低温下富铁填料对BAF处理效果及细菌群落的影响

严子春， 卫明明， 史登峰

(1.甘肃省黄河水环境重点实验室， 甘肃 兰州 730070； 2.兰州交通大学 环境与市政工程学院， 甘肃 兰州 730070)

1 研究背景

富铁填料具有比表面积大、还原性强且价格低廉等优点，在污水处理中不仅可以优化生物膜菌群强化生物脱氮效果，还可以通过化学除磷作用提高除磷效果，是一种实用价值较高的新型污水处理填料。Wang等[11]通过实验室规模的SBR和中试规模的SBBR反应器研究了富铁填料与微生物系统协同除磷工艺，发现出水TP浓度可降至0.5 mg/L以下；Xie等[12]通过将富铁填料浸没于活性污泥中形成生物富铁填料系统研究发现，其对苯胺废水的处理效果明显优于普通活性污泥系统；钟丽燕等[13]采用新型缓释碳源、富铁填料和活性炭作为反硝化生物滤池的复合填料处理污水厂的尾水，出水TN和TP浓度分别低于5.0和0.3 mg/L。

本试验通过使用廉价的富铁填料，在不降低处理能力且不增加处理单元和系统能耗的前提下来强化BAF在低温下的脱氮除磷效果，并采用MPN(most probable number)法和高通量测序技术考察BAF中硝化细菌数量和细菌群落的变化，以期对新型BAF填料的研发及其低温运行效能的研究提供参考。

2 材料与方法

2.1 试验装置

本试验采用试验组和对照组两组BAF装置，运行方式为下向流，试验装置如图1所示。两组BAF装置主要由缺氧(生物)滤柱5和好氧(生物)滤柱6组成，缺氧滤柱的填料为粒径5～8 mm的陶粒，填装高度为1.3 m；好氧滤柱的填料为粒径3～5 mm的沸石，填装高度为1.3 m。待两组装置挂膜启动完成后，为考察富铁填料对BAF处理效果的影响，在对照组中间增加陶粒滤柱，试验组中间增加富铁填料滤柱，陶粒和富铁填料粒径均为5～8 mm，填装高度同为0.8 m。

图1 试验装置示意图

2.2 试验材料

(1)陶粒：由黏土等原料烧制而成的粗糙多孔材料，外观呈灰黑色，主要元素为Si、Al、O和Ca等，密度为1.42 g/cm3，粒径为5～8 mm；

(2)沸石：主要成分为硅铝酸盐的粗糙多孔矿物，外观呈红棕色，主要元素为Si、Al、O和Mg等，密度为2.16 g/cm3，粒径为3～5 mm；

(3)富铁填料：一种多孔海绵状含铁材料，外观呈灰黑色，总铁含量在90%以上，密度为2.49 g/cm3，粒径为5～8 mm。

2.3 试验用水

试验用水为经过化粪池处理后的兰州交通大学校园生活污水，水质指标如表1所示。

表1 试验用水水质指标 mg/L

2.4 污染物检测指标及测定方法

2.5 硝化细菌数量和细菌群落多样性检测

本试验采用MPN法[15-16]对BAF中硝化细菌的数量进行检测。检测步骤为：定量称取填料置于锥形瓶中并加入玻璃珠进行震荡使其生物膜充分脱落，同时制备培养基并灭菌，然后在无菌操作台上将脱落的生物膜混合液接种至10-3～10-7共5个稀释度的培养基中，置于生化培养箱中培养至预定时间后对照统计表进行计数。本试验委托上海美吉生物医药科技有限公司通过Illumina Miseq 高通量测序平台[17-18]对细菌群落多样性进行检测。

3 结果与分析

3.1 低温及富铁填料对BAF去除效果的影响

3.1.1 低温对BAF去除效果的影响 在水力负荷为0.5 m3/(m2·h)、气水比为10∶1和回流比为100%的条件下，试验温度为14和12 ℃时BAF的去除效果如图2所示。

图2 试验温度为14和12℃时BAF的去除效果

3.1.2 富铁填料对BAF去除效果的影响 在温度为14 ℃、水力负荷为0.5 m3/(m2·h)、气水比为10 ∶1以及回流比为100%的条件下，富铁填料作用下BAF的去除效果如图3所示。

图3 富铁填料作用下BAF的去除效果(试验温度14℃)

3.1.3 低温和富铁填料对BAF去除效果的影响 在水力负荷为0.5 m3/(m2·h)、气水比10∶1和回流比为100%的条件下，不同温度和富铁填料作用下BAF的去除效果如图4所示。

