吳 恒，張 千*，劉向陽，李 宸,，念海明，趙天濤，張麗杰

1.重慶理工大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，重慶 400054 2.重慶川儀環(huán)境科技有限公司，重慶 401121

畜禽養(yǎng)殖污染已經(jīng)成為農(nóng)業(yè)面源污染的主要來源[1].其中，畜禽養(yǎng)殖廢水屬于ρ(SS)、ρ(CODCr)和ρ(NH4+-N) “三高”的有機(jī)廢水[2]，由于其處理成本高，處理難度大，大量未經(jīng)處理的畜禽養(yǎng)殖廢水直接排放，對(duì)農(nóng)村生態(tài)和環(huán)境造成嚴(yán)重破壞[3-4].如何高效處理該類廢水，已成為制約畜禽養(yǎng)殖業(yè)綠色生態(tài)發(fā)展的瓶頸.對(duì)于規(guī)?；笄蒺B(yǎng)殖廢水，目前國(guó)內(nèi)外采用的成熟處理工藝主要是厭氧-好氧聯(lián)合或厭氧-自然處理聯(lián)合工藝[5-9]，養(yǎng)殖廢水經(jīng)過厭氧發(fā)酵處理后，雖然大部分CODCr被去除，但NH4+-N只是形態(tài)發(fā)生變化，濃度仍然很高，造成了低碳高氮沼液的產(chǎn)生，導(dǎo)致C/N嚴(yán)重失調(diào)，脫氮效果差[10].好氧工藝發(fā)展已經(jīng)成熟，但其在處理沼液時(shí)由于微生物耐高ρ(NH4+-N)性能差、碳源不足而導(dǎo)致后續(xù)工藝流程復(fù)雜、處理成本高和脫氮效果差等實(shí)際問題[11-12]，鑒于此，該研究提出基于異養(yǎng)硝化-好氧反硝化脫氮技術(shù)(簡(jiǎn)稱“HN-AD技術(shù)”)的新型脫氮工藝.

HN-AD技術(shù)通過易培養(yǎng)的異養(yǎng)型單一菌種HN-AD菌(異養(yǎng)硝化-好氧反硝化菌)使得異養(yǎng)硝化和好氧反硝化在好氧條件下同時(shí)進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)CODCr、NH4+-N、NO2--N和NO3--N的同步有效去除.與現(xiàn)有的一些傳統(tǒng)及新型脫氮技術(shù)[13-16]相比，其具有生長(zhǎng)速率快、培養(yǎng)周期短、極端環(huán)境耐受性能強(qiáng)、運(yùn)行條件單一、運(yùn)維控制簡(jiǎn)單、適應(yīng)范圍廣、處理效率高等優(yōu)點(diǎn)[17-18]，因此更適用于養(yǎng)豬廢水處理.但目前該技術(shù)的研究主要集中在HN-AD菌的分離篩選、鑒定及性能驗(yàn)證等方面[19-22]，而關(guān)于該菌工程應(yīng)用方面的研究卻鮮見報(bào)道，同時(shí)，HN-AD菌在自然環(huán)境中數(shù)量少、功能單一以及難以在傳統(tǒng)處理系統(tǒng)中富集等問題進(jìn)一步限制了HN-AD技術(shù)的應(yīng)用.

針對(duì)上述問題，該研究采用前期篩選出的兼具高ρ(NH4+-N)耐受性和高脫氮效率的HN-AD菌對(duì)生物轉(zhuǎn)盤工藝[23-25]進(jìn)行生物強(qiáng)化，重點(diǎn)考察了強(qiáng)化污泥掛膜和菌劑掛膜兩種不同生物強(qiáng)化方式對(duì)該工藝啟動(dòng)時(shí)間、碳耗、能耗及其對(duì)真實(shí)畜禽養(yǎng)殖廢水處理效果的影響，并分別采用SEM (掃描電鏡)和Illumina MiSeq測(cè)序技術(shù)分析對(duì)比了生物膜表面微觀形態(tài)和生物膜中微生物多樣性的差異，以期為HN-AD技術(shù)的工程化應(yīng)用提供理論及實(shí)踐基礎(chǔ).

