生物膜-活性污泥系統(tǒng)(integratedfixed-filmactivatedsludge，IFAS)是將生物膜和活性污泥相結(jié)合的一種復合型系統(tǒng)。近年來，IFAS工藝在污水處理廠提標改造中備受青睞。泥膜復合CASS工藝原理是向傳統(tǒng)的CASS工藝主反應區(qū)投加懸浮物料，這樣為主反應區(qū)的微生物提供了大量可供棲息的表面積和有利的環(huán)境，使池內(nèi)的生物量迅速增加，從而改變了活性污泥系統(tǒng)內(nèi)的生物種類、存在方式和基質(zhì)的分配和傳質(zhì)方式，大大提高了反應池耐沖擊負荷能力，提高了COD利用率，完善了凈化過程，使出水水質(zhì)更好。

當前，生物膜-活性污泥系統(tǒng)在國內(nèi)應用規(guī)模超過1000萬t·d-1.對于泥膜復合系統(tǒng)，懸浮態(tài)活性污泥和附著態(tài)生物膜之間存在復雜的關系，如對同一限制性底物和溶解氧的競爭，以及對于環(huán)境(如不同污泥齡)的耐受性不盡相同等等，這會使兩相微生物的處理性能和它們單獨存在時不同，進而影響到MBBR泥膜復合系統(tǒng)的污染物去除特性。周家中等研究了在不同的污泥濃度、DO、溫度和C/N條件下，通過分析活性污泥污泥負荷(ARLs)和MBBR生物膜容積負荷(ARLv)變化趨勢，進而分析泥膜兩系統(tǒng)之間的競爭和合作規(guī)律。結(jié)果表明，懸浮態(tài)活性污泥和附著態(tài)生物膜之間主要以競爭關系為主；其中，MBBR填料上附著態(tài)生物膜抗沖擊性較懸浮態(tài)活性污泥更優(yōu)，且處理負荷更高；但在低DO情況下，生物膜的競爭能力不如活性污泥。韓文杰等研究了長三角地區(qū)MBBR泥膜復合污水廠低溫季節(jié)微生物的多樣性，發(fā)現(xiàn)懸浮載體生物膜可富集活性污泥中不具有的物種，其投加增加了整個系統(tǒng)微生物的多樣性，但同時，進水水質(zhì)和運行方式不論對懸浮載體生物膜還是活性污泥優(yōu)勢微生物群落組成，均具有一定的選擇性。張勇等則研究了在活性污泥系統(tǒng)中投加填料后污染物去除效率，發(fā)現(xiàn)投加填料可以增強反應器對TN和氨氮沖擊的緩沖能力，表明附著態(tài)生物膜除了和活性污泥之間存在競爭關系，同時也存在相互合作的協(xié)調(diào)關系。DiTrapani等的研究發(fā)現(xiàn)在泥膜復合系統(tǒng)中存在“播種(seeding)”效應，即懸浮填料上微生物脫落進入活性污泥中，提升活性污泥的硝化和反硝化活性。Jin等的研究發(fā)現(xiàn)，DO對泥膜兩相的功能菌分布有直接影響，如在厭氧條件下好氧反硝化菌硝化關鍵功能基因HAO的表達比其好氧條件下表達量低2.72倍，而反硝化關鍵功能基因NAR在厭氧條件下的表達是好氧條件下表達量的3倍。張凱等則通過熒光原位雜交技術對泥膜兩相中不同功能菌進行對比，發(fā)現(xiàn)懸浮污泥中的AOB比生物膜中的高。李超等利用聚合酶鏈式反應-變性梯度凝膠電泳(PCR-DGGE)和克隆測序等分子生物學技術對IFAS中功能菌群落的演替進行了研究，發(fā)現(xiàn)懸浮污泥和生物膜上的優(yōu)勢功能菌種群均有較大區(qū)別，但是優(yōu)勢種群在系統(tǒng)中保持穩(wěn)定，受水質(zhì)波動影響較小。

本研究以CASS耦合MBBR工藝為基礎，通過中試實驗研究了在進水碳源較低的情況下，體系中微生物的演替規(guī)律和優(yōu)勢菌種差異，以及活性污泥泥齡對泥膜復合型工藝中泥膜關系的影響，解釋IFAS工藝在不同污泥齡下處理效果為何會有明顯差異，并分析相應微生物的生態(tài)位和生長特性，以期為IFAS工藝長期穩(wěn)定運行和實際調(diào)控提供微觀技術支撐。

