污水处理中压力变化对污泥中微生物群落组成的影响研究

赵聪+武照远+张鸿斌+赫俊国

摘 要：微生物在污水污染物降解的過程中起着重要的作用，特定的微生物可以降解特定的污染物。因此研究微生物的特性对污染物的降解有着重要的作用。高压条件对微生物的影响较少有人研究。本文取稳定运行的A2O工艺中的好氧段污泥与新鲜污水混合进行高压曝气处理污水，待处理效果及微生物达到稳定后，用高通量测序对微生物进行研究，对微生物的群落组成分析，群落组成分析从门、纲、属三方面来讨论。

关键词：调压反应器；高通量测序；微生物种群结构

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.12.013

0 引言

污水中污染物的去处主要靠微生物，特定种类的微生物在污水中污染物去除方面起到特定的作用，污水中污染物的去除规律与系统内的微生物有着必然的联系。

本文采用高通量测序对微生物进行种群结构的特性研究。污泥样本取自11月份，分别为A2O工艺中的厌氧段、缺氧段、好氧段、工艺接种污泥、好氧段污泥经高压培养后的污泥。本文主要分析好氧段、好氧段污泥经高压培养后的污泥两个样本，考察高压条件对微生物的影响。

1 实验

1.1 实验用水水质及实验接种污泥

本次试验原污水采用哈尔滨工业大学二校区家属区的生活污水，污泥来自实验室中稳定运行、污染物去除效果良好的A2O反应器中的好氧段污泥。实验时间为7、8月，此时哈尔滨工业大学二校区家属区的生活污水的水质状况如下表。

试验接种的A2O反应器中的好氧段污泥参数如下。

1.2 实验装置与实验方法

1.2.1 实验装置

图1为调压反应器的结构图，反应器的有效容积为10L，工作压力是0.7Mpa。由下至上主要零部件为进气口、出水口、搅拌桨、排气阀、电机、压力表、磁力耦合器。空压机通过进气口给反应器供气来为反应供氧，反应结束后通过出水口放出污水，排气阀可以控制排出气体的量，从而调节反应器内的压力，压力表显示反应器内的压力情况，从而及时调节反应的压力。空压机型号为EC51，空压机有两个作用，首先可以为反应提供充足的溶解氧，再者可以给反应器提供高压。反应时将污水和污泥投入调压反应器中，控制调压反应器内的压力，达到试验的目的。

1.2.2 实验方法

试验时间为7、8月份，两月的平均水温分别为17.1℃和17.7℃。将适量具有活性的污泥和污水混合后放入调压反应器中进行污染物去除，此时测得污泥浓度为2.84g MLSS/L。开启空压机，调节排气阀，控制调压反应器室内压力（相对压力）为0.7 Mpa，每天曝气两次，每次3h。每次试验结束后监测污水处理效果，包括出水COD、氨氮、TN、TP，经过6天后，处理效果达到稳定。此时采集污泥样本后首先放在-80℃冰箱内冷藏，然后在室温下解冻后，用10ml离心管将污泥样品放入离心机里离心。离心后把上清液去掉，取出有效的污泥样本进行DNA提取，

DNA提取成功后，进行PCR扩增。PCR的产物经过纯化和定量以后，把等摩尔的有不一样标签序列混合，利用MiSeq测序仪测定基因序列。

2 结果与分析

2.1 微生物的群落组成分析

高通量测序得到了门、纲、目、科、属、种水平的测序结果。因为测序结果比较多，在这里用纲、属两个水平的结果来表征微生物的群落组成已经可以达到试验目的。

2.1.1 纲水平分析

在纲水平下的微生物群落分析中，同样选取比重大于1.0%的微生物来说明情况。检测到的纲水平的微生物为Betaproteobacteria（β-变形菌）、Sphingobacteriia（鞘脂杆菌）、Alphaproteobacteria（α-变形菌）、Gammaproteobacteria（γ‐变形菌）、Flavobacteriia、Bacteroidetes_unclassified、Cytophagia、Deltaproteobacteria（δ-变形菌）、Bacteroidia。经过高压培养后的好氧污泥中Betaproteobacteria（β-变形菌）所占比重稍有增加，由45.60%增至53.66%。许多好氧脱氮菌和除磷菌都属于β-变形菌[1]，经过高压曝气后，除磷效果明显加强，可能是增加了一些除磷菌。Sphingobacteriia（鞘脂杆菌）所占比重分别为15.12%、18.52%，无太大变化。

2.1.2 属水平分析

属水平的测序结果信息量很大，为了便于试验分析，在这里只挑选所占比重较大或样本间差异明显或常见的功能菌属来阐述说明。

如图2，从左至右的样品2、5依次为经高压培养后的好氧段污泥、好氧段污泥。Comamonadaceae_unclassified代表Comamonadaceae科下的一种未分类的菌属，它在2、5样品中所占的比重依次为 22.43%、10.59%。经过高压曝气以后，该菌属的含量有明显增加。Huoqing Ge等人在SBR工艺的基础上研究表明，Comamonadaceae和快速生物除磷有关。在调压反应器中，随着压力的增大，除磷速率也逐渐增加，这可能不仅与溶解氧的高效利用有关，也可能与Comamonadaceae的快速生物除磷有关。本文推测Comamonadaceae不适宜在纯好氧的环境中生存，更适合在类似SBR好氧缺氧环境交替的环境中生存。调压反应器试验中每天对反应器进行6.0h的曝气，其余时间静置，没有持续的 好氧环境。调压反应器类似于SBR的溶氧环境可能对该菌属的增加产生了促进作用。

3 结论

本文为了考查压力变化对微生物的影响，采用了高通量测序的手段对试验中工艺中的好氧段污泥和经过高压培养后的好氧段污泥进行了试验，包括DNA提取、PCR扩增和高通量测序。分析了样品微生物的多样性和差异性，并且对其群落组成进行了分析。得到了如下的试验成果：

（1）通过在纲、属两个水平上对微生物进行群落组成分析表明，在纲水平下的微生物群落分析中，两个样品中Betaproteobacteria（β-变形菌）都是最占优势的菌群，许多好氧脱氮菌和除磷菌都属于β-变形菌，β-变形菌的存在保证了脱氮除磷的效果，好氧段污泥中α-变形菌所占比重最大，一些脱氮菌属于α-变形菌，好氧段α-变形菌的突增可能与良好的硝化效果有关。经过高压培养后的好氧段污泥中Alphaproteobacteria（α-变形菌）的比重有明显减少，由23.33%降至10.59%，这可能与具体的试验流程有关。

（2）在属水平下的微生物群落分析中，有学者研究表明，Comamonadaceae和快速生物除磷有关且不适合好氧环境。在调压反应器中，Comamonadaceae菌含量增加，这可能与反应器中磷的快速去除有关。

参考文献：

[1]Liu C，Wang H，Xing W，et al.Composition diversity and nutrition conditions for accumulation of polyhydroxyalkanoate （PHA） in a bacterial community from activated sludge[J]. Applied Microbiology and Biotechnology，2013，97（21）：9377-9387.

作者简介：赵聪（1991-），男，硕士研究生，助理工程师，研究方向：污水处理。