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置

如圖1所示，強(qiáng)化污泥掛膜和菌劑掛膜反應(yīng)器均采用相同的試驗(yàn)裝置，反應(yīng)器所用盤片(3D-RBC)由重慶川儀環(huán)境科技有限公司提供，反應(yīng)器池體由厚度5 mm的有機(jī)玻璃構(gòu)成，有效體積18.5 L，盤片分為4級(jí)，每級(jí)盤片直徑為30 cm，厚7 cm，材質(zhì)為聚丙烯，浸沒率為40%，反應(yīng)器由低速電機(jī)啟動(dòng).

圖1 生物轉(zhuǎn)盤工藝試驗(yàn)裝置流程Fig.1 Schematic diagram of rotating biological contractor process experiment device

1.2 試驗(yàn)用水

如表1所示，試驗(yàn)用水采用自來水配置，均以無水乙酸鈉為碳源，以硫酸銨為氮源，以磷酸氫二鉀為磷源，同時(shí)添加微量元素以保證反應(yīng)器內(nèi)細(xì)菌的正常生長(zhǎng)，每升配水添加5 mL微量元素，微量元素成分為MgSO4·7H2O 2 g/L，MnSO4·H2O 0.1 g/L，CaCl21.5 g/L，F(xiàn)eSO4·7H2O 0.1 g/L.

1.3 研究方法

試驗(yàn)過程分為3個(gè)階段，即掛膜啟動(dòng)階段、參數(shù)優(yōu)化階段、處理真實(shí)廢水階段.

第Ⅰ階段，掛膜啟動(dòng)階段.條件控制在溫度為25～30 ℃，盤片線速度為7.5 m/min，HRT (水力停留時(shí)間)為24 h，ρ(DO)為3 mg/L，pH范圍為7.5～8.0.

表1 各階段試驗(yàn)用水Table 1 Wastewater in each stage

菌劑掛膜方式：前1～15 d為序批式運(yùn)行，第1天向生物轉(zhuǎn)盤反應(yīng)器中接種OD600 nm(表征菌液濃度的吸光度值)為1.2的HN-AD菌液18.5 L，分別在第2、6、11、15天間歇補(bǔ)加5%有效體積菌液的方式實(shí)現(xiàn)掛膜，菌液ρ(NH4+-N)為500 mg/L，期間檢測(cè)NH4+-N去除率及OD600 nm的變化；第16～19天為連續(xù)流穩(wěn)定運(yùn)行，條件保持不變.強(qiáng)化污泥掛膜方式：向反應(yīng)器中接種活性污泥18.5 L，前2 d進(jìn)行悶曝；第3天開始改成連續(xù)流運(yùn)行，并按梯度增大進(jìn)水濃度，第3、9、15、23天進(jìn)水ρ(NH4+-N)梯度分別為50、100、300、450 mg/L;第24～33天進(jìn)行生物強(qiáng)化，每天接種5%有效體積HN-AD菌液，菌液OD600 nm為1.2，進(jìn)水ρ(NH4+-N)保持在500～600 mg/L，檢測(cè)強(qiáng)化期間ρ(NH4+-N)變化.

第Ⅱ階段，參數(shù)優(yōu)化階段.條件控制在溫度為25～30 ℃，HRT為24 h，pH范圍為7.5～8.0.兩個(gè)反應(yīng)器均采用連續(xù)方式運(yùn)行，探究在不同C/N(5、8、10)、線速度(5.0、7.5、15.0 m/min)參數(shù)下該工藝的處理效果.

