AO工艺处理淀粉污水效能及微生物群落解析

由图2可知，污水厂进水COD浓度为384~732mg˙L−1，最终出水COD浓度为24~145mg˙L−1，COD去除率为73.54%~96.52%，COD平均去除率为87.25%。污水厂进水氨氮浓度为256.0~491.0mg˙L−1，最终出水氨氮浓度为1.1~163.0mg˙L−1，氨氮去除率为64.15%~99.66%，氨氮平均去除率为89.57%。研究表明，淀粉工业废水含有大量含碳有机物、含氮有机物以及多种微量元素，易被微生物利用分解。本研究中，污水厂污泥浓度前期较低，在运行第3天取样，污泥浓度为2215mg˙L−1。为了提高污泥硝化能力，污水厂提高生化池水温，由29℃提高到34℃，同时延长污泥停留时间，到第132天所采样品Z1、Z2污泥浓度已达到3683mg˙L−1，COD和氨氮浓度去除效果逐渐提高。邓仁建等研究发现，提高污泥浓度有助于提高COD和总氮去除率，在污泥浓度为4300mg˙L−1时，SBR总磷去除率最高为75.6%。KAWASAKI等研究发现，污泥浓度较低时，有机物不能被完全降解;当污泥浓度维持在3000~5000mg˙L−1时，处理效果稳定。

由图3可知，实验室AO反应器进水COD浓度为315~478mg˙L−1，最终出水COD浓度为40~80mg˙L−1，COD去除率为78.57%~90.83%，COD平均去除率为84.22%。进水氨氮浓度为364~521mg˙L−1，最终出水氨氮浓度为49.9~434.7mg˙L−1，氨氮去除率为4.21%~88.50%，氨氮平均去除率为39.57%。反应器脱氮效率达到88.50%，认为反应器启动成功。COD去除效果变化不明显，前期污泥驯化阶段直到最后，COD去除率均在90%以上，甚至出现0mg˙L−1，证明该实验反应器进水可能存在碳源不足的情况，需外加碳源提高脱氮性能。前期(第1～10天)和中期(第11～35天)污泥驯化阶段处理效果较差，后期(第36～45天)处理效果逐渐好转，结果表明该淀粉工业污水处理厂的活性污泥对相同氨氮、COD浓度的淀粉工业废水及葡萄糖模拟废水均能达到较好的处理效果。钟振兴等通过接种实际污水厂好氧池污泥，以实验室反应器处理模拟废水时发现，COD和氨氮的去除率分别高达90.9%和90.4%，并基本保持稳定，这与本研究结果相一致。

2.2微生物群落多样性分析

为了进一步揭示AO工艺中污染物的去除途径，采用Illumina高通量测序对活性污泥样品中微生物菌群进行多样性分析。如表1所示，7个样品获得的有效OTU数在1087~1628个之间，好氧池OTU数目在污水厂及反应器中均呈现下降趋势，其原因可能是专属菌群相对含量逐渐提高。Chao1指数侧重于群落丰度，PDwholetree指数与Shannon指数侧重于群落的多样性，数值越大，群落多样性越高，菌群覆盖度指数(Goodscoverage指数)用来表示本次测序相对于整体样本的覆盖程度，数值越高，覆盖程度越高。

表1活性污泥中菌群多样性指数

由表1可知，在97%的相似水平上，Goodscoverage指数均在94%以上，说明本次测序结果可充分反应微生物真实情况。Chao1指数在实验室AO反应器的好氧段中整体高于污水厂，说明其物种丰富度较高，并且在各个样品中，随着水质好转，Chao1指数呈现降低趋势。而Shannon和Simpson指数在污水厂的好氧段中明显低于AO反应器，表明生物多样性在AO反应器中较高，且在污水厂中缺氧段丰富度和多样性高于好氧段。上述结果原因可能是各个生物系统体系运行条件有差异，尽管2系统均能对氨氮、COD达到很好的去除效率，但物种多样性及丰富度均存在差异，表明水质成分存在差异时，作用菌群差异较大。ZHANG等研究结果与本实验结果类似，利用CA解析15个不同进水及工艺的污水处理厂微生物群落结构，相对距离为0.6时，根据进水水质差异分为5组，进水水质差异是影响微生物多样性和丰富度的关键因素。具体联系污水宝或参见http://www.dowater.com更多相关技术文档。