1、材料與方法

1.1 裝置與運行方式

以廣東省某市污水廠原水為進水，采用CASS耦合MBBR型IFAS工藝運行兩套有效體積為392L的中試反應器，反應器中污泥接種自廣東省粵西某污水處理廠CASS工藝排放的剩余污泥，污泥沉降比(SV)為22%~26%，污泥體積指數(shù)(SVI)為72~95mL·g-1，MLSS和MLVSS分別為2.86g·L-1和1.89g·L-1.其中池體分為3個部分：厭氧區(qū)容積19.6L，DO控制在0.5mg·L-1以下；缺氧區(qū)容積44.1L，DO控制在0.5~0.6mg·L-1之間；好氧區(qū)容積328.3L，曝氣階段DO控制在2.0mg·L-1以上。反應器分別采用高低SRT；其中低SRT為5d，記為SRT-L；高SRT為25d，記為SRT-H。兩套反應器運行方式為進水曝氣90min，靜置沉淀30min，潷水60min。反應器進水、曝氣、出水和攪拌均由計時器自動控制。曝氣采用微孔曝氣盤實現(xiàn)。反應器回流比控制在30%左右，排水比控制在1/3左右，每日手動排泥。整套中試裝置示意如圖1所示。

為使實驗條件接近實際工程，在進行恒定曝氣量下污泥齡對泥膜復合系統(tǒng)的影響時，選用該污水廠二期泵房集水井進水作為實驗用水，進水水質(zhì)如表1所示。

1.2 實驗污泥和懸浮載體

本實驗所需活性污泥和懸浮載體均選自中試裝置。懸浮載體為高密度聚乙烯(HDPE)材質(zhì)，直徑25mm±0.5mm，高10mm±1mm，掛膜后比重和水接近，有效比表面積620m2 ·m-3.兩套IFAS反應器懸浮載體填充率均為20%。

1.3 批處理實驗

批處理實驗采用穩(wěn)定運行條件下IFAS反應器中活性污泥，分別實驗計算得出污泥硝化速率、反硝化速率、聚磷速率、吸磷速率和生物膜硝化速率、反硝化速率。

分別在SRT-L和SRT-H運行穩(wěn)定后的好氧末端取出適量活性污泥/生物膜填料加入1L合成污水中，曝氣攪拌，每隔10min取樣測定NH4+-N濃度，利用氨氮降解速率法計算污泥/生物膜硝化活性；分別在SRT-L和SRT-H運行穩(wěn)定后的好氧末端取出適量活性污泥/生物膜填料加入1L合成污水中，厭氧攪拌，每隔10min取樣測定NO3--N濃度，利用硝氮降解速率法計算污泥/生物膜反硝化活性；分別在SRT-L和SRT-H好氧段末端取適量活性污泥加入1L合成污水中，厭氧攪拌，釋磷2h，之后再恒定曝氣3h，每隔0.5h取水樣測定一次TP，從而計算污泥聚磷、吸磷活性。

1.4 分析方法

相關水質(zhì)常規(guī)指標檢測方法具體如下。NH4+-N：納氏試劑分光光度法；NO3--N：麝香草酚分光光度法；NO2--N：N-(1-萘基)-乙二胺分光光度法；TN：堿性過硫酸鉀消解法；COD：重鉻酸鉀快速消解分光光度法；TP：鉬酸銨分光光度法；懸浮填料上生物量：烘干恒重法。

本研究以中試反應器為基礎，在以某污水廠進水為原水條件下，持續(xù)運行；分別取反應器中15、30、45、60、75d的泥樣和30、45、60、75d的膜樣，保存在-20℃冰箱內(nèi)，統(tǒng)一寄送至上海美吉生物有限公司進行高通量測序。在進行DNA抽提和PCR擴增后，進行IlluminaMiSeq測序，使用NEXTflexTMRapidDNA-SeqKit(BiooScientific，美國)進行建庫:①接頭鏈接；②使用磁珠篩選去除接頭自連片段；③利用PCR擴增進行文庫模板的富集；④磁珠回收PCR產(chǎn)物得到最終的文庫。利用Illumina公司的MiseqPE300/NovaSeqPE250平臺進行測序。

