緩釋碳源填充管式生物反應(yīng)裝置強(qiáng)化脫氮性能及其微生物分布特征

崔賀

上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán))有限公司

隨著我國(guó)農(nóng)村生活水平提高和經(jīng)濟(jì)發(fā)展，農(nóng)村生活污水產(chǎn)生量逐年增加，對(duì)農(nóng)村水環(huán)境安全造成威脅[1-5]。盡管農(nóng)村生活污水處理設(shè)施已在多數(shù)農(nóng)村地區(qū)得以廣泛應(yīng)用，但由于農(nóng)村生活污水排放具有流量小、時(shí)變化系數(shù)大等特點(diǎn)，加之污水處理設(shè)施管理和運(yùn)行不當(dāng)，設(shè)施尾水普遍存在氨氮（NH4+-N）、硝氮（NO3--N）及總氮（TN）超標(biāo)等問題，極易導(dǎo)致當(dāng)?shù)厮w污染，甚至引發(fā)黑臭現(xiàn)象[6-8]。農(nóng)村水環(huán)境問題已成為當(dāng)前亟須解決的熱點(diǎn)環(huán)境問題之一[9-10]。

農(nóng)村生活污水處理設(shè)施尾水氮素超標(biāo)的主要原因可歸結(jié)為以下幾類[11-14]：1）好氧段硝化不足；2）排泥及污泥回流設(shè)施癱瘓；3）碳源不足導(dǎo)致反硝化效率低下。農(nóng)村生活污水處理設(shè)施因其工藝和運(yùn)行的差異，一般會(huì)產(chǎn)生低氨氮高硝氮型、氨氮和硝氮等比例型和高氨氮低硝氮型3種不同氮素賦存形態(tài)比例的尾水。為實(shí)現(xiàn)尾水達(dá)標(biāo)排放，采用曝氣浮床濕地對(duì)尾水進(jìn)行深度凈化，已成為當(dāng)前生活污水末端治理的重要方式[11,14]。然而，在尾水深度凈化過程中如何提高反硝化效率，實(shí)現(xiàn)硝氮的強(qiáng)化去除，依然是一個(gè)難點(diǎn)問題[15-17]。

管式反應(yīng)器呈管狀，具有高長(zhǎng)徑比，管內(nèi)流體以推流狀態(tài)前進(jìn)，且在流動(dòng)方向無返混現(xiàn)象，即管內(nèi)沿程每一點(diǎn)的流體停留時(shí)間均相等[18-20]。此外，管式反應(yīng)器還具有“三傳一反”和“濃度遞變”的特征，即管內(nèi)同時(shí)發(fā)生質(zhì)量傳遞、動(dòng)量傳遞、熱量傳遞和化學(xué)反應(yīng)4個(gè)過程，流體中的反應(yīng)物濃度沿程遞變[21-22]。因此，將管式反應(yīng)器與曝氣浮床濕地進(jìn)行耦合集成，構(gòu)建管式生物反應(yīng)裝置（tubular bio-reactor device，TBD）[23]，有助于在管內(nèi)形成好氧-缺氧環(huán)境，從而實(shí)現(xiàn)相關(guān)污染物的強(qiáng)化脫除。

筆者通過構(gòu)建中試規(guī)模的TBD，考察其對(duì)不同氮素賦存形態(tài)的農(nóng)村生活污水的脫氮性能，并采用微生物高通量技術(shù)解析管內(nèi)相關(guān)微生物分布特征，以期為削減農(nóng)村生活污水處理設(shè)施尾水的氮排放負(fù)荷以及促進(jìn)農(nóng)村地區(qū)水環(huán)境質(zhì)量改善提供新型水處理技術(shù)的參考。

