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我國農(nóng)村污水具有水量大、排放分散等特點(diǎn)，且污水收集處理設(shè)施不完善，導(dǎo)致我國農(nóng)村污水處理率不足35%，其余大量污水被直接排入周邊環(huán)境，造成地方生態(tài)環(huán)境污染嚴(yán)重，危及農(nóng)村居民生產(chǎn)和生活用水安全。傳統(tǒng)的農(nóng)村污水處理方法包括化糞池、人工濕地和穩(wěn)定塘等，但是這些技術(shù)存在占地面積大、處理效率低等問題，限制了其應(yīng)用。為了提高農(nóng)村污水的處理效率，引進(jìn)了AAO、AON、SBR等先進(jìn)的生物處理技術(shù)。其中，AON工藝具有流程簡單、基建費(fèi)用低、除氮效率高等優(yōu)勢，但AON通常需要較高的溶解氧濃度（DO為2~5mg/L）來維持好氧區(qū)的生化降解反應(yīng)，導(dǎo)致工藝運(yùn)行能耗較高，因此不適用于經(jīng)濟(jì)相對落后的農(nóng)村地區(qū)。

腐殖土生物功能材料是一種利用天然腐殖土壤制成的生物材料，通常被添加到活性污泥工藝回流階段的活化槽中，在低DO（0.3~0.5mg/L）條件下進(jìn)行培養(yǎng)和活化，改變污泥性質(zhì)和微生物群落，達(dá)到提高系統(tǒng)脫氮除磷性能并降低污泥產(chǎn)率的目的。因此，如果直接在反應(yīng)器內(nèi)接種和培養(yǎng)腐殖土中特殊兼性土壤菌種以替代傳統(tǒng)活性污泥處理農(nóng)村污水，可能會(huì)降低系統(tǒng)的DO濃度，減少曝氣能耗和成本。但是，當(dāng)前關(guān)于腐殖土自身攜帶功能細(xì)菌的脫氮效能及機(jī)制鮮有報(bào)道。

基于此，結(jié)合中試案例開發(fā)了腐殖土生化系統(tǒng)（HSBS），其采用腐殖土生物功能材料作為接種物，通過調(diào)控反應(yīng)器內(nèi)DO濃度來培養(yǎng)、馴化、富集腐殖土中具有特定代謝功能的活性微生物，從而實(shí)現(xiàn)對污染物的高效降解。筆者以模擬農(nóng)村污水為處理對象，考察HSBS對污水中污染物的去除效能，并與傳統(tǒng)AON工藝進(jìn)行比較；在HSBS穩(wěn)定運(yùn)行以后，解析HSBS的污泥特性；最后，探究HSBS和AON體系微生物群落的差異性，揭示HSBS工藝的高效脫氮機(jī)制。

1、材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)為一體式的HSBS和傳統(tǒng)AON反應(yīng)器，均以有機(jī)玻璃制成，具體如圖1所示。

HSBS和AON反應(yīng)器的外形和大小基本相同，生化池總有效容積均為12.3L，但是生化池的結(jié)構(gòu)存在差異。HSBS缺氧區(qū)和曝氣區(qū)的有效體積比為1∶1，而傳統(tǒng)AON反應(yīng)器缺氧區(qū)和曝氣區(qū)的有效體積比為1∶2.76。此外，HSBS的缺氧區(qū)內(nèi)置了一個(gè)長×寬×高=4cm×4cm×15cm的活化槽，用于腐殖土壤菌群的活化富集。二沉池采用豎流式沉淀池，底部泥斗呈方錐形，設(shè)計(jì)池容為3.8L。缺氧區(qū)和曝氣區(qū)均設(shè)置攪拌器，以確保系統(tǒng)污泥處于均勻懸浮狀態(tài)；曝氣區(qū)布設(shè)微孔曝氣盤，采用氣泵為生化反應(yīng)提供氧氣。

