生物膜-活性污泥系統(tǒng)(integratedfixed-filmactivatedsludge，IFAS)是將生物膜和活性污泥相結(jié)合的一種復(fù)合型系統(tǒng)。近年來(lái)，IFAS工藝在污水處理廠提標(biāo)改造中備受青睞。泥膜復(fù)合CASS工藝原理是向傳統(tǒng)的CASS工藝主反應(yīng)區(qū)投加懸浮物料，這樣為主反應(yīng)區(qū)的微生物提供了大量可供棲息的表面積和有利的環(huán)境，使池內(nèi)的生物量迅速增加，從而改變了活性污泥系統(tǒng)內(nèi)的生物種類、存在方式和基質(zhì)的分配和傳質(zhì)方式，大大提高了反應(yīng)池耐沖擊負(fù)荷能力，提高了COD利用率，完善了凈化過(guò)程，使出水水質(zhì)更好。
當(dāng)前，生物膜-活性污泥系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)應(yīng)用規(guī)模超過(guò)1000萬(wàn)t·d-1.對(duì)于泥膜復(fù)合系統(tǒng)，懸浮態(tài)活性污泥和附著態(tài)生物膜之間存在復(fù)雜的關(guān)系，如對(duì)同一限制性底物和溶解氧的競(jìng)爭(zhēng)，以及對(duì)于環(huán)境(如不同污泥齡)的耐受性不盡相同等等，這會(huì)使兩相微生物的處理性能和它們單獨(dú)存在時(shí)不同，進(jìn)而影響到MBBR泥膜復(fù)合系統(tǒng)的污染物去除特性。周家中等研究了在不同的污泥濃度、DO、溫度和C/N條件下，通過(guò)分析活性污泥污泥負(fù)荷(ARLs)和MBBR生物膜容積負(fù)荷(ARLv)變化趨勢(shì)，進(jìn)而分析泥膜兩系統(tǒng)之間的競(jìng)爭(zhēng)和合作規(guī)律。結(jié)果表明，懸浮態(tài)活性污泥和附著態(tài)生物膜之間主要以競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系為主；其中，MBBR填料上附著態(tài)生物膜抗沖擊性較懸浮態(tài)活性污泥更優(yōu)，且處理負(fù)荷更高；但在低DO情況下，生物膜的競(jìng)爭(zhēng)能力不如活性污泥。韓文杰等研究了長(zhǎng)三角地區(qū)MBBR泥膜復(fù)合污水廠低溫季節(jié)微生物的多樣性，發(fā)現(xiàn)懸浮載體生物膜可富集活性污泥中不具有的物種，其投加增加了整個(gè)系統(tǒng)微生物的多樣性，但同時(shí)，進(jìn)水水質(zhì)和運(yùn)行方式不論對(duì)懸浮載體生物膜還是活性污泥優(yōu)勢(shì)微生物群落組成，均具有一定的選擇性。張勇等則研究了在活性污泥系統(tǒng)中投加填料后污染物去除效率，發(fā)現(xiàn)投加填料可以增強(qiáng)反應(yīng)器對(duì)TN和氨氮沖擊的緩沖能力，表明附著態(tài)生物膜除了和活性污泥之間存在競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，同時(shí)也存在相互合作的協(xié)調(diào)關(guān)系。DiTrapani等的研究發(fā)現(xiàn)在泥膜復(fù)合系統(tǒng)中存在“播種(seeding)”效應(yīng)，即懸浮填料上微生物脫落進(jìn)入活性污泥中，提升活性污泥的硝化和反硝化活性。Jin等的研究發(fā)現(xiàn)，DO對(duì)泥膜兩相的功能菌分布有直接影響，如在厭氧條件下好氧反硝化菌硝化關(guān)鍵功能基因HAO的表達(dá)比其好氧條件下表達(dá)量低2.72倍，而反硝化關(guān)鍵功能基因NAR在厭氧條件下的表達(dá)是好氧條件下表達(dá)量的3倍。張凱等則通過(guò)熒光原位雜交技術(shù)對(duì)泥膜兩相中不同功能菌進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)懸浮污泥中的AOB比生物膜中的高。李超等利用聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)-變性梯度凝膠電泳(PCR-DGGE)和克隆測(cè)序等分子生物學(xué)技術(shù)對(duì)IFAS中功能菌群落的演替進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)懸浮污泥和生物膜上的優(yōu)勢(shì)功能菌種群均有較大區(qū)別，但是優(yōu)勢(shì)種群在系統(tǒng)中保持穩(wěn)定，受水質(zhì)波動(dòng)影響較小。
本研究以CASS耦合MBBR工藝為基礎(chǔ)，通過(guò)中試實(shí)驗(yàn)研究了在進(jìn)水碳源較低的情況下，體系中微生物的演替規(guī)律和優(yōu)勢(shì)菌種差異，以及活性污泥泥齡對(duì)泥膜復(fù)合型工藝中泥膜關(guān)系的影響，解釋IFAS工藝在不同污泥齡下處理效果為何會(huì)有明顯差異，并分析相應(yīng)微生物的生態(tài)位和生長(zhǎng)特性，以期為IFAS工藝長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行和實(shí)際調(diào)控提供微觀技術(shù)支撐。
