活性污泥法作為一種成本較為低廉、 處理效果好的污水凈化工藝被廣泛用于城市污水處理廠. 在我國約有60%的城市污水處理廠和大部分工業廢水處理廠采用了活性污泥法[1, 2, 3]，但是污泥膨脹的高發生率是制約污水處理工藝發展的主要因素之一[4, 5, 6]. 研究表明超過50%的污水處理廠受到污泥膨脹的困擾[7]，且95%以上的污泥膨脹是由絲狀菌過度增殖引起[8, 9]. 污泥發生絲狀性膨脹的本質為細菌對相關環境因素變化的響應差異而導致菌落之間的平衡被破壞[10, 11, 12]. 研究發現在低溫條件下極易發生污泥膨脹，導致污泥絮體松散、 沉淀壓縮性能變差，影響出水水質[13, 14]. 因此冬季低溫誘導的污泥膨脹問題已成為目前研究的重點. 鄭州某污水處理廠近年來每年均出現間斷性污泥膨脹問題，致使二沉池發生漂泥現象，后續處理費用增加，經濟效益降低. 本研究于2014年對該廠進行連續采樣調查，結合水質參數和細菌群落結構變化，擬探討該廠冬季發生污泥膨脹的機制，以期能夠提出相應的調控措施.
1 材料與方法
1.1 樣品采集和水質測定
鄭州某污水處理廠主體采用A2/O處理工藝，建設規模為30萬m3·d-1，總變化系數為1.30. 設計出水水質為BOD5 20mg·L-1，COD 80mg·L-1. 生物池設計參數為：泥齡14 d，BOD5污泥負荷0.08 kg·(kg·d)-1，污泥濃度3.80 g·L-1，產泥率0.97 kg·kg-1，設計水溫最低12℃. 污水水質監測的水樣均采自污水處理廠的進出水口. 經預處理后用快速消解法測定COD，測定間隔為一周. 用于微生物群落結構研究的污泥樣品取自A2/O工藝好氧段. 采集后的樣本在-20℃下保存運輸至實驗室.
1.2 微生物群落結構測定與分析
污泥樣品解凍后，用美國OMEGA公司土壤DNA提取試劑盒E.Z.N.A.TM Soil DNA Kit(OMEGA D5625-01，USA)進行DNA的提取. 提取后的DNA進行瓊脂糖凝膠電泳實驗，檢驗其純度. 最后將純化DNA樣溶解于50 μL TE buffer，-20℃下保存以備用.
圖 1 進出水COD變化趨勢
將30 μL的 DNA樣本送到微基生物科技(上海)有限公司進行16S rDNA V4可變區的高通量測序. 測得的高質量序列優化后與silva 119 數據庫中的 aligned(16S/18S，SSU)核糖體序列比對后進行OTU聚類. 使用mothur 軟件 計算菌群豐度指數(chao 1，ACE)和多樣性指數(Shannon指數).
2 結果與討論 2.1 污水動力學參數 2.1.1 進出水COD變化
該廠2014年1月到12月的進出水COD情況如圖 1所示，平均進水COD濃度為339 mg·L-1. 平均出水濃度為 22.40 mg·L-1，全部低于出水設計值(50 mg·L-1)，COD去除率達90%以上，凈化效果佳. 本研究中，1~4月的水溫范圍在14~20℃之間，COD去除率始終維持在90%以上，出水COD指標和夏季樣品相差無幾，活性污泥的降解效率并沒有受到很大的影響. 這與前人的研究類似. 如羅固源等[15]考察了低溫(8~20℃)對螺旋升流式反應器(SUFR)系統處理效果的影響，同樣發現SUFR系統在低溫運行期間，COD去除率始終保持在86%以上. 崔迪[16]在比較寒區3種污水處理工藝性能時發現，水溫變化范圍在10.40~17.10℃之間時，A/O污水生化處理系統對COD的去除率仍然可達 82.10%，滿足出水水質標準. 究其原因，高春娣等[17]認為，活性污泥絲狀菌微膨脹狀態下，絲狀菌比表面積大，并且使得活性污泥具有很好的網濾作用，可以有效去除出水中細小的懸浮物，改善出水水質.
2.1.2 SVI變化
2014年全年該廠活性污泥的沉降性能變化趨勢如圖 2所示，表現出很明顯的季節性變化趨勢，即溫度曲線與SVI正好呈相反的變化趨勢. 1月SVI指數從150迅速上升到250; 2月穩定250左右，污泥膨脹最為嚴重. 隨著溫度的回升，3月開始污泥沉降性能緩慢恢復; 4月恢復速度進一步加快. 從5月開始到12月，污泥SVI值始終穩定在100，沉降性能良好. 因此，本實驗采集8月的泥樣代表整個夏季，而波動較大的 1、 2、 3、 4、 12月均需單獨采樣研究微生物菌落結構. 污泥膨脹現象在我國北方寒冷地區城市污水處理廠經常發生[18, 19]，這給污水處理的正常運行和管理帶來很大困難. Knoop等[20]也發現系統在12℃運行期間發生了污泥膨脹. 這與本研究的結論是一致的.
