污水脫氮功能微生物的組學研究進展

孫明月 郭鵬飛 陳靜安

（中原環保股份有限公司，河南 鄭州 450000）

生活污水脫氮除磷技術能夠將污水中的N、P等元素有效地消除，使水體得到凈化，從而遏制水體富營養化現象的發生。因而，污水脫氮除磷技術已經成為水污染處理中非常關鍵的一部分。在目前的研究中，大部分生活污水脫氮除磷技術都是從傳統的脫氮除磷技術中衍生出來的一系列處理效果更顯著的改良型工藝或組合工藝，并得到了廣泛的應用和推廣。

一、脫氮除磷工藝

（一）氧化溝工藝

氧化溝工藝因其構筑物呈封閉的環形溝渠而得名，該工藝是一種改良型活性污泥法，水流流態特征獨特，介于完全混合和推流之間，其表面曝氣設備調節供氧量或表面曝氣與微孔曝氣相結合可在溝內形成好氧和缺氧的交替區，能夠實現同步硝化反硝化。該工藝具有流程簡易、運行方式靈活、污泥產量低、耐沖擊負荷、出水水質穩定、處理效果良好等顯著優點。缺點是占地面積大，易產生污泥膨脹、泡沫和流速不均及污泥沉積等問題。

（二）SBR工藝

SBR工藝具有獨特的運行方式，即間歇式運行，原污水流入、有機底物降解反應、泥水分離、出水排放等各項污水處理過程均在唯一的反應器內完成。該系統工藝流程簡單，基建與維護運行費用較低；能夠控制活性污泥膨脹；可依據實際進水的水量和水質調整運行方式，靈活掌控時間，為氮、磷的有效去除創造良好條件。在酚類廢水處理的具體案例中，SBR工藝的適用性已經得到了證明。其衍生工藝如ICEAS工藝、CASS工藝、DAT-IAT工藝和UNITANK工藝各具特色，既能夠減少占地面積，節約能耗，又具有高效脫氮除磷的功能，但僅適用于中、小水量的污水處理，在中、小城市污水處理領域具有更廣闊的應用前景。傳統生物脫氮除磷工藝成熟，脫氮除磷效果較好，但仍存在許多不足。脫氮除磷系統中的微生物生理特征不同，對環境的適應能力各不相同，差別較大的微生物互相影響，不利于工藝的高效穩定運行；脫氮除磷過程能耗高，需要消耗大量的氧氣和能量；大多數工藝設有污泥和混合液回流過程，使系統更加復雜，較大的占地面積造成基建費用和運行費用增加；剩余污泥量大，且富含磷，這些均違背了可持續發展理念。因此，解決以上問題是傳統脫氮除磷技術所面臨的挑戰。

二、展望

（一）標準測定方法構建

雖然分子生物學方法在污水處理領域已被廣泛應用，但不同方法之間研究結果差異性也不可忽視。近年來，有課題組研究了標準引物對于厭氧氨氧化細菌測定的影響，提出了針對厭氧氨氧化細菌和功能基因（hzo、nir和hzs）特異性引物。隨后有研究人員利用ARB軟件包和SILVA數據庫的“探針設計”和“探針匹配”功能并通過程序迭代設計新型靶向16SrRNA基因的寡核苷酸探針來檢測AOB，表明新型靶向rRNA寡核苷酸探針覆蓋率和特異性更加精細化，有助于AOB原位分析和研究群落組成與動態變化。也有學者研究了不同反應器類型（SBR、MBR和生物轉盤反應器）、不同DNA提取方法（FastDNASpin試劑盒和QiagenQIAampDNA試劑盒）和不同qPCR擴增方法在6個不同實驗室檢測情況下對PN/A反應器內微生物群落組成和功能的影響。結果表明，不同實驗室提取的DNA濃度存在顯著差異（介于2.7～328ng/mg之間），也檢測到不同qPCR擴增方法使測序結果顯示出較高差異性（1～7log倍）。同時也發現不同DNA提取試劑盒對某一種特定類型樣品和微生物表現更好，但是不適用于其他類型微生物，提出需進一步標準化DNA提取和qPCR擴增方法使得qPCR測序結果更具可重復性及有效性。可見，標準化的分子生物學方法對實現重復實驗、跨樣品和跨研究之間的差異性對比至關重要。

（二）檢測方法的簡易化

生物分子學方法對于樣品要求較高，不同測定方法對于樣品的處理有所差異。對于水樣采集，樣品制備方法的簡易化還需在今后研究中進一步重視。分子生物學方法測定過程涉及的操作步驟復雜且對于操作者要求也較高，這也使得很多研究學者望而止步。因此，從本質上簡化操作流程亟需研究。近年，有課題組使用便攜式設備進行宏基因組水質分析技術可行性，該設備包含小型真空泵和過濾裝置、小型離心機、小型PCR機和存儲卡大小的MinION（OxfordNanoporeTechnologies），用于16SrRNA基因文庫制備和測序。在一個工作日內完成了16SrRNA基因測序工作流程，包括DNA提取、PCR擴增、測序文庫制備和測序工作；根據互聯網速度，測序數據可在24～72h內獲得。同時驗證了便攜式設備測定結果和qPCR結果之間有很好的一致性。簡化分子生物學測定流程對其測序結果影響較小，但可促進該方法在實際工程中的應用。

三、結束語

氮、磷超標是引起水體富營養化的主要原因，而我國乃至世界其他國家一直面臨著水體富營養化問題，生態環境被嚴重破壞。因此，污水的脫氮除磷仍然是國內外科研人員研究的熱點問題，開發適合我國國情且能夠同時脫氮除磷的節能經濟、高效穩定運行的工藝也是未來研究的重點和方向。本文總結了生物脫氮除磷機理、工藝及新型工藝，為脫氮除磷理論、工藝的發展和實際應用提供參考依據。