污水處理中壓力變化對污泥中微生物群落組成的影響研究

趙聰+武照遠+張鴻斌+赫俊國

摘 要：微生物在污水污染物降解的過程中起著重要的作用，特定的微生物可以降解特定的污染物。因此研究微生物的特性對污染物的降解有著重要的作用。高壓條件對微生物的影響較少有人研究。本文取穩定運行的A2O工藝中的好氧段污泥與新鮮污水混合進行高壓曝氣處理污水，待處理效果及微生物達到穩定后，用高通量測序對微生物進行研究，對微生物的群落組成分析，群落組成分析從門、綱、屬三方面來討論。

關鍵詞：調壓反應器；高通量測序；微生物種群結構

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.12.013

0 引言

污水中污染物的去處主要靠微生物，特定種類的微生物在污水中污染物去除方面起到特定的作用，污水中污染物的去除規律與系統內的微生物有著必然的聯系。

本文采用高通量測序對微生物進行種群結構的特性研究。污泥樣本取自11月份，分別為A2O工藝中的厭氧段、缺氧段、好氧段、工藝接種污泥、好氧段污泥經高壓培養后的污泥。本文主要分析好氧段、好氧段污泥經高壓培養后的污泥兩個樣本，考察高壓條件對微生物的影響。

1 實驗

1.1 實驗用水水質及實驗接種污泥

本次試驗原污水采用哈爾濱工業大學二校區家屬區的生活污水，污泥來自實驗室中穩定運行、污染物去除效果良好的A2O反應器中的好氧段污泥。實驗時間為7、8月，此時哈爾濱工業大學二校區家屬區的生活污水的水質狀況如下表。

試驗接種的A2O反應器中的好氧段污泥參數如下。

1.2 實驗裝置與實驗方法

1.2.1 實驗裝置

圖1為調壓反應器的結構圖，反應器的有效容積為10L，工作壓力是0.7Mpa。由下至上主要零部件為進氣口、出水口、攪拌槳、排氣閥、電機、壓力表、磁力耦合器。空壓機通過進氣口給反應器供氣來為反應供氧，反應結束后通過出水口放出污水，排氣閥可以控制排出氣體的量，從而調節反應器內的壓力，壓力表顯示反應器內的壓力情況，從而及時調節反應的壓力。空壓機型號為EC51，空壓機有兩個作用，首先可以為反應提供充足的溶解氧，再者可以給反應器提供高壓。反應時將污水和污泥投入調壓反應器中，控制調壓反應器內的壓力，達到試驗的目的。

1.2.2 實驗方法

試驗時間為7、8月份，兩月的平均水溫分別為17.1℃和17.7℃。將適量具有活性的污泥和污水混合后放入調壓反應器中進行污染物去除，此時測得污泥濃度為2.84g MLSS/L。開啟空壓機，調節排氣閥，控制調壓反應器室內壓力（相對壓力）為0.7 Mpa，每天曝氣兩次，每次3h。每次試驗結束后監測污水處理效果，包括出水COD、氨氮、TN、TP，經過6天后，處理效果達到穩定。此時采集污泥樣本后首先放在-80℃冰箱內冷藏，然后在室溫下解凍后，用10ml離心管將污泥樣品放入離心機里離心。離心后把上清液去掉，取出有效的污泥樣本進行DNA提取，

DNA提取成功后，進行PCR擴增。PCR的產物經過純化和定量以后，把等摩爾的有不一樣標簽序列混合，利用MiSeq測序儀測定基因序列。

2 結果與分析

2.1 微生物的群落組成分析

高通量測序得到了門、綱、目、科、屬、種水平的測序結果。因為測序結果比較多，在這里用綱、屬兩個水平的結果來表征微生物的群落組成已經可以達到試驗目的。

2.1.1 綱水平分析

在綱水平下的微生物群落分析中，同樣選取比重大于1.0%的微生物來說明情況。檢測到的綱水平的微生物為Betaproteobacteria（β-變形菌）、Sphingobacteriia（鞘脂桿菌）、Alphaproteobacteria（α-變形菌）、Gammaproteobacteria（γ‐變形菌）、Flavobacteriia、Bacteroidetes_unclassified、Cytophagia、Deltaproteobacteria（δ-變形菌）、Bacteroidia。經過高壓培養后的好氧污泥中Betaproteobacteria（β-變形菌）所占比重稍有增加，由45.60%增至53.66%。許多好氧脫氮菌和除磷菌都屬于β-變形菌[1]，經過高壓曝氣后，除磷效果明顯加強，可能是增加了一些除磷菌。Sphingobacteriia（鞘脂桿菌）所占比重分別為15.12%、18.52%，無太大變化。

2.1.2 屬水平分析

屬水平的測序結果信息量很大，為了便于試驗分析，在這里只挑選所占比重較大或樣本間差異明顯或常見的功能菌屬來闡述說明。

如圖2，從左至右的樣品2、5依次為經高壓培養后的好氧段污泥、好氧段污泥。Comamonadaceae_unclassified代表Comamonadaceae科下的一種未分類的菌屬，它在2、5樣品中所占的比重依次為 22.43%、10.59%。經過高壓曝氣以后，該菌屬的含量有明顯增加。Huoqing Ge等人在SBR工藝的基礎上研究表明，Comamonadaceae和快速生物除磷有關。在調壓反應器中，隨著壓力的增大，除磷速率也逐漸增加，這可能不僅與溶解氧的高效利用有關，也可能與Comamonadaceae的快速生物除磷有關。本文推測Comamonadaceae不適宜在純好氧的環境中生存，更適合在類似SBR好氧缺氧環境交替的環境中生存。調壓反應器試驗中每天對反應器進行6.0h的曝氣，其余時間靜置，沒有持續的 好氧環境。調壓反應器類似于SBR的溶氧環境可能對該菌屬的增加產生了促進作用。

3 結論

本文為了考查壓力變化對微生物的影響，采用了高通量測序的手段對試驗中工藝中的好氧段污泥和經過高壓培養后的好氧段污泥進行了試驗，包括DNA提取、PCR擴增和高通量測序。分析了樣品微生物的多樣性和差異性，并且對其群落組成進行了分析。得到了如下的試驗成果：

（1）通過在綱、屬兩個水平上對微生物進行群落組成分析表明，在綱水平下的微生物群落分析中，兩個樣品中Betaproteobacteria（β-變形菌）都是最占優勢的菌群，許多好氧脫氮菌和除磷菌都屬于β-變形菌，β-變形菌的存在保證了脫氮除磷的效果，好氧段污泥中α-變形菌所占比重最大，一些脫氮菌屬于α-變形菌，好氧段α-變形菌的突增可能與良好的硝化效果有關。經過高壓培養后的好氧段污泥中Alphaproteobacteria（α-變形菌）的比重有明顯減少，由23.33%降至10.59%，這可能與具體的試驗流程有關。

（2）在屬水平下的微生物群落分析中，有學者研究表明，Comamonadaceae和快速生物除磷有關且不適合好氧環境。在調壓反應器中，Comamonadaceae菌含量增加，這可能與反應器中磷的快速去除有關。

參考文獻：

[1]Liu C，Wang H，Xing W，et al.Composition diversity and nutrition conditions for accumulation of polyhydroxyalkanoate （PHA） in a bacterial community from activated sludge[J]. Applied Microbiology and Biotechnology，2013，97（21）：9377-9387.

作者簡介：趙聰（1991-），男，碩士研究生，助理工程師，研究方向：污水處理。