周期攪拌低高徑比SBR中好氧造粒及生物演替
好氧顆粒污泥（AGS）因外形規(guī)則、結(jié)構(gòu)緊密且具有較大的沉降速度及優(yōu)越的污染物降解效果，成為近些年來國內(nèi)外關(guān)注的對象。但目前對AGS的形成及控制體系構(gòu)建的研究仍不完善，特別是其不穩(wěn)定易解體的問題限制了該技術(shù)的推廣應(yīng)用。AGS一般是在高徑比（H/D）超過5的序批式反應(yīng)器（SBR）中獲得?？蒲腥藛T發(fā)現(xiàn)，H/D在15以上時(shí)可在1個(gè)月內(nèi)快速顆?；晒?。這是因?yàn)檩^大的H/D延伸了污泥的循環(huán)路徑，往往會(huì)使污泥之間發(fā)生更有效的碰撞，理論上促使微生物絮體更易于抱團(tuán)凝聚，形成結(jié)構(gòu)密實(shí)、沉降速率大的顆粒污泥。但較大的H/D存在造價(jià)高及控制管理難等問題，因而不適于工程應(yīng)用，且試驗(yàn)中大多使用的SBR為細(xì)長型，其容積一般不大，承載廢水的能力相對較低。
由于循環(huán)路徑短、碰撞頻率低，在H/D減小的情況下相對難顆?；?。為解決此問題，最直接的辦法是增大曝氣量來提高表觀氣速（SGV）以達(dá)到所需的剪切強(qiáng)度，但成本過高。同時(shí)，王惠卿等發(fā)現(xiàn)，在純好氧SBR中形成顆粒污泥的時(shí)間也較長。關(guān)于機(jī)械攪拌所起的作用，張小玲等以800r/min的攪拌轉(zhuǎn)速配合鼓風(fēng)曝氣，僅3d便在H/D為3.29的SBR中形成了顆粒；曲新月等在H/D為1.2的SBR中進(jìn)行325r/min的機(jī)械攪拌，定量分析了表觀氣速和攪拌對剪切強(qiáng)度的貢獻(xiàn)率，結(jié)果顯示后者約高37.48倍；易誠等的研究表明，微生物在攪拌剪切刺激下會(huì)分泌胞外聚合物（EPS），最終凝聚成顆粒污泥的初核。這些研究都暗示著機(jī)械攪拌的加入或?qū)Φ虷/D中顆粒污泥的形成起到重要作用。但Gao等認(rèn)為，攪拌的強(qiáng)度難以控制，操作不當(dāng)還可能導(dǎo)致顆粒破碎。因此，有必要進(jìn)一步探究機(jī)械攪拌對顆?；绊懙年P(guān)聯(lián)條件。
活性污泥生物相診斷學(xué)技術(shù)是指利用光學(xué)顯微鏡實(shí)時(shí)觀察污泥顆?；^程中的微生物（原、后生動(dòng)物及部分細(xì)菌），通過分析微生物的類別、數(shù)量等及時(shí)改變和控制活性污泥系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)。為了對接實(shí)際工程的構(gòu)筑物，并盡可能提升廢水的處理量，同時(shí)降低曝氣量，筆者選用H/D分別為2.5（有效容積為15.70L）和4.4（有效容積為1.76L）的SBR反應(yīng)器進(jìn)行試驗(yàn)，采用鼓風(fēng)機(jī)曝氣聯(lián)合水平機(jī)械攪拌提供剪切力，研究連續(xù)和停歇兩種攪拌方式下AGS的基本特性，解析顆?；^程中較為適宜的攪拌方式、轉(zhuǎn)速及剪切力范圍。與此同時(shí)，結(jié)合生物相診斷及高通量測序等技術(shù)，表征顆?；^程中微生物多樣性及種群演替情況，旨在為低高徑比反應(yīng)器中好氧造粒提供參考。
1、材料與方法
1.1 試驗(yàn)裝置及運(yùn)行方式
SBR反應(yīng)器如圖1所示，其由有機(jī)玻璃制成。兩組反應(yīng)器中，H1/D1=2.5的SBR簡稱為P，H2/D2=4.4的SBR簡稱為S，內(nèi)徑D1=20cm、D2=8cm，高分別為80和70cm，有效高度H1=50cm、H2=35cm，有效容積V1=15.70L、V2=1.76L，容積交換率均為50%。反應(yīng)器內(nèi)設(shè)有旋漿式攪拌器，其中P的攪拌槳為三層四葉式，槳長12.5cm、高2.5cm。S的攪拌槳為單層，槳長5.5cm、高1.5cm。采用曝氣泵曝氣，采用玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)調(diào)節(jié)曝氣量。
