独立园区夏冬两季污水处理及微生物群落特征分析

秦永丽， 蒋永荣， 孙晓杰

(1.桂林理工大学 广西环境污染控制理论与技术重点实验室，广西 桂林 541004；2.桂林电子科技大学 生命与环境科学学院，广西 桂林 541004)

随着我国城镇化进程进一步加快，一些具有特定功能的独立园区(如大学园区、农业园区、工业园区等)陆续建成[1]。这些独立园区常位于城镇边缘或农村，基础设施建设相对滞后，园区产生的生活污水和生产废水对周边环境造成了严重污染[2-4]。

目前对于独立园区的污水多采用膜生物反应器、人工湿地或者多种工艺组合处理[5-8],但由于园区生活污水和生产废水混排，水质和水量波动较大，加之缺乏专业技术人员的有效管理，复杂的污水处理工艺往往达不到预期的处理效果[9-10]。因此，研究适用于独立园区的稳定、易维护、经济、高效的污水处理技术，成为亟需解决的问题，其中驯化出适用于独立园区污水处理的高效菌种是关键[9,11]。

以某大学园区为研究对象，采用SBR间歇曝气-UASB厌氧组合工艺处理园区污水。大学园区的用水特点为洗漱用水、食堂废水、实验室废水间歇混排，夏季用水量大，冬季用水量小，且夏季温度高，冬季温度低，水质和水量的冲击大。鉴于此，着重分析SBR-UASB组合工艺在冬夏两季(夏季5-6月，冬季11-12月)的污水处理效果以及工艺系统中的微生物群落特征，分析系统内污染物的去除机理和微生物作用机制，以期为该工艺处理园区混合污水的放大应用和稳定调试提供理论依据。

1 试验材料与方法

1.1 运行工艺

本试验采用SBR间歇曝气-UASB厌氧组合工艺，装置如图1所示，从左至右依次为进水箱、SBR反应器、中间水箱、UASB反应器。SBR和UASB反应器的有效容积均为200 L，SBR反应器间歇曝气运行时间为6～8 h。

图1 SBR-UASB组合工艺流程图

1.2 试验用水和试验污泥

试验用水为某大学园区的实际污水，包括宿舍洗漱用水、食堂废水、实验室废水。试验期间的进水水质如表1所示。

表1 大学园区混合污水水质

试验所用污泥为实际废水间歇进水驯化的污泥，其SBR反应器的MLSS为14 043.01 mg·L-1，MLVSS为4 849.46 mg·L-1;UASB反应器的MLSS为29 258.06 mg·L-1，MLVSS为8 580.65 mg·L-1，具有一定缓冲环境变化的能力。

1.3 水质分析方法

水质分析方法采用《水和废水监测分析方法(第四版)》[12]，其中，NH4+-N采用纳氏试剂分光光度法；NO2--N采用N-(1-萘基)-乙二胺分光光度法；NO3--N采用紫外分光光度法；TN采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法；COD采用重铬酸钾法；TP采用钼酸铵分光光度法。

1.4 微生物群落特征测定

从各反应器中取泥，利用DNA提取试剂盒，根据说明书步骤提取基因组DNA，再利用琼脂糖凝胶电泳检测DNA的纯度和浓度，然后进行PCR扩增，其所用引物为V4区引物：515F 5′-GTGCCAGCMGCCGCGGTAA-3′和806R 5′-GGACTACHVGGGTWTCTAAT-3′，PCR产物使用2%浓度的琼脂糖凝胶进行电泳检测。对目的条带使用QIAGEN公司提供的胶回收试剂盒回收产物。使用TruSeq®DNA PCR-Free Sample Preparation Kit建库试剂盒进行文库构建，构建好的文库经过Qubit和Q-PCR定量合格后，用HiSeq2500 PE250进行上机测序。

对高通量测序所得序列进行质控(QC)[13-14]，利用Uparse软件对所有样品进行OTU聚类[15]，对OTUs代表序列进行物种注释，用Mothur方法与SILVA的SSUrRNA数据库进行物种注释分析(设定阈值为0.8～1)[16-17]，获得分类学信息，并分别在各个分类水平统计各样本的群落组成。

2 结果与讨论

2.1 独立园区污水中污染物的去除

2.1.1 各反应器COD的去除情况

反应器内夏季和冬季COD的去除情况如图2所示。由图2可知，夏季进水、SBR反应器和UASB反应器出水COD平均浓度分别为151.89、19.08和29.42 mg·L-1，冬季进水、SBR反应器和UASB反应器出水COD平均浓度分别为109.09、27.07、44.44 mg·L-1，夏季和冬季COD平均去除率分别为80.63%和59.26%。由此可见，尽管冬季进水COD浓度较低，但其去除率较低，说明冬季温度的降低确实降低了微生物的活性并影响了其对有机物的代谢效率[18]，但冬季COD出水浓度仍可达到我国《城镇污水处理厂污染物排放标准(GB 18918—2002)》一级A标准(≤50 mg·L-1)。同时在试验过程中发现UASB厌氧反应器出水的COD浓度均比SBR反应器高，夏季和冬季分别高出10.34、17.37 mg·L-1，推测可能存在一些不溶性有机物在UASB厌氧反应器内被分解为可溶性有机物[19]。