2、結(jié)果與討論

2.1 IFAS工藝掛膜實驗特性研究

據(jù)表2可知，SRT-L運行穩(wěn)定后(60d)，MLSS和MLVSS的濃度平均值分別為1.94g·L-1和1.11g·L-1；SRT-H運行穩(wěn)定狀態(tài)下(60d)MLSS和MLVSS的濃度平均值分別為6.89g·L-1和4.27g·L-1.而在同時期(60d)，SRT-L和SRT-H中懸浮填料上生物膜生物量分別為37.9mg·g-1和22.70mg·g-1.SRT-L穩(wěn)定狀態(tài)下，生物填料掛膜完成時間約為13d；而SRT-H在穩(wěn)定狀態(tài)下13d的掛膜效果如圖2所示。從中可知，SRT-L填料上生物膜隨著時間推移逐漸加深，生物膜生長范圍也在逐漸擴大，到第5d時已覆蓋整個填料，到第13d時生物膜已生長成熟；而SRT-H填料上直到第9d才完全覆蓋生物膜，在第13d時顏色較SRT-L要淺許多，表明生物膜尚在生長，未完全完成掛膜。這說明，隨著污泥齡的延長，生物膜的生長受到一定限制，隨著污泥濃度的增加，泥膜之間的競爭關系明顯加劇。其主要原因是曝氣量恒定的條件下，污泥濃度的增加必然會導致污泥中細菌種類和含量增多，增加了對DO利用，表現(xiàn)出隨著污泥濃度的增加系統(tǒng)DO降低，導致系統(tǒng)內(nèi)傳氧速率受到限制，整體上生物膜從水中接收到的溶解氧明顯減少，而生物膜的生長主要是好氧硝化菌的繁殖，因此生物膜的生長速率大幅降低。此外，Shao等在低C/N進水下研究了微生物在泥膜之間的依存關系。結(jié)果表明，在基質(zhì)缺乏的情況下，異養(yǎng)硝化菌更傾向于在懸浮絮體中生存，因為松散的絮體中有機碳和其它基質(zhì)的接觸機會相較生物膜來說會更多。并且由于污泥SRT較高，因此生物膜作為一個能穩(wěn)定提供高SRT的載體的優(yōu)勢不再明顯，所以在和懸浮污泥的競爭中處于劣勢，生長受到抑制。

2.2 IFAS工藝去除效能特性研究

SRT-L和SRT-H常規(guī)污染物去除效率對比如圖3所示。從中可知，穩(wěn)定運行后，SRT-L的整體污染物去除效能明顯優(yōu)于SRT-H。

兩套反應器的COD去除效果如圖4(a)所示。SRT-L和SRT-H在運行初期尚不穩(wěn)定，因此對COD的去除呈波動狀；但隨著時間延長，在45d之后，COD的處理效果明顯平穩(wěn)，基本處于25mg·L-1以下，并且不會隨著進水COD的起伏而發(fā)生劇烈波動。這說明系統(tǒng)中泥膜上的微生物種類和數(shù)量已達到穩(wěn)態(tài)，系統(tǒng)抗沖擊能力增強。其主要原因是懸浮態(tài)污泥和附著態(tài)生物膜之間的關系由以競爭關系為主轉(zhuǎn)變?yōu)楦偁幒献鞴泊娴男滦湍Ｊ�，當進水COD波動時，泥膜之間會自動調(diào)整對COD的依賴性，從而達到穩(wěn)定系統(tǒng)生態(tài)的目的。而且從圖4(a)可知，在反應末期，SRT-L的COD利用效率會略微高于SRT-H；也側(cè)面說明隨著污泥齡的增加，泥膜之間的劣性競爭加劇。這是由于在進水C/N比較低的條件下，由于污泥濃度的增加，致使懸浮污泥容積負荷降低。此外，由于微生物主要通過松散的胞外聚合物(EPS)吸附基質(zhì)以供生長繁殖，所以松散的絮狀污泥較固定的附著態(tài)生物膜更容易從溶液中獲取COD。因此，在高污泥齡下，生物膜處于競爭劣勢，基質(zhì)的缺乏將導致菌落退化。最終，由于泥膜負荷的同步降低導致COD利用率隨之下降。

除磷效果如圖4(b)所示。整體上，隨著時間的延長，SRT-L和SRT-H除磷效果逐漸穩(wěn)定，但從圖上可以明顯看出SRT-L的除磷效果要優(yōu)于SRT-H；SRT-L的出水TP濃度維持在1.0mg·L-1以下，SRT-H出水TP濃度維持在1.8mg·L-1以下。其主要原因是短污泥齡下排泥量增加，富磷污泥能及時排出反應器，因此聚磷菌的更新?lián)Q代較SRT-H更為頻繁，菌種活性一直保持在較高水平，因此聚磷和吸磷效率比SRT-H更高，TP去除效果更好。

