论文：填料对HBF工艺处理生活污水的影响及其机制研究

为进一步揭示其群落结构差异，基于细菌菌门水平（图6）、变形菌门（表3）及菌属水平（图7）分析生物膜上的微生物群落结构组成。由图6可知，从菌门水平来看，不同填料反应器中微生物群落组成的差异不是特别大。6种填料生物膜样本的主要菌群均为变形菌门(Proteobacteria)、拟杆菌门（Bacteroidetes）、厚壁菌门（Firmicutes）及放线菌门（Actinobacteria）。以MT反应器为例，其生物膜样本变形菌门占比达56.2%，其次是拟杆菌门（25.3%）、厚壁菌门（14.8%）。其他5种填料生物膜样本上的变形菌门占比介于28%~54.3%，拟杆菌门占比介于23.5%~57.3%，厚壁菌门介于9.2%~16.1%。该结果与前人研究结果相近，如Ma等[21]在序批式反应器中发现的细菌群落组成中变形菌门（占比最大）、拟杆菌门及放线菌门占优势；Snaidr等[22]在常规活性污泥中对菌群多样性的研究中发现变形菌门（Proteobacteria）为优势类群。在6个样品中还有绿弯菌门（Chloroflexi）、浮酶菌门（Planctomycetes）、绿菌门（Chlorobi）及单胞菌门（Gemmatimonadetes）等，但所占比例均不同。其中绿菌门在颗粒化过程中有重要作用，能够增强污泥的沉降性能。

如表3、图7所示，从变形菌门微生物的分布、细菌菌属水平分析可看出填料的差异对微生物群落组成形成了显著差异。由图6可知，各填料生物膜样本中变形菌门的占比较大。变形菌门又分为五类，分别为α-变形菌纲、β-变形菌纲、γ-变形菌纲、δ-变形菌纲和ε-变形菌纲。国内外研究[23]发现，大多数在生物脱氮、生物除磷及诸多污染物降解过程中起重要作用的微生物均归属于变形菌门，其中β-变形菌纲包括某些AOB（包括亚硝化单胞菌属（Nitrosomonas）和亚硝化螺旋菌属（Nitrosospira等））在内等很多好氧或兼性菌，且AOB是其主要成员[24-25]；γ-变形菌纲则包括肠杆菌科(Enterobacteraceae)和假单胞菌科（Pseudomonadaceae）等；δ-变形菌纲包括脱硫弧菌属（Desulfovibrio）、脱硫菌属（Desulfobacter）及NOB类的硝化刺菌属（Nitrospina）等菌属。

由表3可知，各样品中β-变形菌纲及γ-变形菌纲类较多，这与Lin等[26]在人工污水系统中发现最丰富的菌种为β-变形菌纲，其次是γ-变形菌纲结果相似。以MT生物膜样本为例，β-变形菌纲、γ-变形菌纲及δ-变形菌纲占比分别达33%、16%及6%。

由图7可知，在6个生物膜样本中检测出的假黄单胞菌属（Pseudoxanthormonas）及不动杆菌属（Acinetobacter）等菌属已被证明具有硝化作用，其中假黄单胞菌属能高效去除氨氮[27-28]。其中，MT生物膜样本中假黄单胞菌属占比达0.62%，不动杆菌属占比达4%。在6个生物膜样本中还检测出了具有反硝化作用的热单胞菌属（Thermomonas），主要原因可能是随着微生物的生长，生物膜变厚，生物膜内部存在局部厌氧。

综合以上对生物膜上微生物的群落结构分析结果可知，不同填料反应器中的微生物组成还是存在较大差异的。其中MT反应器生物膜样本变形菌门占比最多。结合图3(B)各反应器对氨氮的去除率，MT生物膜相比于其他5种填料生物膜可能存在相对较多的硝化菌，且包括大部分脱氮菌的变形菌门也占比最多（56.2%）。这可能就导致MT反应器的污水去除效果较好。为进一步确定各反应器生物膜样本中硝化菌数量差异，本试验对生物膜样本上的硝化菌进行了功能基因（amoA、NSR）荧光定量PCR分析。