試驗(yàn)在室溫（20~22℃）下進(jìn)行，每天運(yùn)行6個(gè)周期，每周期240min。其中P反應(yīng)器為進(jìn)水20min、出水7min、初始曝氣193min、沉淀20min，后期曝氣增至203min，同時(shí)日間攪拌3個(gè)周期，每周期150min，沉淀時(shí)間逐漸縮至10min。S反應(yīng)器為進(jìn)水3min、出水1min、初始曝氣221min、沉淀15min，后期曝氣的同時(shí)日夜連續(xù)攪拌231min，9d后根據(jù)運(yùn)行狀況將攪拌縮至120min，沉淀縮至5min。
1.2接種污泥和試驗(yàn)用水
接種污泥取自烏魯木齊市某污水處理廠二沉池的回流污泥，呈黑褐色。試驗(yàn)分三個(gè)階段進(jìn)行，逐步提高進(jìn)水濃度，詳見表1。
進(jìn)水為人工配制的番茄醬廢水，以新鮮壓榨番茄汁作為碳源，采用氯化銨（NH4Cl）和磷酸氫二鈉（Na2HPO4）分別提供氮源、磷源。采用無水碳酸鈉（Na2CO3）調(diào)節(jié)pH在7~8之間。合成廢水配比參考文獻(xiàn)。
1.3 分析項(xiàng)目及方法
污泥沉降比SV5、SV30采用靜置沉降法測定，混合液懸浮固體濃度（MLSS）和揮發(fā)性懸浮固體濃度（MLVSS）采用重量法測定，沉降速度的測定參照文獻(xiàn)，顆粒污泥的均值粒徑采用激光粒度分析儀測定，生物相采用光學(xué)顯微鏡觀察，顆粒污泥的表面特性采用掃描電子顯微鏡（SEM）分析。
高通量測序：取適量接種污泥、第28天和第60天的污泥分別置于已滅菌的2mL離心管后立即放入-40℃冰箱中冷藏，然后送至測序公司進(jìn)一步分析。樣本總數(shù)為5個(gè)，其中J0表示接種污泥，P1、P2及S1、S2分別表示P和S反應(yīng)器中第28天和第60天的污泥。DNA提取由生工生物工程（上海）股份有限公司完成。提取的具體過程參照E.Z.N.ATMMag-BindSoilDNAKit的基因組DNA提取試劑盒說明書。測序平臺(tái)為IlluminaMiSeqPE300；電泳條件為2%瓊脂糖凝膠；擴(kuò)增區(qū)域?yàn)?6SrDNA的V3-V4，引物為341F（CCTACGGGNGGCWGCAG）和805R（GACTACHVGGGTATCTAATCC）。
1.4 表觀氣速及水力剪切力的計(jì)算
表觀氣速的計(jì)算：為達(dá)到顆?；枰募羟袕?qiáng)度，表觀氣速應(yīng)大于1.2cm/s。本研究的曝氣強(qiáng)度分3種工況，表觀氣速按式（1）計(jì)算。
式中：SGV為表觀氣速，cm/s；Q為曝氣量，cm3/s；A為橫截面面積，cm2。
剪切力的計(jì)算：本研究中剪切力主要由曝氣和機(jī)械攪拌提供。兩組反應(yīng)器的表觀氣速較小且恒定不變，故剪切力的大小可通過攪拌機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)控，水力剪切力根據(jù)式（2）~（5）計(jì)算。
式中：τ為水力剪切力，N/m2；μ為水動(dòng)力黏滯系數(shù)，Pa·s（20℃時(shí)取1×10-3Pa·s）；G為速度梯度，s-1；P為所耗功率，W；V為被攪拌的水體體積，m3；C為阻力系數(shù)，本研究取0.2；ρ為水的密度，1000kg/m3；ω為槳板轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度，rad/s；Z為槳板數(shù)目（ZP=3，ZS=1）；b為槳板高度，bP=0.025m，bS=0.015m；R為槳板外緣至中心軸原點(diǎn)的距離，RP=0.0630m，RS=0.0275m；r為槳板內(nèi)緣至中心軸原點(diǎn)的距離，rP=0.018m，rS=0；n為轉(zhuǎn)數(shù)。