1.2 實(shí)驗(yàn)材料

HSBS工藝所用腐殖土生物功能材料呈灰褐色，圓柱狀，平均直徑為30mm，長為55mm，質(zhì)量平均為45g/個(gè)左右，屬于富含土壤微生物和腐殖質(zhì)的載體。所用輕石呈淡黃色，不規(guī)則塊狀，含有多種微生物生長不可缺少的微量元素，其疏松多孔性結(jié)構(gòu)可為微生物的增殖提供棲息空間。對腐殖土生物功能材料和輕石進(jìn)行破碎處理，其中部分破碎樣品過50目篩后備用。接種于傳統(tǒng)AON反應(yīng)器的活性污泥為上海市某污水廠二沉池回流污泥，該污水廠運(yùn)行情況良好。取回活性污泥后，過40目篩去除大顆粒雜質(zhì)，加入少許營養(yǎng)物質(zhì)悶曝3d后，再接種于AON反應(yīng)器中進(jìn)行培養(yǎng)和馴化，作為對照組。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

HSBS在運(yùn)行之前不用接種活性污泥，而是以1∶1的質(zhì)量比投加腐殖土生物功能材料和輕石作為接種物，具體步驟如下：在生化池投加72g腐殖土生物功能材料和72g輕石碎塊，同時(shí)向活化槽內(nèi)投加12g腐殖土生物功能材料和12g輕石碎塊，注入約6L的脫氯自來水后，以3L/min通氣量曝氣預(yù)處理3d以活化土壤微生物。3d后，通過蠕動(dòng)泵向兩個(gè)反應(yīng)器中同時(shí)進(jìn)水，以調(diào)試反應(yīng)器和馴化活性微生物。此外，為提升腐殖土功能材料中土壤微生物的接種率，分別在進(jìn)水后第7、15天投加30g腐殖土功能材料和30g輕石粉末，促進(jìn)土壤微生物生長富集的同時(shí)抑制其他微生物生長。傳統(tǒng)AON反應(yīng)器直接接種1.2節(jié)中已處理的活性污泥，污泥濃度控制在3200mg/L左右。兩組反應(yīng)器采用同一水箱進(jìn)水，平行運(yùn)行。

兩組反應(yīng)器的設(shè)計(jì)處理量為20L/d，水力停留時(shí)間為14.7h，控制內(nèi)回流比為300%、外回流比為75%，HSBS反應(yīng)器的外回流污泥最終匯于內(nèi)置活化槽中。值得注意的是，在系統(tǒng)正式運(yùn)行前，需對反應(yīng)器進(jìn)行調(diào)試。在調(diào)試期，反應(yīng)器進(jìn)水量分為7.5和15L/d兩個(gè)階段，每個(gè)階段運(yùn)行7~10d。調(diào)試結(jié)束后，反應(yīng)器開始滿負(fù)荷運(yùn)行，每天監(jiān)測并調(diào)控曝氣池DO濃度。其中，傳統(tǒng)AON反應(yīng)器曝氣池DO濃度控制為3.0~5.5mg/L；HSBS曝氣池DO濃度在調(diào)試期控制為1~2mg/L，滿負(fù)荷運(yùn)行后控制為0.3~0.7mg/L。兩組反應(yīng)器缺氧池的DO濃度均小于0.2mg/L。反應(yīng)器滿負(fù)荷運(yùn)行期間，每2d檢測一次出水水質(zhì)指標(biāo)，包括COD、NH4+-N、TN、pH；滿負(fù)荷運(yùn)行40d后，分析兩組系統(tǒng)污泥的微生物群落情況。

1.4 分析項(xiàng)目和方法

COD采用M型COD檢測盒快速消解分光光度法測定，NH4+-N采用納氏試劑分光光度法測定，TN采用堿性過硫酸鉀消解-紫外分光光度法測定，DO采用便攜式溶解氧儀測定，pH采用pH計(jì)測定，污泥絮體粒徑采用激光粒度儀測定。污泥樣品經(jīng)冷凍干燥后，利用掃描電子顯微鏡（SEM）觀察泥樣形貌特征；將干泥與KBr以2∶100的質(zhì)量比混合研磨壓片后，利用傅里葉紅外光譜（FTIR）儀分析泥樣表面官能團(tuán)。依托上海美吉生物醫(yī)藥科技有限公司對穩(wěn)定運(yùn)行階段的生化污泥開展基于IlluminaMiSeq的細(xì)菌16SrRNA高通量測序分析，PCR擴(kuò)增引物包括上游引物338F（ACTCCTACGGGAGGCAGCAG）和下游引物806R（GGACTACHVGGGTWTCTAAT）。

