论文：填料对HBF工艺处理生活污水的影响及其机制研究

填料对HBF工艺处理生活污水的影响及其机制研究

王文标  （上海泓济环保科技股份有限公司，上海200433）

摘要 HBF工艺（hybridbiological&fixedfilmtechnology）是废水处理的一种有效方法，且填料是该工艺的核心。然而，典型填料对污水处理性能的影响及其机制并不清楚。为此，采用软性填料（RT）、弹性填料（TT）、组合填料（ZT）、酶浮填料（MT）、聚酯填料（JT）和涤纶填料（DT）6种填料构建HBF反应器处理生活污水。结果表明，测试期内COD平均去除率差异不显著（P＞0.05），而氨氮的平均去除率差异显著（P＜0.05），且MT反应器的COD及氨氮平均去除率均最高。为揭示其差异形成原因，比较了不同反应器内生物膜干重、微生物活性、微生物群落组成及硝化细菌功能基因（amoA、NSR）的表达。结果发现，生物膜干重差异显著（P＜0.05）且微生物活性差异显著(P＜0.05)，生物膜上的细菌群落结构不同但优势菌群均为变形杆菌门、拟杆菌门及厚壁菌门等，MT中amoA、NSR拷贝数均显著高于其他5种填料（P＜0.05）。因此，HBF工艺不同填料污水处理性能的差异主要是由生物膜的生物量及功能微生物组成两方面导致。

关键词 HBF工艺 填料   污水处理    微生物群落

中图分类号：TU992；X52文献标识码：A文章编号：1009-0177(2018)08-

DOI:10.15890/j.cnki.jsjs.2018.08.

HBF工艺（hybridbiological&fixedfilmtechnology）是在A/O活性污泥法基础上，结合生物膜法的优势而开发出的一种复合式生物膜-活性污泥法工艺[1]，填料是该工艺核心部分。研究表明，不同填料对生物膜法污水处理性能影响显著[2-4]，在生物接触氧化工艺处理生活污水中，软性纤维填料较弹性立体填料和悬浮球型填料，对生活污水中有机物及氨氮的去除效果较好，且填料对生物膜法污水处理性能影响更显著的是对氨氮的去除，而对去除COD的影响较小[4]。然而，在HBF工艺中，填料的不同对其污水处理性能有何影响尚不清楚。

填料的表面性质直接影响其对微生物挂膜性能及附着生物类型[5]。同时，生物膜结构的异质性和微生物分布的复杂性，为生物膜的内部传质和外部传质提供了不同的微环境[6]。为此，污水处理性能的差异可以通过附着生物量、生物相组成及反应器中的传质行为等过程来实现[7]。谭冲等[8]发现不同填料反应器污水去除效率的差异原因可归结为生物膜负载量及生物膜上的微生物菌群组成。Hoang等[9]分析了常温和低温下MBBR系统中生物膜的结构，发现传质的差异可导致生物膜中微生物结构的差异。然而，HBF工艺中不同填料反应器的污水处理性能差异的主要原因并不清楚。

为此，本文开展以下内容的研究：（1）研究不同填料对HBF反应器污水处理效率的影响；（2）不同填料反应器内生物膜干重及脱氢酶活性，揭示其差异形成的初步机制；（3）基于细菌群落结构组成和荧光定量PCR分析，揭示不同填料污水处理性能差异的微生物学机制。

1材料与方法

1.1试验材料

本试验所用的填料包括酶浮填料（MT）、聚酯填料（JT）、涤纶填料（DT）、软性填料（RT）、弹性填料（TT）和组合填料（ZT）。采用人工裁剪方式，将前3种填料剪成条状（2cm×15cm），固定在ZT配套的骨架上，且底端固定填料以保证其在反应池中相对稳定的状态。6种填料性质及扫描电子显微镜（SEM）图分别如表1、图1所示。

1.2试验装置及运行工况

采用有机玻璃反应器（图2）实施废水处理。反应器有效体积为6L，其污泥浓度（MLSS）为3000mg/L，DO为5mg/L，污泥回流比100%。反应器采用连续进出水，HRT设置为4~12h（表2）。人工配置的污水pH值为7.0，COD浓度为250mg/L，TN浓度为50~90mg/L，TP浓度为3mg/L及部分微量元素。

1.3水质指标与分析方法

测定的水质指标有COD、氨氮（NH4+-N）及TN。采用高锰酸盐酸性法（GB11914—89）测定CODMn；采用纳氏试剂分光光度法（GB7481—87）测定NH4+-N；采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法（GB—11894—89）测定TN。

1.4生物膜量及微生物活性测定方法

采用干重法定量评价生物膜负载量[5]。将含有生物膜的溶液用0.45μm滤膜（使用前称重）过滤，把滤膜置于温控105℃的恒温鼓风干燥箱内，干燥至恒重，过滤前后的质量差即为生物膜干重。结果取各反应器运行第20、30、45、60d及80d所测结果的平均值。采用TTC-还原法[10]对脱氢酶活性进行测定。结果取各反应器运行第20、30、45、60d及80d所测结果的平均值。

1.5微生物分析

1.5.1DNA提取及PCR扩增

从每个反应器取适量的生物膜样本，用PowerSoilDNA提取盒（QbiogeneInc.,Carlsbad,CA,USA）按照DNA提取盒内说明书提取DNA，利用1%琼脂糖凝胶电泳检测抽提的基因组DNA。PCR采用TransGenAP221-02:TransStartFastpfuDNAPolymerase。扩增采用的细菌16SrRNA引物序列为:338F:5'-ACTCCTACGGGAGGCAGCAG-3'，806R:5'-GGACTACHVGGGTWTCTAAT-3'[11]；AOB引物序列为:amoA-1F:5'GGGGTTTCTACTGGTGGT-3',amoA-2R:5'CCCCTCKGSAAAGCCTTCTTC-3'[12]；NOB引物序列为:NSR1113R:5'-CCTGCTTTCAGTTGCTACCG-3'，NSR1264R:5'-GTTTGCAGCGCTTTGTACCG-3'[13]。

采用50μL反应体系：10~100ng模板，25μL的2×TaqPCRMasterMix，1μL的25μmol/L引物，后用超纯水补至50μL。

PCR反应步骤：95℃下预变性10min；95℃下变性15s，60℃退火60s，共40个循环。全部样本按照正式试验条件进行，每个样本设置3个重复。