，被廣泛應(yīng)用于強(qiáng)化低溫污水處理中。但是，低溫仍是影響MBBR工藝硝化性能的重要環(huán)境因子。李韌等研究了硝化生物膜對(duì)低溫的適應(yīng)特性，發(fā)現(xiàn)MBBR生物膜在10℃的氨氧化活性和亞硝酸鹽氧化活性分別為20℃時(shí)的55%和56%。因此，研究低溫下如何提高M(jìn)BBR工藝的硝化性能具有非常重要的意義。

近年來有研究表明，一定強(qiáng)度的磁場(chǎng)可以強(qiáng)化生物處理工藝的污染物去除效果。在合適的強(qiáng)度范圍內(nèi)，磁場(chǎng)能促進(jìn)微生物對(duì)氧的利用率、增強(qiáng)細(xì)胞膜的通透性、提高微生物的生長代謝及其酶活性。Niu 等研究發(fā)現(xiàn)低溫下20～40mT 的靜態(tài)磁場(chǎng)可以增強(qiáng)活性污泥的活性，提高活性污泥的耐寒性。此外，適當(dāng)?shù)拇艌?chǎng)可以提高生物處理系統(tǒng)內(nèi)硝化菌的豐度和活性，增強(qiáng)系統(tǒng)的硝化能力。然而，現(xiàn)有研究多采用外加磁鐵或投加磁粉來進(jìn)行強(qiáng)化，難以實(shí)現(xiàn)工業(yè)化規(guī)模應(yīng)用。懸浮載體是MBBR工藝的核心，其性能（親水性、親電性等）直接影響生物膜的生長代謝。市場(chǎng)上的懸浮載體通常由聚乙烯或聚氨酯泡沫等高分子材料制成。許多研究者通過對(duì)商用載體進(jìn)行功能型設(shè)計(jì)，制備出性能更優(yōu)的新型懸浮載體。例如，Jing 等制備了一種斜發(fā)沸石復(fù)合型載體，相較于普通載體，該載體生物膜中豐度提高了4.51%，強(qiáng)化了系統(tǒng)的硝化性能。將一定量磁粉混摻入懸浮載體中可以克服其他磁場(chǎng)強(qiáng)化技術(shù)的不足，但目前有關(guān)磁性載體在MBBR中的性能研究相對(duì)較少，且缺乏有關(guān)低溫下磁性載體強(qiáng)化MBBR處理效果的深入研究。

鑒于此，本研究通過在常溫（22℃±1℃）下啟動(dòng)MBBR 并逐漸降溫至9℃±1℃穩(wěn)定運(yùn)行，對(duì)比分析了投加商用載體和磁性載體的兩個(gè)反應(yīng)器在低溫下的污染物去除性能、生物膜生長特性，同時(shí)利用高通量測(cè)序?qū)煞N載體上微生物群落結(jié)構(gòu)及硝化菌屬進(jìn)行了分析，從而探究低溫下磁性載體強(qiáng)化MBBR硝化性能的作用機(jī)理，為其在低溫污水處理中的應(yīng)用提供理論依據(jù)和參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置和載體

本試驗(yàn)設(shè)置了2個(gè)相同的MBBR反應(yīng)器并列運(yùn)行。反應(yīng)器材質(zhì)由有機(jī)玻璃制成，反應(yīng)器主體為直徑30cm、高度70cm 的圓柱體，有效容積為46L。R1反應(yīng)器投加商用載體，R2反應(yīng)器投加磁性載體，載體填充率均為25%。反應(yīng)器底部安裝曝氣盤，采用空氣壓縮機(jī)進(jìn)行曝氣，由閥門控制曝氣量進(jìn)而調(diào)節(jié)反應(yīng)器中溶解氧（DO）。進(jìn)水流量由蠕動(dòng)泵控制。

R1 采用的商用載體，其形狀為白色柱體，直徑2.5cm，高度1.0cm；R2 采用的自制磁性載體，是由聚乙烯、釹鐵硼磁粉（NdFeB）和聚季銨鹽-10（PQAS-10）等共混制成，其形狀為黑色柱體，直徑2.5cm，高度1.0cm。兩種載體的外觀如圖1所示。兩種懸浮載體的表面性能如表1所示。