第Ⅲ階段，處理真實(shí)廢水階段.條件控制在溫度為25～30 ℃，HRT為24 h，ρ(DO)為4 mg/L，pH范圍為7.5～8.0.對(duì)比分析二者最優(yōu)工況(C/N為10，線速度為15.0 m/min)下真實(shí)畜禽養(yǎng)殖廢水的處理效果.分別選擇菌劑掛膜反應(yīng)器、強(qiáng)化污泥掛膜反應(yīng)器的掛膜完成時(shí)期、運(yùn)行時(shí)期在不同盤片上選取生物膜，分別標(biāo)記為A、B、C、D樣品，于-80 ℃下保存1 h后提取DNA后進(jìn)行微生物多樣性分析，另取兩個(gè)反應(yīng)器掛膜后的盤片樣，于-4 ℃下保存1 h后脫水預(yù)處理，并分別進(jìn)行SEM鏡檢.

1.4 分析項(xiàng)目及方法

水樣經(jīng)過4 μm膜片過濾后，ρ(DO)采用HQ-30d便攜式溶解氧測(cè)定儀測(cè)定，ρ(CODCr)采用快速消解分光光度法測(cè)定，ρ(TN)采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法測(cè)定，ρ(NH4+-N)采用納氏試劑分光光度法測(cè)定[26]，OD600 nm采用紫外分光光度法測(cè)定.SEM分析先冷凍干燥做脫水預(yù)處理，由武漢鑠思百檢測(cè)技術(shù)有限公司進(jìn)行TESCAN MIRA3熱場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡觀察生物膜表面微觀形態(tài)結(jié)構(gòu).DNA提取和高通量測(cè)序采用購(gòu)自天根生化科技(北京)有限公司的Mobio PowerSoil? DNA Isolation Kit提取固定化菌液總基因組DNA.Miseq平臺(tái)對(duì)16S rRNA基因高變區(qū)序列進(jìn)行測(cè)序，測(cè)序區(qū)域選擇V3+V4區(qū)，測(cè)序片段為468 bp，測(cè)序引物為338F-806R，使用Trimmomatic、FLASH軟件對(duì)Miseq測(cè)序數(shù)據(jù)進(jìn)行處理獲得干凈數(shù)據(jù)，在Usearch軟件平臺(tái)中使用uparse方法將序列按照彼此相似性為97%劃分為許多小組，一個(gè)小組為一個(gè)OTU (operational taxonomic units)，從而得到OTU的代表序列.然后，使用uchime檢測(cè)PCR擴(kuò)增中產(chǎn)生的嵌合體序列并從OTU中去除，再用usearch_global方法將優(yōu)化序列map比對(duì)回OTU代表序列，最終得到OTU各樣品序列豐度統(tǒng)計(jì)表[27].

2 結(jié)果與討論

2.1 掛膜啟動(dòng)階段脫氮效果對(duì)比分析

在掛膜階段，主要檢測(cè)項(xiàng)目為ρ(NH4+-N)、OD600 nm，運(yùn)行條件均為HRT 24 h、線速度7.5 m/min、ρ(DO)3 mg/L、pH范圍7.5～8.0.不同反應(yīng)器的脫氮效果如圖2所示，在強(qiáng)化污泥掛膜的反應(yīng)器〔見圖2(a)〕中，污泥掛膜處理性能較低，故前期進(jìn)水ρ(NH4+-N)低于100 mg/L[28]，后期增至500 mg/L以上，與菌劑掛膜反應(yīng)器中進(jìn)水ρ(NH4+-N)一致，可分為兩個(gè)階段.

第1階段(1～23 d)：污泥掛膜階段.該階段進(jìn)水ρ(NH4+-N)低，為65.86 mg/L，前期(1～8 d)脫氮效率可達(dá)81.11%.生物膜層逐漸加厚，后期(9～23 d)將進(jìn)水ρ(NH4+-N)緩慢升至400 mg/L以上，NH4+-N去除率降至69.24%.

