楊 豪,信 欣,曹惜霜,文 茜,張馨予,彭 琦,鄂 荻（成都信息工程大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院,四川 成都 610225）

傳統(tǒng)的活性污泥法存在沉降性能不佳污泥易膨脹等問(wèn)題,從而導(dǎo)致處理后出水的氮、磷等指標(biāo)很難穩(wěn)定達(dá)到國(guó)家最新規(guī)定的城鎮(zhèn)生活污水出水一級(jí) A 標(biāo)準(zhǔn)[1].因此,有學(xué)者利用活性炭（AC）巨大比表面積和強(qiáng)吸附能力等優(yōu)點(diǎn),將活性炭運(yùn)用到活性污泥水處理技術(shù)中,發(fā)現(xiàn)活性炭能有效改善污泥系統(tǒng)的沉降能力和對(duì)氮、磷的去除效果.如常賾等[2]向模擬的市政污水中投加顆粒活性炭,發(fā)現(xiàn)活性炭能夠顯著增加污泥的的顆?；兔摰Ч?馮顯露等[3]向廚余垃圾投加顆粒活性炭,發(fā)現(xiàn)活性炭能夠促進(jìn)微生物的厭氧消化效果.除此之外,潘怡然等[4]也發(fā)現(xiàn)顆?；钚蕴窟€能夠在高溫下提高厭氧消化效果.但活性炭在工藝運(yùn)行中存回收困難及易流失等問(wèn)題,因此,研究改善活性炭的回收與易流失等問(wèn)題是目前的當(dāng)務(wù)之急.目前,有關(guān)磁效應(yīng)在污水處理方面的研究已有很多,并取得了不錯(cuò)的結(jié)果.Sakai等[5]發(fā)現(xiàn)磁粉能有效抑制污泥膨脹并提高污泥除污性能.Nakamura等[6]研究的超導(dǎo)磁場(chǎng)效應(yīng)對(duì)枯草桿菌的影響,發(fā)現(xiàn)磁場(chǎng)可促進(jìn)細(xì)胞的增長(zhǎng)與穩(wěn)定.Yan等[7]發(fā)現(xiàn)磁效應(yīng)能有效降低污水中苯酚的濃度.Yavuz等[8]磁場(chǎng)對(duì)生物膜的影響研究發(fā)現(xiàn),磁效應(yīng)可提高生物膜的除污性能.Mercin等[9]發(fā)現(xiàn)磁場(chǎng)有利于活性污泥的硝化作用,但磁場(chǎng)對(duì)活性污泥系統(tǒng)中化學(xué)需氧量（COD）的去除效果影響不大.趙秋燕等[10]發(fā)現(xiàn)在膜生物反應(yīng)器（MBR）系統(tǒng)中投加適量的磁粉（Fe3O4）不僅能明顯提高了廢水中的污染物去除效率,還能改善了混合液特性.此外,有一些學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)[11-12],在污泥系統(tǒng)中投加磁粉能夠增強(qiáng)污染物的去除能力和污泥的絮凝能力.還有些學(xué)者在廢水處理中投加附磁活性炭,其研究結(jié)果表明[13-15],附磁不僅能增強(qiáng)了活性炭吸附還能提高活性炭對(duì) COD與總有機(jī)炭（TOC）的除污性能.目前,雖然有大量的研究了表明了加載了磁效應(yīng)的污泥系統(tǒng)各方面性能都有顯著提高,但是鮮有學(xué)者系統(tǒng)性對(duì)其脫氮除磷性能、微生物種群構(gòu)成、強(qiáng)化機(jī)理進(jìn)行研究.

因此,本研究主要是在活性污泥中投加粉末磁性活性炭構(gòu)建 “磁性炭基-活性污泥”污水處理系統(tǒng),研究該系統(tǒng)脫氮除磷性能及其主要微生物種群結(jié)構(gòu)組成和關(guān)鍵脫氮除磷菌群,探討磁性粉末活性炭提高活性污泥脫氮除磷機(jī)理,其研究成果為磁性炭基活性污泥法處理污水提供了可靠的實(shí)驗(yàn)和理論依據(jù).

