2.2 啟動(dòng)過(guò)程中懸浮載體的硝化性能

研究期間，一、二級(jí)MBBR區(qū)懸浮載體的掛膜情況如圖5所示（左側(cè)為一級(jí)，右側(cè)為二級(jí)）。懸浮載體投加3d后即出現(xiàn)明顯的生物膜附著且整體呈現(xiàn)黃棕色；10d后，整個(gè)載體掛膜已基本均勻，顏色進(jìn)一步加深；17 d后，生物膜顏色進(jìn)一步加深，開(kāi)始從黃棕色向黃褐色轉(zhuǎn)變；30d后，生物膜呈現(xiàn)深褐色；50d后，生物膜呈現(xiàn)深褐色且致密。同時(shí)期內(nèi)一、二級(jí)MBBR區(qū)的懸浮載體生物膜雖然顏色一致，但掛膜效果存在差異。

為了更準(zhǔn)確地表征懸浮載體的硝化能力，投加懸浮載體后每7d取一、二級(jí)懸浮載體進(jìn)行硝化小試，并核算硝化負(fù)荷，同步測(cè)定生物膜的生物量與厚度。硝化小試及生物量測(cè)定結(jié)果如圖6所示。懸浮載體掛膜7d后，一、二級(jí)的硝化負(fù)荷分別為0.111、0.075kg/（m3·d）；在后續(xù)的7d迅速升高至0.328、0.189kg/（m3·d），此后分別穩(wěn)定在（0.32±0.008）、（0.21±0.010）kg/（m3·d），一級(jí)硝化負(fù)荷是二級(jí)硝化負(fù)荷的1.5倍左右，且均高于項(xiàng)目實(shí)際運(yùn)行中核算的硝化負(fù)荷。由于小試的進(jìn)水氨氮濃度較實(shí)際工程中的要高，因此懸浮載體表現(xiàn)出更高的硝化負(fù)荷，這與硝化負(fù)荷受進(jìn)水基質(zhì)濃度影響的結(jié)果相符。同時(shí)，也說(shuō)明懸浮載體生物膜存在負(fù)荷余量，這為MBBR良好的抗水質(zhì)沖擊性能奠定了生物學(xué)基礎(chǔ)。

另外，一、二級(jí)懸浮載體生物膜的生物量均呈現(xiàn)迅速升高而后逐漸穩(wěn)定的變化趨勢(shì)。掛膜7d時(shí)，生物膜相對(duì)較薄，生物量較低，一、二級(jí)懸浮載體的生物量分別為0.62、0.49g/m2；此后兩級(jí)懸浮載體的生物量均迅速上升，并于28d后穩(wěn)定在（2.66±0.36）、（2.14±0.19）g/m2。受進(jìn)水負(fù)荷較低的影響，該生物量水平與市政污水處理系統(tǒng)（12.9g/m2）相比明顯偏低。

雖然懸浮載體生物膜的生物量與硝化負(fù)荷變化趨勢(shì)相似，但并不完全一致。啟動(dòng)階段，硝化負(fù)荷的上升速度領(lǐng)先于生物量，分析原因，雖然系統(tǒng)基質(zhì)濃度較低，但污染物以氨氮為主，因此啟動(dòng)前期生物膜以快速富集自養(yǎng)硝化菌為主，此階段硝化負(fù)荷上升迅速；隨著系統(tǒng)的運(yùn)行，生物膜中逐漸富集了一部分其他菌群，該部分微生物雖然使生物量有所增加，但與硝化關(guān)系不大。另外，對(duì)于MBBR工藝，在系統(tǒng)穩(wěn)定前，生物量與硝化負(fù)荷并非完全相關(guān)，對(duì)于不同水質(zhì)、不同階段需具體分析。

一、二級(jí)懸浮載體的生物膜厚度變化如圖7所示。生物膜厚度與生物量的變化趨勢(shì)較為一致，當(dāng)運(yùn)行14 d系統(tǒng)硝化負(fù)荷穩(wěn)定后，一、二級(jí)懸浮載體的生物膜厚度分別為（107±28）、（81±16）μm；此后，隨著運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，生物膜厚度繼續(xù)增長(zhǎng)；28 d后分別穩(wěn)定在（197±23）、（157±17）μm。

研究過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，即便是在同一懸浮載體上，生物膜厚度分布也并不均勻，且表面較為粗糙，如圖8所示。在水處理系統(tǒng)中，時(shí)刻發(fā)生著老齡生物膜的脫落與新生生物膜的生長(zhǎng)，生物膜厚度的差異可能是由于不同位點(diǎn)生物膜的更新程度不同。