第2階段(24～33 d)：生物強(qiáng)化運(yùn)行階段.利用HN-AD菌對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)化，在第24天對(duì)反應(yīng)器每天接種5%有效體積的菌液，OD600 nm為1.2，當(dāng)進(jìn)水ρ(NH4+-N)升至500 mg/L以上時(shí)，NH4+-N的去除率可達(dá)73.10%.

菌劑掛膜的反應(yīng)器〔見圖2(b)〕，在掛膜期間進(jìn)水ρ(NH4+-N)為500 mg/L左右，可以分為兩個(gè)階段.

第1階段(1～15 d)，菌劑掛膜階段.前期(1～6 d)ρ(NH4+-N)下降較快，去除率達(dá)85.89%.反應(yīng)器中菌液OD600 nm值快速減小.后期(7～15 d)生物膜厚度逐漸增加，NH4+-N去除率在90%以上.此時(shí)生物轉(zhuǎn)盤上明顯附著一層黃色的生物膜，同時(shí)鏡檢發(fā)現(xiàn)生物膜表面存在很多桿狀和球形狀原生動(dòng)物.

第2階段(16～19 d)：穩(wěn)定運(yùn)行階段.進(jìn)水ρ(NH4+-N)在500 mg/L以上時(shí)，去除率為94.37%.

綜上，菌劑掛膜反應(yīng)器啟動(dòng)所需時(shí)間為19 d，強(qiáng)化污泥掛膜反應(yīng)器啟動(dòng)所需時(shí)間為33 d，與馮迪等[29-30]結(jié)論相似，前者較后者時(shí)間縮短1/3左右，可能是HN-AD菌因其高耐受性的特點(diǎn)，較普通微生物更易富集、生長(zhǎng)速度更快.污泥掛膜反應(yīng)器在前期的脫氮效果差，強(qiáng)化后的脫氮效果明顯提高，但仍低于菌劑掛膜反應(yīng)器，可能是強(qiáng)化污泥掛膜的掛膜方式富集了部分HN-AD菌，因此效果得以提升，但相較而言，菌劑掛膜所形成的生物膜中HN-AD功能菌富集程度更高，因此脫氮效果更好.

圖2 生物轉(zhuǎn)盤掛膜期間的脫氮效果Fig.2 Denitrification performance of rotating biological contractors during biofilm formation

2.2 參數(shù)優(yōu)化階段處理效果對(duì)比分析

2.2.1不同線速度對(duì)有機(jī)物去除及脫氮性能的影響

不同線速度下兩個(gè)反應(yīng)器的處理效果如圖3所示，此過程C/N為5、HRT為24 h、pH范圍為7.5～8.0.根據(jù)線速度大小可將此過程分為3個(gè)階段進(jìn)行對(duì)比分析.

第1階段(線速度為5.0 m/min)ρ(DO)為2 mg/L，強(qiáng)化污泥掛膜反應(yīng)器〔見圖3(a)〕進(jìn)水ρ(CODCr)為 2 106.12 mg/L，ρ(NH4+-N)為503.46 mg/L，此條件下ρ(DO)較低，盤片上的微生物生長(zhǎng)緩慢，CODCr、NH4+-N、TN去除率較低，分別為61.14%、70.62%、63.41%.菌劑掛膜反應(yīng)器〔見圖3(b)〕進(jìn)水ρ(CODCr)為 2 521.55 mg/L，ρ(NH4+-N)為547.28 mg/L，主要依靠盤片上富集的HN-AD菌對(duì)污水進(jìn)行處理，CODCr、NH4+-N、TN去除率分別為70.41%、71.85%、66.00%.

第2階段(線速度為7.5 m/min)ρ(DO)為3 mg/L，強(qiáng)化污泥掛膜反應(yīng)器進(jìn)水ρ(CODCr)為 2 339.81 mg/L，ρ(NH4+-N)為504.24 mg/L，由于線速度增大，反應(yīng)器的復(fù)氧能力得以提升，CODCr、NH4+-N、TN去除率分別升至63.07%、72.27%、68.90%.菌劑掛膜反應(yīng)器進(jìn)水ρ(CODCr)為2 494.60 mg/L，ρ(NH4+-N)為507.75 mg/L，HN-AD菌在好氧條件下優(yōu)勢(shì)更加顯著，CODCr、NH4+-N去除率分別升至73.80%、77.63%，TN去除率基本未變.