1、材料與方法
1.1 裝置與運(yùn)行方式
以廣東省某市污水廠原水為進(jìn)水，采用CASS耦合MBBR型IFAS工藝運(yùn)行兩套有效體積為392L的中試反應(yīng)器，反應(yīng)器中污泥接種自廣東省粵西某污水處理廠CASS工藝排放的剩余污泥，污泥沉降比(SV)為22%~26%，污泥體積指數(shù)(SVI)為72~95mL·g-1，MLSS和MLVSS分別為2.86g·L-1和1.89g·L-1.其中池體分為3個(gè)部分：厭氧區(qū)容積19.6L，DO控制在0.5mg·L-1以下；缺氧區(qū)容積44.1L，DO控制在0.5~0.6mg·L-1之間；好氧區(qū)容積328.3L，曝氣階段DO控制在2.0mg·L-1以上。反應(yīng)器分別采用高低SRT；其中低SRT為5d，記為SRT-L；高SRT為25d，記為SRT-H。兩套反應(yīng)器運(yùn)行方式為進(jìn)水曝氣90min，靜置沉淀30min，潷水60min。反應(yīng)器進(jìn)水、曝氣、出水和攪拌均由計(jì)時(shí)器自動(dòng)控制。曝氣采用微孔曝氣盤實(shí)現(xiàn)。反應(yīng)器回流比控制在30%左右，排水比控制在1/3左右，每日手動(dòng)排泥。整套中試裝置示意如圖1所示。
為使實(shí)驗(yàn)條件接近實(shí)際工程，在進(jìn)行恒定曝氣量下污泥齡對(duì)泥膜復(fù)合系統(tǒng)的影響時(shí)，選用該污水廠二期泵房集水井進(jìn)水作為實(shí)驗(yàn)用水，進(jìn)水水質(zhì)如表1所示。
1.2 實(shí)驗(yàn)污泥和懸浮載體
本實(shí)驗(yàn)所需活性污泥和懸浮載體均選自中試裝置。懸浮載體為高密度聚乙烯(HDPE)材質(zhì)，直徑25mm±0.5mm，高10mm±1mm，掛膜后比重和水接近，有效比表面積620m2 ·m-3.兩套IFAS反應(yīng)器懸浮載體填充率均為20%。
1.3 批處理實(shí)驗(yàn)
批處理實(shí)驗(yàn)采用穩(wěn)定運(yùn)行條件下IFAS反應(yīng)器中活性污泥，分別實(shí)驗(yàn)計(jì)算得出污泥硝化速率、反硝化速率、聚磷速率、吸磷速率和生物膜硝化速率、反硝化速率。
分別在SRT-L和SRT-H運(yùn)行穩(wěn)定后的好氧末端取出適量活性污泥/生物膜填料加入1L合成污水中，曝氣攪拌，每隔10min取樣測(cè)定NH4+-N濃度，利用氨氮降解速率法計(jì)算污泥/生物膜硝化活性；分別在SRT-L和SRT-H運(yùn)行穩(wěn)定后的好氧末端取出適量活性污泥/生物膜填料加入1L合成污水中，厭氧攪拌，每隔10min取樣測(cè)定NO3--N濃度，利用硝氮降解速率法計(jì)算污泥/生物膜反硝化活性；分別在SRT-L和SRT-H好氧段末端取適量活性污泥加入1L合成污水中，厭氧攪拌，釋磷2h，之后再恒定曝氣3h，每隔0.5h取水樣測(cè)定一次TP，從而計(jì)算污泥聚磷、吸磷活性。
1.4 分析方法
相關(guān)水質(zhì)常規(guī)指標(biāo)檢測(cè)方法具體如下。NH4+-N：納氏試劑分光光度法；NO3--N：麝香草酚分光光度法；NO2--N：N-(1-萘基)-乙二胺分光光度法；TN：堿性過(guò)硫酸鉀消解法；COD：重鉻酸鉀快速消解分光光度法；TP：鉬酸銨分光光度法；懸浮填料上生物量：烘干恒重法。
本研究以中試反應(yīng)器為基礎(chǔ)，在以某污水廠進(jìn)水為原水條件下，持續(xù)運(yùn)行；分別取反應(yīng)器中15、30、45、60、75d的泥樣和30、45、60、75d的膜樣，保存在-20℃冰箱內(nèi)，統(tǒng)一寄送至上海美吉生物有限公司進(jìn)行高通量測(cè)序。在進(jìn)行DNA抽提和PCR擴(kuò)增后，進(jìn)行IlluminaMiSeq測(cè)序，使用NEXTflexTMRapidDNA-SeqKit(BiooScientific，美國(guó))進(jìn)行建庫(kù):①接頭鏈接；②使用磁珠篩選去除接頭自連片段；③利用PCR擴(kuò)增進(jìn)行文庫(kù)模板的富集；④磁珠回收PCR產(chǎn)物得到最終的文庫(kù)。利用Illumina公司的MiseqPE300/NovaSeqPE250平臺(tái)進(jìn)行測(cè)序。
2、結(jié)果與討論
2.1 IFAS工藝掛膜實(shí)驗(yàn)特性研究
