反冲洗对曝气生物滤池运行效能和微生物群落结构的影响

１２６　　给水排水　Ｖｏｌ．４１　增刊　２０１５反冲洗对曝气生物滤池运行效能和微生物群落结构的影响窦娜莎１　李世峰２　王　琳１（１中国海洋大学环境科学与工程学院，青岛　２６６１００；２上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海　２０００９２）　　摘要　采用Ｂｉｏｓｔｙｒ曝气生物滤池处理城市污水，考察反冲洗周期的各个阶段处理效果与其微生物群落结构的变化情况。结果表明：反冲洗对ＣＯＤ的去除率影响很小，ＣＯＤ出水水质稳定；反冲洗结束５ｈ后ＮＨ３－Ｎ去除率逐渐提高，反冲洗结束２１ｈ后去除率开始降低，至反冲洗后２４ｈＮＨ３－Ｎ去除率降低至６０％以下；反冲洗结束２２ｈ后滤池内发生“穿透”现象，ＳＳ去除率迅速降低。ＰＣＲ－ＤＧＧＥ分析表明，反冲洗结束初期，很多种群失去生态位优势而被淘汰，滤池内的菌群结构变得简单。定量ＰＣＲ结果表明，反冲洗对世代时间较长的硝化细菌影响较大，菌群丰度恢复至反冲洗前的最佳状态的时间大于１２ｈ。关键词　Ｂｉｏｓｔｙｒ　曝气生物滤池　反冲洗　运行效能　微生物群落结构国家水体污染控制与治理科技重大专项（２００８ＺＸ０７０１０－００８－０４）；山东省科技攻关项目（２００９ＧＧＢ０１０１２）。０　前言曝气生物滤池工艺（ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ　ａｅｒａｔｅｄ　ｆｉｌｔｅｒ，ＢＡＦ）是在生物接触氧化工艺的基础上引入饮用水处理中的过滤思想而产生的一种好氧污水生物处理工艺［１］，集物理截滤、生物吸附、氧化于一体，具有占地小、处理效果好、耐冲击负荷、工艺流程简单和菌群结构合理等优点［２］。曝气生物滤池运行一段时间后，填料上面附着的生物膜不断增厚，必然导致滤床孔隙率降低，氧传递速率减小，影响微生物的繁殖，表现为水头损失增加、出水水量减小、水质恶化。因此，必须定期对滤池进行反冲洗，维持其正常的处理功能。然而，反冲洗会导致填料生物膜一定程度的混合，影响反应器的生化功能，反冲洗方式及强度选择不当，如反冲洗过于频繁或强度过高，反冲洗后曝气生物滤池出水水质会受到一定影响，所以，选择合适的反冲洗条件是保证曝气生物滤池高效运行的基本要素，是曝气生物滤池工艺的关键控制参数之一［３］。本研究以青岛市麦岛污水处理厂Ｂｉｏｓｔｙｒ　ＢＡＦ为研究载体，连续监测反冲洗周期的各个阶段滤池对主要污染物的去除情况，并采用ＰＣＲ－ＤＧＧＥ和ｑＰＣＲ等分子生物学方法分析滤料层中微生物群落结构、总细菌菌群密度和硝化细菌菌群密度的变化情况，从化学指标和微生物群落两个角度评价反冲洗对滤池群落结构的影响。１　材料与方法１．１　Ｂｉｏｓｔｙｒ　ＢＡＦ工艺青岛市麦岛污水处理厂采用Ｂｉｏｓｔｙｒ工艺，设计规模１４万ｍ３／ｄ，共设有８座滤池单元，单池有效尺寸１３．８１ｍ×１６．７０ｍ×８．１２ｍ，有效面积２３１ｍ２，最大滤速７．