3微生物菌群多样性


本研究取阶段Ⅲ末期的泥样进行高通量检测，通过对连续流系统中的样品进行MiSeq测序，得到一共159452条有效序列（tag），序列一致性阈值为97%时得到了1412个OTUs，与He等的研究结果一致，说明样品中微生物种群结构复杂度高。此外，用Chao1值表征该样品的物种丰富度，用Shannon值表示该样品的多样性程度。本样品的Chao1值为1412，Shannon值为8.2，显著高于其他研究中的数值，可得出结论缺氧/好氧交替连续流系统有着较高的微生物多样性，其微生物群落结构复杂度较高。


接着将样品中得到的有效基因分为若干不同的种群（从门级到属级逐一分类），本研究中重点研究了相对丰度大于0.5%的细菌群落。其中丰度最高的门为变形菌门（Proteobacteria，49%）。变形菌门为污水处理中最为常见的门。而变形菌门中丰富度最高的微生物是β-Proteobacteria（相对丰度26%）、α-Proteobacteria（相对丰度12%）、δ-Proteobacteria（相对丰度5.5%）和γ-Proteobacteria（相对丰度5.8%）。第二优势菌门为拟杆菌门Bacteroidetes，为反硝化产碱菌，属化能有机营养型，能够降解某些复杂的固体有机物（纤维素、脂类和蛋白质等），还存在部分固氮菌属，能起到脱氮的作用。


分别将所得的微生物种群在科级和属级归类为不同的微生物功能菌群，分析了连续流脱氮除磷系统的微生物群落结构。分类结果如表6所示，功能菌群有氨化细菌、氨氧化菌（AOB）、亚硝酸盐氧化菌（NOB）、反硝化菌（DNB）、异养硝化~好氧反硝化细菌（HN-AD）、聚磷菌（PAOs）和聚糖菌（GAOs）。

表6科级和属级的脱氮除磷相关关键功能菌群


结合功能菌群的分类结果，建立缺氧/好氧交替连续流系统对实际城镇生活污水的污染物去除模型如图7，首先生活污水中的复杂有机物首先通过Ferribacteriu属和Ferruginibacter属水解为VFA.污水中的氮分为有机氮和无机氮，污水中的有机氮通过Bdellovibrio属和OM27_clade属的氨化作用分解含氮有机化合物释放NH4+-N，这些细菌具有循环利用有机氮的作用，其中OM27_clade属隶属于球孢菌科（Bdellovibrionaceae）的OM27进化枝成员，是未经培养的微生物群。污水中的NH4+-N通过Zoogloea属及Nitrosomonas属硝化成NO2--N，其由Comamonadaceae科、Zoogloea属和Rhizomicrobium属进一步硝化成NO3--N，同时还有全程硝化细菌Nitrospira属同时拥有氨氧化功能和亚硝酸氧化功能，将NH4+-N硝化成硝氮。紧接着污水中NO3--N反硝化成为N2，在颗粒污泥中发现了几种反硝化细菌，第一种是利用VFA进行反硝化的细菌，有以VFA中的乙酸为碳源进行反硝化的Halomonas属和Comamonas属、也有利用其它VFA进行反硝化的Zoogloea属、SM1A02属、Lautropia属、Haliangium属和Flavobacterium属，第二种是自养反硝化细菌，有利用硫基进行自养反硝化的Thiothrix属和Sulfuritalea属，也有利用铁进行自养反硝化的Ferruginibacter属，第三种是直接利用污水中复杂有机碳源进行反硝化的Denitratisoma属。可见，由于实际生活污水中的有机碳大部分以复杂化合物（如蛋白质，脂类和多糖）的形式存在，所以在连续流系统中发现了多种利用不同碳源的反硝化细菌，促进了生活污水中各种碳源的利用。

图7缺氧/好氧交替连续流系统对实际城镇生活污水的污染物去除模型


此外，3种与除磷相关的主要功能菌：Saprospiraceae科、Flavobacteriaceae科和Halomonas科在厌氧状态下摄取水中VFA将其转化为PHA储存在胞内，释放PO4+-P，好氧状态下将PO4+-P过量摄取并转化为Poly-P的形式储存在胞内。综上，在系统中发现了与脱氮除磷相关的11种主要功能细菌，所以在此缺氧/好氧交替连续流系统中微生物种群和群落结构的多样性使得连续流反应器有着较好的同步脱氮除磷性能。


4结论


本研究表明，以实际生活污水为进水基质的连续流系统，以空间上形成缺氧/好氧环境的间歇运行方式运行有着较好的脱氮除磷性能，较小的曝气强度（0.6mL·min-1）和适当的水力停留时间（9h）条件下更有利于污染物的去除，进水COD、TN和TP平均浓度分别为247.7、45.3和3.13mg·L-1，平均去除率分别为90.39%、83.6%和80.43%.整个系统在此条件下能够稳定运行，好氧颗粒污泥形态完整，沉降性能良好。采用EEM-PARAFAC模型对不同阶段的EPS进行表征分析，结果表明缩短HRT将使可生物降解的蛋白质水解为小分子或是出现了细胞的裂解，但又由于生物量的增长，所以表明淘洗掉了世代周期较长的细菌或活性受到了抑制，水力停留时间相对于曝气强度对连续流系统有更大的影响。并在系统中发现了与脱氮除磷相关的11种主要功能菌。


HRT和DO、曝气强度、水力停留对好氧颗粒污泥连续流系统的影响（一）

HRT和DO、曝气强度、水力停留对好氧颗粒污泥连续流系统的影响（二）

HRT和DO、曝气强度、水力停留对好氧颗粒污泥连续流系统的影响（三）

HRT和DO、曝气强度、水力停留对好氧颗粒污泥连续流系统的影响（四）