2.4生物膜硝化功能基因（amoA、NSR）荧光定量分析

因所有细菌中每个基因组内只有一个rRNA的基因拷贝，所以定量PCR测得的基因拷贝数质量浓度即为细菌在样品中的细胞质量浓度。由图8可知，针对6种填料上的生物膜样本硝化基因（amoA、NSR）荧光定量PCR结果显示，基于16SrDNA参比氨氧化菌（AOB）amoA和亚硝酸盐氧化菌（NOB）NSR的基因拷贝数存在极显著差异。MT中amoA、NSR拷贝数均显著高于其他5种填料（P＜0.05），分别为1.18×108、6.54×106copies/μL。该指标大小顺序为：MT＞JT＞ZT＞DT＞RT＞TT。说明MT生物膜上AOB和NOB数量最多。且各填料生物膜样本中AOB的细胞数量大于NOB细胞数量与反应器良好的运行效果一致。结合图3的CODMn及NH4+-N去除率、图4生物膜干重及脱氢酶活性的结果可知，MT反应器的污水处理效果好，主要因为MT负载生物量多、生物活性好，且其中AOB和NOB数量多，硝化性能强，自然脱氮效率高。

3结论

本文采用RT、TT、ZT、MT、JT和DT6种填料构建HBF反应器处理生活污水，以探讨填料对污水处理性能的影响及其微生物学机制，主要结论如下。

（1）基于HBF工艺的6种填料构筑的反应器的COD去除率介于79.35%~91.72%，差异不显著（P＞0.05）；NH4+-N去除率约67.12%~88.12%，差异显著（P＜0.05），顺序为MT＞JT＞ZT＞DT＞RT＞TT。

（2）不同填料反应器的生物膜干重介于6.07~8.11g，顺序为MT＞DT＞JT＞ZT＞TT＞RT；单位质量生物膜的脱氢酶活性介于180.43~208.55μgTF/(g生物膜•h)，顺序为JT＞MT＞ZT＞TT＞DT＞RT。生物膜干重及脱氢酶活性均是导致NH4+-N去除率差异的显著影响因素。

（3）生物膜的生物活性取决于生物膜上微生物的功能菌群。微生物多样性分析结果显示，MT生物膜样本中主要硝化细菌所在的变形菌门占比最大，达56.2%。硝化基因荧光定量PCR结果表明amoA及NSR基因拷贝数也最多（1.18×108、6.54×106copies/μL），即AOB和NOB的数量最多。

参考文献：

[1]WangJ,ShiH,YiQ.Wastewatertreatmentinahybridbiologicalreactor(HBR):effectoforganicloadingrates[J].ProcessBiochemistry,2000,36(4):297-303.

[2]李晓晨,吴成强,杨敏,等.用于生物接触氧化工艺的填料特性比较研究[J].环境污染治理技术与设备,2005,6(1):44-46.

[3]纳丽萍.生物接触氧化工艺处理生活污水填料性能试验研究[D].陕西:长安大学,2008,23-47.

[4]YangQ,PengY,LiuX,etal.NitrogenRemovalviaNitritefromMunicipalWastewateratLowTemperaturesusingReal-TimeControltoOptimizeNitrifyingCommunities[J].EnvironmentalScience&Technology,2007,41(23):8159-64.

[5]ZouX,FengY,ShengC,etal.Novelapplicationofbamboo-basedfibersinabiologicalcontactoxidationprocess[J].WaterScience&Technology,2014,69(7):1534-40.

[6]周律,李哿,SHIN,等.污水生物处理中生物膜传质特性的研究进展[J].环境科学学报,2011,31(8):1580-1586.

[7]MatsumotoS,OhtakiA,HoriK.Carbonfiberasanexcellentsupportmaterialforwastewatertreatmentbiofilms[J].EnvironmentalScience&Technology,2012,46(18):10175.

[8]谭冲.改性聚氨酯填料生物膜系统脱氮特征及微生物学机制研究[D].黑龙江:哈尔滨工业大学,2013,62-80.

[9]HoangV,DelatollaR,AbujamelT,etal.Nitrifyingmovingbedbiofilmreactor(MBBR)biofilmandbiomassresponsetolongtermexposureto1°C[J].WaterResearch,2014,49(C):215-224.