綜上，采用MBBR工藝處理微污染河道水時(shí)，最不利溫度下系統(tǒng)的硝化負(fù)荷僅需14d即可達(dá)到穩(wěn)定，出水水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，但生物膜的生物量和厚度則需要28d才能達(dá)到穩(wěn)定，相比硝化負(fù)荷具有一定的滯后性。

2.3 啟動(dòng)過(guò)程微生物多樣性變化及物種組成

以Chao和Ace指數(shù)表征樣品物種的豐富度，指數(shù)值越大，說(shuō)明該樣本物種數(shù)越多。如圖9（a）所示，整個(gè)研究階段，生物膜的Chao和Ace指數(shù)均無(wú)明顯變化趨勢(shì)，但除第21天外，其他時(shí)間一級(jí)生物膜的Chao和Ace指數(shù)均高于同期二級(jí)生物膜?？梢?jiàn)，系統(tǒng)在啟動(dòng)初期生物膜的物種豐富度就達(dá)到了較高水平，但受進(jìn)水負(fù)荷的影響，一級(jí)生物膜優(yōu)先發(fā)揮污染物去除作用，致使其物種豐富度高于二級(jí)生物膜。

以Simpson和Shannon指數(shù)表征樣品中微生物的α多樣性。Simpson指數(shù)值越大，說(shuō)明物種分布越不均勻，群落多樣性越低；Shannon指數(shù)與之相反，其值越高表明群落多樣性越高。如圖9（b）所示，前21 d生物膜的Shannon指數(shù)逐漸升高，而Simpson指數(shù)則相反；而除第28天外，其他時(shí)間一級(jí)生物膜的Shannon指數(shù)均高于同期二級(jí)生物膜，Simpson指數(shù)則相反。結(jié)合物種豐富度分析結(jié)果可知，在前21d，在一、二級(jí)生物膜物種豐富度較為穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，物種分布均勻程度逐漸上升。與硝化負(fù)荷及生物量分析結(jié)果相對(duì)應(yīng)，在啟動(dòng)初期，生物膜中優(yōu)先富集硝化菌群，而其他菌群雖然同樣富集于生物膜中，但整體分布并不均勻，隨著系統(tǒng)的運(yùn)行，生物膜的物種分布均勻性逐漸升高，也反映了其他菌群相對(duì)豐度的提升，進(jìn)而導(dǎo)致生物量升高。而一級(jí)生物膜在物種豐富度較高的同時(shí)，物種分布均勻程度同樣高于二級(jí)生物膜，進(jìn)而導(dǎo)致其物種多樣性更高。

對(duì)各樣本屬水平物種組成進(jìn)行分析，結(jié)果見(jiàn)圖10。一、二級(jí)生物膜中的優(yōu)勢(shì)微生物較一致，但相對(duì)豐度存在一定差異，其中一級(jí)生物膜中分類(lèi)較明確的優(yōu)勢(shì)菌屬包括Nitrospira、Hyphomicrobium、Nitrosomonas、Kouleothrix、Pedomicrobium等，二級(jí)生物膜中的優(yōu)勢(shì)菌屬有Nitrospira、Hyphomicrobium、Pedomicrobium、Nitrosomonas、Pedobacter等。

Nitrospira在一、二級(jí)生物膜中的相對(duì)豐度分別為8.48%~13.60%、6.48%～9.27%，該菌屬的部分菌種（如Candidatus Nitrospira inopinata、Candidatus Nitrospira nitrosa和Candidatus Nitrospira nitrificans等）除攜帶負(fù)責(zé)氨氧化的氨單加氧酶（AMO）和羥胺氧化還原酶（HAO）外，還攜帶亞硝酸鹽氧化還原酶（NXR），具有全程氨氧化能力，即將氨氮直接氧化成硝酸鹽氮。該菌屬在不同時(shí)間的相對(duì)豐度變化無(wú)明顯規(guī)律，但在一級(jí)生物膜中的相對(duì)豐度均高于同期二級(jí)生物膜，這可能是由于一、二級(jí)MBBR區(qū)進(jìn)水氨氮負(fù)荷差異所致。另外，根據(jù)穩(wěn)定后的生物量核算，該項(xiàng)目中純膜MBBR生物膜的比氨氧化速率為0.15kg/（kgMLSS·d），高于李俊等人在氧化溝短程硝化啟動(dòng)及運(yùn)行研究中的比氨氧化速率[0.037kg/（kgMLSS·d）]，這可能是由于MBBR懸浮載體強(qiáng)化了對(duì)硝化微生物的富集效果。