图2 各反应器内COD的去除情况

2.1.2 各反应器氮的去除情况

图3为夏季和冬季反应器内氨氮的去除情况。从图3可看出，夏季进水氨氮、SBR反应器出水氨氮和UASB反应器出水氨氮平均浓度分别为44.87、7.81、1.08 mg·L-1，冬季进水氨氮、SBR反应器出水氨氮和UASB反应器出水氨氮平均浓度分别为33.69、2.80、3.90 mg·L-1，夏冬两季氨氮平均去除率分别为97.59%和88.42%。冬季氨氮去除效果有所降低，但出水氨氮浓度仍远低于我国《城镇污水处理厂污染物排放标准(GB 18918—2002)》一级A标准(≤5(8)mg·L-1)。同时发现，在冬季UASB反应器出水氨氮浓度高于SBR反应器，推测可能是UASB反应器内残余的难降解含氮有机物在厌氧微生物作用下进一步转化为氨氮[20]，进而增加了UASB反应器内氨氮浓度。

图3 各反应器内氨氮的去除情况

各反应器内TN的去除效果如表2所示。从表2可看出，夏季和冬季TN的去除率均较高，分别为84.53%和88.40%，夏季和冬季TN平均出水浓度分别为8.11、3.91 mg·L-1，均低于我国《城镇污水处理厂污染物排放标准(GB 18918—2002)》一级A标准(≤15 mg·L-1)，显著优于A2O工艺、A/O工艺、组合工艺处理污水的TN去除效果[21-23]。

表2 各反应器内TN去除效果

2.1.3 各反应器TP的去除情况

此工艺TP的去除情况如图4所示。从图4可看出，夏季进水和UASB反应器出水TP平均浓度分别为5.51、3.84 mg·L-1，冬季进水和UASB反应器出水TP平均浓度分别为5.91、4.07 mg·L-1，除磷效果欠佳。研究表明[24-25]，生物方法脱氮功能较好，但其工艺除磷效果往往不佳，需辅助化学除磷。因此，为了提高除磷效果，本工艺在UASB反应器出水后，采用实验室自制的絮凝剂进行化学除磷，经化学除磷后，夏季和冬季的出水TP分别为0.099、0.100 mg·L-1，达到了我国《城镇污水处理厂污染物排放标准(GB 18918—2002)》一级A标准(≤0.5 mg·L-1)。

图4 各反应器内TP的去除情况

2.2 各反应器内微生物群落特征

2.2.1 微生物群落丰富度与多样性分析

选取冬季SBR反应器和UASB反应器的污泥，研究其微生物群落结构特征。试验采用高通量测序技术对SBR反应器、UASB反应器的污泥进行微生物菌群结构组成多样性及丰富度分析。首先对SBR反应器、UASB反应器2个样品所得有效序列按照97%的一致性计算多样性指数，结果如表3所示。从表3可看出，2个反应器污泥样品的测序深度指数Coverage均高于98%，说明本次测序结果能够全面反映微生物群落结构特征。对于不同反应器污泥菌群丰富度指数ACE和Chao1，SBR反应器(ACE∶4 022.96；Chao1∶6 136)>UASB反应器(ACE：3 271.985；Chao1∶3 082.017)，说明SBR反应器较UASB反应器具有较高的菌群丰度。种群多样性指数shannon和simpson越高，多样性越高。由种群多样性指数shannon和simpson分析结果可知，SBR反应器(shannon：8.72；simpson：0.99)>UASB反应器(shannon：8.34；simpson：0.989)，说明SBR反应器较UASB反应器具有更高的生物多样性，从种群多样性指数角度进一步证实了污泥菌群丰度情况。以上结果可能归因于大学园区的食堂废水中存在大量的有机物，而异养菌具有种类多样、代谢速率快、增殖能力强等特点，导致SBR反应器内异养菌快速、大量繁殖，从而导致SBR反应器的菌群丰度和多样性指数增加。

表3 各个反应器微生物菌群多样性指数表

2.2.2 微生物菌群结构分析

门水平相对丰度排名前10的微生物分布如图5所示。从图5可看出，在SBR和UASB反应器中，变形菌门Proteobacteria所占比例最大，分别为49.77%、34.10%，与多数污水处理系统的菌群结构分布相似[26-27]；Proteobacteria既可以进行好氧代谢，又可以进行厌氧代谢，且包含了许多与碳循环、氮循环有关的菌属，因此在间歇曝气且碳源和氮源丰富的SBR反应器中相对丰度较高；绿弯菌门Chloroflexi、酸杆菌门Acidobacteria、厚壁菌门Firmicutes和浮霉菌门Planctomycetes等在UASB反应器中的相对丰度均大于SBR反应器，说明其更适合生长在厌氧环境；拟杆菌门Bacteroidetes和硝化螺旋菌门Nitrospirae在SBR反应器中的相对丰度(8.79%和2.79%)大于UASB反应器(7.84%和1.04%)，表明拟杆菌门Bacteroidetes是化能有机营养菌，对有机碳源的适应性较强，能够代谢碳水化合物，降解许多复杂有机物[28]，而硝化螺旋菌门Nitrospirae可代谢含氮化合物，因此，推测SBR反应器内较高COD和氨氮的去除率可能与系统内较为丰富的拟杆菌门Bacteroidetes和硝化螺旋菌门Nitrospirae有关。