SRT-L和SRT-H脫氮效果如圖4(c)和圖4(d)所示。SRT-L和SRT-H在30d左右對氨氮的去除率便已趨于穩(wěn)定，出水氨氮濃度都能保持在0.5mg·L-1以下。這也從脫氮的角度證明，隨著時間的延長，各項參數(shù)不變的情況下，系統(tǒng)中懸浮態(tài)污泥和附著態(tài)生物膜之間的合作關系得到進一步加強。從圖4(d)可以看出，SRT-L和SRT-H的TN去除率隨時間的延長都有不同程度地增加，在60d左右達到最大。這說明隨著培養(yǎng)時間的延長，泥膜中脫氮菌的競爭關系逐漸減弱，合作關系逐步加強，并且合作關系逐漸占據(jù)主導地位，使得脫氮效率提升。理論上，由于脫氮菌世代周期較長，因此長污泥齡下活性污泥的脫氮效率會更佳。但從圖4(d)可知，SRT-L和SRT-H的TN去除率在30d之后便一直保持同步；且SRT-L的TN去除效果逐漸趨近SRT-H，并在35d左右和SRT-H趨于一致，SRT-L的TN去除率隨時間增長的幅度明顯大于SRT-H。結(jié)合圖4(a)可知，這是因為污泥齡的延長導致泥膜間競爭加劇，降低了COD利用率，從而削弱了懸浮態(tài)污泥和附著態(tài)生物膜之間因培養(yǎng)時間延長導致的合作關系，使得TN去除率的增長幅度減緩。

2.3 IFAS工藝泥膜活性特性研究

在SRT-L和SRT-H穩(wěn)定運行60d后，活性污泥與生物膜各項活性指標數(shù)據(jù)如表3所示。

由表3可知，穩(wěn)定運行后，SRT-L和SRT-H中懸浮態(tài)污泥的硝化活性分別為14.96mg·(g·h)-1和6.73mg·(g·h)-1，而SRT-L和SRT-H中附著態(tài)生物膜的硝化活性分別為290.68mg·(m2 ·h)-1和267.85mg·(m2 ·h)-1.由此可以看出，SRT-L懸浮態(tài)污泥和附著態(tài)生物膜的硝化活性都要優(yōu)于SRT-H。

其中，SRT-L中懸浮污泥的硝化活性比SRT-H高出3倍有余，主要原因為以下兩點：①相較低SRT，高SRT下絮體污泥中微生物種間競爭加強，因此硝化菌在長期受抑制的情況下產(chǎn)生退化，導致菌種活性水平降低。②DiBella等研究了膜反應器生物量的演變特性，結(jié)果表明在進水基質(zhì)缺乏的條件下，懸浮填料上生物膜的脫落和增長會加速，從而使懸浮污泥中生物量增加，產(chǎn)生“播種”效應，進而使懸浮污泥的硝化活性增加；結(jié)合生物膜生物量數(shù)據(jù)可知，SRT-L中生物膜的生物量要明顯高于SRT-H，所以脫落的生物量也會遠多于SRT-H，“播種”效應增強，提高了整個系統(tǒng)的硝化能力，使得泥膜間的合作關系加強。而SRT-L和SRT-H的生物膜硝化活性分別為290.68mg·(m2 ·h)-1和267.85mg·(m2 ·h)-1，差距并不明顯。結(jié)合生物膜生物量數(shù)據(jù)可知，生物膜硝化水平和生物量雖呈正相關，卻不呈正比；隨著生物量的增加，硝化速率的增幅減緩。由表2可知，這可能是因為生物量的增加，使得懸浮載體上生物膜逐漸加厚，阻礙基質(zhì)擴散，DO傳質(zhì)阻力增大，因此活性降低，硝化速率減緩。

SRT-L和SRT-H中懸浮污泥的反硝化活性分別5.85mg·(g·h)-1和3.11mg·(g·h)-1.由此可見，低SRT條件下懸浮污泥的硝化活性更高。孫月鵬等通過研究內(nèi)源碳源下活性污泥的反硝化活性，發(fā)現(xiàn)在低SRT條件下，能利用PHB進行反硝化的反硝化聚磷菌在活性污泥中的比例會較大，所以表征為其反硝化速率較高。有研究證明，PHB的積累速率會隨著SRT的增大而減小。因此可以推斷，SRT-L中利用PHB進行反硝化的反硝化聚磷菌相對生物量多于SRT-H，導致SRT-L中污泥反硝化速率高于SRT-H。另外，上文提及低SRT下生物膜脫落速度增加，因此部分反硝化菌可能隨生物膜脫落進入懸浮污泥中，形成“播種”效應，造成SRT-L中污泥反硝化速率高于SRT-H。同時，由于高SRT下系統(tǒng)污泥濃度增加，因此各菌種絕對數(shù)量也相應增加，直接導致對底物基質(zhì)的競爭；由圖4(d)可知，SRT-H在反應器運行初期便已具備較高的反硝化能力，但之后隨著時間逐漸降低，在30d反應器中泥膜關系穩(wěn)定后才又逐漸回升；這正好說明由于高SRT下微生物生長代謝較為緩慢，因此長期競爭條件下反硝化菌種發(fā)生退化，導致懸浮污泥硝化活性的降低。而對生物膜來說，SRT-L和SRT-H的反硝化速率幾乎處于同一水平，相差不大；這說明SRT對生物膜上反硝化菌的影響并不明顯。

