反冲洗对曝气生物滤池运行效能和微生物群落结构的影响

１２６给水排水Ｖｏｌ．４１增刊２０１５反冲洗对曝气生物滤池运行效能和微生物群落结构的影响窦娜莎１李世峰２王琳１（１中国海洋大学环境科学与工程学院，青岛２６６１００；２上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海２０００９２）摘要采用Ｂｉｏｓｔｙｒ曝气生物滤池处理城市污水，考察反冲洗周期的各个阶段处理效果与其微生物群落结构的变化情况。结果表明：反冲洗对ＣＯＤ的去除率影响很小，ＣＯＤ出水水质稳定；反冲洗结束５ｈ后ＮＨ３－Ｎ去除率逐渐提高，反冲洗结束２１ｈ后去除率开始降低，至反冲洗后２４ｈＮＨ３－Ｎ去除率降低至６０％以下；反冲洗结束２２ｈ后滤池内发生“穿透”现象，ＳＳ去除率迅速降低。ＰＣＲ－ＤＧＧＥ分析表明，反冲洗结束初期，很多种群失去生态位优势而被淘汰，滤池内的菌群结构变得简单。定量ＰＣＲ结果表明，反冲洗对世代时间较长的硝化细菌影响较大，菌群丰度恢复至反冲洗前的最佳状态的时间大于１２ｈ。关键词Ｂｉｏｓｔｙｒ曝气生物滤池反冲洗运行效能微生物群落结构国家水体污染控制与治理科技重大专项（２００８ＺＸ０７０１０－００８－０４）；山东省科技攻关项目（２００９ＧＧＢ０１０１２）。０前言曝气生物滤池工艺（ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌａｅｒａｔｅｄｆｉｌｔｅｒ，ＢＡＦ）是在生物接触氧化工艺的基础上引入饮用水处理中的过滤思想而产生的一种好氧污水生物处理工艺［１］，集物理截滤、生物吸附、氧化于一体，具有占地小、处理效果好、耐冲击负荷、工艺流程简单和菌群结构合理等优点［２］。曝气生物滤池运行一段时间后，填料上面附着的生物膜不断增厚，必然导致滤床孔隙率降低，氧传递速率减小，影响微生物的繁殖，表现为水头损失增加、出水水量减小、水质恶化。因此，必须定期对滤池进行反冲洗，维持其正常的处理功能。然而，反冲洗会导致填料生物膜一定程度的混合，影响反应器的生化功能，反冲洗方式及强度选择不当，如反冲洗过于频繁或强度过高，反冲洗后曝气生物滤池出水水质会受到一定影响，所以，选择合适的反冲洗条件是保证曝气生物滤池高效运行的基本要素，是曝气生物滤池工艺的关键控制参数之一［３］。本研究以青岛市麦岛污水处理厂ＢｉｏｓｔｙｒＢＡＦ为研究载体，连续监测反冲洗周期的各个阶段滤池对主要污染物的去除情况，并采用ＰＣＲ－ＤＧＧＥ和ｑＰＣＲ等分子生物学方法分析滤料层中微生物群落结构、总细菌菌群密度和硝化细菌菌群密度的变化情况，从化学指标和微生物群落两个角度评价反冲洗对滤池群落结构的影响。１材料与方法１．１ＢｉｏｓｔｙｒＢＡＦ工艺青岛市麦岛污水处理厂采用Ｂｉｏｓｔｙｒ工艺，设计规模１４万ｍ３／ｄ，共设有８座滤池单元，单池有效尺寸１３．８１ｍ×１６．７０ｍ×８．１２ｍ，有效面积２３１ｍ２，最大滤速７．７ｍ／ｈ；滤池内填充ｂｉｏｓｔｙｒｅｎｅ轻质滤料，平均粒径６ｍｍ，相对密度小于１，滤料厚度３．５ｍ，滤料体积７２００ｍ３。ＢｉｏｓｔｙｒＢＡＦ结构如图１所示，由进水渠道、滤池单元、曝气单元、出水渠道、反冲洗废水收集池组成［４］。１．２进水水质青岛市麦岛污水处理厂的上游水属于城市污水，包括生活污水及少量工业废水，ＢｉｏｓｔｙｒＢＡＦ进水为水厂强化预处理沉淀池Ｍｕｌｔｉｆｌｏ出水，水质情况见表１。表１ＢｉｏｓｔｙｒＢＡＦ进水水质指标最高值最低值平均值ＣＯＤ／ｍｇ／Ｌ１３０．６９７．３１１６．４ＮＨ３－Ｎ／ｍｇ／Ｌ３９．９１９．７３０．１ＳＳ／ｍｇ／Ｌ９２２１４３ｐＨ７．６６．７７．２１．３理化指标的测定水质分析方法采用《水和废水监测分析方法》DOI:10.13789/j.cnki.wwe1964.2015.0359给水排水Ｖｏｌ．４１增刊２０１５１２７图１ＢｉｏｓｔｙｒＢＡＦ工艺示意［５］（第４版）［４］，其中ＣＯＤ采用重铬酸钾比色法；ＮＨ３－Ｎ采用纳氏试剂分光光度法；ＳＳ采用过滤称重法；ｐＨ采用仪器直读法。１．４微生物群落结构分析１．４．１ＤＮＡ提取采用细菌基因组提取试剂盒（北京天根，ＤＰ３０２），按说明书所述步骤操作，提取ＤＮＡ，－２０℃保存备用。１．４．２ＰＣＲ－ＤＧＧＥＰＣＲ扩增引物为ＧＣ３３８Ｆ（５’－ＣＧＣＣＣＧＧＧＧＣＧＣＧＣＣＣＣＧＧＧＧＣＧＧＧＧＣＧＧＧＧＧＣＧＣＧＧＧＧＧＧＣＣＴＡＣＧＧＧＡＧＧＣＡＧＣＡＧ－３’）和５１８Ｒ（５’－ＡＴＴＡＣＣＧＣＧＧＣＴＧＣＴＧＧ－３’）。ＰＣＲ反应采用５０μＬ反应体系，其组分为：１０×ｂｕｆｆｅｒ，５μＬ；ＴａｑＤＮＡ聚合酶，０．４μＬ；２．５ｍｍｏｌｄＮＴＰ，３．２μＬ；引物，各２μＬ；模版ＤＮＡ，２μＬ；ｄｄＨ２Ｏ，３５．４μＬ。ＰＣＲ反应参数为：首先，９４℃预变性５ｍｉｎ；然后，９４℃变性３０ｓ，５５℃退火３０ｓ，７２℃延伸３０ｓ，３０个循环；最后，７２℃，延伸１０ｍｉｎ，冷却至４℃。将ＰＣＲ样品５μＬ与１０×ｂｕｆｆｅｒ混合，采用Ｂｉｏ－ｒａｄ突变