2.2 啟動過程中懸浮載體的硝化性能

研究期間，一、二級MBBR區(qū)懸浮載體的掛膜情況如圖5所示（左側(cè)為一級，右側(cè)為二級）。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，整個載體掛膜已基本均勻，顏色進一步加深；17 d后，生物膜顏色進一步加深，開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。同時期內(nèi)一、二級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、二級懸浮載體進行硝化小試，并核算硝化負荷，同步測定生物膜的生物量與厚度。硝化小試及生物量測定結(jié)果如圖6所示。懸浮載體掛膜7d后，一、二級的硝化負荷分別為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），一級硝化負荷是二級硝化負荷的1.5倍左右，且均高于項目實際運行中核算的硝化負荷。由于小試的進水氨氮濃度較實際工程中的要高，因此懸浮載體表現(xiàn)出更高的硝化負荷，這與硝化負荷受進水基質(zhì)濃度影響的結(jié)果相符。同時，也說明懸浮載體生物膜存在負荷余量，這為MBBR良好的抗水質(zhì)沖擊性能奠定了生物學基礎(chǔ)。

另外，一、二級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。掛膜7d時，生物膜相對較薄，生物量較低，一、二級懸浮載體的生物量分別為0.62、0.49g/m2；此后兩級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。受進水負荷較低的影響，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荷變化趨勢相似，但并不完全一致。啟動階段，硝化負荷的上升速度領(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，因此啟動前期生物膜以快速富集自養(yǎng)硝化菌為主，此階段硝化負荷上升迅速；隨著系統(tǒng)的運行，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，對于MBBR工藝，在系統(tǒng)穩(wěn)定前，生物量與硝化負荷并非完全相關(guān)，對于不同水質(zhì)、不同階段需具體分析。

一、二級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較為一致，當運行14 d系統(tǒng)硝化負荷穩(wěn)定后，一、二級懸浮載體的生物膜厚度分別為（107±28）、（81±16）μm；此后，隨著運行時間的延長，生物膜厚度繼續(xù)增長；28 d后分別穩(wěn)定在（197±23）、（157±17）μm。

研究過程中發(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，時刻發(fā)生著老齡生物膜的脫落與新生生物膜的生長，生物膜厚度的差異可能是由于不同位點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，最不利溫度下系統(tǒng)的硝化負荷僅需14d即可達到穩(wěn)定，出水水質(zhì)穩(wěn)定達標，但生物膜的生物量和厚度則需要28d才能達到穩(wěn)定，相比硝化負荷具有一定的滯后性。

2.3 啟動過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，說明該樣本物種數(shù)越多。如圖9（a）所示，整個研究階段，生物膜的Chao和Ace指數(shù)均無明顯變化趨勢，但除第21天外，其他時間一級生物膜的Chao和Ace指數(shù)均高于同期二級生物膜。可見，系統(tǒng)在啟動初期生物膜的物種豐富度就達到了較高水平，但受進水負荷的影響，一級生物膜優(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，其他時間一級生物膜的Shannon指數(shù)均高于同期二級生物膜，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。與硝化負荷及生物量分析結(jié)果相對應，在啟動初期，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豐度的提升，進而導致生物量升高。而一級生物膜在物種豐富度較高的同時，物種分布均勻程度同樣高于二級生物膜，進而導致其物種多樣性更高。

對各樣本屬水平物種組成進行分析，結(jié)果見圖10。一、二級生物膜中的優(yōu)勢微生物較一致，但相對豐度存在一定差異，其中一級生物膜中分類較明確的優(yōu)勢菌屬包括Nitrospira、Hyphomicrobium、Nitrosomonas、Kouleothrix、Pedomicrobium等，二級生物膜中的優(yōu)勢菌屬有Nitrospira、Hyphomicrobium、Pedomicrobium、Nitrosomonas、Pedobacter等。

Nitrospira在一、二級生物膜中的相對豐度分別為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）除攜帶負責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。該菌屬在不同時間的相對豐度變化無明顯規(guī)律，但在一級生物膜中的相對豐度均高于同期二級生物膜，這可能是由于一、二級MBBR區(qū)進水氨氮負荷差異所致。另外，根據(jù)穩(wěn)定后的生物量核算，該項目中純膜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及運行研究中的比氨氧化速率[0.037kg/（kgMLSS·d）]，這可能是由于MBBR懸浮載體強化了對硝化微生物的富集效果。

Hyphomicrobium在一、二級生物膜中的相對豐度分別為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，這可能與進水中芳香烴類DOM的轉(zhuǎn)化有關(guān)。在前35d，該菌屬在一、二級生物膜中的相對豐度逐漸升高，且在一級生物膜中的相對豐度高于二級生物膜，說明該菌屬的富集速率相對較慢，且受進水中某種成分在一、二級MBBR之間的濃度差異影響導致相對豐度不同。

Nitrosomonas在一、二級生物膜中的相對豐度分別為2.89%～5.64%、0.00%～3.48%，該菌屬為常見的短程硝化細菌，其在不同時間的相對豐度無明顯變化規(guī)律，但受一、二級進水氨氮濃度影響，除第35天外，其在一級生物膜中的相對豐度均高于二級生物膜。Kouleothrix在一、二級生物膜中的相對豐度分別為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程，該菌屬在不同時間不同樣品中的相對豐度均無明顯變化規(guī)律。Pedomicrobium在一、二級生物膜中的相對豐度分別為1.45%～2.88%、1.71%～6.45%，該菌屬可進行反硝化脫氮，同時部分菌種對高鹽度具有一定的耐受性。Pedobacter僅在第7天大量存在于一、二級生物膜中，相對豐度分別為12.38%、11.37%，其余時間相對豐度均小于0.05%，該菌屬為污水處理系統(tǒng)內(nèi)常見的脫碳菌，部分菌種可降解酚類物質(zhì)，其在啟動前期相對豐度較高可能與進水水質(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，經(jīng)過10d系統(tǒng)調(diào)試成功，出水氨氮穩(wěn)定達標，一、二級MBBR出水氨氮分別為（1.35±0.38）、（0.43±0.15）mg/L，系統(tǒng)對氨氮的去除率達到（88.98±3.03）%，一、二級MBBR的硝化負荷分別為（0.182±0.026）、（0.066±0.020）kg/（m3·d）；同時，系統(tǒng)具有一定的COD去除能力，相比進水，出水DOM組分中增加了類富里酸類物質(zhì)。

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

③ 啟動階段，生物膜的物種豐富度于21d后基本達到穩(wěn)定，一級生物膜的物種豐富度和分布均勻程度高于二級生物膜，具有更高的物種多樣性；生物膜中優(yōu)勢微生物主要有Hyphomicrobium、Nitrospira、Nitrosomonas、Kouleothrix、Pedomicrobium、Pedobacter等，其中硝化菌屬Nitrospira在一、二級生物膜中的相對豐度分別為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水中芳香烴類DOM的轉(zhuǎn)化有關(guān)。

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