SRT-L中懸浮污泥在穩(wěn)定運行時釋磷和吸磷活性分別為2.66mg·(g·h)-1和1.91mg·(g·h)-1，而SRT-H中懸浮污泥釋磷和吸磷活性則分別為1.99mg·(g·h)-1和1.33mg·(g·h)-1，SRT-L中懸浮污泥的聚磷活性明顯高于SRT-H(表3)。其中主要原因是因為聚磷菌生長世代較短，因此及時排出老化富磷污泥可以保證新生代聚磷菌有足夠的生長空間和營養(yǎng)基質(zhì)，最大程度上維持了整體污泥聚磷活性。此外，有研究表明，溶解氧更豐富時，聚磷菌生長速率高，新陳代謝快，整體活性也會更高。而SRT-L中由于MLSS濃度更低，因此相對而言DO含量更高，所以懸浮污泥的釋磷和吸磷速率也相對更高。此外，有研究表明絲狀菌很多時候都充當著活性污泥骨架的作用，絮狀菌則依附在絲狀菌上，從而形成肉眼可見的絮狀懸浮態(tài)污泥。Chudoba等研究了活性污泥絲狀菌的控制方法，結(jié)果表明在低底物濃度下，絲狀菌因其半飽和常數(shù)較低而具有更大的比增殖速率。由于SRT和有機負荷成反比例關系，因此SRT越高時產(chǎn)生的低底物濃度環(huán)境對絲狀菌的生長越有幫助，這就使得聚磷菌和絲狀菌的競爭隨著SRT的增加而不斷加劇，直接影響了聚磷菌在系統(tǒng)中的整體活性。

2.4 微生物群落演替特性

在運行期間，SRT-L反應器中活性污泥(AS)和生物膜(BF)的微生物群落之間存在明顯差異(圖5)。其中， γ-Proteobacteria、Bacteroidia、Clostridia和Chloroflexia為SRT-L活性污泥和生物膜中微生物的主要優(yōu)勢菌群(圖5)。活性污泥和生物膜間的γ-Proteobacteria相對豐度變化趨勢一致，因此可以推斷“播種”效應中主要起作用的就是γ-Proteobacteria。Bacilli則是為數(shù)不多的在生物膜中相對豐度要高于活性污泥的微生物菌群。但Bacilli和γ-Proteobacteria之間有一個明顯差別，即活性污泥和生物膜中Bacilli相對豐度呈高度負相關，當活性污泥中Bacilli相對豐度增加時，生物膜上Bacilli則相應減少，反之亦然；這說明活性污泥和生物膜之間針對氮源基質(zhì)存在一定競爭。有研究表明，Bacilli是一類高效的好氧反硝化菌群，亞硝氮為其主要反硝化氮源，且Bacilli的反硝化速率還會隨著DO的增高而降低；而生物膜不僅能提供充足的亞硝氮，而且生物膜縱向上存在DO梯度，因此較活性污泥更適合Bacilli生長，故而生物膜上Bacilli相對豐度比活性污泥更高。

在SRT-H中， γ-Proteobacteria、Bacteroidia和Chloroflexia為活性污泥和生物膜中微生物的主要優(yōu)勢菌群(圖6)。在前期，反應器內(nèi)微生物生態(tài)尚未穩(wěn)定，生物膜上γ-Proteobacteria迅速增加，并占據(jù)優(yōu)勢地位；及至中后期，反應器逐漸穩(wěn)定，系統(tǒng)內(nèi)好氧微生物種類開始增多，且生物膜上氧傳質(zhì)效率明顯低于活性污泥，因此γ-Proteobacteria針對DO的競爭優(yōu)勢逐漸被削弱，所以相對豐度逐漸減少。而活性污泥因為氧傳質(zhì)效率較高，因此在泥膜之間DO競爭中占據(jù)優(yōu)勢地位，所受限制較弱，因而γ-Proteobacteria和活性污泥中其他微生物的競爭優(yōu)勢并未受影響，所以其相對豐度也呈現(xiàn)一直增長的趨勢。在SRT-H中，生物膜上的Bacilli相對豐度同樣明顯比活性污泥要高，并且也呈一定負相關，這表明Bacilli在泥膜之間的競爭和SRT關聯(lián)不大，影響Bacilli菌群相對豐度的因素主要是DO和氮源。