2.3微生物群落多样性的主成分分析

根据主成分分析得到各样本OTU数据的因子载荷，其是污泥样品中微生物群落结构和功能的具体反映。图4为污水厂及AO反应器7个样品的微生物群落主成分分析图，反映了不同进水成分污泥样品的因子载荷变化，样本间空间距离较近，表明物种组成相对类似。如图4所示，横坐标PC1贡献度为66.3%，PC2贡献度为29.1%，PC3贡献度为2.5%，污水厂样品分布在一侧，离散程度较高，实验室AO反应器中W1、W2和W3微生物群落结构相似度较高。X1、X2距离相对于Z1和Z2较远,W2、W3距离相对于W1距离较近。综上分析，污水厂缺氧段好氧段中存在专属菌群，其差异大，水处理效果良好，郭小马等的研究结果与本研究结果类似，在COD和氨氮去除率分别达到81%和91%时，缺氧段与好氧段微生物种类无明显差异但相对数量差异明显。而实验室AO反应器反应体系较小，微生物群落结构差异相对较小。

图4微生物群落多样性的主成分分析

2.4微生物菌群结构分析

在门、纲和属水平上对测序结果进行归类，分析所取4个污水站污泥样品和3个反应器样品在不同分类水平上的菌群组成及相对丰度差异，结果见图5。

图5门水平下微生物群落相对丰度

由图5可见，在门级别，淀粉工业污水厂中各样品中(X1~Z2)共统计到51个菌门。Proteobacteria、Bacteroidetes、Chloroflexi、Firmicutes、Actinobacteria和Sacibacteria在各样本中为主要菌群，其在各阶段总丰度平均为86.87%，且总体差异较小。对应AO反应器中，Proteobacteria、Bacteroidetes、Chloroflexi、Firmicutes总相对丰度达到73.12%~75.61%，为各样本中绝对的优势菌群，这与MA等和高晨晨等考察焦化废水及9座不同污水处理厂，发现在处理不同进水及工艺存在差别时，主要优势菌门为Proteobacteria、Bacteroidetes、Chloroflexi和Firmicutes，多样性不随水质工艺产生差异，但相对丰度有所不同，与本研究结论一致。各个阶段微生物丰度变化较为明显的为Proteobacteria、Bacteroidetes、Firmicutes和Chloroflexi等。污水厂中，好氧池各样品Proteobacteria、Bacteroidetes和Firmicutes相对丰度分别由23.78%、18.47%和17.81%增长为47.77%、26.36%和12.05%。而AO反应器中，Proteobacteria和Bacteroidetes分别由39.99%和6.62%增长为46.25%和21.93%。Chloroflexi在污水厂及反应器中分别由17.82%和21.48%降至12.04%和2.76%。康晓荣[26]研究发现，Proteobacteria和Bacteroidetes随着总氮和总磷去除率的提高，其丰度也相应增加，具有重要的硝化及反硝化除磷作用，而Firmicutes则与COD的去除有关。Chloroflexi优势在各生物系统中减弱，可能是因为Chloroflexi为严格厌氧细菌，进入好氧段后，溶解氧的增加抑制了其生长代谢，而Z1，Z2之间可能是因为Proteobacteria世代时间相对于Chloroflexi较短，在反应器营养充分的条件下实现了更多的增殖。

对各样品变形菌门微生物的分布特征进行分析，结果见表2。

由表2可知，所选4个样品中Alphaproteobacteria、Betaproteobacteria和Gammaproteobacteria是变形菌门中最优势菌纲，并且呈一定增长趋势。HU等研究发现，Alphaproteobacteria、Betaproteobacteria和Gammaproteobacteria在脱氮过程中发挥了重要作用并与反应器氨氮浓度呈正相关。而在实验室AO反应器中，除去Betaproteobacteria呈递增趋势，Alphaproteobacteria和Gammaproteobacteria均呈现先增后减的波动趋势。根据YE等和王未青的研究，Alphaproteobacteria和Gammaproteobacteria参与硝酸盐的还原，其从属菌——聚糖菌又影响了生物除磷过程。在本次实验中，实验室AO反应器进水尽管保证了COD、氨氮等浓度一样，但其中氮磷组成形式、微量元素及其他有机质的差异仍然影响了微生物群落构成。

在本阶段所取的6个样品中，共检测出827种菌属，其相对丰度如图6所示。

图6属水平下微生物群落相对丰度

由图6可知，污水厂与实验室AO反应器各样品菌属组成相似。优势菌属为Anaerolineaceae、Saprospiraceae和Betaproteobacteria等，三者总丰度占到了30%，而Saprospiraceae在污水厂中由8.89%降至1.04%，在AO反应器中由1.68%增为11.75%。有研究表明，Saprospiraceae能够分泌胞外聚合物，代谢葡萄糖、半乳糖、醋酸盐等，因AO反应器反应体系较小，微生物群落均能获得足量葡萄糖、半乳糖等有机质，而污水厂X1、X2与Z1、Z2取样点距离较远，后期葡糖糖供给不足，致使Saprospiraceae大量较少。