圖1 兩種懸浮載體

表1 不同懸浮載體的表面性能

1.2 試驗(yàn)用水和接種污泥

試驗(yàn)用水采用人工配制的模擬生活污水，通過分別添加葡萄糖（CHO）、氯化銨（NHCl）、磷酸二氫鉀（KHPO）維持進(jìn)水化學(xué)需氧量（COD）為300～388mg/L、NH-N 為20～30mg/L、TP 為4.0～4.5mg/L。添加NaHCO提供足夠的堿度，保證反應(yīng)器內(nèi)硝化反應(yīng)不受pH 抑制作用的影響。并加入微量元素營養(yǎng)液，1L配水加入1mL微量元素。接種污泥為包頭市某污水廠曝氣池中的活性污泥，其混合液懸浮固體濃度（MLSS）約為6800mg/L。

1.3 運(yùn)行方案

兩個(gè)反應(yīng)器除了投加不同載體外，其他運(yùn)行條件完全相同，即采用連續(xù)流運(yùn)行方式，試驗(yàn)期間控制反應(yīng)器DO 濃度為4.5～5.0mg/L，pH 為7.5～8.0。試驗(yàn)階段分為三個(gè)階段：第一階段為常溫啟動(dòng)階段，此階段水溫為22℃±1℃，水力停留時(shí)間（HRT）為6h，采用快速排泥法進(jìn)行掛膜啟動(dòng)，先將接種污泥和載體在污水中悶曝48h，隨后連續(xù)進(jìn)出水培養(yǎng)生物膜，懸浮污泥隨水流排出后不再添加接種污泥，直至污染物去除率穩(wěn)定；第二階段為低溫調(diào)試階段，此階段水溫為14℃±1℃，HRT 為6h；第三階段為低溫運(yùn)行階段（0～60 天），此階段水溫為14℃±1℃（0～19天）、9℃±1℃（20～60天），對(duì)應(yīng)的HRT 分別為8h、10.5h。其中，第二、第三階段在秋冬季進(jìn)行，通過控制室溫保證水溫能夠滿足試驗(yàn)要求。本文主要對(duì)第三階段進(jìn)行分析，定期對(duì)進(jìn)水、出水水樣進(jìn)行水質(zhì)檢測(cè)，取52 天后反應(yīng)器中載體進(jìn)行生物膜硝化活性、胞外聚合物（EPS）成分和含量的測(cè)定以及16S rDNA高通量測(cè)序。

1.4 分析方法

1.4.1 常規(guī)指標(biāo)

本試驗(yàn)中COD、NH-N、NO-N根據(jù)國標(biāo)法進(jìn)行測(cè)定，其中COD采用重鉻酸鉀法測(cè)定，NH-N采用納氏試劑分光光度法測(cè)定，NO-N采用-(1-萘基)-乙二胺分光光度法測(cè)定。MLSS 采用重量法測(cè)定，測(cè)定前通過超聲振蕩脫落生物膜。溫度、DO和pH采用Multy 8330便攜式水質(zhì)分析儀（法國PONSEL公司）檢測(cè)。通過控制曝氣量調(diào)節(jié)反應(yīng)器內(nèi)的DO，使其穩(wěn)定在4.5～5.0 mg/L。生物膜形貌采用掃描電鏡（SEM）（GAIA 3 XMN，捷克TESCAN公司）觀察，樣品預(yù)處理步驟見文獻(xiàn)[17]。

1.4.2 硝化活性

硝化活性采用比氨氧化活性（SAUR）和比亞硝酸鹽氧化活性（SNUR）表征，測(cè)定方法為：在反應(yīng)器中取若干個(gè)載體，投加到內(nèi)置曝氣頭的錐形瓶中，再分別加入初始濃度為30mg/L 的NH-N 溶液或NO-N 溶液。溫度控制在10℃，充分曝氣并每隔10min取樣，測(cè)定水樣中的氨氮或亞硝態(tài)氮濃度，最后測(cè)定MLSS。根據(jù)氨氮或亞硝態(tài)氮濃度隨時(shí)間變化曲線的斜率和MLSS，分別計(jì)算出SAUR和SNUR。