通過分析SRT-L和SRT-H泥膜之間微生物的演替規(guī)律，可以明顯發(fā)現(xiàn)，微生物菌群種類會隨著培養(yǎng)時間的延長而逐漸增加，說明系統(tǒng)的生物多樣性在逐漸提高，抗沖擊負荷能力得以提升，處理效能的穩(wěn)定性得以保障。而相對SRT-L，后期SRT-H中微生物豐度更高，但所增加的其余微生物種類諸如Vampirivibrionia、Negativicutes和Bdellovibrionia等都不是脫氮除磷功能菌群，因此反而加劇了微生物種間競爭，致使相關功能菌群相對豐度降低，從而抑制了脫氮除磷活性。

在SRT-L和SRT-H的生物膜中， γ-Proteobacteria作為優(yōu)勢菌群，其相對豐度一直在減少，這表明隨著培養(yǎng)時間的延長，更適應生物膜的微生物種群被篩選出來，這些微生物對基質(zhì)的競爭導致γ-Proteobacteria的生長受到抑制，因此γ-Proteobacteria的相對豐度呈現(xiàn)出逐漸減少的趨勢。 γ-Proteobacteria作為變形菌的一大類，其中既有硝化菌，也有反硝化菌，因此其種群相對豐度和脫氮性能緊密相關。在SRT-L的活性污泥中， γ-Proteobacteria主要來源于生物膜的“播種”，因此隨生物膜上γ-Proteobacteria相對豐度的降低而降低；而SRT-H活性污泥中γ-Proteobacteria則因競爭優(yōu)勢而一直處于增長；到了后期，SRT-L和SRT-H的活性污泥中γ-Proteobacteria都已趨于穩(wěn)定，維持在20%左右的相對豐度，但二者的脫氮性能卻有很大差別，造成這種現(xiàn)象的主要原因有2種：①SRT-L中γ-Proteobacteria綱下具體“播種”的菌屬和SRT-H中逐漸增長的γ-Proteobacteria菌屬不同，因而所表征的活性存在差異；②SRT-L排泥量較大，且生物膜脫落的生物量較多，因此活性污泥中γ-Proteobacteria整體維持在高活性水平，而SRT-H因排泥周期較長，故而活性污泥中γ-Proteobacteria菌群老化，處理效能相對SRT-L降低。

2.5 屬水平上優(yōu)勢微生物和主要功能菌

圖7(a)和7(b)分別為穩(wěn)定運行后(60d)活性污泥和生物膜中屬水平下顯著差異性分布。在穩(wěn)定運行后，SRT-L和SRT-H中優(yōu)勢菌屬存在較大差異。在SRT-H活性污泥中，非功能菌的相對豐度比SRT-L多了將近13%。這表明在SRT-H活性污泥中，功能菌和非功能菌之間的競爭遠比SRT-L活性污泥激烈，而這種競爭直接淘汰了部分優(yōu)勢不明顯的功能菌屬，使得整體的脫氮除磷性能降低。

結(jié)合活性污泥和生物膜優(yōu)勢菌屬對比可以發(fā)現(xiàn)(圖7)， unclassified_f -Enterobacteriaceae和Acinetobacter為生物膜“播種”的主要菌屬，而且這幾種菌屬均屬于γ-Proteobacteria，和之前的分析一致。但SRT-L和SRT-H之間播種的具體優(yōu)勢菌屬卻存在較大差別。其中unclassified_f -Enterobacteriaceae為SRT-L中主要的“播種”菌屬。當前已有研究表明Enterobacteriaceae為異氧硝化菌的一類；王新等的研究從養(yǎng)殖水體、活性污泥和農(nóng)村河道水體中定向篩選出1株屬于Enterobacteriaceae的氨氧化細菌，該菌表現(xiàn)出極高的硝化活性；由于實驗進水水質(zhì)與其相似，且氨氧化菌較為脆弱容易剝落，因此推測兩反應器中檢測到的unclassified_f -Enterobacteriaceae可能為Enterobacteriaceae科下和該菌屬功能近似的氨氧化細菌。 Acinetobacter則為SRT-H中主要的“播種”菌屬；有研究表明， Acinetobacter為異養(yǎng)硝化-好氧反硝化菌群(heterotrophicnitrification-aerobicdenitrification，HN-AD)之一。但其中只有部分菌種被證明確實存在反硝化功能。而SRT-L和SRT-H之所以呈現(xiàn)出具體“播種”菌屬的差別，根本原因在于傳統(tǒng)硝化-反硝化菌和異養(yǎng)硝化-好氧反硝化菌之間的代謝規(guī)律不同；傳統(tǒng)硝化-反硝化菌對于營養(yǎng)基質(zhì)和DO更加依賴，且世代周期更長，因此短污泥齡下生物膜中的傳統(tǒng)硝化-反硝化菌相對豐度明顯最高；而和傳統(tǒng)硝化-反硝化菌相比，HN-AD菌不僅具有更快的生長速度，而且可以利用各種碳基質(zhì)作為異養(yǎng)硝化的能源和電子來源，因此在低有機負荷的高SRT下生長優(yōu)勢更加明顯。此外，Jin等的研究發(fā)現(xiàn)，HN-AD菌雖然具備在好氧條件下進行反硝化的能力，但高濃度DO還是會抑制其反硝化活性，DO的變化會通過抑制硝化-反硝化相關基因的表達影響著HN-AD菌異養(yǎng)硝化-好氧反硝化功能的發(fā)揮。因此，和DO呈反比的高SRT成為了HN-AD菌絕佳的生長條件。