７ｍ／ｈ；滤池内填充ｂｉｏｓｔｙｒｅｎｅ轻质滤料，平均粒径６ｍｍ，相对密度小于１，滤料厚度３．５ｍ，滤料体积７　２００ｍ３。Ｂｉｏｓｔｙｒ　ＢＡＦ结构如图１所示，由进水渠道、滤池单元、曝气单元、出水渠道、反冲洗废水收集池组成［４］。１．２　进水水质青岛市麦岛污水处理厂的上游水属于城市污水，包括生活污水及少量工业废水，Ｂｉｏｓｔｙｒ　ＢＡＦ进水为水厂强化预处理沉淀池Ｍｕｌｔｉｆｌｏ出水，水质情况见表１。表１　Ｂｉｏｓｔｙｒ　ＢＡＦ进水水质指标最高值最低值平均值ＣＯＤ／ｍｇ／Ｌ　１３０．６　９７．３　１１６．４ＮＨ３－Ｎ／ｍｇ／Ｌ　３９．９　１９．７　３０．１ＳＳ／ｍｇ／Ｌ　９２　２１　４３ｐＨ　７．６　６．７　７．２１．３　理化指标的测定水质分析方法采用《水和废水监测分析方法》DOI:10.13789/j.cnki.wwe1964.2015.0359给水排水　Ｖｏｌ．４１　增刊　２０１５１２７　　图１　Ｂｉｏｓｔｙｒ　ＢＡＦ工艺示意［５］（第４版）［４］，其中ＣＯＤ采用重铬酸钾比色法；ＮＨ３－Ｎ采用纳氏试剂分光光度法；ＳＳ采用过滤称重法；ｐＨ采用仪器直读法。１．４　微生物群落结构分析１．４．１　ＤＮＡ提取采用细菌基因组提取试剂盒（北京天根，ＤＰ３０２），按说明书所述步骤操作，提取ＤＮＡ，－２０℃保存备用。１．４．２　ＰＣＲ－ＤＧＧＥＰＣＲ扩增引物为ＧＣ３３８Ｆ（５’－ＣＧＣ　ＣＣＧＧＧＧ　ＣＧＣ　ＧＣＣ　ＣＣＧ　ＧＧＧ　ＣＧＧ　ＧＧＣ　ＧＧＧ　ＧＧＣＧＣＧ　ＧＧＧ　ＧＧＣ　ＣＴＡ　ＣＧＧ　ＧＡＧ　ＧＣＡ　ＧＣＡ　Ｇ－３’）和５１８Ｒ（５’－ＡＴＴ　ＡＣＣ　ＧＣＧ　ＧＣＴ　ＧＣＴ　ＧＧ－３’）。ＰＣＲ反应采用５０μＬ反应体系，其组分为：１０×ｂｕｆｆｅｒ，５μＬ；Ｔａｑ　ＤＮＡ聚合酶，０．４μＬ；２．５ｍｍｏｌ　ｄＮＴＰ，３．２μＬ；引物，各２μＬ；模版ＤＮＡ，２μＬ；ｄｄＨ２Ｏ，３５．４μＬ。ＰＣＲ反应参数为：首先，９４℃预变性５ｍｉｎ；然后，９４℃变性３０ｓ，５５℃退火３０ｓ，７２℃延伸３０ｓ，３０个循环；最后，７２℃，延伸１０ｍｉｎ，冷却至４℃。将ＰＣＲ样品５μＬ与１０×ｂｕｆｆｅｒ混合，采用Ｂｉｏ－ｒａｄ突变检测系统，用８％的聚丙烯酰胺凝胶，变性剂浓度为３０％～６０％，１５０Ｖ６０℃下电泳４ｈ。ＤＧＧＥ完毕后采用银染法染色，获得ＤＧＧＥ指纹图谱。１．４．３　ｑＰＣＲ分析Ｂａｃｔｅｒｉａ、ＡＯＢ、Ｎｉｔｒｏｂａｃｔｅｒ和Ｎｉｔｒｏｓｐｉｒａ引物信息如表２所示。ｑＰＣＲ方法采用２５μＬ扩增体系：２×ＴｒａｎｓＳｔａｒｔＴＭ　ｑＰＣＲ　ＳｕｐｅｒＭｉｘ，１２μＬ；５μＭ引物各１μＬ；ＤＮＡ模板２μＬ；ｄｄＨ２Ｏ，９μＬ。定量ＰＣＲ扩增条件为９５℃预变性５ｍｉｎ，９５℃３０ｓ，退火温度１５ｓ（退火温度：总细菌５７℃，ＡＯＢ５５℃，Ｎｉｔｒｏｂａｃｔｅｒ　５０℃，Ｎｉｔｒｏｓｐｉｒａ　６５℃），７２℃２０ｓ，进行４０个循环。