1.4.3 胞外聚合物含量

EPS 采用文獻(xiàn)[18]提供的方法進(jìn)行分層提取，其中TB-EPS采用加熱法提取。多糖含量采用蒽酮法測(cè)定，蛋白質(zhì)含量采用Folin-酚法測(cè)定，并將兩者之和作為EPS總量。

1.5 高通量測(cè)序

取若干個(gè)載體放入燒杯中，加入50mL 去離子水，利用超聲振蕩將載體上生物膜脫落后，將樣品置于-80℃的干冰中送至上海美吉生物科技公司。采用OMEGA 的Soil DNA Isolation Kit 試劑盒提取生物膜樣品總DNA，利用NanoDrop2000 檢測(cè)DNA 純度和濃度，同時(shí)利用1%瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè)DNA 的完整性。以DNA 樣品作為模板，選用細(xì)菌 16S rDNA V3-V4 區(qū)引物 338F（5'-ACTCCTACGGGAGGCAGCAG-3'） 和 806R（5'-GGACTACHVGGGTWTCTAAT-3'） 進(jìn) 行PCR擴(kuò)增。PCR 反應(yīng)參數(shù)為：95℃預(yù)變性3min；95℃變性30s，55℃退火30s，72℃延伸45s，27 個(gè)循環(huán)；72℃延伸10min，10℃至反應(yīng)結(jié)束。PCR 擴(kuò)增產(chǎn)物用2%瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè)，使用凝膠回收試劑盒切膠回收擴(kuò)增產(chǎn)物，TE 緩沖劑洗脫。參照電泳初步檢測(cè)結(jié)果，利用QuantiFluor-ST 藍(lán)色熒光定量系統(tǒng)對(duì)擴(kuò)增產(chǎn)物進(jìn)行檢測(cè)定量，混樣。以擴(kuò)增產(chǎn)物為模板建庫，利用Illumina MiSeq 平臺(tái)進(jìn)行測(cè)序分析。

測(cè)序得到的數(shù)據(jù)通過過濾和去除低質(zhì)量堿基處理后，得到有效序列。使用Uparse 軟件按97%的相似性將有效序列進(jìn)行OTU 聚類，得到OTU 代表序列。采用RDP classifier 貝葉斯算法對(duì)OTU 代表序列進(jìn)行分類學(xué)分析，并分別在各個(gè)分類水平統(tǒng)計(jì)樣本的群落物種組成，比對(duì)數(shù)據(jù)庫為Silva數(shù)據(jù)庫。同時(shí)使用Mothur軟件進(jìn)行Alpha多樣性分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 污染物去除性能

當(dāng)反應(yīng)器掛膜啟動(dòng)成功后，開始進(jìn)入第二階段。在此階段，R1和R2反應(yīng)器對(duì)COD的去除率為60%左右，對(duì)氨氮的平均去除率分別為35.75%和39.32%，兩個(gè)反應(yīng)器對(duì)污染物的去除效果均處于較低水平。這是因?yàn)殡S著水溫的降低，微生物的活性逐漸變?nèi)?。為了保證良好的出水水質(zhì)而延長了水力停留時(shí)間，即進(jìn)入第三階段（0～60 天），在此過程中不同溫度下不同反應(yīng)器對(duì)污染物的去除效果存在差異。