據(jù)表2可知，SRT-L運(yùn)行穩(wěn)定后(60d)，MLSS和MLVSS的濃度平均值分別為1.94g·L-1和1.11g·L-1；SRT-H運(yùn)行穩(wěn)定狀態(tài)下(60d)MLSS和MLVSS的濃度平均值分別為6.89g·L-1和4.27g·L-1.而在同時(shí)期(60d)，SRT-L和SRT-H中懸浮填料上生物膜生物量分別為37.9mg·g-1和22.70mg·g-1.SRT-L穩(wěn)定狀態(tài)下，生物填料掛膜完成時(shí)間約為13d；而SRT-H在穩(wěn)定狀態(tài)下13d的掛膜效果如圖2所示。從中可知，SRT-L填料上生物膜隨著時(shí)間推移逐漸加深，生物膜生長(zhǎng)范圍也在逐漸擴(kuò)大，到第5d時(shí)已覆蓋整個(gè)填料，到第13d時(shí)生物膜已生長(zhǎng)成熟；而SRT-H填料上直到第9d才完全覆蓋生物膜，在第13d時(shí)顏色較SRT-L要淺許多，表明生物膜尚在生長(zhǎng)，未完全完成掛膜。這說(shuō)明，隨著污泥齡的延長(zhǎng)，生物膜的生長(zhǎng)受到一定限制，隨著污泥濃度的增加，泥膜之間的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系明顯加劇。其主要原因是曝氣量恒定的條件下，污泥濃度的增加必然會(huì)導(dǎo)致污泥中細(xì)菌種類和含量增多，增加了對(duì)DO利用，表現(xiàn)出隨著污泥濃度的增加系統(tǒng)DO降低，導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)傳氧速率受到限制，整體上生物膜從水中接收到的溶解氧明顯減少，而生物膜的生長(zhǎng)主要是好氧硝化菌的繁殖，因此生物膜的生長(zhǎng)速率大幅降低。此外，Shao等在低C/N進(jìn)水下研究了微生物在泥膜之間的依存關(guān)系。結(jié)果表明，在基質(zhì)缺乏的情況下，異養(yǎng)硝化菌更傾向于在懸浮絮體中生存，因?yàn)樗缮⒌男躞w中有機(jī)碳和其它基質(zhì)的接觸機(jī)會(huì)相較生物膜來(lái)說(shuō)會(huì)更多。并且由于污泥SRT較高，因此生物膜作為一個(gè)能穩(wěn)定提供高SRT的載體的優(yōu)勢(shì)不再明顯，所以在和懸浮污泥的競(jìng)爭(zhēng)中處于劣勢(shì)，生長(zhǎng)受到抑制。
2.2 IFAS工藝去除效能特性研究
SRT-L和SRT-H常規(guī)污染物去除效率對(duì)比如圖3所示。從中可知，穩(wěn)定運(yùn)行后，SRT-L的整體污染物去除效能明顯優(yōu)于SRT-H。
兩套反應(yīng)器的COD去除效果如圖4(a)所示。SRT-L和SRT-H在運(yùn)行初期尚不穩(wěn)定，因此對(duì)COD的去除呈波動(dòng)狀；但隨著時(shí)間延長(zhǎng)，在45d之后，COD的處理效果明顯平穩(wěn)，基本處于25mg·L-1以下，并且不會(huì)隨著進(jìn)水COD的起伏而發(fā)生劇烈波動(dòng)。這說(shuō)明系統(tǒng)中泥膜上的微生物種類和數(shù)量已達(dá)到穩(wěn)態(tài)，系統(tǒng)抗沖擊能力增強(qiáng)。其主要原因是懸浮態(tài)污泥和附著態(tài)生物膜之間的關(guān)系由以競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系為主轉(zhuǎn)變?yōu)楦?jìng)爭(zhēng)合作共存的新型模式，當(dāng)進(jìn)水COD波動(dòng)時(shí)，泥膜之間會(huì)自動(dòng)調(diào)整對(duì)COD的依賴性，從而達(dá)到穩(wěn)定系統(tǒng)生態(tài)的目的。而且從圖4(a)可知，在反應(yīng)末期，SRT-L的COD利用效率會(huì)略微高于SRT-H；也側(cè)面說(shuō)明隨著污泥齡的增加，泥膜之間的劣性競(jìng)爭(zhēng)加劇。這是由于在進(jìn)水C/N比較低的條件下，由于污泥濃度的增加，致使懸浮污泥容積負(fù)荷降低。此外，由于微生物主要通過(guò)松散的胞外聚合物(EPS)吸附基質(zhì)以供生長(zhǎng)繁殖，所以松散的絮狀污泥較固定的附著態(tài)生物膜更容易從溶液中獲取COD。因此，在高污泥齡下，生物膜處于競(jìng)爭(zhēng)劣勢(shì)，基質(zhì)的缺乏將導(dǎo)致菌落退化。最終，由于泥膜負(fù)荷的同步降低導(dǎo)致COD利用率隨之下降。
除磷效果如圖4(b)所示。整體上，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，SRT-L和SRT-H除磷效果逐漸穩(wěn)定，但從圖上可以明顯看出SRT-L的除磷效果要優(yōu)于SRT-H；SRT-L的出水TP濃度維持在1.0mg·L-1以下，SRT-H出水TP濃度維持在1.8mg·L-1以下。其主要原因是短污泥齡下排泥量增加，富磷污泥能及時(shí)排出反應(yīng)器，因此聚磷菌的更新?lián)Q代較SRT-H更為頻繁，菌種活性一直保持在較高水平，因此聚磷和吸磷效率比SRT-H更高，TP去除效果更好。