1 材料與方法

1.1 反應(yīng)裝置及接種污泥

實(shí)驗(yàn)采用兩個(gè)完全相同的自制序批式反應(yīng)器（Sequencing Batch Reactor; SBR）（長(zhǎng)×寬×高=10cm×10cm×20cm）,有效容積為 1.80L,一組為不投加磁性材料的活性污泥反應(yīng)器作為對(duì)照組（編號(hào)為0#）,另一組為投加1.00g/L磁性活性材料的磁性炭基活性污泥系統(tǒng)（編號(hào)為1#）,裝置如圖1.反應(yīng)器每天運(yùn)行2個(gè)周期,每個(gè)周期為 12h,包括進(jìn)水 0.5h,進(jìn)水量為 1L.曝氣 8h,曝氣量為控制在 300mL/min左右（溶解氧（DO）約為 4.00mg/L）.沉淀 10min～20min（隨反應(yīng)器運(yùn)行逐步降低沉降時(shí)間）.排水0.5h,每次排水量為反應(yīng)器容積的 50%.剩余時(shí)間為靜置.反應(yīng)器溫度保持在（30±0.5）℃.

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意Fig.1 Experimental device diagram

實(shí)驗(yàn)所用接種污泥取自成都科雅污水處理廠二期曝氣池中的污泥,反應(yīng)器中的污泥接種量為反應(yīng)器有效容積的 40%,接種后的污泥濃度（MLSS）為4.52g/L,污泥體積指數(shù)（SVI）為186ml/L.

1.2 實(shí)驗(yàn)用水

實(shí)驗(yàn)用水為人工配制的模擬生活污水,葡萄糖（C6H12O6）和檸檬酸三鈉（C6H5O7Na3）為炭源,炭酸銨（（NH4）2CO3）為氮源,磷酸二氫（KH2PO4）為磷源,炭酸氫鈉（NaHCO3）補(bǔ)充堿度,氯化鐵（FeCl3）、氯化銅（CuCl2）等提供微量元素.進(jìn)水總氮（TN）平均濃度45.05mg/L,總磷（TP）平均濃度 4.06mg/L,COD 平均濃度463.68mg/L,氨氮平均濃度42.01mg/L.

1.3 磁性活性炭的制備[16]

活性炭原材料為分析純活性炭顆粒,制備時(shí)需先將其進(jìn)行研磨過(guò)篩得到 140目的粉末活性炭,并選用浸漬法制備磁性活性炭材料.首先,在 80℃的條件下,將活性炭在37%的硝酸中攪拌3h.洗滌、過(guò)濾后于105℃下干燥12h,得改性活性炭.將改性活性炭于 Fe（NO3）3·9H2O 溶液中進(jìn)行超聲分散.再將其過(guò)濾、干燥后置于600℃管式爐內(nèi)煅燒1h即可得到磁性活性炭.

1.4 實(shí)驗(yàn)分析項(xiàng)目與方法

分別取兩個(gè)SBR反應(yīng)器運(yùn)行50d（后期）時(shí)且狀態(tài)穩(wěn)定時(shí)的污泥樣品在Illumina MiSeq測(cè)序平臺(tái)分進(jìn)行生物學(xué)信息分析.樣品的形貌和結(jié)構(gòu)采用掃描電子顯微鏡（SEM）進(jìn)行觀察（Quanta FEG 250）,磁強(qiáng)采用振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)（VSM）在常溫下測(cè)定（Lake Shore 7410）,總氮（TN）、氨氮（NH4+-N）、總磷（TP）、化學(xué)需氧量（COD）、硝酸鹽氮（NO3--N）、亞硝酸鹽氮（NO2--N）等水質(zhì)指標(biāo)以及污泥濃度（MLSS）、污泥體積指數(shù)（SVI）等的測(cè)定均采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)方法[17].

1.5 相關(guān)指標(biāo)的計(jì)算方法

硝化速率（mg/（L·h））=NH4+-N的去除量/反應(yīng)時(shí)間

反硝化速（mg/（L·h））=（NH4+-N 的去除量-末期NOx-N積累量）/反應(yīng)時(shí)間

硝化效率=NH4+-N的去除量/NH4+-N的初始量×100%

同步硝化反硝化效率（SND）=（NH4+-N去除量-末期NOx-N積累量）/NH4+-N去除量×100%.