2、結(jié)果與分析
2.1 好氧顆粒污泥培養(yǎng)過程及特性
2.1.1 結(jié)合生物相的污泥培養(yǎng)過程
活性污泥微生物鏡檢過程中常能發(fā)現(xiàn)鐘蟲、輪蟲等指示性原、后生動(dòng)物，此類動(dòng)物的出現(xiàn)對系統(tǒng)調(diào)控具有指導(dǎo)意義。圖2為光學(xué)顯微鏡下觀察到的微生物情況，以P反應(yīng)器為例。由圖2（a）、（f）可知，接種污泥在未進(jìn)水的情況下悶曝3d后菌膠團(tuán)比較分散，污泥沉降性很差，且發(fā)黑。在40倍鏡檢下，滿視野中出現(xiàn)較多的背腹面呈圓形似表蓋的深褐色表殼蟲，行動(dòng)緩慢，肉眼幾乎看不見其運(yùn)動(dòng)。此為非活性污泥類原生動(dòng)物，以游離細(xì)菌為食，大量出現(xiàn)在活性污泥系統(tǒng)故障時(shí)。此時(shí)出現(xiàn)表示系統(tǒng)的BOD5污泥負(fù)荷率過低，需提高食微比。調(diào)整措施：排出部分沉降性能不好的上層污泥后再周期進(jìn)水。因接種污泥原碳源與本試驗(yàn)不同，需要緩慢適應(yīng)，故兩組反應(yīng)器先進(jìn)水至有效高度的50%，7d后逐步提高進(jìn)水量至預(yù)定高度進(jìn)行馴化培養(yǎng)。
由圖2（b）、（g）可知，培養(yǎng)15d的污泥沉降速度變快，40倍下觀察到游離菌膠團(tuán)較少，絮體開始簇?fù)碜兇?、顏色棕黃，同時(shí)可見個(gè)別黑色的顆粒污泥凝結(jié)核。100倍下顯示有大團(tuán)累枝蟲蔟，其屬活性污泥類原生動(dòng)物，常固著于菌膠團(tuán)上，喜食大腸桿菌、假單胞桿菌等，一般出現(xiàn)在水質(zhì)澄清的情況下，但大量出現(xiàn)時(shí)預(yù)示污泥老化。說明此階段污泥成長較好，逐漸適應(yīng)了系統(tǒng)，但有老化傾向。
試驗(yàn)進(jìn)入第Ⅱ階段后，提高進(jìn)水COD濃度至1000mg/L左右，出水變渾濁，說明進(jìn)水濃度升高造成的沖擊負(fù)荷對系統(tǒng)產(chǎn)生擾動(dòng)。為減輕波動(dòng)，起初4d進(jìn)水高度僅為預(yù)定的60%。培養(yǎng)第22天的生物相如圖2（c）、（h）所示，觀察到異常多的做快速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的極小微生物——跳側(cè)滴蟲，其密集出現(xiàn)預(yù)示菌膠團(tuán)分解，去除COD的效果變差。而作為后生動(dòng)物之一，輪蟲是污水處理效果好、污泥成熟的標(biāo)志，它的數(shù)量在活性污泥系統(tǒng)中相對較少，但作用不容小覷。輪蟲以細(xì)菌、藻類、原生動(dòng)物等為食，通過吞噬作用去除膠體、分離細(xì)菌，并能利用分泌物持續(xù)攝取氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)。此次用顯微鏡“之”字型觀察，每視野呈現(xiàn)出超過6只匍匐運(yùn)動(dòng)的輪蟲，大量輪蟲的出現(xiàn)說明污泥齡控制過長，需要加強(qiáng)排泥。另外，還觀察到每視野中存在1~2條線蟲。宏觀上，反應(yīng)器中部分污泥已成粉狀，液面有浮渣。調(diào)整措施：少量多次循序漸進(jìn)地進(jìn)行底部排泥，抑制輪蟲等的大量繁殖。