2.1.1 COD的去除效果

由圖2(a)、(c)可得，進(jìn)水COD 平均濃度為330mg/L。當(dāng)水溫為14℃±1℃時(shí)，HRT 為8h，反應(yīng)器穩(wěn)定運(yùn)行后，R1和R2反應(yīng)器出水COD平均濃度分別為55mg/L、32mg/L，平均去除率分別83.3%和90.3%。兩個(gè)反應(yīng)器的COD去除負(fù)荷分別為(0.819±0.039)kg/(m·d)、(0.889±0.040)kg/(m·d)。當(dāng)水溫為9℃±1℃時(shí)，HRT 延長至10.5h，反應(yīng)器穩(wěn)定運(yùn)行后，R1 和R2 反應(yīng)器出水COD 平均濃度分別為49mg/L、 37mg/L， 平 均 去 除 率 分 別85.2% 和88.8%。兩個(gè)反應(yīng)器的COD 去除負(fù)荷分別下降到(0.684±0.014)kg/(m·d)、(0.714±0.011)kg/(m·d)。

隨著溫度的降低，采用延長HRT 的方式，保證了兩個(gè)反應(yīng)器COD 去除率均在80%以上。而兩個(gè)反應(yīng)器的COD去除負(fù)荷均隨溫度的降低而降低，說明低溫抑制了微生物活性。在14℃±1℃和9℃±1℃時(shí)，相比于R1，R2 的COD 平均去除率分別提高了7.0%和3.6%，表明低溫下磁性載體可以提高M(jìn)BBR 對(duì)COD 的去除率，但效果不明顯。總體來看，在低溫下選擇了合適去除負(fù)荷后，載體的類型對(duì)MBBR的COD去除并沒有太大影響。

2.1.2 氨氮的去除效果

由圖2(b)、(c)可得，當(dāng)水溫為14℃±1℃時(shí)，在8～12 天，進(jìn)水氨氮平均濃度為24.82mg/L，R1 和R2 反應(yīng)器出水氨氮平均濃度分別為9.25mg/L、7.39mg/L，平均去除率分別62.7%和70.2%。在14～16 天，由于進(jìn)水氨氮負(fù)荷增加，兩個(gè)反應(yīng)器出水氨氮濃度有所增加，但相比于R1，R2具有較強(qiáng)的抗氨氮沖擊負(fù)荷能力。從第19 天開始，水溫降低至9℃±1℃，HRT 由8h 提高至10.5h。運(yùn)行至52 天時(shí)，R2 氨氮去除率保持穩(wěn)定，而R1 氨氮去除率略有波動(dòng)。在此期間（52～60 天），進(jìn)水氨氮濃度26.92mg/L，R1 和R2 反應(yīng)器出水氨氮平均濃度分別為11.94mg/L、7.60mg/L，平均去除率分別55.6%和71.8%。此外，R1 和R2 反應(yīng)器出水亞硝態(tài)氮平均濃度分別為0.36mg/L、0.34mg/L，沒有出現(xiàn)亞硝態(tài)氮積累，說明兩個(gè)反應(yīng)器內(nèi)硝化作用均進(jìn)行得比較完全。R1 和R2 反應(yīng)器出水硝態(tài)氮平均濃度分別為9.81mg/L、13.98mg/L。當(dāng)水溫由14℃±1℃降低至9℃±1℃時(shí)，兩個(gè)反應(yīng)器的氨氮平均去除負(fù)荷分別由(0.047±0.0004)kg/(m·d)、(0.052±0.0003)kg/(m·d) 下 降 至(0.034±0.0028)kg/(m·d)、(0.044±0.0031)kg/(m·d)。

圖2 不同溫度下進(jìn)出水COD、氨氮的濃度變化及其去除率

硝化菌屬于自養(yǎng)菌，低溫會(huì)嚴(yán)重抑制其活性，導(dǎo)致出水氨氮濃度難以達(dá)標(biāo)。隨著溫度的降低，R2 對(duì)氨氮的去除效果始終高于R1。在9℃±1℃時(shí)，R2 的氨氮去除率比R1 提高了16.2%，能夠?qū)崿F(xiàn)出水水質(zhì)達(dá)標(biāo)。艾勝書等的研究發(fā)現(xiàn)在10℃時(shí)，與本試驗(yàn)相同的商用載體對(duì)氨氮的去除率僅為25.29%，難以保證出水水質(zhì)達(dá)標(biāo)。由此可說明，相比商用載體，磁性載體可以增強(qiáng)生物膜對(duì)低溫的適應(yīng)性，提高反應(yīng)器的硝化性能。為了進(jìn)一步探究磁性載體對(duì)硝化性能的強(qiáng)化作用，本試驗(yàn)對(duì)比分析了兩種載體上生物膜生長特性及微生物群落結(jié)構(gòu)。

