服務區污水處理設施長期運行效果及菌群特性

陳瑤，黃學文，孔祥燕，劉學欣，孫圣凱

（1.交通運輸部科學研究院，北京 100029；2.安徽省交通控股集團有限公司，安徽 合肥 230088；3.山東省金鄉縣交通運輸局，山東 濟寧 272200）

0 引言

高速公路服務區為司乘人員提供檢修、餐飲、如廁等基本服務[1-2]，會產生大量以生活污水為主的廢水[3]。服務區污水受日人流量和季節氣候影響較大[4]，具有水質波動大、成分復雜、有機污染濃度高、氮磷含量高等特點[5-6]。尤其服務區污水中氨氮濃度顯著高于生活污水[7]，如未達標排放會引發一系列環境問題。因此，服務區污水能否達標排放是公路行業環保督察的重點，開展高速公路服務區污水高效穩定處理的研究迫在眉睫。

國內外關于高速公路服務區污水處理技術的研究已有很多。國際上，美國、日本、德國等發達國家大多采用小型、分散式污水處理工藝，目前主流處理技術為化糞池-土壤吸收系統、砂濾系統[8]、凈化槽系統[9]、膜生物反應器和PKA 濕地污水處理系統。經過多年研究與實踐，一些發達國家高速公路服務區污水處理與回用技術已經較為成熟，能夠適應水質水量波動大等特點，且大部分污水經處理后可用于綠化灌溉或沖洗廁所等。上述污水處理技術因具有良好的處理效果，現已引入我國并得到應用[10]。但受水質差異大、我國服務區污水量大等影響，此類技術的應用存在一些制約，如因水質差異和技術專利等原因造成的工藝建設投資成本較高、凈化槽處理規模較小、PKA 濕地污水處理系統占地面積較大等，需經改良方可適用于我國。在國內，專家學者們主要基于試驗和實體工程開展大量研究。部分學者通過試驗探究服務區污水處理工藝的可行性，如張龍等[11]通過對運行的中試A/O 工藝進行200d 水質監測，發現出水水質均達到《城市污水再生利用城市雜用水質》（GB/T 18920—2002）排放標準，滿足回用要求；肖志偉等[12]采用生物膜-連續超濾膜工藝對高速公路生活污水進行處理，處理出水可用于綠化等。大部分學者基于服務區污水處理實體工程展開研究，并嘗試污水處理工藝的有機組合，如劉學欣[13]采用多介質生物濾池和生態濕地組合工藝；郭冀峰等[14]采用MBR/人工濕地組合工藝，均經過一個多月的調試運行，出水水質達到《城市污水再生利用城市雜用水質》（GB/T 18920—2002）要求。總體上，無論試驗研究還是工程應用研究，對于處理效果的監測時間一般僅短短數月，而且僅關注COD,TN,NH3-N,TP 等表觀水質指標。關于深層次的污水處理微生物群落結構及耐低溫菌方面，目前國內的研究大多關注普通生活污水領域，尚無關于服務區污水處理系統的菌群特性及耐低溫菌的研究，如Deng等[15]、曾妮[16]、Li等[17]對生活污水或城鎮污水處理廠的模擬研究發現，生活污水處理系統內的關鍵菌門主要為變形菌門、擬桿菌門、綠彎菌門等；楊麗紅[18]研究發現，主要耐低溫菌為芽孢桿菌屬、假單胞菌屬、微球菌屬等。

服務區污水處理設施的核心需求是能夠長期穩定達標地運行，系統內菌群結構變化對其有重要影響，但目前研究多聚焦于短期處理效果的表觀水質監測，缺乏對處理設施的長期處理效果跟蹤觀測和深層分子生物學機制研究。為此，本研究選取吉林省某低溫地區高速公路服務區污水處理設施作為研究對象，開展了長達6 年、覆蓋不同季節的污水處理效果跟蹤監測評估，并采用宏基因組測序法研究處理設施各單元的微生物特性，分析種群結構與處理效能之間的關系，為保證服務區污水處理設施長期穩定運行的優勢菌種篩選、定殖提供理論依據。

1 研究區概況

污水處理微生物正常發揮作用的適宜溫度一般為20～35℃，溫度過低會抑制微生物活性，影響生化處理效果，因此導致服務區污水冬季很難達標排放[19]，也使得低溫環境下服務區污水處理達標排放成為生化法污水處理設施推廣的瓶頸。為此，本研究選取縱貫東北三省的鶴大高速公路（G11）的中部吉林省某服務區污水處理設施作為研究對象，開展低溫地區污水處理效果跟蹤監測試驗。該區域年平均氣溫為2.9℃，極端最低氣溫為-41.9℃，最大凍土深度為121cm，具有典型的低溫地區氣候特征。該服務區南側設有餐廳、商店、公廁、加油站、維修車間等，產生的污水COD 濃度為113.62～790.86mg/L,TN 濃度為18.79～208.79mg/L,NH3-N濃度為12.07～152.00mg/L。

為提高低溫處理效果，適應服務區污水處理低成本、低管養的實際需求，該服務區從生物載體、專屬微生物強化、保溫增溫等方面對曝氣生物濾池污水處理工藝進行優化改良，形成新型多介質生物濾池工藝[20]。在南側服務區建設多介質生物濾池污水處理工程，設計處理能力為60m3/d，由缺氧格室、好氧格室1 和好氧格室2 組成，如圖1 所示。缺氧格室采用微曝氣，好氧格室采用常規曝氣，濾池內部填充功能化網狀載體。初期向系統投加高效微生物菌劑，運行過程中每2～3年排泥以維持系統穩定的污泥濃度。采用序批式進水和間歇曝氣方式，穩定運行后曝氣時間為10～15min/h。為提高低溫期微生物活性，設置濾池加熱保溫措施，使溫度始終維持在15℃以上，加溫時間根據水溫情況而定。該服務區設施于2013 年10 月開工建設，2013 年11 月建成完工，并于2014 年3 月啟動，經35d 的調試后，設施進入運營階段，一直穩定運行至今。