[10]BergmeyerHV,HenryWR.Methodsofenzymaticanalysis[M].NewYork:AcademicPress.1984,1022-1058.

[11]XuN,TanG,WangH,etal.Effectofbioadditionstosoilonnitrogenleaching,microbialbiomassandbacterialcommunitystructure[J].EuropeanJournalofSoilBiology,2016,74:1-8.

[12]MaoY,YannarellAC,RIMackie.ChangesinN-transformingarchaeaandbacteriainsoilduringtheestablishmentofbioenergycrops[J].PLoSOne,2011,6(9):e24750.

[13]RavelJ,GajerP,AbdoZ,etal.Vaginalmicrobiomeofreproductive-agewomen[J].ProceedingsoftheNationalAcademyofSciencesoftheUnitedStatesofAmerica,2011,108(1):4680-4687.

[14]StamsAJM.Metabolicinteractionsbetweenanaerobicbacteriainmethanogenicenvironments[J].AntonievanLeeuwenhoek,1994,66(1):271.

[15]LeeHS,ParkSJ,TailIY.Wastewatertreatmentinahybridbiologicalreactorusingpowderedminerals:effectsoforganicloadingratesonCODremovalandnitrification[J].ProcessBiochemistry,2002,38(1):81-88.

[16]LiuY,CapdevilleB.Dynamicsofnitrifyingbiofilmgrowthinbiologicalnitrogenremovalprocess[J].WaterScienceandTechnology,1994,29(7):377-380.

[17]AoiY,MiyoshiT,OkamotoT,etal.Microbialecologyofnitrifyingbacteriainwastewatertreatmentprocessexaminedbyfluorescenceinsitu,hybridization[J].JournalofBioscienceandBioengineering,2000,90(3),234-240.

[18]ImaiT,KusudaT.KineticStudyandMathematicalModelingofBiofilminaMethanogenicFluidizedBed[J].ProceedingsoftheJapanSocietyofCivilEngineers,2010,29(527):49-59.

[19]LiuY,CapdevilleB.Specificactivityofnitrifyingbiofilminwaternitrificationprocess[J].WaterResearch,1996,30(7):1645-1650.

[20]HongweiY,ZhanpengJ,ShaoqiS,etal.INT-dehydrogenaseactivitytestforassessinganaerobicbiodegradabilityoforganiccompounds[J].Ecotoxicology&EnvironmentalSafety,2002,53(3):416-21.

[21]MaY,MetchJW,VejeranoEP,etal.Microbialcommunityresponseofnitrifyingsequencingbateactorstosilver,zero-valentiron,titaniumdioxideandceriumdioxidenanomaterials[J].WaterResearch,2015,68(68):87-97.

[22]SnaidrJ,AmannR,HuberI,etal.Phylogeneticanalysisandinsituidentificationofbacteriainactivatedsludge[J].Applied&EnvironmentalMicrobiology,1997,63(7):2884.

[23]NguyenHT,LeVQ,HansenAA,etal.Highdiversityandabundanceofputativepolyphosphate-accumulatingTetrasphaera-relatedbacteriainactivatedsludgesystems[J].FemsMicrobiologyEcology,2011,76(2):256–267.

[24]AmannRI,LudwigW,SchleiferKH.Phylogeneticidentificationandinsitudetectionofindividualmicrobialcellswithoutcultivation[J].MicrobiologicalReviews,1995,59(1):143-169.

[25]UtåkerJB,NesIF.Aqualitativeevaluationofthepublishedoligonucleotidesspecificforthe16SrRNAgenesequencesoftheammonia-oxidizingbacteria[J].SystematicandAppliedMicrobiology,1998,21(1):72-88.

[26]LinSS,JinY,FuL,etal.Microbialcommunityvariationandfunctionstoexcesssludgereductioninanovelgravelcontactoxidationreactor[J].JournalofHazardousMaterials,2009,165(1-3):1083-1090.

[27]郝明辉,于鲁冀,李廷梅,等.一株异养硝化菌的筛选及生长特性研究[J].生物技术通报,2016,32(4):168-174.

[28]辛玉峰,曲晓华,袁梦冬,等.一株异养硝化-反硝化不动杆菌的分离鉴定及脱氮活性[J].微生物学报,2011,51(12):1646-1654.