2 結(jié)果與討論

2.1 材料的表征

2.1.1 磁性活性炭的SEM 圖2、3分別為成功制備出沒(méi)有負(fù)載 Fe3O4的活性炭（AC）和負(fù)載了 Fe3O4的磁性活性炭（Fe3O4/AC）的樣品掃描電鏡圖（SEM）.由圖2可以看出,AC表面光滑,沒(méi)有附著有其他物質(zhì).而從圖 3可以看出,磁性活性炭的表面起伏不平,有大量細(xì)小顆粒均勻分散在活性炭的表面.在制備磁性活性炭復(fù)合材料時(shí),四氧化三鐵（Fe3O4）促進(jìn)活性炭孔結(jié)構(gòu)形成過(guò)程的反應(yīng)主要集中在磁性材料顆粒的周圍,四氧化三鐵顆粒由周圍活性炭表面向活性炭?jī)?nèi)部打洞前進(jìn),產(chǎn)生微孔和中孔;產(chǎn)生的這些微孔和中孔使原來(lái)分散于活性炭?jī)?nèi)部的Fe3O4顆粒重新暴露于活性炭表面,繼續(xù)對(duì)活化反應(yīng)起到促進(jìn)作用,從而產(chǎn)生更多中孔[18],從而增強(qiáng)材料的吸附性能.

圖2 活性炭（AC）Fig.2 Activated carbon（AC）

圖3 磁性活性炭（Fe3O4/AC）Fig.3 Magnetic activated carbon（Fe3O4/AC）

2.1.2 磁性活性炭的磁滯回線 圖 4為采用振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)（VSM）測(cè)定 Fe3O4和 Fe3O4/AC在室溫下的磁滯回線圖（VSM）.從圖 4可以看出,在室溫下外加磁場(chǎng)強(qiáng)度的范圍為-20000～20000Oe,磁化狀態(tài)從 0出發(fā),隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加,磁化強(qiáng)度也慢慢增強(qiáng),即圖4中兩條曲線所示,直至與橫軸平行,此時(shí)外加的磁場(chǎng)最大強(qiáng)度為磁飽和強(qiáng)度,當(dāng)外加磁場(chǎng)達(dá)到20000Oe時(shí),產(chǎn)物的磁化強(qiáng)度達(dá)到飽和,Fe3O4為66.80emu/g,Fe3O4/AC為 61.50emu/g.由于產(chǎn)物中磁性材料與活性炭的復(fù)合以及Fe3O4粒子尺寸都比較小,導(dǎo)致復(fù)合材料的飽和磁化強(qiáng)度比單獨(dú)的磁性材料的飽和磁化強(qiáng)度要低,但復(fù)合材料的磁性還是相對(duì)較高,所以當(dāng)磁性材料與活性炭復(fù)合時(shí)會(huì)繼續(xù)保持純磁性材料的特性.由圖中 Fe3O4和 Fe3O4/AC的磁滯回線圖可知,Fe3O4/AC復(fù)合材料保留有 Fe3O4的磁性,因此在進(jìn)行材料回收時(shí),可利用此特性對(duì)材料進(jìn)行有效回收.

圖4 Fe3O4和Fe3O4/AC顆粒在室溫下的磁滯回線Fig.4 Hysteresis loops of Fe3O4 and Fe3O4/AC particles at room temperature

