HRT 对高原环境下A2O 工艺处理效果与微生物群落的影响研究

李远威， 尤俊豪， 宗永臣， 王俊， 傅椿惠

（西藏农牧学院 水利土木工程学院， 西藏 林芝 860000）

目前， 西藏污水处理厂普遍存在脱氮除磷效果不佳的问题［1］。 在HRT 不同的条件下， 污染物去除率偏低的活性污泥微生物难以进行正常的生命活动， 因而导致污水处理效果较差， 影响对生态环境的保护效果。 许多专家学者通过优化处理过程中的HRT 分布条件来强化脱氮除磷的效能， 其中， 改变工艺运行HRT 参数成为最常用的优化方式之一。傅金祥等［2］研究发现， HRT 降低导致COD、 氨氮去除率下降， 硝酸盐积累量降低， 易发生污泥膨胀现象。 李红岩等［3］通过改变HRT 保障了氨氧化细菌的数量， 使氨氮去除率达到98% 以上。 康小虎等［4］对HRT 研究发现， HRT 的变化将影响菌群结构， 进水水质情况的变化制约了新的群落结构形成。 目前， 在高原环境条件下鲜有文献深度探究HRT 变化对污水处理效果和微生物群落的影响。

为了探究HRT 对高原环境下城市污水处理系统的影响， 设计了A2O 工艺HRT 逐渐降低的4 种运行模式， 并对比了不同HRT 条件下A2O 工艺的处理效果和微生物群落的变化情况。 采用高通量16S rRNA 基因测序和基于距离的冗余分析（db－RDA）统计方法， 对HRT 变化与群落结构和污染物去除效果进行关联分析。 阐释了HRT 变化对高原环境下A2O 工艺的处理效果和微生物群落变化的影响机制， 以期为高原环境下污水处理工艺的升级改造提供切实可行的方法。

1 材料与方法

1.1 试验用水

试验用水为校园办公楼区生活污水， 主要进水水质指标如表1 所示。

表1 进水水质指标Tab. 1 Influent water quality

1.2 A2O 反应器及污泥驯化

采用A2O 工艺处理校园办公楼区生活污水，该工艺流程如图1 所示。 装置总体积为210 L， 各反应池体积比为V厌氧池∶V缺氧池∶V好氧池＝35 ∶58 ∶117， 二沉池体积为39 L。 厌氧池和缺氧池中均设可调节转速的搅拌装置， 好氧池底部设有膜片式微孔曝气头。 试验进水和污泥回流均采用磁力驱动循环泵， 借助浮子流量计来进行流量控制； 硝化液回流采用蠕动泵控制。 用恒温循环器控制试验用水温度， 硝化液回流比和污泥回流比分别控制为200%和100%。

图1 A2O 工艺流程Fig. 1 Flow of A2O process

自养活性污泥并驯化， 控制温度为（20.0±0.5）℃， 厌氧池、 缺氧池和好氧池DO 的质量浓度分别为0 ～0.2、 0 ～0.5、 2.0 ～3.0 mg／L， pH 值为6.5 ～7.5。 当污泥沉降比（SV30）为28%、 活性污泥浓度（MLSS）为3 716 mg／L 时， 开展正式试验。

1.3 试验方法

保持污泥培养阶段的控制指标不变， 进水流量和各反应池HRT 如表2 所示。 采用全天进水模式，每间隔24 h 取进出水水样， 持续9 d。 所有水样经静置沉淀30 min 后取上清液， 进行TN、 TP 和COD 等水质指标的检测。 为消除HRT 工况改变带来的影响， 调整72 h 后开展下一阶段试验， 在每个阶段的末端（第9 天）提取厌氧池、 缺氧池和好氧池中活性污泥样本， 进行基因测序分析， 研究门和属分类学水平下微生物群落结构的特征。

表2 试验工况及各反应单元HRTTab. 2 Experimental conditions and HRT of each reaction unit

1.4 分析方法

TN、 TP 和COD 等水质检测方法参照《水和废水监测分析方法》［5］进行。 所有的统计分析均采用SPSS22.0 软件分析， 采用单因素方差分析法（ANOVA）对水质数据进行差异显著性检验。

对活性污泥样品首先利用1% 琼脂糖凝胶电泳检测抽提的基因组DNA， 然后合成带有barcode 的特异引物。 参照电泳定量结果， 将PCR 产物用QuantiFluorTM－ST 蓝色荧光定量系统进行检测， 最后构建Miseq 文库并通过Miseq 测序平台完成微生物群落结构分析。 采用db－RDA 方法分析群落结构与环境因子的相关性［6］。

2 结果与讨论

2.1 HRT 对COD 去除效果的影响

控制污泥培养和驯化时的工艺参数不变， 改变进水流量调整HRT， HRT 由长到短依次运行4 个阶段， 每阶段9 d， 不同HRT 下A2O 工艺对COD的去除效果见图2。