SRT-L和SRT-H脫氮效果如圖4(c)和圖4(d)所示。SRT-L和SRT-H在30d左右對(duì)氨氮的去除率便已趨于穩(wěn)定，出水氨氮濃度都能保持在0.5mg·L-1以下。這也從脫氮的角度證明，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，各項(xiàng)參數(shù)不變的情況下，系統(tǒng)中懸浮態(tài)污泥和附著態(tài)生物膜之間的合作關(guān)系得到進(jìn)一步加強(qiáng)。從圖4(d)可以看出，SRT-L和SRT-H的TN去除率隨時(shí)間的延長(zhǎng)都有不同程度地增加，在60d左右達(dá)到最大。這說(shuō)明隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)，泥膜中脫氮菌的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系逐漸減弱，合作關(guān)系逐步加強(qiáng)，并且合作關(guān)系逐漸占據(jù)主導(dǎo)地位，使得脫氮效率提升。理論上，由于脫氮菌世代周期較長(zhǎng)，因此長(zhǎng)污泥齡下活性污泥的脫氮效率會(huì)更佳。但從圖4(d)可知，SRT-L和SRT-H的TN去除率在30d之后便一直保持同步；且SRT-L的TN去除效果逐漸趨近SRT-H，并在35d左右和SRT-H趨于一致，SRT-L的TN去除率隨時(shí)間增長(zhǎng)的幅度明顯大于SRT-H。結(jié)合圖4(a)可知，這是因?yàn)槲勰帻g的延長(zhǎng)導(dǎo)致泥膜間競(jìng)爭(zhēng)加劇，降低了COD利用率，從而削弱了懸浮態(tài)污泥和附著態(tài)生物膜之間因培養(yǎng)時(shí)間延長(zhǎng)導(dǎo)致的合作關(guān)系，使得TN去除率的增長(zhǎng)幅度減緩。
2.3 IFAS工藝泥膜活性特性研究
在SRT-L和SRT-H穩(wěn)定運(yùn)行60d后，活性污泥與生物膜各項(xiàng)活性指標(biāo)數(shù)據(jù)如表3所示。
由表3可知，穩(wěn)定運(yùn)行后，SRT-L和SRT-H中懸浮態(tài)污泥的硝化活性分別為14.96mg·(g·h)-1和6.73mg·(g·h)-1，而SRT-L和SRT-H中附著態(tài)生物膜的硝化活性分別為290.68mg·(m2 ·h)-1和267.85mg·(m2 ·h)-1.由此可以看出，SRT-L懸浮態(tài)污泥和附著態(tài)生物膜的硝化活性都要優(yōu)于SRT-H。
其中，SRT-L中懸浮污泥的硝化活性比SRT-H高出3倍有余，主要原因?yàn)橐韵聝牲c(diǎn)：①相較低SRT，高SRT下絮體污泥中微生物種間競(jìng)爭(zhēng)加強(qiáng)，因此硝化菌在長(zhǎng)期受抑制的情況下產(chǎn)生退化，導(dǎo)致菌種活性水平降低。②DiBella等研究了膜反應(yīng)器生物量的演變特性，結(jié)果表明在進(jìn)水基質(zhì)缺乏的條件下，懸浮填料上生物膜的脫落和增長(zhǎng)會(huì)加速，從而使懸浮污泥中生物量增加，產(chǎn)生“播種”效應(yīng)，進(jìn)而使懸浮污泥的硝化活性增加；結(jié)合生物膜生物量數(shù)據(jù)可知，SRT-L中生物膜的生物量要明顯高于SRT-H，所以脫落的生物量也會(huì)遠(yuǎn)多于SRT-H，“播種”效應(yīng)增強(qiáng)，提高了整個(gè)系統(tǒng)的硝化能力，使得泥膜間的合作關(guān)系加強(qiáng)。而SRT-L和SRT-H的生物膜硝化活性分別為290.68mg·(m2 ·h)-1和267.85mg·(m2 ·h)-1，差距并不明顯。結(jié)合生物膜生物量數(shù)據(jù)可知，生物膜硝化水平和生物量雖呈正相關(guān)，卻不呈正比；隨著生物量的增加，硝化速率的增幅減緩。由表2可知，這可能是因?yàn)樯锪康脑黾樱沟脩腋≥d體上生物膜逐漸加厚，阻礙基質(zhì)擴(kuò)散，DO傳質(zhì)阻力增大，因此活性降低，硝化速率減緩。
SRT-L和SRT-H中懸浮污泥的反硝化活性分別5.85mg·(g·h)-1和3.11mg·(g·h)-1.由此可見(jiàn)，低SRT條件下懸浮污泥的硝化活性更高。孫月鵬等通過(guò)研究?jī)?nèi)源碳源下活性污泥的反硝化活性，發(fā)現(xiàn)在低SRT條件下，能利用PHB進(jìn)行反硝化的反硝化聚磷菌在活性污泥中的比例會(huì)較大，所以表征為其反硝化速率較高。有研究證明，PHB的積累速率會(huì)隨著SRT的增大而減小。因此可以推斷，SRT-L中利用PHB進(jìn)行反硝化的反硝化聚磷菌相對(duì)生物量多于SRT-H，導(dǎo)致SRT-L中污泥反硝化速率高于SRT-H。另外，上文提及低SRT下生物膜脫落速度增加，因此部分反硝化菌可能隨生物膜脫落進(jìn)入懸浮污泥中，形成“播種”效應(yīng)，造成SRT-L中污泥反硝化速率高于SRT-H。同時(shí)，由于高SRT下系統(tǒng)污泥濃度增加，因此各菌種絕對(duì)數(shù)量也相應(yīng)增加，直接導(dǎo)致對(duì)底物基質(zhì)的競(jìng)爭(zhēng)；由圖4(d)可知，SRT-H在反應(yīng)器運(yùn)行初期便已具備較高的反硝化能力，但之后隨著時(shí)間逐漸降低，在30d反應(yīng)器中泥膜關(guān)系穩(wěn)定后才又逐漸回升；這正好說(shuō)明由于高SRT下微生物生長(zhǎng)代謝較為緩慢，因此長(zhǎng)期競(jìng)爭(zhēng)條件下反硝化菌種發(fā)生退化，導(dǎo)致懸浮污泥硝化活性的降低。而對(duì)生物膜來(lái)說(shuō)，SRT-L和SRT-H的反硝化速率幾乎處于同一水平，相差不大；這說(shuō)明SRT對(duì)生物膜上反硝化菌的影響并不明顯。