2、結(jié)果與分析

2.1 對污染物的去除效果

傳統(tǒng)AON工藝對模擬農(nóng)村污水中污染物的去除效果見圖2。從圖2（a）可知，傳統(tǒng)AON工藝對COD的去除率基本穩(wěn)定在95%以上，出水COD濃度低于20mg/L，這可能是因?yàn)椴捎昧松暂^好的葡萄糖作為碳源，提高了污水的可生化性。但是在運(yùn)行初期對NH4+-N和TN的去除效果較差，并未達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB18918—2002）一級A排放標(biāo)準(zhǔn)，見圖2（b）、（c）。

同時(shí)從圖2還可以發(fā)現(xiàn)，隨著AON反應(yīng)器的持續(xù)運(yùn)行，活性污泥中硝化/反硝化細(xì)菌生長增殖，系統(tǒng)脫氮效果逐漸提高。38d后，AON工藝對模擬農(nóng)村污水中NH4+-N和TN的去除率分別為（93.7±0.06）%和（71.8±0.24）%，相應(yīng)出水濃度分別為（2.5±0.03）和（11.4±1.24）mg/L。

在DO為0.3~0.7mg/L的條件下，HSBS反應(yīng)器的運(yùn)行效果如圖3所示。HSBS反應(yīng)器由于在運(yùn)行初期缺少充足的活性微生物，因此對污水中COD、NH4+-N和TN的去除效果較差。0~10d，HSBS對COD、NH4+-N和TN的平均去除率僅分別為（91.0±4.00）%、（29.4±5.54）%和（27.3±1.63）%，相應(yīng)的出水濃度分別為（29.2±11.57）、（28.9±1.24）和（30.0±2.91）mg/L。隨著反應(yīng)器的持續(xù)運(yùn)行，腐殖土中兼性功能微生物得以馴化和富集，HSBS對污染物的去除效果快速提高。38d后，HSBS對污水中COD、NH4+-N和TN的去除率分別達(dá)到（97.1±0.03）%、（91.2±0.19）%和（84.4±3.33）%，相應(yīng)出水濃度分別為（11.0±0.14）、（3.5±0.07）和（6.3±0.28）mg/L。相比傳統(tǒng)AON工藝，HSBS在穩(wěn)定運(yùn)行階段的去除效果明顯提升，尤其是對TN的去除率提升了12.6%。

總之，在低DO條件下，HSBS工藝對農(nóng)村污水的凈化效能優(yōu)于傳統(tǒng)AON工藝，表現(xiàn)出良好的應(yīng)用潛力。因此，HSBS有可能替代傳統(tǒng)AON處理農(nóng)村污水，可降低工藝曝氣所需的能耗和成本。

2.2 活性污泥特征

2.2.1 污泥形態(tài)特征

HSBS和AON體系污泥的形態(tài)特征如圖4所示。圖4（a）為HSBS接種腐殖土生物功能材料和輕石經(jīng)3d曝氣處理后的懸浮顆粒形態(tài)，可以發(fā)現(xiàn)接種材料表面粗糙、多孔，結(jié)構(gòu)疏松，為不規(guī)則形狀顆粒，這些結(jié)構(gòu)能夠?yàn)镠SBS體系中微生物的生長和繁殖提供合適的棲息空間。兩組反應(yīng)器正常運(yùn)行38d后，HSBS和AON體系中污泥絮體的SEM結(jié)果分別如圖4（b）、（c）所示，相比AON體系污泥的片狀絮體結(jié)構(gòu)，從HSBS污泥絮體中可以觀察到大量的球菌和絲狀菌，彼此纏繞交織，有利于提高污泥的反應(yīng)活性，同時(shí)也增大了污泥絮體的粒徑。從圖4（d）可以看出，HSBS污泥絮體的平均粒徑為186μm，遠(yuǎn)大于AON體系的污泥粒徑，這有利于改善污泥的沉降性能。上述結(jié)果表明，接種的腐殖土生物功能材料和輕石有利于系統(tǒng)形成微生物活性和沉降性能良好的污泥絮體，提升HSBS工藝的處理效能。