图2 HRT 对COD 去除效果的影响Fig. 2 Effect of HRT on COD removal

由图2 可知， 不同HRT 条件下， 对COD 的去除率由大到小依次为： 26.25 h ＞21.00 h ＞17.50 h ＞15.00 h。 单因素方差分析表明： 4 种HRT 条件间存在显著性差异（P ＜0.05）， 即HRT 改变对COD去除率有显著影响。 但改变HRT 均不能使出水COD 浓度达到GB 18918—2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级B 标准［7］。 COD 的去除率在第Ⅰ阶段最高， 较长的HRT 为污泥中微生物提供了更充足的反应时间， 有利于微生物降解COD。 HRT 的减小使得进水流速增大， 沉降性能较差的污泥絮体随出水流失， 导致COD 去除率随HRT 的减小而逐渐降低［8］。

2.2 HRT 对TP 去除效果的影响

不同HRT 下A2O 工艺对TP 的去除效果见图3。由图3 可知， 不同HRT 条件下， 对TP 的去除率总体上由大到小依次为： 15.00 h ＞26.25 h ＞17.50 h ＞21.00 h。 单因素方差分析表明： 4 种HRT 条件间存在显著性差异（P ＜0.05）， 即HRT 改变对TP 去除率有显著影响。 改变HRT 均不能使出水TP 浓度达到GB 18918—2002 一级B 标准。 HRT 减小导致污泥过量吸磷， 使得TP 去除率在第Ⅳ阶段最高［9］。彭永臻等［10］研究发现， HRT 延长使厌氧区内聚磷菌（PAOs）释磷量变大， 缺氧区内反硝化除磷菌（DPAOs）繁殖加快， 这也是第Ⅰ阶段TP 去除率较高的原因。 但HRT 延长会使硝化细菌和聚磷菌产生碳源竞争， 不利于吸磷， 所以， 最佳HRT 为15.00 h。

图3 HRT 对TP 去除效果的影响Fig. 3 Effect of HRT on TP removal

2.3 HRT 对TN 去除效果的影响

不同HRT 下A2O 工艺对TN 的去除效果见图4。

图4 HRT 对TN 去除效果的影响Fig. 4 Effect of HRT on TN removal

由图4 可知， 不同HRT 条件下， 对TN 的去除率总体上由大到小依次为： 17.50 h ＞21.00 h ＞26.25 h ＞15.00 h。 单因素方差分析表明： 4 种HRT 条件间存在显著性差异（P ＜0.05）， 即HRT 改变对TN 去除率有显著影响。 延长HRT 使得进水流量减小， 导致有机碳源不足； 缩短HRT 虽补充了碳源， 但过短的反应时间会降低反硝化速率， 影响TN 去除效果。出水TN 浓度在第Ⅰ阶段、 第Ⅱ阶段和第Ⅲ阶段均达到GB 18918—2002 一级B 标准。 在第Ⅲ阶段和第Ⅱ阶段TN 去除效果最好， 进水ρ（COD）／ρ（TN） ≥7.33， 基本满足脱氮完全ρ（COD）／ρ（TN） ≥8.00的理论［11］。

2.4 HRT 对NH3－N 去除效果的影响

不同HRT 下A2O 工艺对NH3－N 的去除效果见图5。

图5 HRT 对NH3-N 去除效果的影响Fig. 5 Effect of HRT on NH3-N removal

由图5 可知， 不同HRT 条件下， 对NH3－N 的去除率总体上由大到小依次为： 15.00 h ＞26.25 h ＞17.50 h ＞21.00 h。 单因素方差分析表明： 4 种HRT条件间不存在显著性差异（P ＞0.05）， 即HRT 改变对NH3－N 的去除率无显著影响。 出水NH3－N 浓度均达到GB 18918—2002 一级B 标准。 在第Ⅳ阶段NH3－N 去除效果最好， 因HRT 提供了充足的碳源，为反硝化反应供能充足， 使NH3－N 去除效果最好。虽然延长HRT 可提供更多的反应时间， 但硝化细菌对碳源的竞争导致NH3－N 去除率低于第Ⅳ阶段。

单因素方差分析表明， 4 种HRT 条件与COD、TP、 TN 的去除均有显著相关性。 各污染物去除率最高时对应的HRT 不同， 综合考虑上述4 种污染物的去除， 优选HRT 为26.25 h 为最优工况。 高原环境下A2O 工艺的最佳HRT 高于平原地区［12］。

2.5 HRT 对微生物群落结构的影响

2.5.1 HRT 对门水平微生物群落结构的影响

在门水平下共检出微生物种类31 门， 较邵宇琪等［13］在污泥中检出门类少10 门。 选取优势丰度前5 的门类进行统计分析， 各阶段优势门占总门类比例大于93.40%， 即表示优势门相对丰度变化可较高程度上反应微生物总门类的变化趋势。 门水平优势微生物群落结构如图6 所示。

图6 门水平优势微生物相对丰度Fig. 6 Relative abundance of dominant microorganisms at phylum level