1 材料與方法

1.1 中試規(guī)模TBD的構(gòu)建及運(yùn)行

1.1.1 裝置構(gòu)建

在上海某高校內(nèi)的一個(gè)圓形水池中構(gòu)建TBD中試試驗(yàn)裝置（圖1）。水池直徑為7.1 m，深度為1.2 m，容積約50 m3。中試裝置以中空的聚氯乙烯（PVC）管為浮體，浮體上方放置10根并聯(lián)的TBD，其進(jìn)口均與集水槽出水口連接（圖2）。集水槽用于儲(chǔ)存農(nóng)村生活污水處理設(shè)施尾水，該尾水通過動(dòng)力循環(huán)設(shè)備（射流曝氣機(jī)或水泵）提升。

圖1 TBD中試裝置照片F(xiàn)ig.1 Photo of pilot-scale TBD

圖2 TBD中試裝置構(gòu)造Fig.2 Structure of pilot-scale TBD

10根TBD均由PE軟管（長(zhǎng)12 m，直徑10 cm，厚度0.3 mm，長(zhǎng)徑比120）和填充基質(zhì)（填充率為33%）制成?；|(zhì)填充方式為棕絲包裹甘蔗渣，棕絲蓬松多孔且具有一定剛度的結(jié)構(gòu)，能夠較好地分散并固定甘蔗渣，避免甘蔗渣因水流作用而堵塞堆積。此外，填充基質(zhì)中的甘蔗渣填充率為8%，TBD沿程不開孔，在TBD管外種植3種常見水生植物（香菇草、黑麥草和水葫蘆）。

1.1.2 運(yùn)行條件

2016年5—7月試運(yùn)行3個(gè)月后正式開始中試試驗(yàn)，依次在3種工況（表1）下運(yùn)行，每個(gè)工況下運(yùn)行150 d。TBD的進(jìn)水流量通過集水槽中的水位高度調(diào)節(jié)，運(yùn)行時(shí)集水槽中的水位高出TBD所在平面1.0 ～ 1.3 m，從而為TBD的進(jìn)水提供相應(yīng)壓頭。運(yùn)行中每根TBD的平均水流流速為1.5 m/h，平均循環(huán)流量為 5.5 L/h，平均水力停留時(shí)間為4.75 d。

表1 TBD中試裝置不同工況下的供試水質(zhì)及運(yùn)行條件Table 1 Water quality and operation conditions of pilot-scale TBD in different operating modes

1.2 樣品采集及檢測(cè)方法

1.2.1 水樣采集及常規(guī)水質(zhì)指標(biāo)的檢測(cè)方法

在TBD中試裝置運(yùn)行期間，每15 d對(duì)試驗(yàn)供試尾水進(jìn)行采樣和檢測(cè)，采樣點(diǎn)為水池中心的1個(gè)點(diǎn)及靠近水池周邊呈等邊三角形分布的3個(gè)點(diǎn)，取上述4個(gè)采樣點(diǎn)的混合樣，作為TBD對(duì)氮去除性能分析的依據(jù)。為測(cè)試TBD沿程水質(zhì)分布，在每根TBD進(jìn)口處（記作0處）、距進(jìn)口1/4處、距進(jìn)口1/2處、距進(jìn)口3/4處、出口處（記作1處）分別進(jìn)行水樣采集，并取10根TBD相應(yīng)點(diǎn)位的混合樣，作為TBD氮形態(tài)沿程分布特征，以及影響TBD脫氮性能的理化因素分析依據(jù)。

采用溶解氧儀（HACH-HQ30D型）在上述點(diǎn)位原位測(cè)量溶解氧（DO）濃度和水溫，采用 pH計(jì)（HANNA-HI98129型）測(cè)量pH。根據(jù)《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》中標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)定化學(xué)需氧量（CODCr）及TN、NH4+-N和NO3--N濃度等指標(biāo)。