2.2 磁性炭基活性污泥系統(tǒng)除污性能

2.2.1 NH4+-N和 COD的去除情況 單獨(dú)活性污泥系統(tǒng)（0#）和磁性炭基活性污泥系統(tǒng)（1#）對(duì)污水NH4+-N 的去除情況如圖 5（a）所示.進(jìn)水平均NH4+-N濃度為41.02mg/L,兩系統(tǒng)對(duì)NH4+-N的去除效果相差不大,剛開始接種污泥時(shí),活性污泥需要一個(gè)適應(yīng)期,前10d對(duì)NH4+-N去除率均為96.00%以上.第30d以后,兩反應(yīng)器對(duì)NH4+-N的去除率逐步趨于穩(wěn)定,去除率達(dá)到99.00%以上.圖5（b）為兩反應(yīng)器對(duì) COD的去除情況.進(jìn)水 COD的平均濃度為463.68mg/L,反應(yīng)初期,磁性炭基活性污泥系統(tǒng)（1#）由于含有Fe3O4/AC材料,具有一定的吸附性能,剛開始1#的COD去除率為95.66%,而0#的COD的去除率為 85.50%.隨著污泥適應(yīng)新環(huán)境且逐步顆?；?0#的COD去除率慢慢上升,1#由于磁性活性炭達(dá)到吸附飽和,去除率有所下降,但由于投加的材料存在磁學(xué)效應(yīng),1#反應(yīng)器COD的去除率在96.00%上下波動(dòng),甚至高達(dá)99.26%.0#COD的去除率在93.00%上下波動(dòng),最高可達(dá)97.81%.總之,1#COD和NH4+-N的去除率都略高于0#,但是相差不大.

2.2.2 TN的去除情況及出水 NO3--N濃度變化 單獨(dú)活性污泥系統(tǒng)（0#）和磁性炭基活性污泥系統(tǒng)（1#）對(duì)TN的去除情況和出水NO3--N濃度分別如圖 5（c）、5（d）所示.TN 進(jìn)水平均濃度為 45.05mg/L,圖5（c）中前10d,1#TN的出水濃度低,其出水平均濃度是 14.72mg/L,這是由于 1#中磁性活性炭起到了良好的吸附作用.相比之下,0#中活性污泥到新環(huán)境有一個(gè)短暫的適應(yīng)期,因此,前10d TN出水濃度較高,其出水平均濃度是27.04mg/L.10d后,隨著系統(tǒng)的繼續(xù)運(yùn)行,活性污泥系統(tǒng)慢慢趨于穩(wěn)定,由于要控制污泥沉降時(shí)間、排掉部分老泥以及進(jìn)水濃度的波動(dòng),兩系統(tǒng)的去除率都會(huì)有波動(dòng),0#TN的去除率有所上升,然后趨于穩(wěn)定,1#TN 的去除率有所下降.系統(tǒng)運(yùn)行 30d后,由于投加的磁性活性炭的磁學(xué)效應(yīng)慢慢突出,1#TN的去除率又逐步上升最后穩(wěn)定在70.00%左右,而 0#TN 的去除率穩(wěn)定在 50.00%左右.1#運(yùn)行后期 TN出水濃度低于 15.00mg/L,平均去除率為68.59%,而 0#TN出水濃度在 20.00mg/L上下波動(dòng),平均去除率為53.17%,即投加磁性材料后對(duì)TN的去除有明顯的促進(jìn)作用.圖5（d）中0#剛開始硝酸鹽氮出水濃度很高,高達(dá) 30.25mg/L.隨著系統(tǒng)逐步運(yùn)行穩(wěn)定,其 NO3--N 濃度慢慢降低,最后穩(wěn)定在20.00mg/L左右.而1#剛開始由于材料的吸附作用,NO3--N出水濃度低,低至10.04mg/L,隨著吸附飽和,NO3--N出水濃度上升,上升到15.61mg/L,10d后由投加材料的磁學(xué)效應(yīng),濃度又有所下降,最低可達(dá)11.28mg/L.為了優(yōu)化系統(tǒng)縮短污泥沉降時(shí)間及排掉部分老泥,系統(tǒng)受到影響,第15d時(shí)兩系統(tǒng)中NO3--N出水濃度都開始上升.第 30d后,兩系統(tǒng)運(yùn)行逐步穩(wěn)定,0#出水NO3--N濃度穩(wěn)定在18.00mg/L左右,其出水平均濃度為21.07mg/L.1#出水NO3--N濃度穩(wěn)定在13.00mg/L左右,出水平均濃度為14.04mg/L.