第3階段(線速度為15.0 m/min)ρ(DO)為4 mg/L，強(qiáng)化污泥掛膜反應(yīng)器進(jìn)水ρ(CODCr)為 2 356.93 mg/L，ρ(NH4+-N)為529.56 mg/L，反應(yīng)器在此線速度下對(duì)污水的處理效果依舊呈上升趨勢(shì)，CODCr、NH4+-N去除率分別升至65.52%、79.75%，TN去除率為61.47%.菌劑掛膜反應(yīng)器進(jìn)水ρ(CODCr)為 2 556.64 mg/L，ρ(NH4+-N)為500.34 mg/L，線速度增大對(duì)HN-AD菌的去污能力提升顯著，此時(shí)CODCr、NH4+-N去除率分別為83.71%、71.50%，TN去除率與上一階段相差不大，為65.16%.

由圖3可見，強(qiáng)化污泥掛膜反應(yīng)器在線速度為7.5 m/min時(shí)的處理效果與菌劑掛膜反應(yīng)器在線速度為5.0 m/min時(shí)的脫氮效果大致相當(dāng)，但后者在工程應(yīng)用時(shí)轉(zhuǎn)速較前者降低了33.33%，更節(jié)省能耗，運(yùn)維成本更低，可能是后者采用的生物強(qiáng)化方式富集的HN-AD菌更多，在參數(shù)優(yōu)化階段富集程度依舊保持穩(wěn)定，因而效果更好.隨著線速度增大，強(qiáng)化污泥掛膜和菌劑掛膜反應(yīng)器去污能力增強(qiáng)，菌劑掛膜反應(yīng)器特別顯著，但TN去除率一直變化不大，可能是線速度對(duì)NO3--N去除率影響較小.線速度與DO的傳質(zhì)速率有關(guān)[31]，結(jié)果表明強(qiáng)化污泥掛膜和菌劑掛膜反應(yīng)器的處理效果隨線速度增大均呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，可能是ρ(DO)升高的原因，也可以說明在線速度為15.0 m/min時(shí)反應(yīng)器中的ρ(DO)仍未達(dá)到過飽和狀態(tài)，繼續(xù)提升轉(zhuǎn)速可能會(huì)加強(qiáng)反應(yīng)器的NH4+-N去除效果，但運(yùn)行成本也會(huì)增加.線速度為15.0 m/min時(shí)，強(qiáng)化污泥掛膜和菌劑掛膜反應(yīng)器的處理效果均最佳，與李芳等[32]結(jié)論相似.

2.2.2不同C/N對(duì)有機(jī)物去除及脫氮性能的影響

不同C/N下強(qiáng)化污泥掛膜和菌劑掛膜反應(yīng)器的處理效果如圖4所示，該過程在一定的進(jìn)水有機(jī)負(fù)荷范圍〔以ρ(CODCr)計(jì)，≤0.25 kg/(m3·d)〕內(nèi)，提高ρ(CODCr)可以提升微生物的活性和利用率，進(jìn)而增強(qiáng)處理效果.在該階段可以逐漸提升C/N，保持HRT為24 h，線速度為15.0 m/min，ρ(DO)為4 mg/L，pH范圍為7.5～8.0，可分為3個(gè)階段進(jìn)行對(duì)比分析.