SRT-L中懸浮污泥在穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)釋磷和吸磷活性分別為2.66mg·(g·h)-1和1.91mg·(g·h)-1，而SRT-H中懸浮污泥釋磷和吸磷活性則分別為1.99mg·(g·h)-1和1.33mg·(g·h)-1，SRT-L中懸浮污泥的聚磷活性明顯高于SRT-H(表3)。其中主要原因是因?yàn)榫哿拙L(zhǎng)世代較短，因此及時(shí)排出老化富磷污泥可以保證新生代聚磷菌有足夠的生長(zhǎng)空間和營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)，最大程度上維持了整體污泥聚磷活性。此外，有研究表明，溶解氧更豐富時(shí)，聚磷菌生長(zhǎng)速率高，新陳代謝快，整體活性也會(huì)更高。而SRT-L中由于MLSS濃度更低，因此相對(duì)而言DO含量更高，所以懸浮污泥的釋磷和吸磷速率也相對(duì)更高。此外，有研究表明絲狀菌很多時(shí)候都充當(dāng)著活性污泥骨架的作用，絮狀菌則依附在絲狀菌上，從而形成肉眼可見(jiàn)的絮狀懸浮態(tài)污泥。Chudoba等研究了活性污泥絲狀菌的控制方法，結(jié)果表明在低底物濃度下，絲狀菌因其半飽和常數(shù)較低而具有更大的比增殖速率。由于SRT和有機(jī)負(fù)荷成反比例關(guān)系，因此SRT越高時(shí)產(chǎn)生的低底物濃度環(huán)境對(duì)絲狀菌的生長(zhǎng)越有幫助，這就使得聚磷菌和絲狀菌的競(jìng)爭(zhēng)隨著SRT的增加而不斷加劇，直接影響了聚磷菌在系統(tǒng)中的整體活性。
2.4 微生物群落演替特性
在運(yùn)行期間，SRT-L反應(yīng)器中活性污泥(AS)和生物膜(BF)的微生物群落之間存在明顯差異(圖5)。其中， γ-Proteobacteria、Bacteroidia、Clostridia和Chloroflexia為SRT-L活性污泥和生物膜中微生物的主要優(yōu)勢(shì)菌群(圖5)�；钚晕勰嗪蜕锬らg的γ-Proteobacteria相對(duì)豐度變化趨勢(shì)一致，因此可以推斷“播種”效應(yīng)中主要起作用的就是γ-Proteobacteria。Bacilli則是為數(shù)不多的在生物膜中相對(duì)豐度要高于活性污泥的微生物菌群。但Bacilli和γ-Proteobacteria之間有一個(gè)明顯差別，即活性污泥和生物膜中Bacilli相對(duì)豐度呈高度負(fù)相關(guān)，當(dāng)活性污泥中Bacilli相對(duì)豐度增加時(shí)，生物膜上Bacilli則相應(yīng)減少，反之亦然；這說(shuō)明活性污泥和生物膜之間針對(duì)氮源基質(zhì)存在一定競(jìng)爭(zhēng)。有研究表明，Bacilli是一類高效的好氧反硝化菌群，亞硝氮為其主要反硝化氮源，且Bacilli的反硝化速率還會(huì)隨著DO的增高而降低；而生物膜不僅能提供充足的亞硝氮，而且生物膜縱向上存在DO梯度，因此較活性污泥更適合Bacilli生長(zhǎng)，故而生物膜上Bacilli相對(duì)豐度比活性污泥更高。
在SRT-H中， γ-Proteobacteria、Bacteroidia和Chloroflexia為活性污泥和生物膜中微生物的主要優(yōu)勢(shì)菌群(圖6)。在前期，反應(yīng)器內(nèi)微生物生態(tài)尚未穩(wěn)定，生物膜上γ-Proteobacteria迅速增加，并占據(jù)優(yōu)勢(shì)地位；及至中后期，反應(yīng)器逐漸穩(wěn)定，系統(tǒng)內(nèi)好氧微生物種類開(kāi)始增多，且生物膜上氧傳質(zhì)效率明顯低于活性污泥，因此γ-Proteobacteria針對(duì)DO的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)逐漸被削弱，所以相對(duì)豐度逐漸減少。而活性污泥因?yàn)檠鮽髻|(zhì)效率較高，因此在泥膜之間DO競(jìng)爭(zhēng)中占據(jù)優(yōu)勢(shì)地位，所受限制較弱，因而γ-Proteobacteria和活性污泥中其他微生物的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)并未受影響，所以其相對(duì)豐度也呈現(xiàn)一直增長(zhǎng)的趨勢(shì)。在SRT-H中，生物膜上的Bacilli相對(duì)豐度同樣明顯比活性污泥要高，并且也呈一定負(fù)相關(guān)，這表明Bacilli在泥膜之間的競(jìng)爭(zhēng)和SRT關(guān)聯(lián)不大，影響Bacilli菌群相對(duì)豐度的因素主要是DO和氮源。
通過(guò)分析SRT-L和SRT-H泥膜之間微生物的演替規(guī)律，可以明顯發(fā)現(xiàn)，微生物菌群種類會(huì)隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸增加，說(shuō)明系統(tǒng)的生物多樣性在逐漸提高，抗沖擊負(fù)荷能力得以提升，處理效能的穩(wěn)定性得以保障。而相對(duì)SRT-L，后期SRT-H中微生物豐度更高，但所增加的其余微生物種類諸如Vampirivibrionia、Negativicutes和Bdellovibrionia等都不是脫氮除磷功能菌群，因此反而加劇了微生物種間競(jìng)爭(zhēng)，致使相關(guān)功能菌群相對(duì)豐度降低，從而抑制了脫氮除磷活性。
