相比于城市，農村居住人口密度低，因此，農村生活污水主要采用分散處理的方式。在我國北方，分散污水處理系統最大的一個挑戰是冬季低溫期的保溫。相對于降解有機污染物的異養菌，將氨氮轉化為硝酸鹽的硝化功能菌屬于自養菌，對溫度非常敏感。亞硝化單胞菌屬和氧化亞硝酸鹽的硝化桿菌屬及硝化螺旋菌屬活性最高的溫度分別為35、38和35 ℃。當溫度從30 ℃降至10 ℃時，氨氧化速率和亞硝酸鹽氧化速率都會出現大幅降低。因此，低溫期生物處理系統硝化性能的保障對于北方農村生活污水處理至關重要。但針對如何在接近4 ℃的水溫條件下維持硝化功能的研究卻不多見。
生物接觸氧化工藝是分散型污水處理系統中通常采用的方式之一，具有污泥種群結構相對穩定，運行維護相對簡單的特點。這一特點有可能使系統在冬季低溫期維持較為穩定的硝化細菌種群。基于這樣一種假設，本研究在實驗室構建了2套平行運行的生物接觸氧化反應器，以某城市污水廠進水為原水研究了水溫從20 ℃降至10 ℃和5 ℃時反應器的生物硝化性能，并分析了細菌種群、特別是硝化細菌種群的動態變化。研究結果可為低溫下分散污水處理系統中硝化性能的保障提供科學基礎。
1 材料與方法
1.1 反應器設計與運行
實驗室生物接觸氧化反應器如圖1所示。反應器有效總體積2.4 L，分為好氧區與沉淀區2個部分;其中好氧區有效體積1 L，沉淀區體積1.4 L。反應器接種污泥為北京市某城市污水處理廠活性污泥，反應器進水為曝氣沉砂池后出水。反應器內的球形生物填料直徑約3 cm，每反應器中含16個生物填料。平行反應器的溶解氧濃度(DO)均控制在2 mg·L−1以上。反應器生物掛膜成功后共運行147 d，其中20 ℃運行10 d，10 ℃運行102 d，5 ℃運行35 d。水力停留時間(HRT)初始為8 h，第45 天增至10 h，第71 天增至12 h，第96 天增至14 h。
圖1 生物接觸氧化反應器工藝示意
1.2 分析方法
每3 d采樣監測進出水中COD、氨氮(NH4+-N)、亞硝酸鹽氮(NO2−-N)和硝酸鹽氮(NO3−-N)濃度;COD測定使用了快速測試設備(默克NOVA60，德國)，其他3類指標分別采用《水和廢水監測分析方法》中的標準方法測定。污泥濃度(MLSS)通過重量法測定。
1.3 硝化速率的測定
從平行反應器中各取2個生物填料加入到500 mL人工配水中，在20、10和5 ℃條件下進行曝氣，按一定時間間隔取水樣測定NH4+-N、NO2−-N和NO3−-N。配水主要成分為NH4Cl (NH4+-N濃度28 mg·L−1)，微量元素儲備液1 mL·L−1。同時，取某城市污水處理廠活性污泥(水溫為14 ℃)，在MLSS稀釋為4 205 mg·L−1、NH4+-N含量為28 mg·L−1的條件下分別測定了20 ℃和10 ℃活性污泥的硝化速度。每次測定平行2次。
1.4 生物量采集
在第10 天、第112天和第147天，從各反應器中分別取2個生物填料，將其置入磷酸緩沖液(PBS)中反復振搖，直至填料顏色變白。2 000 r ·min−1條件下進行污泥洗脫液離心，去上清液用PBS稀釋污泥至100 mL。其中，40 mL混合液10 000 r ·min−1離心去上清液后，裝入2 mL離心管，在−20 ℃下保存;剩余部分用于污泥濃度(MLSS)分析。同時，采集污水處理廠溫度為13 ℃的污泥作為參照。
1.5 高通量測序
DNA的提取采用MP(MP Biomedicals，美國)的土壤DNA提取試劑盒(Fast DNA SPIN kit for soil)。利用1%的瓊脂糖凝膠電泳檢測DNA質量，DNA濃度采用儀器NanoDrop2000(Thermo Scientific，美國)測定，檢測后保存于−20 ℃冰箱備用。以基因組DNA 為模板，16S rDNA 基因的引物338F(ACTCCTACGGGAGGCAGCAG)和806R(GGACTACHVGGGTWTCTAAT)進行PCR擴增，有效片段500 pb。高通量測序Illumina MiSeq在上海美吉生物有限公司進行。
通過QIIME (http://qiime.org/tutorials/index.html)進行序列處理;根據序列的相似度歸為多個操作分類單元(OTU)。對97%的相似水平下的OTU進行生物信息統計分析，軟件平臺為Usearch(version 7.0 http://drive5.com/uparse/)。
2 結果與討論
2.1 反應器的污水處理性能
平行反應器的COD去除效果如圖2所示。在147 d的運行期間，進水COD濃度為300~500 mg·L−1，而出水COD濃度基本保持在 30 mg·L−1以下。操作全程溫度下降對反應器COD去除的影響甚微。