第1階段C/N為5，強(qiáng)化污泥掛膜反應(yīng)器〔見圖4(a)〕進(jìn)水ρ(CODCr)為2 562.26 mg/L，ρ(NH4+-N)為520.39 mg/L，此階段進(jìn)水ρ(CODCr)較線速度優(yōu)化第3階段略高，CODCr去除率降至50.24%，NH4+-N、TN去除率基本未變，分別為74.54%、62.42%.菌劑掛膜反應(yīng)器〔見圖4(b)〕在此階段進(jìn)水ρ(CODCr)為2 647.54 mg/L，ρ(NH4+-N)為496.73 mg/L，菌劑掛膜反應(yīng)器較強(qiáng)化污泥掛膜反應(yīng)器處理效果更穩(wěn)定，CODCr、NH4+-N、TN去除率分別為86.11%、70.51%、66.91%.

第2階段C/N為8，強(qiáng)化污泥掛膜反應(yīng)器進(jìn)水ρ(CODCr)為 4 095.61 mg/L，ρ(NH4+-N)為556.09 mg/L，隨有機(jī)物濃度增大，處理效果有所上升，CODCr、NH4+-N、TN去除率分別為58.13%、74.70%、60.85%.菌劑掛膜反應(yīng)器在此階段進(jìn)水ρ(CODCr)升至 4 188.33 mg/L，ρ(NH4+-N)為518.30 mg/L，總的處理效果比上一階段優(yōu)勢(shì)明顯，CODCr去除率略有降低，為77.28%，NH4+-N、TN去除率分別升至91.06%、73.28%.

第3階段C/N為10，強(qiáng)化污泥掛膜反應(yīng)器進(jìn)水ρ(CODCr)為 5 113.21 mg/L，ρ(NH4+-N)為564.88 mg/L，CODCr、NH4+-N、TN去除率分別升至63.13%、78.41%、59.93%.菌劑掛膜反應(yīng)器在此階段進(jìn)水ρ(CODCr)升至 5 146.59 mg/L，ρ(NH4+-N)為528.75 mg/L，CODCr和NH4+-N去除率均較上一階段有所升高，分別達(dá)84.75%、95.25%，TN去除率變化不大.

注：第1、2、3階段的CN分別為5、8、10.圖4 不同CN下強(qiáng)化污泥掛膜和菌劑掛膜反應(yīng)器的處理效果Fig.4 Performance of enhanced sludge inoculation film formation reactor and microbial agent inoculation biofilm formation reactor under different CN conditions

由圖4可見，強(qiáng)化污泥掛膜反應(yīng)器在C/N為10時(shí)的處理效果與菌劑掛膜反應(yīng)器在C/N為5時(shí)的處理效果大致相同，但后者較前者碳源消耗降低48.22%，更節(jié)省碳耗，且在C/N優(yōu)化的各階段，菌劑掛膜反應(yīng)器脫氮效果均優(yōu)于強(qiáng)化污泥掛膜反應(yīng)器，推測(cè)是前者掛膜方式富集的HN-AD菌更多，經(jīng)線速度優(yōu)化后，富集程度依舊更高；C/N為5時(shí)，進(jìn)水ρ(CODCr)變化使得強(qiáng)化污泥掛膜反應(yīng)器的CODCr去除效果較線速度優(yōu)化第3階段有所降低，而菌劑掛膜反應(yīng)器未有顯著變化，說明后者穩(wěn)定性更好，HN-AD菌更耐受沖擊負(fù)荷；前者在C/N為8時(shí)，CODCr去除率較第1階段和第3階段分別低10.25%、8.81%，可能是在C/N為5時(shí)HN-AD功能菌較少，與其他微生物菌群共同作用，C/N為8時(shí)受到高濃度有機(jī)負(fù)荷沖擊，耐受性低的微生物菌群受到抑制，導(dǎo)致其去除率降低，HN-AD功能菌耐高C/N特性優(yōu)勢(shì)顯著，隨著C/N增大，富集程度增大，因而C/N為10時(shí)去除率上升；此外，隨著C/N的升高，強(qiáng)化污泥掛膜和菌劑掛膜反應(yīng)器的CODCr、NH4+-N、TN去除率大致都隨之升高，可見C/N為10即為最佳運(yùn)行條件，與何環(huán)等[33]結(jié)論相似.