图4 不同温度和富铁填料作用下BAF的去除效果

3.2 低温下富铁填料对BAF中硝化细菌数量的影响

在水力负荷为0.5 m3/(m2·h)、气水比为10 ∶1、回流比为100%的条件下，不同低温下2组装置中硝化细菌的计数结果如表2所示。

表2 不同低温下2组装置硝化细菌计数结果 104cfu/mL

由表2可以看出，温度的变化影响了硝化细菌的生长。温度由14 ℃降为12 ℃时，2组试验中亚硝酸菌和硝酸菌的数量均减少，说明温度降低抑制了BAF中硝化细菌的增殖；14 ℃时，试验组中亚硝酸菌和硝酸菌的数量均多于对照组，并且硝酸菌数量差异更明显，说明富铁填料通过微电解形成的Fe2+和被氧化形成的Fe3+促进了亚硝酸菌和硝酸菌的生长，尤其是对硝酸菌的促进作用更显著，从而增加了BAF中硝化细菌的数量。温度由14 ℃降为12 ℃时，试验组和对照组的硝酸菌数量分别减少了70.60%和40.00%，说明在富铁填料作用下硝酸菌数量受温度影响更明显。

3.3 低温下富铁填料对BAF中细菌群落多样性的影响

3.3.1 细菌群落多样性分析 AU14、AM14、AL14分别代表14 ℃时取自对照组好氧滤柱上、中、下部的生物膜样本；BU14、BM14、BL14分别代表14 ℃时取自试验组好氧滤柱上、中、下部的生物膜样本；AM12、BM12分别代表12 ℃时取自对照组和试验组中部的生物膜样本。每个生物膜样本均在各工况条件稳定运行期间进行取样操作。

采用高通量测序技术对上述8个样本的细菌群落多样性进行检测，并将获取的有效序列进行OTU聚类(operational taxonomic unit，可操作分类单元，通常以97%的序列相似度归类为一个OTU)。各样本OTU数量及多样性指数如表3所示。

表3 各样本OTU数量及群落多样性指数

由表3可看出，OTU数量由大到小依次为：AM12、BM12、BU14、AU14、AL14、BM14、AM14、BL14。样本的ACE指数(the ACE estimator，丰富度估计指数)与细菌群落丰度呈正相关，而Shannon指数(Shannon index，香农指数)和Simpson指数(Simpson index，辛普森指数)则与细菌群落多样性分别呈正相关和负相关[27]。对比AM14、BM14、AM12、BM12这4个样本的多样性指数可知，温度下降导致BAF中细菌的物种丰度和群落多样性增加[28]。由表3还可以看出样本AU14、AM14、AL14的Simpson指数差异较明显，而样本BU14、BM14、BL14的Simpson指数差异较小,说明温度为14 ℃时，采用富铁填料使BAF上、中、下部生物膜中细菌群落多样性的变化较小、菌群的空间分布更相近。

丰度等级曲线反映了样本细菌群落多样性的两个方面，即样本所含物种的丰度和均匀度。反映各样本中OTU丰度分布规律的丰度等级曲线如图5所示。

图5 各样本的OTU等级丰度分布曲线

由图5可知，样本AM12和BM12的曲线在横轴上的长度大于其他样本，且下降相对平缓，说明该2个样本中细菌群落丰度和均匀度高于其他样本，即群落多样性较高。样本BU14、BM14和BL14的曲线相对较陡，说明采用富铁填料使BAF中各物种的丰度差异较大，即优势种群的丰度更高，其原因可能为富铁填料在水中发生微电解消耗了溶解氧，无法满足多种微生物的生长需求，从而使优势群落的丰度较高。

图6 目分类水平下各样本菌群组成分析

图7 细菌群落结构与环境因子的RDA分析

4 结 论

(2)采用富铁填料会使BAF中亚硝酸菌和硝酸菌的数量增多；富铁填料的使用对硝酸菌数量的影响较大，温度对亚硝酸菌数量的影响较大。

(3)采用富铁填料使BAF上、中、下部生物膜中各菌群的丰度更相近；12 ℃时两组生物膜样本中细菌群落丰度和均匀度均高于14 ℃时的其他样本；在富铁填料的影响下试验组装置中各菌群的丰度差异较大，且亚硝化单胞菌目、黄单胞菌目以及红环菌目等优势种群的丰度在12和14 ℃两种温度下均高于对照组；富铁填料的使用减弱了温度下降导致上述3种优势菌目丰度减少的不利影响。