2.2.2 污泥表面官能團(tuán)分析

HSBS和AON反應(yīng)器穩(wěn)定運(yùn)行階段污泥的FTIR圖譜如圖5所示。可知，HSBS和AON體系污泥表面特征峰的趨勢基本一致，表明兩組反應(yīng)器的污泥含有相似的官能團(tuán)。

在波數(shù)為3420、1650（酰胺Ⅰ帶）和1538（酰胺Ⅱ帶）cm-1處均存在顯著的酰胺型特征峰，這主要與污泥中蛋白質(zhì)類和氨基酸類物質(zhì)有關(guān)。此外，3420cm-1處的吸收峰還可能是由于多糖和醇類物質(zhì)的O—H鍵伸縮振動(dòng)引起的。在波數(shù)為2927和2849cm-1處的特征峰可能產(chǎn)生于脂肪族化合物亞甲基的C—H鍵伸縮振動(dòng)；1650cm-1處的吸收峰與芳烴環(huán)中C=C鍵和酰胺Ⅰ帶中C=O鍵的拉伸振動(dòng)有關(guān)；位于1066cm-1附近的吸收峰歸因于多糖類物質(zhì)中C—O鍵和C—O—C鍵的伸縮振動(dòng)。相比而言，兩個(gè)體系污泥FTIR吸收峰的峰型相似，但是HSBS污泥的特征峰強(qiáng)度整體弱于AON的，暗示HSBS污泥中的有機(jī)質(zhì)含量低于AON污泥，這有利于減少剩余污泥產(chǎn)量，降低污泥處理處置成本。

2.3 微生物群落結(jié)構(gòu)

2.3.1 微生物多樣性分析

圖6展示了HSBS和AON體系微生物擴(kuò)增子序列變體數(shù)（ASV）分布的Venn圖。可以看出，HSBS和AON體系中的ASV分別為904和858，共享ASV為96，表明HSBS和AON體系的ASV存在較大的差異性。其中，HSBS體系的ASV高于AON體系，表明腐殖土生物功能材料作為接種物可以增加處理系統(tǒng)的ASV，提高微生物的多樣性。

通過Alpha多樣性來進(jìn)一步分析HSBS與AON體系微生物群落豐富度和多樣性的差異，結(jié)果見表1。兩種體系污泥樣品的覆蓋率均高于99%，表明所獲得的序列能夠覆蓋大部分微生物，測序結(jié)果可以代表樣本中微生物的真實(shí)情況。Shannon指數(shù)和Simpson指數(shù)均可以反映群落的多樣性，Shannon指數(shù)越大表明微生物群落多樣性越高，而Simpson指數(shù)越大表明微生物群落多樣性越低。由表1可知，HSBS體系污泥微生物的多樣性高于AON體系。此外，HSBS體系污泥的Ace指數(shù)和Chao指數(shù)均大于AON體系，表明HSBS體系污泥的微生物更加豐富，這與上述ASV的結(jié)果一致。因此，利用腐殖土生物功能材料作為接種物培養(yǎng)污泥系統(tǒng)可以提高微生物的多樣性和豐富度，提高污泥系統(tǒng)活性。

2.3.2 微生物群落組成分析

HSBS和AON體系污泥在微生物群落門水平上的分布結(jié)果如圖7（a）所示。可以看出，兩種體系的微生物群落結(jié)構(gòu)存在明顯差異。其中，AON體系的優(yōu)勢菌門主要為變形菌門（Proteobacteria）、綠彎菌門（Chloroflexi）、放線菌門（Actinobacteriota）和浮霉菌門（Planctomycetota），相對豐度之和超過80%，是活性污泥系統(tǒng)中的常見菌門。據(jù)報(bào)道，變形菌門和綠彎菌門中含有多種反硝化細(xì)菌，可參與脫氮生化過程。HSBS體系中的高豐度菌門主要包括變形菌門、綠彎菌門、擬桿菌門（Bacteroidota）、放線菌門和髕骨菌門（Patescibacteria）。除了變形菌門和綠彎菌門以外，髕骨菌門和擬桿菌門中很多細(xì)菌在反應(yīng)器中會(huì)起到反硝化作用，這表明HSBS體系中含有較高豐度的脫氮細(xì)菌，有利于提高HSBS工藝的脫氮效能。此外，綠彎菌門還會(huì)參與有機(jī)物的降解，其絲狀結(jié)構(gòu)有助于污泥絮體的形成，這與SEM的結(jié)果相符合。放線菌門的生長可能與污泥的沉降性能有關(guān)，其在HSBS體系中相對豐度較低，有利于提升污泥的沉降性能。