1.2.2 生物膜樣品采集及16S rRNA多樣性高通量測(cè)序方法

2017年11月，在TBD中間（1/2處）及末端采集填充基質(zhì)（編號(hào)分別為Z1和Z2），放入自封袋并立即帶回實(shí)驗(yàn)室；快速用無菌水振蕩處理樣本，基質(zhì)表面附著物脫落后離心分離固體，通過冷鏈送至生工生物工程（上海）股份有限公司提取DNA和測(cè)序。提取DNA后，對(duì)16S rRNA基因的V3～V4高變區(qū)片段進(jìn)行PCR擴(kuò)增，引物序列為515F（GTGCCAGCM GCCGCGGTAA）和909R（CCCCGYCAATTCMTTTR AGT），獲取原始序列和數(shù)據(jù)。繼而利用Mothur對(duì)原始序列進(jìn)行校正，去除序列中的嵌合體，得到優(yōu)化序列；使用 UPARSE 軟件[3]（http://drive5.com/uparse/，version 7.1），根據(jù)97%的相似度對(duì)序列進(jìn)行OTU聚類并剔除嵌合體，將所有優(yōu)化序列map至OTU代表序列，選出與OTU代表序列相似性在97%以上的序列，生成OTU表格。進(jìn)一步利用RDP classifier軟件[5](http://rdp.cme.msu.edu/，version 2.2)對(duì)每條序列進(jìn)行物種分類注釋，比對(duì)Silva 16S rRNA數(shù)據(jù)庫(kù)（v138），設(shè)置比對(duì)閾值為70%。最后計(jì)算樣品文庫(kù)覆蓋率（Coverage）、Chao 1指數(shù)及Shannon多樣性指數(shù)，并在屬水平上統(tǒng)計(jì)每個(gè)樣品的群落組成[24-25]。

2 結(jié)果與討論

2.1 氮的去除性能分析

2.1.1 NH4+-N

中試TBD在不同工況條件下對(duì)NH4+-N的去除性能如圖3(a)所示。3種工況條件下NH4+-N的去除率具有顯著差異性（P＜0.05），且工況3的NH4+-N去除效果最佳。在工況1條件下，運(yùn)行30 d時(shí)水池中NH4+-N濃度從8.81 mg/L降至1.58 mg/L；運(yùn)行45 d時(shí)，NH4+-N的去除率高達(dá)93.34%，此后氨氮的去除率保持平穩(wěn)狀態(tài)；運(yùn)行150 d時(shí)，NH4+-N去除率達(dá)94.54%，此時(shí)NH4+-N濃度為0.48 mg/L，低于Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)限值（NH4+-N濃度≤0.5 mg/L）。在工況2條件下，初始NH4+-N濃度較低，運(yùn)行30 d時(shí)水池中NH4+-N濃度即從1.60 mg/L降至1.25 mg/L；運(yùn)行60 d時(shí)，NH4+-N濃度降至 0.18 mg/L，去除率為88.78%，此后TBD對(duì)NH4+-N的去除率保持平穩(wěn)狀態(tài)；運(yùn)行150 d時(shí)，NH4+-N去除率達(dá) 89.65%，NH4+-N濃度為 0.16 mg/L，接近Ⅰ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)（NH4+-N濃度≤0.15 mg/L）。在工況3條件下，僅運(yùn)行15 d，水池中NH4+-N濃度即從12.01 mg/L降至2.73 mg/L，NH4+-N去除率達(dá)77%；運(yùn)行30 d時(shí)，NH4+-N濃度降至0.39 mg/L，去除率達(dá) 96%；運(yùn)行150 d時(shí)，NH4+-N濃度降至 0.11 mg/L，低于Ⅰ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)限值。

圖3 TBD中試裝置在3種工況下對(duì)NH4+ -N、NO3- -N和TN的去除性能Fig.3 Removal efficiency of NH4+ -N, NO3- -N and TN in pilotscale TBD with three operating conditions