對兩反應器活性污泥中平均豐度前15種優(yōu)勢菌屬進行顯著差異性分析；SRT-L中，這15種菌相對豐度總和只有39%，其中硝化菌為7.25%，反硝化菌為8.53%，聚磷菌為3.22%，非功能菌相對豐度為20%；SRT-H中，這15種菌屬相對豐度總和達到了57%，其中硝化菌為3.78%，反硝化菌為22.01%，聚磷菌為0.32%，非功能菌相對豐度為32.89%。結(jié)合功能基因豐度圖可知，活性污泥中仍有大量功能菌在此15種優(yōu)勢菌屬之外，即硝化菌的分布較為分散；相對而言，SRT-L比SRT-H中功能菌分布更為分散，因此其抗沖擊能力較好，這也是SRT-L反應器中污染物去除效果一直優(yōu)于SRT-H的重要原因。在這15種優(yōu)勢菌屬中， Acinetobacter、norank_f-Caldilineaceae、Chryseobacterium和unclassified_o-Xanthomonadales為反硝化菌， unclassified_f-Enterobacteriaceae為硝化菌， Comamonas兼有氨氧化、硝化和反硝化這3種功能， Clostridium_sensu_stricto_ 13為聚磷菌；其中硝化菌和聚磷菌相對豐度均表征為SRT-L高于SRT-H，和污泥活性表征結(jié)果相同；而反硝化菌相對豐度卻和污泥活性表征存在差異，這是由于反硝化菌中占比較高的Acinetobacter和Chryseobacterium既是具有部分反硝化能力的好氧反硝化菌屬，同時也是主要的絲狀菌屬，因此其相對豐度對系統(tǒng)中污泥整體反硝化活性影響并不大，并且SRT-L中功能菌分布較為分散，因此仍有部分反硝化菌在此15種優(yōu)勢菌屬外未被統(tǒng)計。通過對比屬水平下兩種SRT活性污泥中脫氮菌和聚磷菌的相對豐度，可以發(fā)現(xiàn)，活性污泥中脫氮菌對于聚磷菌的競爭優(yōu)勢隨著SRT的增加而增加，其主要原因還是因為聚磷菌的生長世代較短，因此更適合低SRT，且低SRT能有效抑制部分脫氮菌的生長。

對兩反應器生物膜中平均豐度前15種優(yōu)勢菌屬進行顯著差異性分析。這15種優(yōu)勢菌屬大部分屬于γ-Proteobacteria和Bacteroidia，在SRT-L和SRT-H生物膜中占比約為75%左右；其中， unclassified_f-Enterobacteriaceae、Comamonas和Escherichia-Shigella為硝化菌； Acinetobacter、Comamonas、Chryseobacterium、Enterobacter、Bacillus、Pseudomonas、Rhodobacter、Thermomonas和Microvirgula為反硝化菌；生物膜中未見傳統(tǒng)聚磷功能菌， Bacillus雖為反硝化聚磷菌，但其聚磷能力十分有限；這是因為附著態(tài)生物膜SRT較高，而傳統(tǒng)聚磷菌由于世代周期較短，因此難以在生物膜上存活。在這15種優(yōu)勢菌屬中，SRT-L中硝化菌相對豐度約為25.76%，反硝化菌相對豐度約為14.06%；SRT-H中硝化菌相對豐度則為23.36%，反硝化菌相對豐度約為19.89%，和生物膜活性表征趨勢一致。整體來看，硝化菌因附著在生物膜表層，因此在接觸營養(yǎng)基質(zhì)和反應底物等方面比生物膜內(nèi)層的反硝化菌更有優(yōu)勢，呈現(xiàn)出相對豐度更高、功能基因更多的情況；但兩種SRT下生物膜中的硝化-反硝化功能菌總體活性和檢測出的功能基因數(shù)量差異并不大，這表明運行穩(wěn)定后，生物膜在泥膜競爭中所受限制和影響并未隨SRT的增加而增強。