進水NH4+-N濃度范圍為30~40 mg·L−1。當水溫降至10 ℃時，出水中的NH4+-N濃度開始出現上升，且NO2−-N發生積累(圖2)。運行至第45天時，HRT從8 h調整至10 h，并在第96天增加為14 h，期間出水中的NH4+-N與NO2−-N積累現象均消失。水溫降至5 ℃時，2個反應器出水中的NH4+-N與NO2−-N濃度均未再出現明顯升高。
圖2 生物接觸氧化反應器COD、NH4+-N和NO2−-N去除性能
2.2 不同運行溫度下的生物接觸氧化污泥的比硝化速率
以常規城市污水處理廠的活性污泥為參照，測定了活性污泥、10 ℃生物接觸氧化污泥、5 ℃生物接觸氧化污泥在不同溫度條件下的比氨氧化速率，結果如圖3所示。 10 ℃和5 ℃水溫條件下運行的生物接觸氧化污泥均能維持一定的氨氧化能力。表1總結了這3類污泥在不同溫度下的比氨氧化速率和比硝酸鹽生成速率。活性污泥在20 ℃下的比氨氧化速率和比硝酸鹽生成速率分別為2.44、2.72 mg·(g·h)−1(以MLSS計)，而10 ℃與5 ℃生物接觸氧化污泥在20 ℃下的比氨氧化速率和比硝酸鹽生成速率僅為0.45、0.8 mg·(g·h)−1和0.41、0.72 mg·(g·h)−1，表明生物接觸氧化污泥的硝化速率明顯低于活性污泥。但水溫從10 ℃降低至5 ℃并未影響生物接觸氧化污泥的硝化能力。具體聯系污水寶或參見http://www.dongaorq.cn更多相關技術文檔。
一般來說，硝化菌的硝化速率隨著溫度下降而成比例下降。例如，有關穩定塘的研究發現，污泥在5、10、20 ℃下的氨氧化及硝酸鹽生成速率(以N計)分別為11.2、20.5、40.4 mg·(g·h)−1 (以MLVSS計) 。因此，生物填料污泥在10 ℃和5 ℃下的比硝化速率相近，表明生物填料中硝化細菌可能發生了富集或種群發生了變化。
圖3 不同運行溫度下生物填料污泥的NH4+-N氧化速度
表1 生物接觸氧化污泥與活性污泥在不同溫度下的比硝化速率
2.3 不同階段生物接觸氧化污泥種群結構
為了闡明降溫過程中生物接觸氧化系統硝化能力基本保持不變的原因，對20、10和5 ℃下運行的生物接觸氧化污泥進行了高通量測序分析。
屬水平種群維恩圖(圖4)顯示，隨著溫度的下降，生物接觸氧化污泥顯著保留了核心種群。3種運行溫度下的接觸氧化污泥的屬數目一共為404種，而共有種屬數目為249，占61.6%。當運行水溫從20 ℃降低至10 ℃時，這2類生物接觸氧化污泥的共同種屬數為291，占其總種屬數的72.0%;而當運行水溫從10 ℃降低至5 ℃時，這2類污泥共同擁有278個屬，占其總種屬數的68.8%;而初始20 ℃污泥與最終的5 ℃污泥相比，其共同種屬也達到了260個，占總種屬數的比例為64.4%。
上述結果表明，生物接觸氧化污泥具有相當穩定的生物群落結構，在降溫過程中保留了數量龐大的核心種群，這可能是溫度下降并未導致反應器污染物去除性能下降的重要原因。
圖4 不同階段生物接觸氧化污泥屬水平venn圖
高通量測序結果表明，生物接觸氧化反應器中最主要的氨氧化細菌和亞硝酸鹽氧化細菌分別為亞硝化單胞菌屬(Nitrosomonas)和硝化螺旋菌屬(Nitrospira)。圖5顯示當水溫保持在5 ℃連續運行時，生物接觸氧化污泥中硝化螺旋菌屬和亞硝化單胞菌的豐度反而呈現出上升趨勢，這可能是5 ℃生物接觸氧化污泥比硝化速率與10 ℃污泥基本一致的重要原因。前期關于膜生物反應器的研究也發現，硝化螺旋菌屬在降溫過程中(19.7~8.7 ℃)其豐度可以從8.9%增加至最多的15.1% 。然而低溫條件下硝化菌群的富集原因仍然有待于進一步深入研究。
圖5 各階段生物接觸氧化污泥中硝化菌相對豐度
綜上所述，溫度下降不可避免地會導致生物硝化速率的下降。但本研究結果表明，通過適當延長水力停留時間，生物接觸氧化反應器可以在5 ℃水溫下獲得良好的硝化效果，這主要是因為生物接觸氧化污泥中維持了較高豐度的亞硝化單胞菌屬和硝化螺旋菌屬，說明生物接觸氧化反應器對于維持低溫下的硝化性能具有一定的優勢。此外，本研究結果也顯示，在溫度降低之前提高硝化菌的豐度也不失為一種有效的維持低溫下硝化效果的措施，這是今后值得深入研究的一項研究內容。
3 結論
1)生物接觸氧化反應器在5 ℃、水力停留時間為14 h的條件下，可以維持穩定的硝化性能。
2)硝化速率測定結果顯示，將溫度由20 ℃降至10 ℃及以下時，顯著降低了生物接觸氧化污泥的比硝化速率，但在低溫條件下，5 ℃與10 ℃生物接觸氧化污泥幾乎保持了相同的比硝化速率。
3)高通量測序結果顯示，降溫過程中，生物接觸氧化污泥保留了數量龐大的核心種屬，同時硝化細菌豐度在長期低溫下發生了一定的富集，但相關機制有待于進一步研究。(來源：環境工程學報 作者：楊思敏)