2.2.3 TP的去除率 單獨(dú)活性污泥系統(tǒng)（0#）和磁性炭基活性污泥系統(tǒng)（1#）對(duì)TP的去除率如圖5（e）所示.剛開始接種污泥時(shí),0#內(nèi) TP的去除率較低,為 28.60%,而 1#內(nèi) TP的去除率為 63.17%.在前10d內(nèi),兩系統(tǒng)的TP去除率呈上升趨勢(shì),跟其它水質(zhì)指標(biāo)規(guī)律恰恰相反,這是由于兩系統(tǒng)接種的污泥是在較高磷含量的條件下培養(yǎng)的,即接種時(shí)污泥的內(nèi)部殘余磷含量較高,隨著進(jìn)水水質(zhì)改變,系統(tǒng)除磷效率反而提高.這是由于投加磁性材料的良好吸附作用,使得開始 1#的去除率相對(duì)較高.第10d時(shí)后,隨著 1#的運(yùn)行,磁性活性炭吸附飽和,出現(xiàn)短暫的除磷效率降低現(xiàn)象,低至 57.89%,后期為縮短污泥沉降時(shí)間進(jìn)行系統(tǒng)排泥,兩系統(tǒng) TP去除率又繼續(xù)下降兩系統(tǒng).隨著系統(tǒng)的穩(wěn)定,兩系統(tǒng)TP的去除率都會(huì)有所上升,趨于平緩.40d后,由于污泥顆粒化逐步成熟,兩系統(tǒng)對(duì)總磷的去除效率都逐步提高.0#TP去除率提高到62.02%,然后趨于穩(wěn)定,在 60.00%上下波動(dòng),最終 0的平均去除率為53.80%.而 1#由于磁性材料的磁學(xué)效應(yīng),去除率上升,最高可達(dá) 94.41%,然后趨于穩(wěn)定,在 85.00%上下波動(dòng),最終平均去除率為 78.25%.從圖 5（e）可以直觀反映出投加磁性材料的優(yōu)勢(shì),投加磁性活性炭對(duì)系統(tǒng)磷的去除有明顯的促進(jìn)作用.綜上表明本實(shí)驗(yàn)投加的磁性活性炭能提高SBR系統(tǒng)內(nèi)的除污性能,加強(qiáng)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)同步脫氮除磷.

圖5 各指標(biāo)濃度變化和去除率Fig.5 Concentration changes and removal rates of each indicator

2.3 典型周期內(nèi)除污性能的研究

單獨(dú)活性污泥系統(tǒng)（0#）和磁性炭基活性污泥系統(tǒng)（1#）在典型周期內(nèi)污泥的脫氮能力如圖 6（a）所示,兩系統(tǒng)進(jìn)水NH4+-N濃度為47.46mg/L,在系統(tǒng)剛運(yùn)行前 130min內(nèi),兩系統(tǒng)氨氮都迅速降低,但 1#中氨氮下降速率快于 0#.最終 0#反應(yīng)器中氨氮濃度由47.46mg/L下降到 2.03mg/L,去除率為 95.72%,1#中氨氮濃度由 47.46mg/L下降到 0.58mg/L,去除率為98.78%.此過(guò)程中硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮也有所積累,但兩系統(tǒng)中NO2--N濃度都很低（低于1.00mg/L）,在系統(tǒng)運(yùn)行到190min時(shí),兩系統(tǒng)中的NO2--N濃度為 0.然而 NO3--N的濃度卻隨著系統(tǒng)的運(yùn)行逐漸上升,由圖 6（b）可知,到 370min 時(shí),0#的 NO3--N濃度達(dá)到了 18.03mg/L,而 1#的 NO3--N濃度達(dá)到了9.03mg/L,其濃度和上升速率明顯低于 0#,但此時(shí)兩系統(tǒng)的 TN的濃度都在下降,亞硝態(tài)氮濃度也較低,而兩系統(tǒng)中的氮素主要由氨氮、硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮組成,這說(shuō)明氨氮轉(zhuǎn)化生成的硝酸鹽氮被轉(zhuǎn)化成了其他氮素,兩系統(tǒng)中一定存在反硝化,且 1#的反硝化作用比 0#明顯,進(jìn)一步剖析原因可知,是反硝化細(xì)菌在好氧顆粒污泥的表面進(jìn)行反硝化轉(zhuǎn)化了一部分NO3--N,隨后在好氧顆粒污泥的缺氧區(qū),厭氧反硝化菌進(jìn)行反硝化又消耗掉了一部分 NO3--N,使得反應(yīng)器中的NO3--N濃度不高,從而達(dá)到脫氮的目的.因此 0#的 TN由進(jìn)水的 49.68mg/L下降到20.04mg/L,去除率為59.66%,而1#的TN由進(jìn)水的49.68mg/L下降到12.04mg/L,去除率為75.76%.結(jié)合圖6（a）、6（b）可以得出出,在脫氮方面,投加材料的1#比于沒(méi)有投加材料的0#效率更高.