經(jīng)過連續(xù)2d的排泥，反應(yīng)器活性污泥濃度驟降。為恢復(fù)系統(tǒng)活性，加入水平機(jī)械攪拌以促進(jìn)污泥顆粒化。試驗(yàn)進(jìn)行到第28天時(shí)，出現(xiàn)球狀和橢球狀的好氧顆粒污泥，如圖2（d）、（i）所示。100倍下的顆粒污泥較為圓潤規(guī)則，輪蟲、表殼蟲等正常出現(xiàn)，且可發(fā)現(xiàn)從菌膠團(tuán)伸出的小口鐘蟲及叢生的鐘蟲。鐘蟲等固著性纖毛蟲屬活性污泥類原生動(dòng)物，能促進(jìn)活性污泥絮凝，且可捕食游離細(xì)菌，出現(xiàn)在水質(zhì)良好、處理水BOD5在20mg/L以下的環(huán)境。與此同時(shí)，還存在外形酷似鐘蟲、對污水具有澄清作用的獨(dú)縮蟲。反觀試驗(yàn)，沉降速度約為之前的兩倍，出水恢復(fù)清澈。泥面呈油潤光澤膠體狀，說明機(jī)械攪拌的加入刺激了微生物分泌EPS，在架橋作用下絮體黏附凝聚的同時(shí)絲狀菌捕捉纏繞細(xì)菌，形成顆粒初核，菌體增殖顆粒增大，污泥顆?；晒?。
圖2（e）、（j）為第48天的生物相，可見均勻分布的鐘蟲和輪蟲等指示性動(dòng)物。顆粒化明顯，沉降性好、出水清澈，說明反應(yīng)器運(yùn)行狀況良好。
2.1.2 好氧顆粒污泥形態(tài)
第26天和第28天，S和P反應(yīng)器相繼出現(xiàn)顆粒污泥。圖3為P、S反應(yīng)器中AGS的形態(tài)?？梢?，P反應(yīng)器中顆粒污泥呈形狀規(guī)則的橙黃色球狀，均值粒徑為1.25mm。S反應(yīng)器中顆粒污泥形狀仍較為圓潤，但均值粒徑只有714μm，且顏色多為紅棕色。
2.1.3 好氧顆粒污泥微觀形貌
圖4為P反應(yīng)器AGS的SEM照片。從圖4（a）可知，顆粒污泥為球狀構(gòu)造，結(jié)構(gòu)密實(shí)且附著有鐘蟲，表面褶皺的存在使得其比表面積比活性污泥的大，從而更易與有機(jī)物接觸，提高對有機(jī)物的去除率。此外，顆粒表面分布有孔隙，是溶解氧和營養(yǎng)物質(zhì)輸入及代謝廢物輸出的通道。研究表明，氨氧化菌（AOB）位于表層100μm內(nèi)，其代謝產(chǎn)物為亞硝酸鹽氧化菌（NOB）的氧化對象，加之顆粒內(nèi)部300~500μm處孔隙率最大，有利于物質(zhì)的輸入與排出，決定了硝化反應(yīng)大多發(fā)生在顆粒內(nèi)部200~300μm處，而兼性菌及厭氧菌主要存在于800~900μm處。因此，粒徑較小的顆粒硝化菌數(shù)量可能少，且形成不了缺氧、厭氧層，導(dǎo)致硝化反硝化作用受限；粒徑過大則傳質(zhì)阻力大，細(xì)菌不得不進(jìn)行內(nèi)源性呼吸，導(dǎo)致活性下降。研究認(rèn)為，粒徑在1.75mm以內(nèi)時(shí)，脫氮效率與粒徑大小具有正相關(guān)性，而1.6mm左右顆粒污泥的沉降性能、密實(shí)程度及表面疏水性更優(yōu)。本試驗(yàn)中P反應(yīng)器對有機(jī)物的降解能力普遍優(yōu)于S反應(yīng)器，再次驗(yàn)證了上述結(jié)論。由此可見，過大或過小的顆粒都不適于系統(tǒng)良性發(fā)展。
顆粒污泥表面多由球菌和絲狀菌組成，也含有少量桿菌和鐘蟲，如圖4（b）所示。研究表明，絲狀菌既可以作為菌膠團(tuán)的骨架，還可以消滅細(xì)菌的代謝產(chǎn)物以提高顆粒污泥的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。圖中的絲狀菌交互纏繞包裹著球菌形成密集的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，顯示了絲狀菌在顆粒污泥形成過程中的框架作用，絲狀菌假說值得研究者們進(jìn)一步探索。
2.1.4 污泥濃度及沉降性的變化
顆?；^程中污泥濃度的變化如圖5所示。