2.1.2 NO3--N

中試TBD在不同工況條件下對(duì)NO3--N的去除性能如圖3（b）所示。3種工況條件下NO3--N的去除率具有顯著差異性（P＜0.05）。工況1和工況3在0～15 d時(shí)NO3--N濃度均呈上升趨勢(shì)，運(yùn)行初期NO3--N濃度升高的原因可能是NH4+-N迅速硝化產(chǎn)生大量的NO3--N。在工況1條件下，運(yùn)行30 d時(shí)NO3--N濃度降至2.88 mg/L，去除率為70.07%；運(yùn)行60d時(shí)NO3--N濃度降至0.26 mg/L，去除率為97.27%；此后TBD對(duì)NO3--N的去除率趨于穩(wěn)定。在工況2條件下，運(yùn)行30 d時(shí)NO3--N濃度降至3.23 mg/L，并在第45天達(dá)到穩(wěn)定；運(yùn)行150 d時(shí)NO3--N濃度為1.09 mg/L，去除率達(dá)90.97%。在工況3條件下，運(yùn)行45 d時(shí)NO3--N濃度降至0.64 mg/L，此時(shí)去除率為90.36%；運(yùn)行150 d時(shí)NO3--N去除率穩(wěn)定至99.61%，此時(shí)NO3--N濃度為0.03 mg/L。

2.1.3 TN

中試TBD在不同工況條件下對(duì)TN的去除性能如圖3（c）所示。TN濃度在0～45 d顯著下降，之后平緩下降。3種工況條件下，TN的去除率具有顯著差異性（P＜0.05）。在工況1條件下，運(yùn)行45 d時(shí)TN濃度降至2.02 mg/L，去除率為89.91%；運(yùn)行150 d時(shí)TN濃度降至0.951 mg/L（去除率為95.24%），低于Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)限值（TN濃度≤1.0 mg/L）。工況2和工況3條件下的 TN去除趨勢(shì)與工況1一致，運(yùn)行150 d時(shí)TN去除率分別為89.10%和99.05%，TN濃度分別降至1.64和0.19 mg/L，其中工況3符合Ⅰ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)（TN濃度≤0.2 mg/L）?？傮w而言，TBD對(duì)污水中TN的去除率顯著高于Gao等[25]的研究結(jié)果（67.7%～84.4%），表明TBD對(duì)農(nóng)村生活污水處理設(shè)施尾水具有良好的脫氮性能。

2.2 氮形態(tài)沿程分布特征

圖4展示了3種工況條件下中試TBD氮濃度沿程變化趨勢(shì)。工況1和工況2條件下NH4+-N濃度快速下降主要發(fā)生在TBD前半段（進(jìn)口處至管長(zhǎng)1/2處），其原因可能是TBD前端的DO濃度較高，保證了良好的好氧環(huán)境，有利于NH4+-N的轉(zhuǎn)化。TBD后半段（1/2處至出口處）NH4+-N濃度趨于穩(wěn)定，其原因主要是該區(qū)段較低的DO濃度抑制了硝化作用。

圖4 TBD沿程氮濃度分布Fig.4 Variation of nitrogen concentrations along the TBD

NO3--N濃度的變化趨勢(shì)相對(duì)復(fù)雜，其在各工況運(yùn)行的TBD前端（進(jìn)口處至管長(zhǎng)1/4處）均出現(xiàn)了上升，在TBD后半段則明顯下降。主要原因是TBD前端較高的DO濃度有利于硝化作用（NH4+-N轉(zhuǎn)化為NO3--N），導(dǎo)致NO3--N濃度上升；而TBD后半段管內(nèi)環(huán)境能夠滿足好氧反硝化作用和缺氧反硝化的進(jìn)行，有利于NO3--N的去除。TBD沿程TN濃度在前端的下降幅度相對(duì)較小，主要在TBD后半段發(fā)生了明顯的下降。這是由于TBD前端的硝化作用僅將NH4+-N轉(zhuǎn)化為NO3--N，并未將氮素從水中脫除[26]；而在TBD后半段，微生物的反硝化作用可將NO3--N轉(zhuǎn)化為N2，從而實(shí)現(xiàn)污水中氮素的脫除[27]。由此可見，TBD中的反硝化作用是實(shí)現(xiàn)尾水氮素去除的關(guān)鍵步驟。