2.2 生物膜生長特性

2.2.1 硝化活性

表2為反應(yīng)器運(yùn)行52天后2種載體上生物膜的SAUR和SNUR。由表2可知，磁性載體的SAUR和SNUR 均高于商用載體，比商用載體分別提高了1.50 倍和2.10 倍。表明在低溫下，相較于商用載體，磁性載體可以提高生物膜的硝化活性，從而強(qiáng)化了反應(yīng)器的硝化性能。這與低溫下R2 對(duì)氨氮具有更高去除率的結(jié)果一致。

表2 不同載體上生物膜的硝化活性

此外發(fā)現(xiàn)兩種載體上生物膜的SNUR 都大于SAUR，其中商用載體生物膜的SNUR 為SAUR 的1.08 倍；磁性載體生物膜的SNUR 為SAUR 的1.34倍。說明低溫下亞硝酸鹽氧化細(xì)菌（NOB）的活性高于氨氧化細(xì)菌（AOB），氨氧化反應(yīng)生成的亞硝酸鹽可被NOB 快速利用，更有利于硝化反應(yīng)的進(jìn)行。這也解釋了上述中兩個(gè)反應(yīng)器均未出現(xiàn)亞硝態(tài)氮積累的現(xiàn)象。其原因可能是在低溫環(huán)境（≤15℃），NOB 對(duì)DO 的親和力高于AOB，導(dǎo)致NOB的代謝活性高于AOB。

2.2.2 生物膜形貌

反應(yīng)器運(yùn)行結(jié)束前，取出載體進(jìn)行掃描電鏡（SEM）觀察。圖3為200μm和50μm尺度下不同載體的生物膜電鏡圖。從中可以看出，兩種載體都附著生長了生物膜，且生物膜均具有一定的三維立體結(jié)構(gòu)。商用載體上生物膜表面光滑平坦，附著程度較低。而磁性載體生物膜中微生物被更多的黏性物質(zhì)所包裹，使生物膜表面粗糙且致密，同時(shí)生物膜內(nèi)部具有豐富的孔道結(jié)構(gòu)，孔徑大小分布在10～80μm，可以加快DO和營養(yǎng)物質(zhì)的傳輸速率。由此表明磁性載體改變了生物膜的形貌，更有利于微生物的生長和污染物的去除。究其原因可能是低溫下磁性載體影響了微生物分泌EPS的過程。

圖3 載體表面生物膜SEM圖

2.2.3 EPS成分及含量

EPS是微生物細(xì)胞分泌的包圍在細(xì)胞壁外的代謝產(chǎn)物或自溶物，對(duì)生物膜的形成和生長起著重要作用，其主要成分多糖、蛋白質(zhì)更是直接參與生物膜結(jié)構(gòu)的構(gòu)建和維持。根據(jù)EPS與細(xì)胞相結(jié)合的緊密程度，可將其分為黏液層（Slime）、松散結(jié)合型EPS（LB-EPS）和緊密結(jié)合型EPS（TB-EPS）。本試驗(yàn)分析了反應(yīng)器運(yùn)行52 天后兩種載體生物膜各層EPS 的成分及含量（以生物膜中每g SS 計(jì)），結(jié)果如表3和圖4所示。