接種污泥的MLSS為5.81g/L，由于悶曝時(shí)間的延長，加劇了微生物的內(nèi)源性呼吸，部分污泥發(fā)生自分解，使得沉降性較差的污泥被系統(tǒng)淘汰。P、S反應(yīng)器的MLSS分別降低至3.86和3.93g/L。隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，污泥沉降性逐漸變好，污泥濃度約達(dá)到6g/L，S反應(yīng)器略優(yōu)于P。運(yùn)行至第22天，鏡檢提示兩組反應(yīng)器污泥齡控制過長，污泥老化現(xiàn)象較嚴(yán)重。為確保污泥活性，人工排泥使P和S的MLSS分別降為4.62、3.83g/L，然后通過增加水平攪拌并縮短沉降時(shí)間將強(qiáng)剪切力作用下沉降性差的絮體排走，在進(jìn)水濃度提高的前提下，MLSS得以恢復(fù)，最終在第65天分別達(dá)到11.13和7.43g/L。
兩組反應(yīng)器污泥容積指數(shù)（SVI）的變化見圖6。接種污泥的沉降速度為11.42m/h、SVI30為110.15mL/g，沉降性能較差，無機(jī)質(zhì)含量高，MLVSS/MLSS僅為44.48%。運(yùn)行3d后P和S反應(yīng)器的SVI30分別上升至139.90、132.32mL/g，MLVSS/MLSS分別為56.82%和57.13%，說明污泥缺乏活性。隨著顆粒的形成，污泥沉降性能轉(zhuǎn)好，但在運(yùn)行的第36天，實(shí)驗(yàn)室意外斷電，試驗(yàn)被迫中止一天，重新啟動(dòng)試驗(yàn)后，污泥沉降性變差，2d后恢復(fù)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。最終P、S反應(yīng)器中成熟顆粒污泥的沉降速度分別為33.06和21.64m/h，SVI30分別為33.24、33.65mL/g，MLVSS/MLSS高達(dá)90.36%和85.71%，表明污泥的活性逐漸增強(qiáng)。Liu等指出，當(dāng)顆粒污泥的SV30/SV5值超過0.9時(shí)，即可視為顆?；瓿?。試驗(yàn)終止時(shí)，P反應(yīng)器的SV30/SV5穩(wěn)定在0.92以上，系統(tǒng)造粒結(jié)束；S反應(yīng)器在0.85左右，說明其顆?；潭容^P反應(yīng)器低。
2.2 剪切力對顆粒化過程的影響
表觀氣速及剪切力的變化見表2?？梢钥闯觯磻?yīng)器在工況1階段主要由曝氣產(chǎn)生的表觀氣速提供剪切力。如前所述，兩組反應(yīng)器各項(xiàng)指標(biāo)均較好，但較低的表觀氣速始終難以短時(shí)間內(nèi)達(dá)到AGS形成的目的。且在試驗(yàn)開展前，曾嘗試在P反應(yīng)器中以純好氧方式運(yùn)行，發(fā)現(xiàn)在低曝氣量下，污泥未有明顯顆?；厔荩欢S著曝氣量的提高，逐漸出現(xiàn)顆粒化現(xiàn)象，但同時(shí)污泥過度氧化導(dǎo)致其顏色發(fā)白，老化解絮。污泥顆?；枰^高的剪切力，但高溶解氧并非是必然因素。為提供一定的缺氧區(qū)以確保反硝化效率，反應(yīng)器內(nèi)還需營造較低的溶解氧水平，遂一個(gè)月后停止試驗(yàn)。
試驗(yàn)從工況2階段開始引入水平機(jī)械攪拌，以探究低表觀氣速下攪拌方式及大小對顆粒污泥產(chǎn)生的影響。其中，P反應(yīng)器為日間周期停歇式攪拌（3次，每次150min），S為日夜周期連續(xù)攪拌（6次，每次231min，9d后改為120min）。研究發(fā)現(xiàn)，在引入攪拌的第3天，S反應(yīng)器中首先出現(xiàn)少許300~800μm的橙黃色圓潤小顆粒污泥，沉降迅速。2d后在P反應(yīng)器中也發(fā)現(xiàn)了顆粒污泥，粒徑在500μm左右，形狀有球狀、橢球狀，出水變得清澈。這說明曝氣形成的上升流及攪拌形成的橫向流組成交互的二次流場，促使污泥與溶解氧、有機(jī)物充分接觸，碰撞頻率提高的同時(shí)營養(yǎng)物質(zhì)得到循環(huán)，微生物滿足生長條件，產(chǎn)生了大量新細(xì)胞，且在剪切力的刺激下分泌EPS，黏附聚集形成顆粒。