2.3 處理真實(shí)廢水階段效果對(duì)比分析

參數(shù)優(yōu)化后，在線速度為15.0 m/min，C/N為10，HRT為24 h，ρ(DO)為4 mg/L下，探究強(qiáng)化污泥掛膜和菌劑掛膜反應(yīng)器對(duì)真實(shí)畜禽養(yǎng)殖廢水的處理效果(見表2).由表2可見：菌劑掛膜的反應(yīng)器真實(shí)廢水進(jìn)水ρ(CODCr)、ρ(NH4+-N)、ρ(TN)分別為 7 773.08、647.88和790.26 mg/L，該反應(yīng)器對(duì)真實(shí)廢水CODCr、NH4+-N、TN的平均去除率分別為68.95%、87.24%和79.45%；強(qiáng)化污泥掛膜反應(yīng)器真實(shí)廢水進(jìn)水ρ(CODCr)、ρ(NH4+-N)、ρ(TN)分別為 7 437.92、695.02、719.18 mg/L，該反應(yīng)器對(duì)真實(shí)廢水CODCr、NH4+-N、TN的平均去除率分別為64.37%、68.71%、61.52%.經(jīng)過對(duì)比可見：菌劑掛膜反應(yīng)器較強(qiáng)化污泥掛膜反應(yīng)器CODCr、NH4+-N、TN去除率分別高出7.11%、26.97%、29.14%，前者去除效果更好；強(qiáng)化污泥掛膜和菌劑掛膜反應(yīng)器CODCr去除率均低于70%，處理效果低于模擬廢水試驗(yàn)，推測(cè)是真實(shí)廢水有機(jī)負(fù)荷更高，且存在較多的SS、抗生素等成分，使得HN-AD菌生長(zhǎng)受到影響，導(dǎo)致CODCr去除率降低.

表2 強(qiáng)化污泥掛膜和菌劑掛膜反應(yīng)器對(duì)畜禽養(yǎng)殖廢水原水的處理效果Table 2 Performance of enhanced sludge inoculation film formation reactor and microbial agent inoculation biofilm formation reactor on raw water treatment of swine wastewater

2.4 不同掛膜方式的反應(yīng)器微生物群落結(jié)構(gòu)變化對(duì)比分析

掛膜完成時(shí)期以及穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)期的微生物群落結(jié)構(gòu)變化如圖5所示.由圖5可見，強(qiáng)化污泥掛膜和菌劑掛膜反應(yīng)器內(nèi)的HN-AD脫氮優(yōu)勢(shì)菌屬的種類及相對(duì)豐度均發(fā)生了變化.菌劑掛膜的反應(yīng)器中，掛膜時(shí)期的Flavobacterium、Acinetobacter(不動(dòng)桿菌屬)[34-35]相對(duì)豐度從19.18%、11.36%分別變?yōu)?.27%、0.14%，相對(duì)豐度均快速降低；運(yùn)行后，Diaphorobacter[36]、Comamonas[37]的相對(duì)豐度從0.06%、0.09%分別增至2.16%、2.99%.該反應(yīng)器中的優(yōu)勢(shì)菌群由Acinetobacter變?yōu)镃omamonas，以進(jìn)行異養(yǎng)硝化好氧反硝化.

圖5 強(qiáng)化污泥掛膜和菌劑掛膜反應(yīng)器在兩個(gè)階段的微生物群落結(jié)構(gòu)變化Fig.5 Diagram of microbial community structure changes in two stages of enhanced sludge inoculation film formation reactor and microbial agent inoculation biofilm formation reactor