在SRT-L和SRT-H的生物膜中， γ-Proteobacteria作為優(yōu)勢(shì)菌群，其相對(duì)豐度一直在減少，這表明隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)，更適應(yīng)生物膜的微生物種群被篩選出來(lái)，這些微生物對(duì)基質(zhì)的競(jìng)爭(zhēng)導(dǎo)致γ-Proteobacteria的生長(zhǎng)受到抑制，因此γ-Proteobacteria的相對(duì)豐度呈現(xiàn)出逐漸減少的趨勢(shì)。 γ-Proteobacteria作為變形菌的一大類，其中既有硝化菌，也有反硝化菌，因此其種群相對(duì)豐度和脫氮性能緊密相關(guān)。在SRT-L的活性污泥中， γ-Proteobacteria主要來(lái)源于生物膜的“播種”，因此隨生物膜上γ-Proteobacteria相對(duì)豐度的降低而降低；而SRT-H活性污泥中γ-Proteobacteria則因競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)而一直處于增長(zhǎng)；到了后期，SRT-L和SRT-H的活性污泥中γ-Proteobacteria都已趨于穩(wěn)定，維持在20%左右的相對(duì)豐度，但二者的脫氮性能卻有很大差別，造成這種現(xiàn)象的主要原因有2種：①SRT-L中γ-Proteobacteria綱下具體“播種”的菌屬和SRT-H中逐漸增長(zhǎng)的γ-Proteobacteria菌屬不同，因而所表征的活性存在差異；②SRT-L排泥量較大，且生物膜脫落的生物量較多，因此活性污泥中γ-Proteobacteria整體維持在高活性水平，而SRT-H因排泥周期較長(zhǎng)，故而活性污泥中γ-Proteobacteria菌群老化，處理效能相對(duì)SRT-L降低。
2.5 屬水平上優(yōu)勢(shì)微生物和主要功能菌
圖7(a)和7(b)分別為穩(wěn)定運(yùn)行后(60d)活性污泥和生物膜中屬水平下顯著差異性分布。在穩(wěn)定運(yùn)行后，SRT-L和SRT-H中優(yōu)勢(shì)菌屬存在較大差異。在SRT-H活性污泥中，非功能菌的相對(duì)豐度比SRT-L多了將近13%。這表明在SRT-H活性污泥中，功能菌和非功能菌之間的競(jìng)爭(zhēng)遠(yuǎn)比SRT-L活性污泥激烈，而這種競(jìng)爭(zhēng)直接淘汰了部分優(yōu)勢(shì)不明顯的功能菌屬，使得整體的脫氮除磷性能降低。
結(jié)合活性污泥和生物膜優(yōu)勢(shì)菌屬對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)(圖7)， unclassified_f -Enterobacteriaceae和Acinetobacter為生物膜“播種”的主要菌屬，而且這幾種菌屬均屬于γ-Proteobacteria，和之前的分析一致。但SRT-L和SRT-H之間播種的具體優(yōu)勢(shì)菌屬卻存在較大差別。其中unclassified_f -Enterobacteriaceae為SRT-L中主要的“播種”菌屬。當(dāng)前已有研究表明Enterobacteriaceae為異氧硝化菌的一類；王新等的研究從養(yǎng)殖水體、活性污泥和農(nóng)村河道水體中定向篩選出1株屬于Enterobacteriaceae的氨氧化細(xì)菌，該菌表現(xiàn)出極高的硝化活性；由于實(shí)驗(yàn)進(jìn)水水質(zhì)與其相似，且氨氧化菌較為脆弱容易剝落，因此推測(cè)兩反應(yīng)器中檢測(cè)到的unclassified_f -Enterobacteriaceae可能為Enterobacteriaceae科下和該菌屬功能近似的氨氧化細(xì)菌。 Acinetobacter則為SRT-H中主要的“播種”菌屬；有研究表明， Acinetobacter為異養(yǎng)硝化-好氧反硝化菌群(heterotrophicnitrification-aerobicdenitrification，HN-AD)之一。但其中只有部分菌種被證明確實(shí)存在反硝化功能。而SRT-L和SRT-H之所以呈現(xiàn)出具體“播種”菌屬的差別，根本原因在于傳統(tǒng)硝化-反硝化菌和異養(yǎng)硝化-好氧反硝化菌之間的代謝規(guī)律不同；傳統(tǒng)硝化-反硝化菌對(duì)于營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)和DO更加依賴，且世代周期更長(zhǎng)，因此短污泥齡下生物膜中的傳統(tǒng)硝化-反硝化菌相對(duì)豐度明顯最高；而和傳統(tǒng)硝化-反硝化菌相比，HN-AD菌不僅具有更快的生長(zhǎng)速度，而且可以利用各種碳基質(zhì)作為異養(yǎng)硝化的能源和電子來(lái)源，因此在低有機(jī)負(fù)荷的高SRT下生長(zhǎng)優(yōu)勢(shì)更加明顯。此外，Jin等的研究發(fā)現(xiàn)，HN-AD菌雖然具備在好氧條件下進(jìn)行反硝化的能力，但高濃度DO還是會(huì)抑制其反硝化活性，DO的變化會(huì)通過(guò)抑制硝化-反硝化相關(guān)基因的表達(dá)影響著HN-AD菌異養(yǎng)硝化-好氧反硝化功能的發(fā)揮。因此，和DO呈反比的高SRT成為了HN-AD菌絕佳的生長(zhǎng)條件。