對比活性污泥和生物膜的優(yōu)勢菌屬可以發(fā)現(xiàn)，在反應器運行后期，泥膜之間的優(yōu)勢微生物種類產(chǎn)生了較大差別，這是由于進水為低碳原水，因此在基質(zhì)匱乏的條件下，泥膜之間產(chǎn)生競爭的結(jié)果。其中Comamonas菌相對豐度在泥膜間差異最為明顯； Comamonas菌相對豐度在活性污泥相中表征為SRT-H高于SRT-L，這表明Comamonas菌受SRT影響較大；而在生物膜相中， Comamonas菌相對豐度則表征為SRT-L高于SRT-H，且膜相中Comamonas菌相對豐度均高于泥相。有研究表明， Comamonas菌世代周期較長；此外，從兩反應器膜相中Comamonas菌相對豐度對比可知，有機負荷和DO同樣影響該菌在體系中生長。 Chryseobacterium作為1種好氧反硝化菌，同時也是絲狀菌，因而其對泥齡較為敏感；在泥相中，SRT-H反應器內(nèi)Chryseobacterium菌相對豐度遠高于SRT-L，而在膜相中，SRT-H反應器內(nèi)Chryseobacterium菌相對豐度也略高于SRT-L，這表明SRT-L中膜相的泥齡受泥相泥齡影響，其附著態(tài)生物膜的停留時間也隨污泥齡的減小而減小，進而影響了Chryseobacterium菌的生長；因此說明，IFAS工藝中泥膜互作不僅體現(xiàn)在微生物種間互作，即膜相對泥相的“播種”效應，泥相同時也會反作用于膜相，主要體現(xiàn)在泥齡等物相表征。

從功能基因豐度圖可知，總體上，生物膜上的異養(yǎng)微生物和好氧微生物數(shù)量高于活性污泥，其中SRT-L活性污泥中異養(yǎng)微生物和好氧微生物數(shù)量要遠多于SRT-H，而SRT-L生物膜中異養(yǎng)微生物和好氧微生物數(shù)量卻和SRT-H相差不大，這說明在反應器運行后期，泥膜之間的競爭已從一開始的以活性污泥為主導轉(zhuǎn)變?yōu)橐陨�物膜為主導，生物膜由于在攝取營養(yǎng)基質(zhì)和DO等方面長期被活性污泥壓制，因此逐漸富集了一大批適合在低基質(zhì)和DO條件下生存的微生物，所以在反應器運行后期逐漸占據(jù)競爭優(yōu)勢地位。

3、結(jié)論

(1)通過改變反應器內(nèi)活性污泥泥齡，發(fā)現(xiàn)橫向上SRT的增加會直接導致泥膜間競爭加劇，從而使得不同SRT下篩選出的優(yōu)勢菌屬種類存在較大差別，整個系統(tǒng)中微生物結(jié)構(gòu)發(fā)生轉(zhuǎn)變；在低SRT下，反應體系內(nèi)有機碳和總磷去除效能隨著培養(yǎng)時間的延長而逐漸提升，總氮去除效能則先降低后升高；高SRT條件下污染物去除效能變化趨勢和低SRT大體一致。但整體而言，穩(wěn)定運行后，低SRT下污染物去除效能明顯優(yōu)于高SRT。

(2)通過分析污泥活性轉(zhuǎn)移特性，發(fā)現(xiàn)在變SRT條件下，SRT-H中泥膜之間的競爭關系較SRT-L更激烈。反應器內(nèi)污泥濃度隨著SRT的增大而增加，SRT-H中微生物濃度大于SRT-L，因此有機負荷較SRT-L更低，導致篩選出的功能菌菌屬和SRT-L呈現(xiàn)出較大差異；同時，由于SRT-H中微生物長期處于低DO和低有機負荷條件，因此種群明顯老化，活性較SRT-L更低。

(3)IFAS工藝功能菌在泥膜兩相間會隨著SRT的變化而發(fā)生富集轉(zhuǎn)移；這種功能菌的富集轉(zhuǎn)移作為泥膜間合作的主要方式，在SRT-L中較SRT-H更明顯。SRT-L中，“播種”效應主要為unclassified_g-Enterobacteriaceae；SRT-H中則主要是Acinetobacter。

(4)通過分析反應器內(nèi)優(yōu)勢功能菌屬相對豐度，發(fā)現(xiàn)在變SRT條件下，IFAS工藝活性污泥中脫氮菌相對于聚磷菌的生長優(yōu)勢會隨著反應器SRT的增加而增加，這種優(yōu)勢主要體現(xiàn)為好氧反硝化菌相對豐度的增加；此外，泥相的SRT變化會反作用于膜相，使得生物膜的停留時間相應發(fā)生改變，從而改變菌群結(jié)構(gòu)，篩選出不同優(yōu)勢菌屬，進一步加大差異。（來源：廣州大學土木工程學院，陽江市第一凈水有限公司）