單獨(dú)活性污泥系統(tǒng)（0#）和磁性炭基活性污泥系統(tǒng)（1#）在曝氣階段內(nèi)COD和TP隨時(shí)間的變化趨勢(shì)圖如圖 6（c）所示.在系統(tǒng)剛開始運(yùn)行前 10min兩系統(tǒng)COD的濃度都迅速下降,隨后COD濃度出現(xiàn)了小幅度上升,到反應(yīng)結(jié)束時(shí),0#的 COD 濃度為50.43mg/L,去除率為 89.89%,1#的 COD 濃度為46.67mg/L,去除率為 90.64%.而這些快速分解的有機(jī)物主要為微生物后期反硝化脫氮除磷提供能量.兩個(gè)反應(yīng)器進(jìn)水的TP濃度為4.49mg/L到反應(yīng)結(jié)束時(shí),0#下降到了 1.09mg/L,去除率為 75.72%.1#下降到了 0.43mg/L,去除率為 90.42%.表明在除磷方面,投加材料的 1#也比沒(méi)有投加的 0#有明顯的優(yōu)勢(shì).通過(guò)圖6（a）、6（b）、6（c）可以計(jì)算出TN和TP的去除率、硝化速率、反硝化速率及同步硝化反硝化（SND）效率等,如表1所示.

圖6 典型周期內(nèi)各指標(biāo)濃度變化Fig.6 Concentration standardization diagram of each indicator in a typical perio

表1 脫氮除磷性能對(duì)比Table 1 Comparison of nitrogen and phosphorus removal performance

2.4 生物種群結(jié)構(gòu)分析

2.4.1 兩個(gè)系統(tǒng)內(nèi)的污泥樣品多樣性分析 兩個(gè)系統(tǒng)內(nèi)樣品的各類指數(shù)如表 2所示.Coverage指數(shù)反應(yīng)測(cè)序的覆蓋率,其值越高越能反應(yīng)樣品中的真實(shí)情況.由表2可知,兩個(gè)樣品的Coverage指數(shù)都為0.99,表明反本次測(cè)序結(jié)果能夠反應(yīng)樣品中微生物的真實(shí)情況.Shannon、Ace、Chao1、Simpson指數(shù)是用來(lái)反應(yīng)樣品中微生物的多樣性和豐富度,Shanno、Ace和Chao1指數(shù)越大,Simpson指數(shù)越小,則樣品中物種多樣性和豐富度越高.Shannon指數(shù)除了能夠評(píng)價(jià)樣品中生物多樣性外,還能評(píng)價(jià)其均勻性,其值越大均勻性越好.由表 1結(jié)果可知,1#系統(tǒng)內(nèi)的的生物多樣性和均勻性都要要高于 0#系統(tǒng).說(shuō)明由于磁性活性炭的投加能夠提高系統(tǒng)內(nèi)物種的多樣性和均勻性.

表2 多樣性指數(shù)表Table 2 Diversity index table

2.4.2 門水平微生物菌落分布特征 圖 7為兩個(gè)系統(tǒng)內(nèi)污泥樣品生物種群組成（門水平）,由結(jié)果可知,共有 7個(gè)門類的微生物被檢測(cè)出來(lái),其中Saccharibacteria、Actinobacteria、chloroflexl、Proteobacteria、Bacteroidetes都為兩個(gè)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)菌群,Saccharibacteria（38.25%）、Actinobacteria（27.41%）是0#系統(tǒng)的主要菌門,而1#系統(tǒng)的主要菌門則 是 Saccharibacteria（38.74%）、Proteobacteria（22.52%）.