對(duì)兩反應(yīng)器活性污泥中平均豐度前15種優(yōu)勢(shì)菌屬進(jìn)行顯著差異性分析；SRT-L中，這15種菌相對(duì)豐度總和只有39%，其中硝化菌為7.25%，反硝化菌為8.53%，聚磷菌為3.22%，非功能菌相對(duì)豐度為20%；SRT-H中，這15種菌屬相對(duì)豐度總和達(dá)到了57%，其中硝化菌為3.78%，反硝化菌為22.01%，聚磷菌為0.32%，非功能菌相對(duì)豐度為32.89%。結(jié)合功能基因豐度圖可知，活性污泥中仍有大量功能菌在此15種優(yōu)勢(shì)菌屬之外，即硝化菌的分布較為分散；相對(duì)而言，SRT-L比SRT-H中功能菌分布更為分散，因此其抗沖擊能力較好，這也是SRT-L反應(yīng)器中污染物去除效果一直優(yōu)于SRT-H的重要原因。在這15種優(yōu)勢(shì)菌屬中， Acinetobacter、norank_f-Caldilineaceae、Chryseobacterium和unclassified_o-Xanthomonadales為反硝化菌， unclassified_f-Enterobacteriaceae為硝化菌， Comamonas兼有氨氧化、硝化和反硝化這3種功能， Clostridium_sensu_stricto_ 13為聚磷菌；其中硝化菌和聚磷菌相對(duì)豐度均表征為SRT-L高于SRT-H，和污泥活性表征結(jié)果相同；而反硝化菌相對(duì)豐度卻和污泥活性表征存在差異，這是由于反硝化菌中占比較高的Acinetobacter和Chryseobacterium既是具有部分反硝化能力的好氧反硝化菌屬，同時(shí)也是主要的絲狀菌屬，因此其相對(duì)豐度對(duì)系統(tǒng)中污泥整體反硝化活性影響并不大，并且SRT-L中功能菌分布較為分散，因此仍有部分反硝化菌在此15種優(yōu)勢(shì)菌屬外未被統(tǒng)計(jì)。通過(guò)對(duì)比屬水平下兩種SRT活性污泥中脫氮菌和聚磷菌的相對(duì)豐度，可以發(fā)現(xiàn)，活性污泥中脫氮菌對(duì)于聚磷菌的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)隨著SRT的增加而增加，其主要原因還是因?yàn)榫哿拙纳L(zhǎng)世代較短，因此更適合低SRT，且低SRT能有效抑制部分脫氮菌的生長(zhǎng)。
對(duì)兩反應(yīng)器生物膜中平均豐度前15種優(yōu)勢(shì)菌屬進(jìn)行顯著差異性分析。這15種優(yōu)勢(shì)菌屬大部分屬于γ-Proteobacteria和Bacteroidia，在SRT-L和SRT-H生物膜中占比約為75%左右；其中， unclassified_f-Enterobacteriaceae、Comamonas和Escherichia-Shigella為硝化菌； Acinetobacter、Comamonas、Chryseobacterium、Enterobacter、Bacillus、Pseudomonas、Rhodobacter、Thermomonas和Microvirgula為反硝化菌；生物膜中未見(jiàn)傳統(tǒng)聚磷功能菌， Bacillus雖為反硝化聚磷菌，但其聚磷能力十分有限；這是因?yàn)楦街鴳B(tài)生物膜SRT較高，而傳統(tǒng)聚磷菌由于世代周期較短，因此難以在生物膜上存活。在這15種優(yōu)勢(shì)菌屬中，SRT-L中硝化菌相對(duì)豐度約為25.76%，反硝化菌相對(duì)豐度約為14.06%；SRT-H中硝化菌相對(duì)豐度則為23.36%，反硝化菌相對(duì)豐度約為19.89%，和生物膜活性表征趨勢(shì)一致。整體來(lái)看，硝化菌因附著在生物膜表層，因此在接觸營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)和反應(yīng)底物等方面比生物膜內(nèi)層的反硝化菌更有優(yōu)勢(shì)，呈現(xiàn)出相對(duì)豐度更高、功能基因更多的情況；但兩種SRT下生物膜中的硝化-反硝化功能菌總體活性和檢測(cè)出的功能基因數(shù)量差異并不大，這表明運(yùn)行穩(wěn)定后，生物膜在泥膜競(jìng)爭(zhēng)中所受限制和影響并未隨SRT的增加而增強(qiáng)。