表２　ｑＰＣＲ实验引物列表［７～９］试验组引物序列Ｂａｃｔｅｒｉａｌ１６ＳｒＤＮＡ１２１ｆ５’－ＡＧＧＡＡＧＧＴＧＧＧＧＡＴＧＡＣ－３’２３８ｒ５’－ＣＧＧＣＴＴＴＣＴＧＧＧＡＴＴＧＧ－３’ＡＯＢＣＴＯ１８９ｆＡ／Ｂ　５’－ＧＧＡＧＲＡＡＡＧＣＡＧＧＧＧＡＴＣＧ－３’ＣＴＯ１８９ｆＣ　５’－ＧＧＡＧＧＡＡＡＧＴＡＧＧＧＧＡＴＣＧ－３’ＲＴ１ｒ５’－ＣＧＴＣＣＴＣＴＣＡＧＡＣＣＡＲＣＴＡＣＴＧ－３’ＮｉｔｒｏｂａｃｔｅｒＦＧＰＳ８７２－ｆ　５’－ＣＴＡＡＡＡＣＴＣＡＡＡＧＧＡＡＴＴＧＡ－３’ＦＧＰＳ１２６９－ｒ　５’－ＴＴＴＴＴＴＧＡＧＡＴＴＴＧＣＴＡＧ－３’ＮｉｔｒｏｓｐｉｒａＮＳＲ１１１３ｆ５’－ＣＣＴＧＣＴＴＴＣＡＧＴＴＧＣＴＡＣＣＧ－３’ＮＳＲ１２６４ｒ５’－ＧＴＴＴＧＣＡＧＣＧＣＴＴＴＧＴＡＣＣＧ－３’２　结果与讨论２．１　反冲洗对处理效果的影响青岛市麦岛污水处理厂曝气生物滤池是根据滤池水头损失（控制在０．７～０．８ｍ）确定反冲洗周期，为２２～２８ｈ，本试验考察反冲洗对滤池主要污染物去除效果的影响，从反冲洗结束时开始取样，每小时取一次，直至下一次反冲洗结束（取５个周期平均值）。２．１．１　反冲洗对ＣＯＤ去除率的影响反冲洗后ＣＯＤ去除情况如图２所示，反冲洗之后曝气生物滤池进水ＣＯＤ为１３７．６～２６８．１ｍｇ／Ｌ，平均浓度２０７．３ｍｇ／Ｌ，ＣＯＤ出水浓度较稳定，均低于６０ｍｇ／Ｌ，保持了稳定的去除效果，表明反冲洗对ＣＯＤ的去除率影响很小，也证明了曝气生物滤池具有良好的抗冲击负荷能力。２．１．２　反冲洗对ＮＨ３－Ｎ去除率的影响反冲洗后ＮＨ３－Ｎ去除情况如图３所示，可以发现，反冲洗后５ｈ内，滤池对ＮＨ３－Ｎ的去除率逐渐升高，表明氨氮的去除能力在反冲洗５ｈ后即得以恢复；５～２１ｈ这段时间，ＮＨ３－Ｎ的去除率保持相对稳定状态；反冲洗结束的２１ｈ之后，ＮＨ３－Ｎ去除率开始降低，出水水质恶化；至反冲洗后２４ｈＮＨ３－Ｎ去除率低于６０％，此时须对滤池进行反冲洗。１２８　　给水排水　Ｖｏｌ．４１　增刊　２０１５图２　反冲洗后ＣＯＤ的去除效果图３　反冲洗后ＮＨ３－Ｎ的去除效果２．１．３　反冲洗对ＳＳ去除率的影响图４反映了反冲洗对ＳＳ去除率的影响。可以看出，曝气生物滤池进水ＳＳ的值变化较大，但是，出水的ＳＳ浓度较为稳定，在反冲洗周期末期（２２ｈ以后）ＳＳ的去除率开始降低，表明滤池需要进行反冲洗，因此，为了减少反冲洗的频率，预处理构筑物对ＳＳ控制的精度还需进一步提高。图４　反冲洗后ＳＳ的去除效果２．２　反冲洗对微生物群落结构的影响Ｂｉｏｓｔｙｒ　ＢＡＦ滤池反冲洗结束后２ｈ、１２ｈ和２２ｈ，分别选择滤池滤层下部（距池底（１００ｍｍ）中部（距池底２００ｍｍ）和上部（距池底３００ｍｍ）生物膜生长较好的滤料，取出，用蒸馏水轻轻清洗后，用试剂勺刮取滤料表面的生物膜，混和后溶于无菌水中待用。采用ＰＣＲ－ＤＧＧＥ法分析微生物群落结构的演替，凝胶电泳结果如图５所示，３条泳道上一共观察到１３条不同的条带，图５ｂ是以第１条泳道为标准做出的条带泳道识别图。