2.3 影響TBD脫氮性能的理化因素分析

2.3.1 DO濃度

TBD中試裝置在各工況條件下DO濃度沿程變化規(guī)律見圖5（a）?？梢奃O濃度隨TBD沿程遞減，主要原因是微生物的代謝作用消耗了管內(nèi)水流中的DO。各工況進(jìn)水DO濃度差異顯著，但TBD末端DO濃度均低于0.5 mg/L，這是由于緩釋碳源的加入增強(qiáng)了DO的消耗，有助于末端缺氧環(huán)境的形成。TBD中前端DO濃度相對(duì)較高，中末端DO濃度則較低，形成了好氧-缺氧（O-A）環(huán)境分段，有助于氮的脫除。此外，進(jìn)水DO濃度較高的工況3的氮去除效果最優(yōu)，表明高濃度DO進(jìn)水有利于污水中氮的去除[28]。在TBD中試系統(tǒng)中，NH4+-N的去除速率比NO3--N高，表明該系統(tǒng)的硝化過程比反硝化過程更為快速。而且，TBD的進(jìn)水DO濃度越高，越有助于NH4+-N的去除。這一結(jié)論在TBD進(jìn)水DO濃度較高的工況1和工況3中得以體現(xiàn)：在2種工況開始運(yùn)行后30 d內(nèi)，NH4+-N濃度均降至1.5 mg/L以下，低于Ⅴ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)限值（NH4+-N濃度≤2.0 mg/L）。

2.3.2 C/N

TBD中試裝置在各工況條件下碳氮比（C/N）分布見圖5（a）?？梢奀/N隨 TBD 沿程遞增，主要原因一是甘蔗渣在微生物的分解作用下不斷向水中釋放碳源，二是反硝化作用使得TBD中氮素濃度不斷降低。本研究中C/N較高（＞6），能滿足反硝化對(duì)碳源的需求，表明緩釋碳源的加入有助于C/N的提升和保持。一般而言，好氧反硝化作用適宜的C/N必須大于10，而缺氧反硝化作用的C/N≥6即可保證其順利進(jìn)行[29-30]，這是由于好氧反硝化細(xì)菌在進(jìn)行好氧反硝化作用的同時(shí)，也會(huì)進(jìn)行有氧呼吸及有機(jī)質(zhì)降解，故好氧反硝化作用比缺氧反硝化作用需要更充足的C/N[31-32]。這也同時(shí)解釋了為何TBD沿程C/N隨著甘蔗渣的釋碳作用而不斷上升，DO濃度則隨著微生物的呼吸和代謝作用逐漸被消耗，從而有利于TBD末端缺氧環(huán)境的形成。

圖5 3種工況下TBD沿程DO濃度、C/N及運(yùn)行期間CODCr變化Fig.5 Variation of DO and C/N ratio along the TBD as well as CODCr during the operation period under three operating conditions

2.3.3 碳源

圖5（b）展示了3個(gè)工況條件下CODCr及增長(zhǎng)率隨時(shí)間的變化規(guī)律。各工況條件下受試水體的CODCr在TBD作用下均呈先升后降趨勢(shì)。TBD系統(tǒng)使用甘蔗渣作為固相緩釋碳源，為TBD內(nèi)微生物的反硝化作用提供了充足的有機(jī)質(zhì)[33]。各工況在0～15 d內(nèi)CODCr上升，這是由于TBD中填充的甘蔗渣因微生物分解或表面殘留的可溶性有機(jī)物向水體溶出所致。各工況運(yùn)行15 d后，CODCr逐漸下降，這是由于TBD體系對(duì)有機(jī)物的去除速率開始高于碳源的釋放速率。其中，工況2在該階段CODCr下降速率最快，其原因可能是工況2處理的農(nóng)村生活污水處理設(shè)施尾水以NO3--N為主要賦存形態(tài)，TBD系統(tǒng)主要進(jìn)行的是反硝化作用。微生物的異養(yǎng)反硝化作用利用并消耗大量的碳源[34-36]，這導(dǎo)致工況2的CODCr顯著下降。此外，各工況CODCr均未超過Ⅴ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)限值（CODCr≤40.0 mg/L），表明TBD能夠維持水中有機(jī)質(zhì)濃度的穩(wěn)定，不會(huì)產(chǎn)生碳源過剩的問題。

