某人工快渗工艺运行效果及细菌群落分析*

李彬辉 骆灵喜 王磊 刘欢 谭自航

(1.深圳市深港产学研环保工程技术股份有限公司 广东深圳 518071；2.滨州市深港环保工程技术有限公司 山东滨州 256600)

0 引言

人工快速渗滤系统(Constructed Rapid Infiltration System 简称CRI系统)对污染物的去除过程包括土壤的过滤截流、物理和化学吸附、化学分解和沉淀、微生物摄取、氧化降解等，具有系统净化污水的功能，达到一定的处理目标[1-4]。CRI采用渗透性能较好的天然砂并辅以一定量的特殊填料，代替传统的污水土地处理系统中的天然土层，克服了传统土地处理水力负荷低、占地面积大等缺点；同时采用干、湿交替的运行方式，大大提高了系统的富氧能力和对污染物的去除效果[5]。

虽然在其他污水土地系统中已有不少文献报道了微生物在污染物去除过程中的作用[6]，但对CRI 系统研究其对污染去除效果的同时探究不同深度填料功能细菌群落结构和多样性的分析还很少。本文以某污水厂人工快渗A号池作为研究对象，对20，40，60，80 cm深度填料中的细菌群数量进行比较，阐明CRI系统中各功能细菌活动的空间分布规律，并连续监测A池进出水污染物浓度变化，以便全面了解本系统的污水生物净化机制，为CRI处理效果的稳定与提高提供理论依据。

1 实验材料与方法

1.1 人工快渗系统处理工艺介绍

为削减上源水库的污染负荷，白芒河作为水库入库支流，需对水环境作水质提升。针对该河水质污染情况、特点，工程设计进水水质见表1，设计采用平流沉淀+人工快渗处理工艺，流程见图1。

表1 工程设计进水水质参考

图1 白芒河水质提升工程工艺流程

原水出分水池经格栅阻截、絮凝沉淀、稳定调节等预处理过后，SS、TP和不可溶性COD得到大量去除，但预处理出水中的可溶性COD、TP、氨氮和TN仍需通过人工快渗池深度处理。出水经清水池大部分排入下游生态湿地，一部分作为反冲洗回用水。处理系统设有污泥浓缩池，回流水系统。污泥池表层溢流水，污泥脱水滤液经回流泵回流至集水池，人工快渗池不产污泥，整个系统只有平流沉淀池产生的泥水排入污泥池，浓缩后经脱水机压滤，泥饼外运填埋。

1.2 快渗池不同深度填料细菌多样性研究

(1)基因组DNA提取：以A号快渗池为实验研究对象，分别取距快渗池表面20，40，60，80 cm深处填料200 g，样品编号计为H20，H40，H60和H80，利用OMEGA土壤DNA试剂盒提取总DNA。

(2)PCR扩增和焦磷酸测序：细菌扩增使用引物27F和1492R。20 μL反应体系含有5×FastPfu Buffer 4 μL、250 μmol/L的dNTPs、引物(5 μmol/L)0.8 μL、0.4 μL FastPfu 酶以及DNA模板10 ng。细菌PCR扩增条件为94 ℃预热2 min；95 ℃变性30 s，55 ℃退火30 s，72 ℃延伸45 s，循环30次，72 ℃延伸10 min，4 ℃保存。PCR扩增之后，使用Axy Prep DNA Gel Purification Kit(Axygen Biotechnology)进行PCR产物纯化，然后使用QuantiFluorTM(Promega,Milano,Italy)进行定量PCR，最终使用Illumina MiSeqplatform完成焦磷酸测序。

(3)系统发育分析：通过测序得到原始数据，进行拼接、过滤，得到有效数据。基于有效数据进行OTUs( Operational Taxonomic Units )聚类和物种分类分析，再对OTUs进行丰度、多样性指数等分析，同时对样品进行群落结构的统计分析。最后进行一系列基于OTUs的聚类分析，挖掘样品之间的物种组成差异。