图5 门水平前10的物种相对丰度分布

为了进一步了解体系内的微生物群落作用机理，对SBR和UASB反应器内污泥属水平上的微生物数据进行梳理，发现系统内存在大量除碳的异养型菌属(表4)，其中较为公认且相对丰度较高的除碳异养型菌属为Thauera[29]、Blastocatella[30]、Denitratisoma[31]、unidentified_Anaerolineaceae[32]、Dechloromonas[33]、Pseudomonas[34]、Zoogloea[35]、Candidatus_Competibacter[36]、Sterolibacterium[37]、Candidatus_Accumulibacter[36]。除碳异养菌属在SBR反应器的相对丰度(19.27%)高于UASB反应器(18.69%)，这与SBR反应器较高的COD去除率相一致(图2)。

表 4 反应器内异养型菌属的相对丰度

系统内发现脱氮类相关微生物主要是氨氧化菌(ammonia-oxidizingbacteria，简称AOB)、亚硝酸盐氧化菌(nitrite-oxidizingbacteria，NOB)、反硝化菌(denitrifyingbacteria，简称DB)，见表5。其中AOB主要包括unidentified_Nitrosomonadaceae和Nitrosomonas，在SBR和UASB反应器中的相对丰度分别为1.35%、0.43%，1.26%、0.11%，由此可见，AOB在SBR反应器中的相对丰度远高于UASB反应器，因此SBR反应器具有较高的氨氮去除率(图3)，且unidentified_Nitrosomonadaceae是氨氧化的优势菌属。NOB主要包括unidentified_Nitrospiraceae、Candidatus_Nitrotoga，其也表现出在SBR反应器中的相对丰度(2.24%和0.16%)远高于UASB反应器(0.88%和0.05%)，unidentified_Nitrospiraceae为亚硝酸盐氧化的优势菌属。DB主要包括Thauera、Denitratisoma、Dechloromonas、Pseudomonas、Zoogloea、Candidatus_Competibacter、Sterolibacterium等，SBR反应器和UASB反应器中反硝化菌属相对丰度总和分别为15.23%、10.51%，因此SBR反应器具有较高的TN去除率(表2)，其中Denitratisoma、Dechloromonas在UASB反应器中的相对丰度(4.57%和1.96%)大于SBR反应器(2.94%和1.69%)，说明二者更适合在厌氧环境中生存，可进一步辅助脱氮，使出水TN达标。另外，在UASB厌氧反应器中还检测出属于浮霉菌门的厌氧氨氧化菌(anaerobicammoniaoxidizingbacteria, 简称AnAOB)Candidatus_Brocadia，其丰度所占比例为0.16%(表5)，远高于分布于常规工艺污水处理系统中的厌氧氨氧化菌(占全细菌的比例为0.02‰～0.08‰)[38]，由此可见，AnAOB对脱氮也起了一定作用。

表5 系统内与除氮相关菌属的相对丰度

虽然系统的生物除磷效果不佳，但在反应器内均发现除磷菌(表6)，如Dechloromonas、Pseudomonas、Zoogloea、Candidatus_Accumulibacter，其在SBR和UASB反应器中的相对丰度分别为4.73%、3.04%，因此进一步调节反应器运行参数如曝气量和HRT等，有望优化系统的生物除磷效果。另外，系统内还发现与硫转化相关的菌属(如Sulfuritalea)，且各反应器内还存在一些丰度较高但功能不明确的菌属(如unidentified_TA06等)，它们的存在可能与独立园区复杂的污水组成有关。

表6 系统内与除磷相关菌属的相对丰度

3 结束语

1)SBR间歇曝气-UASB厌氧组合工艺可实现独立园区污染物的高效去除。夏季和冬季出水COD平均浓度分别为29.42、44.44 mg·L-1，出水氨氮的平均浓度分别为1.08、3.90 mg·L-1，出水TN的平均浓度分别为8.11、3.91 mg·L-1。经化学除磷后，夏季和冬季出水TP平均浓度分别为0.099、0.100 mg·L-1，均达到了我国《城镇污水处理厂污染物排放标准(GB 18918—2002)》一级A标准。

2)SBR反应器较UASB反应器具有较高的菌群丰富度和生物多样性。系统内除碳的异养菌属有10类，氨氧化菌属有2类，亚硝酸盐氧化菌属有2类，反硝化菌属有7类，除磷的菌属有4类。

3)与碳、氮、磷去除相关的菌属在SBR反应器中的相对丰度总和均明显高于UASB反应器，表明SBR反应器是COD、氨氮、TN和TP等污染物去除的主要承担者，UASB厌氧反应器则仅作为进一步辅助脱氮的承担者。