表3中反映出兩種載體生物膜各層EPS中多糖和蛋白質(zhì)的含量。結(jié)合圖4(a)、(b)可知，磁性載體生物膜各層EPS中多糖和蛋白質(zhì)的含量均高于商用載體。商用載體和磁性載體生物膜多糖總含量分別為(24.85±0.15)mg/g、(53.66±0.35)mg/g，而商用載體和磁性載體生物膜蛋白質(zhì)總含量分別為(46.10±0.13)mg/g、(90.88±0.30)mg/g。由此說明磁性載體可以促進(jìn)生物膜微生物分泌更多的多糖和蛋白質(zhì)，從而維持和改善了生物膜的形貌結(jié)構(gòu)。同時(shí)進(jìn)一步表明磁性載體可以提高生物膜代謝活性。同時(shí)由圖4(c)可知，蛋白質(zhì)為商用載體和磁性載體生物膜EPS的主要成分，分別占EPS的65%和63%，這說明磁性載體可以維持生物膜微生物生理活動(dòng)的平衡，基本沒有改變EPS的成分結(jié)構(gòu)。但各層EPS的成分含量存在著差異。兩種載體生物膜Slime、TB-EPS的主要成分均為蛋白質(zhì)。商用載體生物膜LB-EPS中多糖含量略高于蛋白質(zhì)，而磁性載體生物膜LBEPS中多糖含量則明顯高于蛋白質(zhì)。這種成分差異可能與各層EPS的性能和外界環(huán)境的刺激有關(guān)。

隨著溫度的降低，微生物細(xì)胞會(huì)分泌更多的EPS，使功能菌相互聚集以抵御低溫。由圖4(d)可知，磁性載體生物膜EPS 含量為(144.54±0.65)mg/g，比商用載體增多了1.04倍。表明在低溫下磁性載體可以促進(jìn)生物膜分泌較多的EPS，有利于微生物的生長和代謝。而活性較高的微生物又將進(jìn)一步分泌更多的EPS。磁性載體生物膜的Slime、LB-EPS 和TB-EPS 含 量 分 別 為(70.81±0.59)mg/g、(18.11±0.23)mg/g和(55.62±0.16)mg/g，較商用載體分別提高了222%、201%和29%。由表3 可知，商用載體生物膜EPS 的主要組成部分是TB-EPS（60.54%）， 其 次 是Slime （30.98%）、 LB-EPS（8.48%）。而磁性載體生物膜EPS 的主要組成部分是Slime （48.99%），其次是TB-EPS （38.48%）、LB-EPS（12.53%）。兩種載體生物膜各層EPS所占比例存有差異，其原因?yàn)榇判暂d體生物膜TB-EPS增幅相對(duì)很小，導(dǎo)致磁性載體生物膜各層EPS所占比例發(fā)生了變化。TB-EPS與微生物細(xì)胞緊密結(jié)合，過多的TB-EPS會(huì)導(dǎo)致生物膜更加緊密，增大傳質(zhì)阻力，而結(jié)構(gòu)松散的Slime、LB-EPS不會(huì)顯著影響基質(zhì)的擴(kuò)散。所以磁性載體可在大量增多EPS分泌的前提下，保證了生物膜有較好的傳質(zhì)效率。

表3 生物膜各層EPS的含量比例及成分

圖4 生物膜的各層EPS組分及含量

2.3 微生物群落結(jié)構(gòu)

本試驗(yàn)對(duì)反應(yīng)器運(yùn)行52 天后兩種載體生物膜進(jìn)行了高通量測(cè)序，旨在從微生物群落結(jié)構(gòu)水平解析磁性載體對(duì)生物膜硝化性能的影響。