對(duì)比活性污泥和生物膜的優(yōu)勢(shì)菌屬可以發(fā)現(xiàn)，在反應(yīng)器運(yùn)行后期，泥膜之間的優(yōu)勢(shì)微生物種類產(chǎn)生了較大差別，這是由于進(jìn)水為低碳原水，因此在基質(zhì)匱乏的條件下，泥膜之間產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)的結(jié)果。其中Comamonas菌相對(duì)豐度在泥膜間差異最為明顯； Comamonas菌相對(duì)豐度在活性污泥相中表征為SRT-H高于SRT-L，這表明Comamonas菌受SRT影響較大；而在生物膜相中， Comamonas菌相對(duì)豐度則表征為SRT-L高于SRT-H，且膜相中Comamonas菌相對(duì)豐度均高于泥相。有研究表明， Comamonas菌世代周期較長(zhǎng)；此外，從兩反應(yīng)器膜相中Comamonas菌相對(duì)豐度對(duì)比可知，有機(jī)負(fù)荷和DO同樣影響該菌在體系中生長(zhǎng)。 Chryseobacterium作為1種好氧反硝化菌，同時(shí)也是絲狀菌，因而其對(duì)泥齡較為敏感；在泥相中，SRT-H反應(yīng)器內(nèi)Chryseobacterium菌相對(duì)豐度遠(yuǎn)高于SRT-L，而在膜相中，SRT-H反應(yīng)器內(nèi)Chryseobacterium菌相對(duì)豐度也略高于SRT-L，這表明SRT-L中膜相的泥齡受泥相泥齡影響，其附著態(tài)生物膜的停留時(shí)間也隨污泥齡的減小而減小，進(jìn)而影響了Chryseobacterium菌的生長(zhǎng)；因此說(shuō)明，IFAS工藝中泥膜互作不僅體現(xiàn)在微生物種間互作，即膜相對(duì)泥相的“播種”效應(yīng)，泥相同時(shí)也會(huì)反作用于膜相，主要體現(xiàn)在泥齡等物相表征。
從功能基因豐度圖可知，總體上，生物膜上的異養(yǎng)微生物和好氧微生物數(shù)量高于活性污泥，其中SRT-L活性污泥中異養(yǎng)微生物和好氧微生物數(shù)量要遠(yuǎn)多于SRT-H，而SRT-L生物膜中異養(yǎng)微生物和好氧微生物數(shù)量卻和SRT-H相差不大，這說(shuō)明在反應(yīng)器運(yùn)行后期，泥膜之間的競(jìng)爭(zhēng)已從一開(kāi)始的以活性污泥為主導(dǎo)轉(zhuǎn)變?yōu)橐陨锬橹鲗?dǎo)，生物膜由于在攝取營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)和DO等方面長(zhǎng)期被活性污泥壓制，因此逐漸富集了一大批適合在低基質(zhì)和DO條件下生存的微生物，所以在反應(yīng)器運(yùn)行后期逐漸占據(jù)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)地位。
3、結(jié)論
(1)通過(guò)改變反應(yīng)器內(nèi)活性污泥泥齡，發(fā)現(xiàn)橫向上SRT的增加會(huì)直接導(dǎo)致泥膜間競(jìng)爭(zhēng)加劇，從而使得不同SRT下篩選出的優(yōu)勢(shì)菌屬種類存在較大差別，整個(gè)系統(tǒng)中微生物結(jié)構(gòu)發(fā)生轉(zhuǎn)變；在低SRT下，反應(yīng)體系內(nèi)有機(jī)碳和總磷去除效能隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸提升，總氮去除效能則先降低后升高；高SRT條件下污染物去除效能變化趨勢(shì)和低SRT大體一致。但整體而言，穩(wěn)定運(yùn)行后，低SRT下污染物去除效能明顯優(yōu)于高SRT。
(2)通過(guò)分析污泥活性轉(zhuǎn)移特性，發(fā)現(xiàn)在變SRT條件下，SRT-H中泥膜之間的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系較SRT-L更激烈。反應(yīng)器內(nèi)污泥濃度隨著SRT的增大而增加，SRT-H中微生物濃度大于SRT-L，因此有機(jī)負(fù)荷較SRT-L更低，導(dǎo)致篩選出的功能菌菌屬和SRT-L呈現(xiàn)出較大差異；同時(shí)，由于SRT-H中微生物長(zhǎng)期處于低DO和低有機(jī)負(fù)荷條件，因此種群明顯老化，活性較SRT-L更低。
(3)IFAS工藝功能菌在泥膜兩相間會(huì)隨著SRT的變化而發(fā)生富集轉(zhuǎn)移；這種功能菌的富集轉(zhuǎn)移作為泥膜間合作的主要方式，在SRT-L中較SRT-H更明顯。SRT-L中，“播種”效應(yīng)主要為unclassified_g-Enterobacteriaceae；SRT-H中則主要是Acinetobacter。
(4)通過(guò)分析反應(yīng)器內(nèi)優(yōu)勢(shì)功能菌屬相對(duì)豐度，發(fā)現(xiàn)在變SRT條件下，IFAS工藝活性污泥中脫氮菌相對(duì)于聚磷菌的生長(zhǎng)優(yōu)勢(shì)會(huì)隨著反應(yīng)器SRT的增加而增加，這種優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)為好氧反硝化菌相對(duì)豐度的增加；此外，泥相的SRT變化會(huì)反作用于膜相，使得生物膜的停留時(shí)間相應(yīng)發(fā)生改變，從而改變菌群結(jié)構(gòu)，篩選出不同優(yōu)勢(shì)菌屬，進(jìn)一步加大差異。（來(lái)源：廣州大學(xué)土木工程學(xué)院，陽(yáng)江市第一凈水有限公司）