Hyphomicrobium在一、二級(jí)生物膜中的相對(duì)豐度分別為1.32%～13.40%、1.32%～6.69%，該菌屬除可利用甲醇、甲胺等一碳化合物作為唯一碳源和能源進(jìn)行脫氮外，還可參與多環(huán)芳烴（PAHs）污染水體中菲的降解，這可能與進(jìn)水中芳香烴類(lèi)DOM的轉(zhuǎn)化有關(guān)。在前35d，該菌屬在一、二級(jí)生物膜中的相對(duì)豐度逐漸升高，且在一級(jí)生物膜中的相對(duì)豐度高于二級(jí)生物膜，說(shuō)明該菌屬的富集速率相對(duì)較慢，且受進(jìn)水中某種成分在一、二級(jí)MBBR之間的濃度差異影響導(dǎo)致相對(duì)豐度不同。

Nitrosomonas在一、二級(jí)生物膜中的相對(duì)豐度分別為2.89%～5.64%、0.00%～3.48%，該菌屬為常見(jiàn)的短程硝化細(xì)菌，其在不同時(shí)間的相對(duì)豐度無(wú)明顯變化規(guī)律，但受一、二級(jí)進(jìn)水氨氮濃度影響，除第35天外，其在一級(jí)生物膜中的相對(duì)豐度均高于二級(jí)生物膜。Kouleothrix在一、二級(jí)生物膜中的相對(duì)豐度分別為1.00%～5.56%、1.88%～4.38%，該菌屬為絲狀菌，在活性污泥系統(tǒng)中與污泥膨脹有關(guān)，在生物膜中則可能參與生物膜骨架的形成過(guò)程，該菌屬在不同時(shí)間不同樣品中的相對(duì)豐度均無(wú)明顯變化規(guī)律。Pedomicrobium在一、二級(jí)生物膜中的相對(duì)豐度分別為1.45%～2.88%、1.71%～6.45%，該菌屬可進(jìn)行反硝化脫氮，同時(shí)部分菌種對(duì)高鹽度具有一定的耐受性。Pedobacter僅在第7天大量存在于一、二級(jí)生物膜中，相對(duì)豐度分別為12.38%、11.37%，其余時(shí)間相對(duì)豐度均小于0.05%，該菌屬為污水處理系統(tǒng)內(nèi)常見(jiàn)的脫碳菌，部分菌種可降解酚類(lèi)物質(zhì)，其在啟動(dòng)前期相對(duì)豐度較高可能與進(jìn)水水質(zhì)差異有關(guān)。

3 結(jié)論

① 采用MBBR工藝處理微污染水，在冬季最不利水溫條件下不接種污泥直接原水啟動(dòng)，經(jīng)過(guò)10d系統(tǒng)調(diào)試成功，出水氨氮穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，一、二級(jí)MBBR出水氨氮分別為（1.35±0.38）、（0.43±0.15）mg/L，系統(tǒng)對(duì)氨氮的去除率達(dá)到（88.98±3.03）%，一、二級(jí)MBBR的硝化負(fù)荷分別為（0.182±0.026）、（0.066±0.020）kg/（m3·d）；同時(shí)，系統(tǒng)具有一定的COD去除能力，相比進(jìn)水，出水DOM組分中增加了類(lèi)富里酸類(lèi)物質(zhì)。

② 在MBBR處理微污染水的啟動(dòng)過(guò)程中，硝化負(fù)荷增長(zhǎng)于14d后達(dá)到穩(wěn)定，生物膜的生物量增長(zhǎng)滯后于硝化負(fù)荷增長(zhǎng)，于28d后達(dá)到穩(wěn)定，一、二級(jí)生物膜的生物量分別為（2.66±0.36）、（2.14±0.19）g/m2，生物膜厚度分別達(dá)到了（197±23）、（157±17）μm；生物膜負(fù)荷具有一定余量，能夠抵抗進(jìn)水負(fù)荷沖擊。

③ 啟動(dòng)階段，生物膜的物種豐富度于21d后基本達(dá)到穩(wěn)定，一級(jí)生物膜的物種豐富度和分布均勻程度高于二級(jí)生物膜，具有更高的物種多樣性；生物膜中優(yōu)勢(shì)微生物主要有Hyphomicrobium、Nitrospira、Nitrosomonas、Kouleothrix、Pedomicrobium、Pedobacter等，其中硝化菌屬Nitrospira在一、二級(jí)生物膜中的相對(duì)豐度分別為8.48%～13.60%、6.48%～9.27%，Nitrosomonas的豐度分別為2.89%～5.64%、0.00%～3.48%，而Hyphomicrobium和Pedomicrobium等菌屬的存在可能與進(jìn)水中芳香烴類(lèi)DOM的轉(zhuǎn)化有關(guān)。

④ 采用MBBR工藝處理微污染水，通過(guò)在已有絮凝沉淀池內(nèi)鑲嵌懸浮載體系統(tǒng)，強(qiáng)化氨氮去除效果，工程驗(yàn)證技術(shù)路線(xiàn)可行，且啟動(dòng)周期短，處理效果穩(wěn)定，可為微污染水旁位處理提供技術(shù)思路。