圖7 門水平細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)及分布Fig.7 Structure and distribution of phylum horizontal bacterial community

加載了磁性活性炭的 1#系統(tǒng) Proteobacteria菌門比 0#系統(tǒng)的 10.05%多了 12.47%.大量的研究發(fā)現(xiàn)[19-21],氨氧化細(xì)菌（AOB）中Nitrosomonas、Nitrosococcus和亞硝酸鹽氧化細(xì)菌（NOB）中的Nitrobacter、Nitrococcus和 Nitrotoga均屬于Proteobacteria門,而AOB和NOB又是脫氮的主要菌群.Actinobacteria在 1#系統(tǒng)出現(xiàn)了顯著降低,有研究表明[22-23],Actinobacteria菌門是常引發(fā)活性污泥系統(tǒng)泥水分離問(wèn)題和包含了多種與污泥膨脹相關(guān)菌屬.說(shuō)明磁性活性炭的投加能夠促進(jìn)Proteobacteria菌門和抑制Actinobacteria菌門生長(zhǎng).

2.4.3 屬水平上微生物菌落分布特征 兩個(gè)系統(tǒng)內(nèi)污泥樣品的微生物種群組成及其在每個(gè)系統(tǒng)的分布比例（屬水平）見(jiàn)圖8.0#系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)菌屬主要有norank_p_sacchairibacteria（38.25%）、Mycobacterium（13.15%）、norank_o_JG30-KF-CM45（7.70%）、norank_f_cytophagaceae（6.87%）、Micropruina（5.06%）等,而 1#系統(tǒng)內(nèi)主要的微生物種群則是 norank_p_sacchairibacteria（38.74%）、Micropruina（8.69%）、Shinella（5.01%）、norank_f_Anaerolineaceae（4.72%）、norank_f_Xanthomonadaceae（3.64%）.加載磁性活性炭的1#系統(tǒng)中Micropruina菌屬的相對(duì)豐度出現(xiàn)了最顯著的增加.Micropruina菌屬屬于一類耐毒類微生物,能夠在惡劣的條件下積累能量和化合物的能力[24-26].同時(shí),李建婷[27]研究指出 Micropruina菌屬一般存在于好養(yǎng)顆粒污泥中具有很好的從 COD和氨氮去除能力.因此,本研究結(jié)果表明,活性污泥系統(tǒng)中磁性活性炭的投加促進(jìn)了 Micropruina菌屬相對(duì)豐度的提高,使得1#污泥系統(tǒng)的抗沖擊負(fù)荷、氨氮以及 COD 去除能力同時(shí)提高.同時(shí),在 1#系統(tǒng)內(nèi)屬于Alphaproteobacteria菌綱的 Shinella（5.01%）菌屬也明顯增加;除此之外 norank_f_Anaerolineaceae（4.72%）、norank_f_Xanthomonadaceae（3.64%）也出現(xiàn)了增加.其中,Shinella屬于異養(yǎng)反硝化細(xì)菌[28],而norank_f_Anaerolineaceae在廢水厭氧處理系統(tǒng)及顆粒污泥中也經(jīng)常出現(xiàn),且具有較好的生物除磷作用,而 norank_f_Xanthomonadaceae（3.64%）屬于常見(jiàn)的反硝化細(xì)菌[28-29].由此可見(jiàn),投加活性炭能夠顯著提升活性污泥系統(tǒng)的與脫氮除磷功能菌群的豐度,從而使得系統(tǒng)脫除磷效果增加.