2.3.1 屬水平上微生物菌群分布特征

圖5列出了兩種載體生物膜中至少在一個(gè)樣品中相對(duì)豐度超過1%的優(yōu)勢(shì)屬。由圖5 可知，兩種載體生物膜的優(yōu)勢(shì)屬及其豐度均存有明顯差異。商用載體生物膜中豐度最高的前五種菌屬為假單胞菌屬（，26.57%）、黃桿菌屬（， 15.55%） 、 中 村 氏 菌 屬（， 11.79%） 、 芽 殖 桿 菌 屬（，7.33%）和食酸菌屬（，4.74%）。而磁性載體生物膜中豐度最高的前五種菌屬包括球衣菌屬（，27.24%）、未標(biāo)注 的 腐 螺 旋 菌 科 （，5.00%）、類節(jié)桿菌屬（r，3.84%）、黃桿菌屬（，3.48%）、動(dòng)膠菌屬（，3.07%）。其中，為常見的反硝化菌，對(duì)低溫適應(yīng)能力強(qiáng)，是商用載體生物膜的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)屬，但該菌屬在磁性載體生物膜中的豐度僅為0.74%。說明磁性載體會(huì)明顯抑制的生長。為專性好氧菌，能分泌黏液且呈絲狀生長，是生物膜形成的重要結(jié)構(gòu)功能菌。該菌屬在商用載體生物膜的豐度為1.00%，而在磁性載體生物膜中成為了絕對(duì)優(yōu)勢(shì)屬。有研究將歸類為鐵細(xì)菌（iron bacteria），證實(shí)其具有固定重金屬離子的能力。這可能是磁性載體促進(jìn)生長的原因之一。節(jié)桿菌屬（）為反硝化聚磷菌，該菌屬只存在于磁性載體生物膜中，并成為了優(yōu)勢(shì)屬（2.42%）。需要指出的是，雖然兩種載體生物膜在屬水平有著不同的微生物群落結(jié)構(gòu)，但低溫下兩個(gè)反應(yīng)器對(duì)COD 的去除效果沒有明顯差別。其原因可能是兩種載體生物膜中大多數(shù)優(yōu)勢(shì)屬均能降解有機(jī)物，加之本試驗(yàn)所使用的為簡單有機(jī)基質(zhì)。

圖5 屬水平微生物群落結(jié)構(gòu)

此外，對(duì)兩種載體生物膜的優(yōu)勢(shì)屬進(jìn)行費(fèi)舍爾精確檢驗(yàn)（Fisher，s exact test），來進(jìn)一步驗(yàn)證不同載體生物膜的微生物群落結(jié)構(gòu)存有差異性，結(jié)果如圖6所示。由圖可知，在兩種載體生物膜的22個(gè)優(yōu)勢(shì)屬中有20 個(gè)優(yōu)勢(shì)屬存在極其顯著差異（≤0.001），僅有馬塞菌屬（）、不存在顯著差異（＞0.05）。這說明磁性載體會(huì)對(duì)不同菌屬產(chǎn)生不同的影響，導(dǎo)致微生物群落結(jié)構(gòu)發(fā)生很大的變化。

圖6 優(yōu)勢(shì)屬的費(fèi)舍爾精確檢驗(yàn)

2.3.2 硝化菌屬分布特征

圖7列出了兩種載體生物膜中主要的硝化菌屬，其中亞硝化單胞菌屬（）、6067、1 和突柄桿菌屬（）屬于AOB，硝基念珠菌屬（）和硝化螺菌屬（）屬于NOB。由圖可得，硝化菌屬種類較少，且各菌屬相對(duì)豐度很低。這也說明低溫抑制了生物膜中硝化菌群的生長和代謝活性。

圖7 生物膜中硝化菌的相對(duì)豐度

亞硝化單胞菌屬（）、6067和1 均 屬 于 亞 硝 化 單 胞 菌 科（），是活性污泥中常見的AOB優(yōu)勢(shì)屬。、6067和1在商用載體生物膜中的相對(duì)豐度分別為0.02%、0.12%和0，而三種菌屬在磁性載體生物膜中的相對(duì)豐度分別增加 至0.12%、 0.24% 和0.01%。 突 柄 桿 菌 屬（） 屬 于 疣 微 菌 科（），具有異養(yǎng)硝化能力。該菌屬在商用載體和磁性載體生物膜中的相對(duì)豐度分別為0.03%和0.11%。硝化螺菌屬（）是污水處理廠中主要的NOB，同時(shí)也是本研究中兩個(gè)載體生物膜的NOB 優(yōu)勢(shì)屬。該菌屬在商用載體和磁性載體生物膜中的相對(duì)豐度分別為0.19%和0.34%。硝基念珠菌屬（）是一種耐低溫型NOB，適合在低溫環(huán)境下（7～16℃）生長，可功能性地代替。在商用載體生物膜中未被發(fā)現(xiàn)，而在磁性載體生物膜中的相對(duì)豐度為0.05%。此外，在接種污泥中的相對(duì)豐度很低，僅為0.002%。說明磁性載體有利于該菌屬的馴化培養(yǎng)，并形成穩(wěn)定的種群。

