污水脱氮功能微生物的组学研究进展

孙明月 郭鹏飞 陈静安

（中原环保股份有限公司，河南 郑州 450000）

生活污水脱氮除磷技术能够将污水中的N、P等元素有效地消除，使水体得到净化，从而遏制水体富营养化现象的发生。因而，污水脱氮除磷技术已经成为水污染处理中非常关键的一部分。在目前的研究中，大部分生活污水脱氮除磷技术都是从传统的脱氮除磷技术中衍生出来的一系列处理效果更显著的改良型工艺或组合工艺，并得到了广泛的应用和推广。

一、脱氮除磷工艺

（一）氧化沟工艺

氧化沟工艺因其构筑物呈封闭的环形沟渠而得名，该工艺是一种改良型活性污泥法，水流流态特征独特，介于完全混合和推流之间，其表面曝气设备调节供氧量或表面曝气与微孔曝气相结合可在沟内形成好氧和缺氧的交替区，能够实现同步硝化反硝化。该工艺具有流程简易、运行方式灵活、污泥产量低、耐冲击负荷、出水水质稳定、处理效果良好等显著优点。缺点是占地面积大，易产生污泥膨胀、泡沫和流速不均及污泥沉积等问题。

（二）SBR工艺

SBR工艺具有独特的运行方式，即间歇式运行，原污水流入、有机底物降解反应、泥水分离、出水排放等各项污水处理过程均在唯一的反应器内完成。该系统工艺流程简单，基建与维护运行费用较低；能够控制活性污泥膨胀；可依据实际进水的水量和水质调整运行方式，灵活掌控时间，为氮、磷的有效去除创造良好条件。在酚类废水处理的具体案例中，SBR工艺的适用性已经得到了证明。其衍生工艺如ICEAS工艺、CASS工艺、DAT-IAT工艺和UNITANK工艺各具特色，既能够减少占地面积，节约能耗，又具有高效脱氮除磷的功能，但仅适用于中、小水量的污水处理，在中、小城市污水处理领域具有更广阔的应用前景。传统生物脱氮除磷工艺成熟，脱氮除磷效果较好，但仍存在许多不足。脱氮除磷系统中的微生物生理特征不同，对环境的适应能力各不相同，差别较大的微生物互相影响，不利于工艺的高效稳定运行；脱氮除磷过程能耗高，需要消耗大量的氧气和能量；大多数工艺设有污泥和混合液回流过程，使系统更加复杂，较大的占地面积造成基建费用和运行费用增加；剩余污泥量大，且富含磷，这些均违背了可持续发展理念。因此，解决以上问题是传统脱氮除磷技术所面临的挑战。

二、展望

（一）标准测定方法构建

虽然分子生物学方法在污水处理领域已被广泛应用，但不同方法之间研究结果差异性也不可忽视。近年来，有课题组研究了标准引物对于厌氧氨氧化细菌测定的影响，提出了针对厌氧氨氧化细菌和功能基因（hzo、nir和hzs）特异性引物。随后有研究人员利用ARB软件包和SILVA数据库的“探针设计”和“探针匹配”功能并通过程序迭代设计新型靶向16SrRNA基因的寡核苷酸探针来检测AOB，表明新型靶向rRNA寡核苷酸探针覆盖率和特异性更加精细化，有助于AOB原位分析和研究群落组成与动态变化。也有学者研究了不同反应器类型（SBR、MBR和生物转盘反应器）、不同DNA提取方法（FastDNASpin试剂盒和QiagenQIAampDNA试剂盒）和不同qPCR扩增方法在6个不同实验室检测情况下对PN/A反应器内微生物群落组成和功能的影响。结果表明，不同实验室提取的DNA浓度存在显著差异（介于2.7～328ng/mg之间），也检测到不同qPCR扩增方法使测序结果显示出较高差异性（1～7log倍）。同时也发现不同DNA提取试剂盒对某一种特定类型样品和微生物表现更好，但是不适用于其他类型微生物，提出需进一步标准化DNA提取和qPCR扩增方法使得qPCR测序结果更具可重复性及有效性。可见，标准化的分子生物学方法对实现重复实验、跨样品和跨研究之间的差异性对比至关重要。

（二）检测方法的简易化

生物分子学方法对于样品要求较高，不同测定方法对于样品的处理有所差异。对于水样采集，样品制备方法的简易化还需在今后研究中进一步重视。分子生物学方法测定过程涉及的操作步骤复杂且对于操作者要求也较高，这也使得很多研究学者望而止步。因此，从本质上简化操作流程亟需研究。近年，有课题组使用便携式设备进行宏基因组水质分析技术可行性，该设备包含小型真空泵和过滤装置、小型离心机、小型PCR机和存储卡大小的MinION（OxfordNanoporeTechnologies），用于16SrRNA基因文库制备和测序。在一个工作日内完成了16SrRNA基因测序工作流程，包括DNA提取、PCR扩增、测序文库制备和测序工作；根据互联网速度，测序数据可在24～72h内获得。同时验证了便携式设备测定结果和qPCR结果之间有很好的一致性。简化分子生物学测定流程对其测序结果影响较小，但可促进该方法在实际工程中的应用。

三、结束语

氮、磷超标是引起水体富营养化的主要原因，而我国乃至世界其他国家一直面临着水体富营养化问题，生态环境被严重破坏。因此，污水的脱氮除磷仍然是国内外科研人员研究的热点问题，开发适合我国国情且能够同时脱氮除磷的节能经济、高效稳定运行的工艺也是未来研究的重点和方向。本文总结了生物脱氮除磷机理、工艺及新型工艺，为脱氮除磷理论、工艺的发展和实际应用提供参考依据。