圖8 屬水平細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)及分布Fig.8 Structure and distribution of horizontal bacterial community of genus

2.5 活性污泥系統(tǒng)加載磁性活性炭強(qiáng)化脫氮除磷性能的機(jī)理討論

磁性活性炭本身表面粗糙多孔且具有較大的比表面積,具有較強(qiáng)的吸附能力,使得大分子有機(jī)污染物能夠很好被其吸附在表面;同時(shí),磁性活性炭作為良好的生物載體,有利于生長(zhǎng)速率較慢的脫氮除磷菌群的富集,而吸附在其表面的有機(jī)污染物也能夠?yàn)槲⑸锷L(zhǎng)提供營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),從而提高了微生物的富集速度.同時(shí),本課題組前期研究表明[30],當(dāng)活性污泥系統(tǒng)中加載 140目時(shí),伴隨著大量微生物的富集和系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中的曝氣氣流、水力剪切力等外力作用,活性污泥很容易以磁性活性炭作為成核載體快速形成好氧顆粒污泥,并且形成的顆粒污泥結(jié)構(gòu)緊密,沉降速率快.并且,磁材的投加所產(chǎn)生的磁效應(yīng)不僅能提高水中溶解氧濃度和滲透壓使得水中物質(zhì)傳遞和擴(kuò)散速度加快,還能促進(jìn)微生物的代謝功能和生物酶活性的提升從而加快污染物處理效率[31-32].還有研究發(fā)現(xiàn)[33-34],磁場(chǎng)的作用既能夠有利于破壞有機(jī)物共價(jià)鍵,有機(jī)物分子又能能夠吸收磁場(chǎng)的能量,使其由穩(wěn)定態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐子诎l(fā)生反應(yīng)的激發(fā)態(tài),增加化學(xué)反應(yīng)機(jī)會(huì),提高化學(xué)反應(yīng)速率.綜上,活性污泥系統(tǒng)加載磁性活性炭的脫氮除磷性能機(jī)理主要有以下三個(gè)方面:①磁性活性炭能夠?yàn)槲勰嘞到y(tǒng)中的微生物提供一個(gè)更有利于其生長(zhǎng)的環(huán)境,這樣就能使得整個(gè)系統(tǒng)的微生物密度更高,還能使以磁性活性炭為芯的顆粒污泥更容易形成,從而使得整個(gè)系統(tǒng)具有更好的沉降性和抗負(fù)荷沖擊性;②投加了磁性活性炭的系統(tǒng)更有可能形成了粒徑和密度更加大的顆粒狀污泥,在顆粒狀污泥周圍會(huì)形成內(nèi)部缺氧外部好氧的微環(huán)境,這種微環(huán)境更有利于脫氮除磷菌的生長(zhǎng);③活性污泥系統(tǒng)中加載定量磁性活性炭后具有良好的磁學(xué)效應(yīng),從而抑制了引起污泥膨脹的 Actinobacteria菌門中的部分微生物的生長(zhǎng);同時(shí)通過(guò)提高物質(zhì)傳遞速率和生物活性,從而使得整個(gè)反應(yīng)系統(tǒng)的脫氮除磷及除污性能增加.

3 結(jié)論

3.1 相對(duì)于單獨(dú)的活性污泥系統(tǒng)（0#）,加載磁性活性炭的系統(tǒng)（1#）有更高的脫氮除磷去除效果.其對(duì)污水TN和TP的平均去除率分別高了15.42 %和21.15%,而出水NO3--N濃度平均降低了7.03mg/L.

3.2 典型工況內(nèi),0#系統(tǒng)反硝化速率為4.44mg/（L·h）,同步硝化反硝化效率為 60.31%,TP去除率為65.72%,TN的去除率 59.66%;1#系統(tǒng)反硝化速率為6.13mg/（L·h）,同步硝化反硝化效率為 80.74%,TP去除率為90.42%,TN去除率為75.76%.

3.3 1#系統(tǒng)的微生物多樣性高于 0#系統(tǒng),能夠引起污泥膨脹的 Actinobacteria菌門相對(duì)豐度出現(xiàn)了下降,增強(qiáng)了系統(tǒng)抗沖擊負(fù)荷能力,而與脫氮除磷功能密切相關(guān)的菌屬 Micropruina、Shinella、norank_f_Anaerolineaceae、norank_f_Xanthomonadaceae的相對(duì)豐度都出現(xiàn)了顯著增加.

3.4 SBR系統(tǒng)中加載一定量的磁性活性炭既能抑制引起污泥膨脹微生物的生長(zhǎng),又利于提高系統(tǒng)脫氮除磷性能.