2 分析结果与讨论

2.1 快渗池对污染物去除效果

图2 A号快渗池对COD的去除效果

图3 A号快渗池对NH4+-N的去除效果

图4 A号快渗池对TP的去除效果

2.2 处理系统中细菌群落结构

2.2.1 细菌多样性分析

高通量测序分析表明，A号快渗池距表面20，40，60，80 cm深处填料分别有1 307，1 290，1 103和507个细菌OTU(表2)。Ace和Chao分析表明，快渗池内细菌OTU丰度随深度不断降低，表层20 cm深处填料比80 cm深处拥有更高的细菌OTU丰度。同时Shannon和Simpson指数分析表明20 cm深处填料具有最高的细菌多样性，快渗池缺氧段即60～80 cm深处细菌多样性大致相当，富氧段即20～40 cm深处细菌多样性随深度降低。

表2 快渗池中微生物多样性指数分析结果

2.2.2 细菌群落组分分析

快渗池中参与COD降解的微生物除上述杆菌属细菌外，发现Blastocatella、Nitrospira、Paracoccus和Pseudomonasalcaligenes也具有COD去除能力。Blastocatella在快渗池好氧段广泛存在，在40～80 cm丰度几近为0。YANG Q等[12]发现Blastocatella是MHA-A/O反应器中第四大优势菌属，仅次于Anaerolineaceae、Sulfuritalea、Lactococcus，对高浓石化废水中COD的去除率为达72%～79%。在整个系统可鉴别的菌属中Nitrospira是第二大优势菌属，细菌相对丰度为7.54%，Nitrospira多筛自污水反应器活性污泥中，是亚硝酸盐氧化菌群中的优势菌属，主要功能是维系氨氮-硝酸盐-亚硝酸盐循环体系正常运行，该菌在整个系统好氧、缺氧段中均广泛存在，是去除氨氮的又一重要硝化细菌。张秀红等[13]在A/O反应器活性污泥中发现Nitrospira是主要的脱氮细菌，在A段数量相对较多，O段较少，在水温20 ℃～23 ℃，HRT为18 h，进水TN为61～78 mg/L，COD分别为110～165 mg/L和205～272 mg/L条件下，COD去除率均在90%以上，硝化率分别为98%和95%，TN去除率50%和78%。Pseudomonasalcaligenes主要功能是好氧降解COD，王远红等[14]发现该菌在污水处理中还有产絮凝剂能力，不仅对COD有高效去除效果(54.25%～90.33%)，出水浊度和色度理想；李朝霞等[15]从造纸废水中筛得该菌，发现其可在COD质量浓度为500 mg/L中增殖，最适降解条件下可降解80%以上的COD。

快渗池可鉴定细菌菌属的丰度见图5。

图5 快渗池可鉴定细菌菌属的丰度

3 结论

(1)对进出水连续监测35 d发现，原水经预处理布入A号快渗池处理后，进水COD质量浓度55～248 mg/L、氨氮质量浓度19.6～31.1 mg/L、TP质量浓度1.11～2.96 mg/L，出水均稳定达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)一级A标准，去除率分别为52.7%～100%、88.3%～100%、78.4%～96.2%。

(2)快渗池细菌OTU丰度随深度逐渐减少，Shannon和Simpson指数分析表明快渗池中细菌多样性：H20>H60≥H80>H40，快渗池缺氧段(60～80 cm)比富氧段(20～40 cm)细菌群落结构复杂，种类丰富。

(3)快渗池中杆菌是优势菌属，第二大菌属是硝化螺旋菌属(Nitrospira)。在富氧段主要参与COD降解的菌属是：芽孢杆菌属(Bacillus)、双歧杆菌属(Bifidobacterium)和乳酸杆菌属(Lactobacillus)；整个系统中硝化螺旋菌属(Nitrospira)是去除氨氮的一种重要硝化菌；缺氧段具有反硝化作用的菌属包括：布鲁式菌属(Brucella)、甲基杆菌属(Methylobacterium)、副球菌属(Paracoccus)。