HSBS和AON體系污泥在微生物群落屬水平上的組成見圖7（b）。可知，兩種體系的群落組成和豐富度存在較大差異。其中，在AON體系中存在的優(yōu)勢菌屬主要包括unclassified_f__Rhodobacteraceae、Tolumonas、norank_f__Caldilineaceae、CL500-3、Candidatus_Alysiosphaera和norank_f__norank_o__Saccharimonadales，其相對豐度分別為9.9%、9.0%、8.8%、8.2%、7.8%、5.8%。Tolumonas屬于變形菌門，其對脫氮過程具有重要的作用；norank_f__Caldilineaceae屬于綠彎菌門，其被發(fā)現(xiàn)存在于多種反應(yīng)器中，可以參與反硝化反應(yīng)。此外，norank_f__Caldilineaceae和Candidatus_Alysiosphaera作為絲狀菌，可能會(huì)對污泥膨脹和沉降性產(chǎn)生影響。HSBS的優(yōu)勢菌屬主要包括Kouleothrix、norank_f__Pleomorphomonadaceae、unclassified_f__Comamonadaceae、Propioniciclava和norank_f__Saprospiraceae，其相對豐度分別為10.9%、6.8%、6.5%、6.1%、5.3%。Kouleothrix屬于綠彎菌門，為污水處理系統(tǒng)中常見的絲狀菌，盡管該菌屬與污泥膨脹有關(guān)，但是對污水中蛋白質(zhì)、糖類、細(xì)胞壁碎片等有機(jī)物的降解具有重要作用；unclassified_f__Comamonadaceae屬于變形菌門，可在好氧條件下將NH4+-N氧化為NO2?-N；兼性厭氧菌Propioniciclava可以將糖類物質(zhì)轉(zhuǎn)化為小分子乙酸和丙酸，為反硝化反應(yīng)提供優(yōu)質(zhì)碳源；norank_f__Saprospiraceae屬于擬桿菌門，能通過胞外酶分解蛋白質(zhì)實(shí)現(xiàn)對胞外聚合物的降解，這與FTIR的結(jié)果相一致。此外，HSBS體系中還含有Candidatus_Competibacter、Thiothrix等多種反硝化細(xì)菌。因此，HSBS工藝表現(xiàn)出優(yōu)于傳統(tǒng)AON工藝的脫氮效果。

3、結(jié)論

①以腐殖土生物功能材料和輕石為接種物開發(fā)的HSBS工藝在低DO（0.3~0.7mg/L）條件下對污水中COD、NH4+-N和TN的去除率分別為97.1%、91.2%和84.4%，相應(yīng)出水濃度分別為11.0、3.5和6.3mg/L，表現(xiàn)出良好的處理效果，特別是對TN的去除率較傳統(tǒng)AON工藝提升了12.6%。

②相比傳統(tǒng)AON污泥，HSBS污泥表面官能團(tuán)種類無明顯改變，但其污泥絮體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，粒徑較AON污泥增加，有利于提升污泥活性和沉降性。

③HSBS中微生物的豐富度和多樣性均高于AON工藝，展現(xiàn)了HSBS微生物群落結(jié)構(gòu)的特異性，其存在具有特殊功能的優(yōu)勢菌屬，可提高微生物群落的豐富度和多樣性。HSBS中存在Proteobacteria、Patescibacteria、Chloroflexi和Bacteroidota等多種優(yōu)勢菌門，在生化脫氮過程中發(fā)揮著重要作用，增強(qiáng)了系統(tǒng)對污水中污染物的去除效能。