2.4 TBD沿程微生物分布特征

2.4.1 多樣性指數(shù)分析

為了揭示TBD的微生物脫氮機(jī)理，對(duì)采集的生物膜樣品進(jìn)行了16S rRNA高通量測(cè)序。消除無效序列和嵌合序列后，2個(gè)生物膜樣品共獲得153 357個(gè)高質(zhì)量序列，當(dāng)序列以97%相似性劃分時(shí)，共獲得12 013個(gè)OTU單元（OTUs）。樣本庫(kù)的覆蓋率為95.3%～97.7%，表明該測(cè)序可以代表微生物群落的真實(shí)情況。表2中微生物豐富度和多樣性相關(guān)指標(biāo)存在明顯差異，說明 TBD中間和末端的填充基質(zhì)上微生物的豐富度和多樣性差異較大，這也表明TBD中間和末端的環(huán)境差異較大，從而導(dǎo)致了微生物群落結(jié)構(gòu)的沿程差異。

表2 TBD生物膜樣品的微生物豐度占比和多樣性指數(shù)Table 2 Microbial richness and diversity index of the biofilm samples from the TBD

2.4.2 優(yōu)勢(shì)菌群豐度占比分析

TBD中試裝置生物膜樣品中門水平和屬水平微生物優(yōu)勢(shì)群落組成如圖6所示。由圖6(a)可知，TBD中變形菌門（Proteobacteria）、擬桿菌門（Bacteroidetes）和浮霉菌門（Planctomycetes）占比較大。樣品Z1、Z2中Proteobacteria的豐度占比較高，分別為73.5%和77.4%；其次是Bacteroidetes，占比分別為8.6%和5.3%；Planctomycetes的占比分別為3.6%和3.0%。

Proteobacteria、Bacteroidetes和Planctomycetes包含典型的氮素去除微生物，這在不同的廢水處理過程中均有發(fā)現(xiàn)[37-38]。Proteobacteria在天然和人工濕地中普遍存在，并含有參與碳、氮循環(huán)的大量細(xì)菌[39-40]。Bacteroidetes被證明與富含纖維素的有機(jī)廢物如植物殘留物和農(nóng)業(yè)廢物以及污泥的降解有關(guān)[41-42]。Planctomycetes則被認(rèn)為是最多樣化的菌門分支。

由圖6（b）可知，中試TBD后半段的優(yōu)勢(shì)菌屬差異較大（P＜0.05）。TBD長(zhǎng)度1/2處的優(yōu)勢(shì)菌屬主要是檸檬酸桿菌屬（Citrobacter）、不動(dòng)桿菌屬（Acinetobacter）、根瘤菌屬（Rhizobium）和綠膿桿菌屬（Pseudomonas），它們均被報(bào)道具有好氧反硝化功能[43]。TBD末端的優(yōu)勢(shì)菌屬主要是熱單胞菌屬（Thermomonas）、小梨形菌屬（Pirellula）、金黃桿菌屬（Chryseobacterium）和黃色類固醇桿菌（Steroidobacter）。相關(guān)研究表明，Thermomonas和Steroidobacter可進(jìn)行缺氧反硝化作用[44]，TBD中充足的 C/N（10 ～ 15）及較適宜的DO濃度（1.5 ～ 3.5 mg/L）有利于上述菌屬的生長(zhǎng)富集。而Pirellula和Chryseobacterium被報(bào)道可分解大分子有機(jī)物[45]。大分子有機(jī)物的降解需要充足的時(shí)間，造成其在TBD末端富集。由此可見，TBD沿程富含碳源且好氧-缺氧分段的環(huán)境因子分布特征促進(jìn)了好氧反硝化細(xì)菌和缺氧反硝化細(xì)菌在其沿程上的依次分布。