但引入攪拌的第8天，在S反應(yīng)器中發(fā)現(xiàn)，原本較大的顆粒部分變成了薄片狀，第9天片狀加劇，圓潤顆粒大部分消失。這是因?yàn)镾反應(yīng)器采用每天6個(gè)周期連續(xù)攪拌的運(yùn)行方式，攪拌所激發(fā)的水力剪切力較大，率先顆?；晒?，但長時(shí)間承受較強(qiáng)的剪切力，使得形成的結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定的大顆粒污泥很快解絮，表面不斷解離成小粒徑污泥，少數(shù)則直接被強(qiáng)力剪切成片狀，這與易誠等的研究結(jié)果一致。于是，第10天起將每周期的攪拌時(shí)間調(diào)整為120min，繼續(xù)運(yùn)行7d后片狀明顯減少，小顆粒又作為晶核黏結(jié)成大顆粒，但粒度分布不均勻致使500~800μm范圍內(nèi)的顆粒增多，顏色為紅棕色。對于顆粒污泥的顏色，推測是因?yàn)镾反應(yīng)器的有效高度較低，曝氣攪拌時(shí)的運(yùn)動(dòng)路徑較短，被番茄醬這類色度較大的廢水沉積所致（此現(xiàn)象在課題組之前的高反應(yīng)器中未曾發(fā)現(xiàn)）。與此同時(shí)，P反應(yīng)器“厚積薄發(fā)”，橙黃色顆粒污泥逐漸增大、變多，對廢水的處理效能優(yōu)于S反應(yīng)器。
工況3階段，P和S反應(yīng)器運(yùn)行正常，兩組反應(yīng)器顆粒污泥的均值粒徑都有所增加，在進(jìn)水濃度提升的情況下仍然能分別保證95%和90%以上的有機(jī)物去除率。為進(jìn)一步探究兩組反應(yīng)器較為適宜的剪切力范圍，將P和S反應(yīng)器的攪拌轉(zhuǎn)速分別加大至220和625r/min，兩組反應(yīng)器中又出現(xiàn)被剪切成片狀的現(xiàn)象，降為預(yù)定值后，恢復(fù)顆粒狀態(tài)。說明P和S反應(yīng)器較適宜的剪切力范圍分別為0.159~0.186和0.188~0.247N/m2，這與張小玲等獲得的數(shù)據(jù)（0.120~0.184N/m2）接近。
在同為低表觀氣速條件下，兩者出現(xiàn)顆粒污泥的時(shí)間相近，但最終P反應(yīng)器的污泥形狀更加圓潤、規(guī)則，粒徑更大，各項(xiàng)指標(biāo)優(yōu)于S反應(yīng)器。說明長時(shí)間過高的剪切力并不是低高徑比SBR反應(yīng)器成功顆?；囊?，用力不當(dāng)反而可能適得其反。而采用日間周期停歇攪拌的方式，不僅可以降低能源的損耗，還能夠有效減輕強(qiáng)剪切力產(chǎn)生的負(fù)擔(dān)，讓污泥也能適時(shí)“休整”。
2.3 微生物多樣性及種群演替分析
為了探究兩種攪拌方式下微生物多樣性的變化及群落演替情況，分別對P和S反應(yīng)器的接種污泥、顆?；跗?、顆粒成熟期的污泥樣本進(jìn)行高通量宏基因組測序，編號依次為J0、P1、P2、S1和S2。經(jīng)過處理共獲得196751條有效序列，各樣本有效序列分別為39490、35783、36442、43856和41180條，5個(gè)樣本的覆蓋率均達(dá)到100%，說明本次測序結(jié)果能充分反映樣本的真實(shí)情況。
Alpha多樣性指數(shù)見表3。Ace和Chao指數(shù)可表示物種的總數(shù)，顆?；^程中Chao指數(shù)的排序?yàn)镴0<P1<P2，J0<S1≈S2，表明兩組反應(yīng)器較接種污泥時(shí)期豐富度都提高了，顆粒形成初期S反應(yīng)器的豐度高于P反應(yīng)器，但顆粒成熟后低于P反應(yīng)器，且基本等于初期總數(shù)。Shannon指數(shù)用于估計(jì)微生物種群的多樣性，其值增大，說明群落多樣性提高。兩組反應(yīng)器的Shannon指數(shù)均大于接種時(shí)期，且停歇式攪拌下的P1、P2樣品明顯高于連續(xù)攪拌下的S1、S2。這說明培養(yǎng)初期，S反應(yīng)器在強(qiáng)剪切力下顆?；M(jìn)程加快，但后期長時(shí)間強(qiáng)剪切力破壞了微生物最佳的生存環(huán)境，導(dǎo)致多樣性低于P反應(yīng)器。Sindall等通過仿真模型也得到了相似結(jié)論。