通過對(duì)比商用載體和磁性載體生物膜中硝化菌群分布特征發(fā)現(xiàn)，磁性載體生物膜中存在1和2 種特有硝化菌屬，其他硝化菌屬豐度也明顯高于商用載體。磁性載體生物膜中AOB和NOB的相對(duì)豐度分別為0.48%和0.39%，比商用載體生物膜中AOB 和NOB 的相對(duì)豐度分別提高了1.82倍和1.05倍。說明低溫下磁性載體可以提高硝化菌的生長代謝，增加生物膜中硝化菌的豐度，同時(shí)還能富集適應(yīng)低溫環(huán)境的硝化菌屬。此結(jié)果與前文中低溫下R2 反應(yīng)器具有更高的氨氮去除效果保持一致。

2.4 磁性載體作用機(jī)理分析

低溫將會(huì)抑制微生物的新陳代謝活動(dòng)（尤其是硝化細(xì)菌），使得污水處理系統(tǒng)中微生物活性降低、數(shù)量減少、群落結(jié)構(gòu)發(fā)生改變等，導(dǎo)致污水處理廠出水水質(zhì)惡化。在低溫環(huán)境中可通過生物載體來富集更多的微生物，從而在一定程度上緩解微生物活性的降低。為了應(yīng)對(duì)低溫環(huán)境，微生物機(jī)體也會(huì)產(chǎn)生某些響應(yīng)，如分泌更多的EPS來抵御寒冷。根據(jù)本文的試驗(yàn)結(jié)果和數(shù)據(jù)分析，低溫下磁性載體強(qiáng)化MBBR硝化性能的作用機(jī)理主要有三個(gè)方面：①磁性載體可以為硝化細(xì)菌提供良好的生長環(huán)境。磁性載體表面呈正電性、親水性好，具有更高的生物親和性，有利于微生物在其表面附著生長。②磁性載體可以增強(qiáng)生物膜的硝化活性。磁性載體產(chǎn)生的磁效應(yīng)不僅能提高微生物的代謝活性，還能促進(jìn)生物膜分泌更多的EPS保護(hù)微生物抵御低溫。③磁性載體能夠高效富集硝化細(xì)菌。磁效應(yīng)能夠提高生物膜中AOB 和NOB 的相對(duì)豐度，同時(shí)有利于馴化出和兩種硝化菌屬。

3 結(jié)論

（1）低溫下，投加磁性載體的R2 反應(yīng)器對(duì)污染物具有更高的去除效果。9℃±1℃時(shí)，R2 出水COD和氨氮平均濃度分別為37mg/L、7.60mg/L。相比于投加商用載體的R1反應(yīng)器，R2對(duì)COD和氨氮平均去除率分別提高了3.6%和16.2%，其對(duì)氨氮去除效果提高尤為顯著。

（2）在低溫環(huán)境中，磁性載體可以提高生物膜硝化活性，其生物膜SAUR 和SNUR 比商用載體分別提高了1.50倍和2.10倍。同時(shí)磁性載體可以促進(jìn)生物膜分泌更多的EPS，維持和改善了生物膜的形貌結(jié)構(gòu)。

（3）商用載體和磁性載體在低溫下的微生物群落結(jié)構(gòu)存在顯著差異。兩種載體生物膜的大多數(shù)優(yōu)勢(shì)屬都能降解有機(jī)物，其中商用載體的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)屬為，而磁性載體的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)屬為；磁性載體生物膜中富集了更多的硝化菌屬，其AOB 和NOB 的相對(duì)豐度比商用載體分別提高了1.82倍和1.05倍，并且馴化富集了1和兩種特有的硝化菌屬。

（4）綜上所述，磁性載體生物膜的硝化活性、EPS含量和硝化菌相對(duì)豐度均高于商用載體，從而可增強(qiáng)生物膜的低溫適應(yīng)性，明顯提高了MBBR在低溫下的硝化性能。