圖 2 全年SVI變化趨勢
2.2 微生物群落結構
2.2.1 多樣性分析
本研究采用高通量測序，讀取6個樣(1、 2、 3、 4、 8和12月)的有效序列依次為68194、 53100、 61602、 68481、 33532和65724. 序列長度集中在400~500 bp. 稀釋性曲線都趨于平坦時，說明測序數據量合理. 為了反映不同樣品中微生物群落組成的相似性以及影響微生物多樣性的主要因素，用PC-ORD軟件將各組樣本之間的數據差異在PCA圖中表現出來. 分析結果顯示如圖 3所示，8月樣品與其他月份存在著很大的差異.
圖 3 PCA分析
全樣本相似性分析如圖 4所示，進一步反映了樣本之間的相似度，結果與圖 3一致，8月樣品和其他樣品差異最大. 微生物群落結構的多樣性是評價污水處理系統結構和功能的主要指標之一. 樣品間的多樣性的差異表明夏季的細菌群落結構要顯著不同于發生污泥膨脹的樣品，微生物群落結構的差異與溫度有著明顯的相關性.
圖 4 全樣本相似性分析
2.2.2 優勢種變化
在97%的相似度下對所有序列進行 OTU分類并進行生物信息統計分析. 所有序列分屬于細菌的30個門. 圖 5顯示了在門水平上的相對豐度的差異. 結果表明8月的細菌菌落結構顯著不同于其他月份，幾種主要優勢門的相對豐度均發生了明顯的變化; 而1、 2、 3、 4、 12月則保持了一定的相似性. 這與之前的微生物結構的多樣性和相似度分析結果一致，即溫度的變化導致活性污泥中細菌群落優勢種群組成也發生了顯著變化.
在所有樣本中，變形菌門的Proteobacteria 為主導優勢門，其相對豐度占細菌總數的比例在1、 2、 3、 4、 8和12月依次為50.18%、 43.77%、 43.24%、 43.58%、 36.15%和44.39%，表現出顯著的季節變化趨勢. 第二優勢門為擬桿菌門的Bacteroidetes，其相對豐度在8月變化顯著，比例為15.66%的，遠低于其他月份. 第三優勢門綠彎菌門的Chloroflexi 的相對豐度隨溫度增加而上升.
圖 5 不同細菌門的相對豐度
值得注意的是放線菌門的Actinobacteria相對豐度在溫度較低的月份中僅占到1%左右的比例，而在8月占到了細菌總數的8.50%.
以上對群落結構的進一步分析表明正是由于主要的細菌菌群變形菌門、 擬桿菌門、 放線菌門對溫度的響應不一致，導致了細菌菌落結構發生了顯著改變. 溫度降低，嗜冷菌(主要是擬桿菌門)的大量繁殖取代不耐低溫的細菌的優勢地位，進而引發污泥膨脹，沉降性能變差，表現為SVI值變高，而溫度正是誘導這種群落結構變化的根本原因.
2.2.3 絲狀菌變化
根據OTU分類數據，篩選出所有絲狀菌進一步的分析. 如圖 6所示，8月(夏季)的絲狀菌群落組成與其他月份存在顯著差異，表明絲狀菌菌落結構隨溫度發生了較明顯的變化. 腐螺旋菌科Saprospiraceae在1、 2、 3、 4、 12月占到了絲狀菌總數的50%左右，且相對豐度較為穩定，但在8月的樣品急劇下降至25%以下，這與污泥的SVI變化趨勢一致，同屬擬桿菌門的黃桿菌科的Flavobacteriales的相對豐度發生了類似的變化趨勢. 說明該廠活性污泥膨脹與擬桿菌門絲狀菌(主要是腐螺旋菌科的Saprospiraceae和黃桿菌科的Flavobacteriales)在低溫月份的大量增殖有關. 另外，值得注意的是綠彎菌門的Anaerolineae和放線菌門的Candidatus Microthrix作為常見的絲狀菌[21, 22]，在8月的相對豐度有顯著的增殖. 綠彎菌門絲狀菌普遍存在于市政污水處理廠和工業廢水處理廠中，它們一般隱藏在污泥菌膠團絮狀體內部，通常也不會引起污泥膨脹[23, 24]. 并且由于其在污泥膨脹月份的相對豐度過低，這兩種絲狀菌不是引起污泥膨脹的主要菌種.
針對低溫條件污泥膨脹的調控方法，保溫等措施無疑會增加基建和運行費用，不太經濟可行. 有人提出，通過人工篩選、 培育耐低溫優勢菌是解決這類問題的最佳途徑[25, 26]. 本研究建議針對鄭州某污水處理廠冬季污泥膨脹問題，添加相關藥劑抑制擬桿菌門絲狀菌的生長，改善污泥沉降性能.具體參見 污水處理技術資料或污水技術資料更多相關技術文檔。
圖 6 絲狀菌相對豐度
3 結論
(1)季節變化引起的溫度變化是該廠發生冬季污泥膨脹的根本原因.
(2)該廠發生的絲狀菌污泥膨脹的優勢絲狀菌為腐螺旋菌科的Saprospiraceae和黃桿菌科的Flavobacteriales.（來源及作者：天津理工大學環境科學與安全工程學院 端正花 田樂琪 陳曉歐 天津市市政工程設計研究院 潘留明 王秀朵 趙樂軍）