顆粒化過程中細(xì)菌在屬水平的分布見圖7。可知，P和S反應(yīng)器顆?；M(jìn)程中群落組成差異顯著，接種污泥時(shí)期（J0）不動(dòng)桿菌屬（Acinetobacter）為優(yōu)勢菌群，占37.37%，但當(dāng)顆粒形成及成熟后其豐度分別降至2.85%、2.78%及0.19%、0.28%。
Acinetobacter作為一種革蘭陰性球桿菌，可獨(dú)立完成異養(yǎng)硝化及反硝化脫氮過程，且有研究表明，其對濕地TN的去除有重要貢獻(xiàn)。而在P和S反應(yīng)器中其均明顯降低，這是因?yàn)榻臃N污泥原污水基質(zhì)為乙酸鈉，不同于本試驗(yàn)的鮮榨番茄汁。研究發(fā)現(xiàn)，以乙酸鈉為底物的AGS中以桿菌、球菌為主，而以葡萄糖為底物的多以球菌為主。與此同時(shí)，同樣兼具硝化反硝化作用的副球菌屬（Paracoccus）在顆粒形成后的豐度分別為15.38%、16.39%，較接種污泥占比1.25%顯著提高，這與SEM照片顯示的成熟AGS多以球菌組成結(jié)果一致。
Ferruginibacter、Chryseolinea和Haliscomenobacter隸屬于擬桿菌門（Bacteroidetes），被認(rèn)為具有較好的絮凝能力。Ferruginibacter屬有利于有機(jī)物的水解，接種時(shí)其含量不足1%，在P、S反應(yīng)器顆粒形成以及成熟后分別增至4.74%、5.72%和5.72%、3.56%，相應(yīng)的COD去除率逐漸升高。S2的Ferruginibacter屬含量較S1降低是因?yàn)閺?qiáng)剪切力破壞了菌群的微觀環(huán)境。Xu等認(rèn)為，Chryseolinea與污泥密度及沉降性能的提高息息相關(guān)。本研究中其豐度在接種污泥J0中占1.60%，在成熟顆粒P2、S2中分別為4.82%和5.05%。Haliscomenobacter的富集多被認(rèn)為會(huì)引起污泥膨脹，但Dabert等發(fā)現(xiàn)此種菌群也大量存在于高效除磷活性污泥中。該種菌在J0中僅有0.32%，而在P2、S2中分別達(dá)到4.45%和2.40%，污泥沉降性能優(yōu)良，并無膨脹現(xiàn)象，故判斷其在本試驗(yàn)中可能對除磷有效果，且P反應(yīng)器更優(yōu)。眾多研究證明，菌膠團(tuán)的形成與動(dòng)膠菌屬（Zoogloea）密不可分，它們能夠促進(jìn)EPS的生成。J0中Zoogloea屬的豐度僅為1.36%，但在進(jìn)行攪拌及增加碳源后，微生物增殖，污泥濃度增長，最終其在P2和S2中的豐度分別為5.29%和11.10%，說明攪拌提供的剪切力刺激了該菌分泌EPS。獨(dú)島菌屬（Dokdonella）和陶厄氏菌屬（Thauera）屬于變形菌門（Proteobacteria），普遍出現(xiàn)于各廢水處理系統(tǒng)中，是去除含氮有機(jī)污染物的核心菌群。P2、S2中Dokdonella屬的豐度分別為4.06%和2.79%，遠(yuǎn)高于接種污泥J0（0.22%）。Thauera屬豐度在該過程中也有明顯增長。
在成熟顆粒樣品P2中，一些未正式命名的菌群成為優(yōu)勢種群，如unclassified_Bacteria（6.62%）、Proteobacteria門未分類屬unclassified_Rhizobiales（2.74%）、unclassified_Polyangiaceae（2.41%）、綠彎菌門（Chloroflexi）未分類屬unclassified_Caldilineaceae（2.59%），這些菌群具有反硝化功能，在接種污泥J0中的含量極少。與此同時(shí)，在S2中，具有反硝化能力的優(yōu)勢種群，如unclassified_Betaproteobacteria（8%）、芽殖桿菌屬（Gemmobacter，3.18%）、黃桿菌屬（Flavobacterium，3.14%）及食酸菌屬（Acidovorax，1.70%），說明AGS具有好氧-缺氧-厭氧分層結(jié)構(gòu)，確保了微生物生長繁殖發(fā)揮反硝化脫氮功能。此外，硝化螺菌屬（Nitrospira）作為典型的硝化功能菌，是最早從污水廠分離出來的，被認(rèn)為是亞硝酸鹽氧化菌（NOB）的優(yōu)勢菌屬，也是P和S反應(yīng)器中的優(yōu)勢菌群。