以上2种污泥系统中AOB(Nitrosomonas，Nitrosospira)和NOB(Nitrospira，Nitrospina)种类完全一致，但相对丰度差异较大。AOB在污水厂和AO反应器中相对丰度分别为0.12%和0.07%，NOB分别为0.08%和0.21%。这可能是因为污水厂反应体系更为完整且缺氧池、好氧池等相对独立，专属菌群长势良好。MA等研究发现，活性污泥中AOB和NOB相对丰度处于0.01%~1%的条件下，污水厂仍能保持高效脱氮。有研究表明，活性污泥中与反硝化作用有关的主要菌属包括：Azoarcus、Thauera、Comamonas、Rhodobacter、Rhodocyclus和Dechloromonas等。在本研究中，也发现了Azoarcus、Thauera和Comamonas等可能参与反硝化作用的细菌类群，其相对丰度如表3所示。由表3可知，Comamonas为其中丰度最高菌群，且各菌属随水质变化成一定的演替规律。

表3各样品反硝化相关菌群相对丰度

2.52种工艺微生物构成差异

ANOVA(analysisofvariance)比较污水厂与实验室AO反应器在不同分类水平上物种丰度差异[34]，结果见表4。

如图7所示，在门水平上，厚壁菌门(Firmicutes)丰度在污水厂和反应器之间存在显著差异，其丰度在污水厂中显著高于反应器(P=0.002<0.01)，而变形菌门、拟杆菌门和绿弯菌门等无显著差异(P>0.05)。在纲水平上，变形菌门中的Betaproteobacteria相对丰度显著低于反应器(P=0.045<0.05)。厚壁菌门中的Bacilli、Negativicutes相对丰度污水厂显著高于反应器(P=0.031、0.032<0.05)、Ignavibacteria则显著高于反应器(P=0.004<0.01)。结合污水厂及实验室AO小试装置水质处理效果可知，菌群丰度的差异是进水水质成分差异造成，并且受水质处理效果影响。

表4污水厂与反应器门、纲水平上物种相对丰度的差异

本研究选取污泥浓度(MLSS)、COD、氨氮(ammonia)和温度(T)作为环境因子，结合各样本微生物群落结构，利用冗余分析(RDA)研究微生物与环境因子的相关性。结果(见图7)表明，主轴1和主轴2共解释了微生物群落结构与水质参数总变异的80.31%，污水厂样品中，X1、X2分布较近，与Z1、Z2相同，而实验室AO装置分布较远，水质处理较差的W1、W2分布较近，而W3距离较远。并且实验室装置前期受氨氮影响较大。X1、X2期间受COD影响较大，经调试污泥停留时间后，Z1、Z2污泥浓度增加。微生物群落中Corynebacterium和Saprospiraceae受COD影响较大，Comamonadaceae、Salmonella以及Variovorax受氨氮影响较大。Oxalobacteraceae及Lactobacillus与污泥浓度相关。

图7污水厂和反应器微生物RDA分析结果

3结论

1)进水COD、氨氮浓度分别为500、450mg˙L−1时，污水厂COD和氨氮出水浓度为83和1.3mg˙L−1,COD去除率为73.54%~96.52%，氨氮去除率为64.15%~99.66%。AO反应器出水浓度分别为78和107mg˙L−1，COD去除率为78.57%~90.83%，氨氮去除率为4.21%~88.50%。经过一定时间的调试污泥驯化后，工业污水厂活性污泥对人工配水保持较高的净化效率。

2)根据PCA分析，受反应体系影响，污水厂各样品微生物群落结构离散程度较大，而AO反应器由于体系小，水质相对稳定，3个污泥样品微生物群落结构差异相对较小。

3)高通量测序结果表明，变形菌(Proteobacteria)、拟杆菌(Bacteroidetes)、绿弯菌(Chloroflexi)、厚壁菌(Firmicutes)、放线菌(Actinobacteria)和Sacibacteria为污水厂和反应器中主要菌群，相对丰度为81.53%~92.36%。受水质成分影响，在污水厂系统和反应器中差异较为明显的为Firmicutes和Betaproteobacteria和Saprospiraceae等。