污泥掛膜的反應(yīng)器中，掛膜時(shí)期的Hydrogenophaga(嗜氫菌屬)[38]、Diaphorobacter相對(duì)豐度從1.08%、0.65%分別降至0.70%、0.55%.對(duì)該反應(yīng)器進(jìn)行生物強(qiáng)化后，F(xiàn)lavobacterium、Rhizobium的相對(duì)豐度也迅速降低，Acinetobacter、Comamonas的相對(duì)豐度分別迅速增至18.56%、0.29%.該反應(yīng)器接種菌劑前后的菌群不僅豐度發(fā)生了變化，其優(yōu)勢(shì)種群也發(fā)生了變化，變化為Acinetobacter，并出現(xiàn)了新的HN-AD功能優(yōu)勢(shì)菌屬.對(duì)比二者的微生物多樣性可見，強(qiáng)化污泥掛膜和菌劑掛膜反應(yīng)器中Hydrogenophaga和Flavobacterium均呈現(xiàn)豐度降低的趨勢(shì)，可能是該菌屬對(duì)高ρ(NH4+-N)耐受性低，對(duì)脫氮過程起到的作用小.雖然強(qiáng)化污泥掛膜的反應(yīng)器中Acinetobacter相對(duì)豐度遠(yuǎn)高于菌劑掛膜反應(yīng)器，但菌劑掛膜反應(yīng)器中的Comamonas是強(qiáng)化污泥掛膜反應(yīng)器的10倍左右，結(jié)合處理效果對(duì)比分析，可以推測(cè)Comamonas是在異養(yǎng)硝化好氧反硝化過程中發(fā)揮關(guān)鍵作用的菌屬.

2.5 不同掛膜方式的反應(yīng)器SEM表征分析

圖6為生物盤片序批式接種掛膜的SEM對(duì)比結(jié)果.在盤片掛膜前〔見圖6(a)〕的SEM圖片中可以觀察到生物盤片表面為規(guī)則的波紋狀，這種結(jié)構(gòu)有利于增加盤片表面積、增加生物附著量.在強(qiáng)化污泥掛膜后〔見圖6(b)〕，盤片表面附著了大量的污泥，生物膜呈三維交織狀，膜層較厚.在菌劑掛膜后〔見圖6(c)〕，盤片表面可形成較為平滑的生物膜，膜層較薄，呈簇團(tuán)狀的球狀菌群緊密附著在生物膜上，其菌劑附著量較強(qiáng)化污泥掛膜更多.結(jié)合微生物多樣性分析可以得出，菌劑掛膜的盤片吸附的HN-AD優(yōu)勢(shì)菌以Comamonas、Diaphorobacter為主，強(qiáng)化污泥掛膜盤片表面附著的球狀菌為HN-AD優(yōu)勢(shì)菌，以Comamonas、Acinetobacter為主；對(duì)比生物膜可以看出，膜層較薄時(shí)菌劑吸附更多、傳質(zhì)速率更高、處理效果更好.

圖6 生物盤片掛膜前后的SEM對(duì)比結(jié)果Fig.6 Comparison of SEM images before and after biofilm formation

3 結(jié)論

a) 菌劑掛膜啟動(dòng)所需的時(shí)間(19 d)明顯少于強(qiáng)化污泥掛膜(33 d).

c) 真實(shí)廢水處理階段，菌劑掛膜反應(yīng)器ρ(CODCr)、ρ(NH4+-N)、ρ(TN)的去除率分別為68.95%、87.24%和79.45%，較強(qiáng)化污泥掛膜反應(yīng)器分別高出7.11%、26.97%、29.14%.

d) 菌劑掛膜反應(yīng)器中Comamonas是強(qiáng)化污泥掛膜反應(yīng)器的10倍左右，結(jié)合處理效果對(duì)比分析可以推測(cè)，Comamonas是在異養(yǎng)硝化好氧反硝化過程中發(fā)揮關(guān)鍵作用的菌屬.

e) 強(qiáng)化污泥掛膜生物轉(zhuǎn)盤上附著一層較厚的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)生物膜，HN-AD菌少；菌劑掛膜生物轉(zhuǎn)盤上附著的生物膜雖然更薄，但傳質(zhì)速率更高，HN-AD菌富集程度更好，處理效果也更好.