值得關(guān)注的是，浮霉菌門（Planctomycetes）中有一類未能分類的屬：unclassified_Planctomycetaceae，該種菌群可以利用亞硝酸鹽氧化銨離子生成氮?dú)鈦慝@得能量，因此被稱作厭氧氨氧化菌。它的占比在兩組反應(yīng)器中都顯著升高，且在P2中的占比更大（6%），促進(jìn)了NH4+-N的去除。有趣的是，還檢測出了Saccharibacteria_genera_incertae_sedis屬，其在J0中為0.87%，在P2中上升至1.65%，在S2中僅為0.55%。而Wang等啟動(dòng)的短程硝化反硝化系統(tǒng)中此菌群也大量富集，并推測其導(dǎo)致了亞硝態(tài)氮的積累。說明P反應(yīng)器表現(xiàn)出更好的脫氮效果，正是得益于這些細(xì)菌的貢獻(xiàn)，若能分離富集此類菌株，將有助于實(shí)現(xiàn)短程硝化反硝化過程。
優(yōu)勢菌群富集的同時(shí)伴隨著部分原菌群的消失，這是微生物種群協(xié)同競爭作用的結(jié)果，不同菌群之間的耦合作用保證了系統(tǒng)對有機(jī)物及氮、磷的去除。P反應(yīng)器較S反應(yīng)器有更多的脫氮除磷菌，緣于其為微生物營造了舒適的生存環(huán)境，故停歇式攪拌培養(yǎng)的AGS具有更好的狀態(tài)。
3、結(jié)論
①可以利用生物相診斷學(xué)技術(shù)排查系統(tǒng)運(yùn)行惡化的原因，從而及時(shí)調(diào)整運(yùn)行參數(shù)，正常運(yùn)行時(shí)可見累枝蟲、鐘蟲、輪蟲等優(yōu)勢微生物。
②在鼓風(fēng)曝氣聯(lián)合水平機(jī)械攪拌方式下，S和P反應(yīng)器在第26天和第28天相繼成功顆?；?。S反應(yīng)器中成熟顆粒污泥為均值粒徑714μm的紅棕色小顆粒。P反應(yīng)器中的顆粒呈橙黃色球狀，均值粒徑為1.25mm，顆粒表面的微生物主要有球菌、絲狀菌及少量桿菌和鐘蟲，表面分布的孔隙為物質(zhì)進(jìn)出提供了通道。
③在P反應(yīng)器中采用日間周期停歇式攪拌較S反應(yīng)器采用日間周期連續(xù)式攪拌的顆粒化結(jié)果更好，說明機(jī)械攪拌時(shí)間及力度需要控制在一定范圍。經(jīng)計(jì)算，P和S反應(yīng)器的適宜剪切力范圍分別為0.159~0.186和0.188~0.247N/m2。
④高通量測序結(jié)果顯示，P反應(yīng)器中微生物種群多樣性及物種豐度高于S反應(yīng)器。動(dòng)膠菌屬、Ferruginibacter屬和Chryseolinea屬等是顆粒污泥形成、有機(jī)物去除及系統(tǒng)穩(wěn)定的主要功能菌。系統(tǒng)還存在大量脫氮除磷菌，如兼具硝化反硝化能力的副球菌屬，具有反硝化功能的獨(dú)島菌屬和陶厄氏菌屬，具有典型硝化作用的硝化螺菌屬以及與除磷有關(guān)的Haliscomenobacter屬。P反應(yīng)器中一些未命名的反硝化菌是優(yōu)勢菌群，還存在厭氧氨氧化菌等可能會(huì)對亞硝態(tài)氮積累做出貢獻(xiàn)的菌群。P反應(yīng)器為微生物提供更舒適的環(huán)境是其脫氮除磷效果更優(yōu)的原因。
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