可以看出：①３个泳道的条带数分别为７条、８条和１１条，说明随着反冲洗结束时间的推移，滤池内的群落多样性逐渐丰富；②条带１，３，９，１０，１２，１３在反冲洗前后均存在，说明其所代表的菌群受反冲洗的影响较小，其中条带１和条带１２代表的菌种在３个泳道的信号均较强，说明其是曝气生物滤池内的优势菌种；③条带２，４，５，６，８在２ｈ泳道中不存在，其中条带５存在于１２ｈ和２２ｈ泳道中，而其他４个条带仅存在于２２ｈ泳道中，说明这些菌种受反冲洗的影响较大，是随着反冲洗结束而逐渐恢复优势的菌种；④条带７只在２ｈ泳道中被检出，而条带１１只出现在１２ｈ泳道，即在反冲洗结束后的不同时间段存在特征条带。图５　生物膜ＤＧＧＥ图谱根据戴斯系数计算出各泳道简单的相似性结果见表３，可以看出泳道２ｈ和泳道１２ｈ之间的相似度较大，为７１．５％，泳道１２ｈ和泳道２２ｈ的相似度仅为５０．９％，说明反冲洗对ＢＡＦ的群落结构有显著影响，由于硝化细菌等时代时间较长的菌种受反冲洗的影响较大，滤池内菌群丰度恢复至最佳状态的时间大于１２ｈ。因此，控制好滤池的反冲洗强度和频率是ＢＡＦ高效运行的关键环节。２．３　反冲洗对菌群密度的影响给水排水　Ｖｏｌ．４１　增刊　２０１５１２９　　２．３．１　总细菌菌群密度变化表３　不同条带的相似性矩阵Ｌａｎｅ　２ｈ１２ｈ２２ｈ２ｈ１００　７１．５　５８．４１２ｈ７１．５　１００　５０．９２２ｈ５８．４　５０．９　１００　　利用特异性引物（见表２）对已提取的ＤＮＡ中总细菌进行Ｒｅａｌ－ｔｉｍｅ　ＰＣＲ定量，计算得到反冲洗前后总细菌菌群密度的定量结果，如表４所示。定量ＰＣＲ结果表明，反冲洗后，滤池内的细菌总数逐渐恢复，２２ｈ后ＢＡＦ中的总细菌数量最高。表４　曝气生物滤池中Ｂａｃｔｅｒｉａ浓度（拷贝数／５００μＬ样本）细菌类别反冲洗结束后的时间２ｈ１２ｈ２２ｈ细菌数量５．６６×１０７　１．２８×１０８　１．７９×１０８２．３．２　硝化细菌菌群密度变化利用３对特异性引物分别对生物膜样品ＤＮＡ中ＡＯＢ、Ｎｉｔｒｏｂａｃｔｅｒ和Ｎｉｔｒｏｓｐｉｒａ进行Ｒｅａｌ－ｔｉｍｅＰＣＲ定量，计算得到反冲洗前后ＡＯＢ、和ＮＯＢ的定量结果，如表５所示。试验数据表明：①ＡＯＢ菌群密度在反冲洗结束后１２ｈ内菌群密度逐增，而后渐减，反冲洗结束１２ｈ时的密度为４．５４×１０６拷贝数／５００μＬ样本；②Ｎｉｔｒｏｂａｃｔｅｒ菌群密度随时间的推移而逐渐增大，在滤池反冲洗结束２２ｈ后达到６．９４×１０６拷贝数／５００μＬ样本；③反冲洗结束后Ｎｉｔｒｏｓｐｉｒａ菌群密度则呈现先减小后增大的变化趋势，在反冲洗结束１２ｈ时密度最小为１．５６×１０６拷贝数／５００μＬ样本。说明，反冲洗对世代时间较长的硝化细菌影响较大。表５　曝气生物滤池中ＡＯＢ、Ｎｉｔｒｏｂａｃｔｅｒ和Ｎｉｔｒｏｓｐｉｒａ浓度（拷贝数／５００μＬ样本）细菌类别反冲洗结束后的时间２ｈ１２ｈ２２ｈＡＯＢ　２．３２×１０６　４．５４×１０６　４．０５×１０６Ｎｉｔｒｏｂａｃｔｅｒ　３．６８×１０６　５．５４×１０５　６．９４×１０６Ｎｉｔｒｏｓｐｉｒａ　８．２６×１０６　１．５６×１０６　５．３０×１０６３　结论青岛市麦岛