在第Ⅰ阶段中， 相对丰度最大的微生物属于Bacteroidetes 门（35.40%）， Proteobacteria 门（34.11%）相对丰度次之。 随着HRT 的减小， 上述两类门在各阶段相对丰度有波动， 但仍是各阶段下的优势门类。 在第Ⅱ阶段Actinobacteria 门相对丰度减小，因其菌落呈放射状且有菌丝， 适宜其他微生物的附着和吸附， 此时污泥沉降性能不好［14］， 污泥流失严重使其相对丰度减小。 在第Ⅲ阶段Actinobacteria门相对丰度增加， 因HRT 的减小， 进水流量增大提供充足的营养成分， 促进了菌胶团的形成。 在第Ⅳ阶段， HRT 过小， 污泥流失严重， 使群落层级结构不明显， 优势微生物作用不能完全凸显。 因此， 当HRT 为26.25 h 时， 污泥群落层级结构分明， 且Actinobacteria 门丰度较高， 表征污泥具有良好的沉降性能， 与水质分析结果相符。

2.5.2 HRT 对属水平微生物群落结构的影响

在属水平下共检出微生物种类703 属， 选取优势丰度前10 的属类进行统计分析， 各阶段优势属占总属类比例大于43.65%， 即表示优势属相对丰度变化一定程度上反应微生物总属类的变化情况。

属水平优势微生物群落结构如图7 所示， 在第Ⅰ阶段和第Ⅲ阶段中， 群落层级结构明显， 优势菌属作用凸显， 但反硝化菌属Thermomonas sp.［15］和Rhodanobacter sp.［16］的相对丰度均小于0.22%， 此时反硝化作用不明显， TN 和NH3－N 去除效果一般。在第Ⅱ阶段中， 促进生物絮凝的菌属Trichococcus sp.［17］相对丰度仅有0.80%， 此时因污泥流失导致COD、 TP 和NH3－N 的去除率下降， 与门类优势微生物分析一致。 在第Ⅳ阶段中， 反硝化菌属Dokdonella sp.［18］相对丰度仅0.90%， 但反硝化菌属Thermomonas sp.和Rhodanobacter sp.相对丰度却大幅增长， 此时NH3－N 的去除率最好， 但因HRT 减小导致硝化反应时间缩短， 使得TN 去除率降低。

图7 属水平优势微生物相对丰度Fig. 7 Relative abundance of dominant microorganisms at genus level

门和属分类学水平下， HRT 为26.25 h 时群落层级结构明显， 优势微生物突出， 各微生物间的关系更加复杂， 使得对各污染物的去除效果均相对较好。 高原地区优势微生物种类与平原地区差别不大， 各优势微生物丰度差异明显， 群落间层级关系更为复杂［14］。

2.6 群落结构与环境因子相关性分析

采用db－RDA 分析， 针对厌氧池、 缺氧池和好氧池的种水平下群落结构及环境因子开展回归分析， 评价HRT 对微生物群落结构的影响程度， 结果见图8。 不同形状的点代表不同样本， 同一分组用分组椭圆（95% 置信区间）表示， 环境因子用向量形式表示， 向量长度代表影响程度。 点之间的距离表示样本间群落的差异性和相似性， 点到环境因子向量的投影距离表示受环境因子的影响程度。

图8 群落结构与环境因子db-RDA 分析Fig. 8 db-RDA analysis of community structure and environmental factors

由图8 可知， 在第Ⅰ阶段各样本点均在分组椭圆上， 即各样本间物种较相似； 其余各阶段下均有一个样本点处于分组椭圆外， 即样本间物种存在差异性。 长HRT 为微生物的生命活动提供了充足的反应时间， 对污染物的消耗量也相对较大， 使得样本间群落结构较相似； 随着HRT 的减小， 过大的进水流量导致污泥流失较大， 使其差异性也逐渐凸显， 且在第Ⅳ阶段表现最明显。 TP 对群落结构影响最大， TN 次之。 因HRT 的变化影响污泥的吸磷量， 从而影响群落结构变化； TN 的去除效果受HRT 影响较大， 过长或过短的HRT 均不利于硝化或反硝化反应进行。 在高原环境下， 磷和氮的高效去除以污泥吸磷、 硝化和反硝化为主。 HRT、 COD和NH3－N 对群落结构影响较小， 随着HRT 的减小， COD 和NH3－N 的去除率并未发生明显变化，且图中HRT、 COD 和NH3－N 的向量长度较短， 即表明HRT、 COD 和NH3－N 的变化对微生物群落结构无较大影响。

3 结论

通过对不同HRT 条件下A2O 工艺污染物处理效果、 群落结构的变化及与环境因子间的相关性进行分析， 初步探究了高原环境HRT 条件下A2O 工艺的运行特征。

（1） HRT 的改变对COD、 TP 和TN 均有显著性差异（P ＜0.05）， 但各污染物去除效果的最佳HRT 不完全相同， 综合考虑各污染物的去除效果，本研究中选取26.25 h 为最佳HRT。

（2） 在门水平优势微生物种类未见明显变化，但其群落结构层级分明， 有利于污染物的去除； 在属水平活性污泥的沉降性和污泥流失密切相关， 当群落结构层级分明时污染物去除效果最好。

（3） 环境因子相关性分析表明， TP 和TN 的变化对群落结构影响较大， HRT、 COD 和NH3－N的变化对群落结构无明显影响， 进一步验证了HRT 对污染物去除效果的影响和对微生物群落结构的影响基本一致。