圖6 TBD生物膜樣品在門水平及屬水平的豐度占比Fig.6 Abundance of biofilm samples of the TBD at the phylum and genus level

2.4.3 脫氮相關(guān)菌屬分析

表3展示了中試TBD運(yùn)行末期的反硝化相關(guān)菌屬豐度占比，主要包括好氧反硝化菌屬和缺氧反硝化菌屬，表中所列菌屬均被報(bào)道過具有好氧反硝化或缺氧反硝化功能。由表3可知，Z1中好氧反硝化菌屬較多，如Citrobacter、Acinetobacter、Rhizobium和Pseudomonas，其豐度占比合計(jì)為40.5%，表明TBD系統(tǒng)較高的進(jìn)水DO濃度有利于好氧反硝化菌屬的富集和生長(zhǎng)。值得注意的是，Z1中也發(fā)現(xiàn)了2.0%的缺氧反硝化相關(guān)菌屬，其原因可能是TBD中間填充基質(zhì)的生物膜中形成了好氧-缺氧的微環(huán)境。Z2以缺氧反硝化細(xì)菌為主（19.0%），如Thermomonas、Steroidobacter和Hyphomicrobium，其豐度占比明顯高于Z1，這可能與TBD末端較低的DO濃度有關(guān)。由此推斷，TBD末端的缺氧環(huán)境能夠促進(jìn)缺氧反硝化菌屬的生長(zhǎng)和富集。較低的DO濃度不利于好氧菌的富集[41]，這也解釋了為何TBD末端的好氧反硝化菌屬豐度占比較低。有研究表明，好氧反硝化細(xì)菌在缺氧環(huán)境下也能夠進(jìn)行反硝化作用，但其生長(zhǎng)速率明顯低于好氧環(huán)境[46-47]。而缺氧反硝化細(xì)菌更適宜在DO濃度較低的環(huán)境中生長(zhǎng)[48]，這也解釋了為何缺氧反硝化菌在TBD末端成為主要優(yōu)勢(shì)菌屬，且豐度占比達(dá)19%。Z1和Z2在上述2類菌屬豐度占比上的顯著差別，與2.3節(jié)所述的TBD沿程DO濃度分布具有明顯相關(guān)性，且與TBD沿程不同形態(tài)氮的去除規(guī)律一致：TBD前端NH4+-N的削減較明顯，后端NO3--N的削減較顯著。綜上，TBD好氧反硝化-缺氧反硝化的分段式菌屬分布特征可能是其具有較高氮素去除性能的主要原因。

表3 TBD生物膜樣品中的脫氮相關(guān)菌屬的豐度占比Table 3 Abundance of nitrogen removal functional genera in the biofilm samples from the TBD%

3 結(jié)論

（1）在中試TBD中以不同DO濃度的進(jìn)水條件處理不同氮素賦存形態(tài)污水，各工況條件下NH4+-N、NO3--N和TN的去除率均高于90%，表明TBD具有良好的脫氮性能。

（2）中試 TBD運(yùn)行中，出水 CODCr始終低于GB 3838—2002的V類標(biāo)準(zhǔn)限值，表明TBD不會(huì)產(chǎn)生碳源過量的二次污染問題。此外，通過分析各工況條件下TBD的沿程環(huán)境因子及氮素形態(tài)轉(zhuǎn)化特征可知，DO濃度沿程遞減，C/N沿程遞增，形成了TBD特有的沿程好氧-缺氧分段生境。

（3）高通量測(cè)序結(jié)果表明，TBD中段以好氧反硝化細(xì)菌（占比40.5%）為主，末端則以缺氧反硝化細(xì)菌（19.0%）為主，由此形成了好氧反硝化-缺氧反硝化菌屬沿程依次分布特征，并推測(cè)該特征是TBD具有較高脫氮性能的主要原因，這對(duì)農(nóng)村生活污水處理設(shè)施尾水的強(qiáng)化脫氮技術(shù)創(chuàng)新具有一定參考價(jià)值。