2 試驗材料與方法

2.1 采樣及水質監測方法

在2014—2020 年設施穩定運行的6 年間，每年4 個季度各采集1 次水樣，采樣點固定在多介質生物濾池各格室末端、進水口處和出水口處，樣品經過濾后現場測定COD,TN,NH3-N,等指標濃度，測定過程中每個樣品取3 個平行樣，每個平行樣各測定1 次，以保證數據的準確性。其中，COD 采用重鉻酸鹽法測定，TN采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法測定，NH3-N 采用水楊酸分光光度法測定，采用N-(1-萘基)-乙二胺光度法測定，采用麝香草酚光度法測定。

2.2 宏基因組測序

系統內載體表面附著有高度復雜的微生物群落，在污水處理中起著至關重要的作用。為了解不同時期多介質生物濾池菌群結構變化及系統內去除氮素的關鍵菌屬，分別于2020年1月12日和2020 年9 月30 日從多介質生物濾池各格室的微生物載體中采集實驗樣本。采集的樣品經低溫運輸（0℃以下）送往實驗室后，提取DNA，然后保存在-20℃環境中。首先對各DNA 樣品分別提取80μL 進行檢測，使用瓊脂糖凝膠電泳（Agarose Gel Electrophoresis,AGE）分析DNA 的純度和完整性，使用核酸蛋白熒光定量儀（Qubit Fluorometer）對DNA 濃度進行精確定量，用Covaris 超聲波破碎儀將DNA 隨機打斷成長度約為350bp 的片段，再經末端修復、加A 尾、加測序接頭、純化、PCR 擴增等步驟后采用Illumina HiSeq 高通量測序平臺進行測序。采用宏基因組組裝軟件MEGAHIT(v1.0.6)對測序樣本進行組裝，使用diamond 比對nr 數據庫，并結合megan6 解析進行物種組成分析，從注釋總結果拆分出古生菌、細菌、真核生物、真菌、病毒5 大類以及界、門、綱、目、科、屬、種7個分類水平信息。

3 結果與討論

3.1 水質凈化效果分析

選取典型數據分析多介質生物濾池的處理效果。從2017年開始，系統進入穩定運行階段，平均出水COD,TN 和NH3-N 分別達到27.72mg/L,10.54mg/L和3.66mg/L。該多介質生物濾池對COD的去除效果如圖2（a）所示，盡管進水COD 波動較大，但該工藝對COD 去除效率一直較為穩定，出水COD 均在50mg/L 以下，達到《城市污水處理廠污染物排放標準》（GB/T 18918—2002）一級A 標準，平均去除率達90.86%，表明該工藝具有較強的耐沖擊能力。系統進出水TN 及NH3-N 去除情況如圖2（b）所示，由于服務區人流量變化較大，不同季節用水量存在差異，導致產生的污水量及進水水質波動較大，可以看出工藝運行初期（2014 年）出水水質不穩定，出水TN 達18.98mg/L，而后出水TN 濃度呈逐年下降趨勢，2020 年9 月系統的總氮去除率達76.69%，表明系統曝氣量充足，硝化及反硝化菌活性良好。綜上所述，該工藝可有效去除污水中的COD,TN,NH3-N，使出水水質穩定達標。

3.2 氮素去除途徑分析

為了進一步分析多介質生物濾池工藝的氮素去除途徑，以2020年9月28日濾池沿程氮素變化情況為例，測定其NH3-N,濃度，如圖3 所示。廢水中主要污染物NH3-N 首先進入系統缺氧格室，在微曝氣環境中通過硝化作用部分被轉化為，而后經反硝化作用進一步還原為N2，使部分氮素從水中脫除，充足的基質NH3-N 及微氧環境為該格室反硝化脫氮菌提供了較好的生存環境，也為厭氧氨氧化菌的富集提供了可能。相比于傳統脫氮途徑，厭氧氨氧化脫氮途徑被認為是更加經濟高效的脫氮方式[21]。接著，廢水進入好氧格室，經正常曝氣，NH3-N 被進一步氧化，TN濃度大幅降低，使出水水質達標，出水NH3-N,濃度分別為2.56mg/L,0.01mg/L,2.78mg/L。經氮素轉化分析可知，系統共去除TN約14.41mg/L，去除NH3-N約9.51mg/L，全程基本無剩余，缺氧格室、好氧格室1及好氧格室2 對TN 去除的貢獻率分別為68.36%,18.67%和13.95%，可見TN 主要在缺氧格室被去除。值得注意的是，缺氧格室處于微曝氣環境，而好氧格室1 和好氧格室2 處于正常曝氣環境，但是NH3-N 在缺氧格室中被消耗最多（降低了4.71mg/L），此時幾乎未檢測到，若不考慮厭氧氨氧化作用，則認為缺氧格室中氮素是通過全程硝化和全程反硝化去除的，即反硝化去除4.32mg/L的。不過，由于缺氧格室在微曝氣環境下NH3-N 濃度的降低量較大，猜測可能存在厭氧氨氧化菌[22-23]，即通過厭氧氨氧化過程（NH3-N+）消耗了部分NH3-N和。因無法確定厭氧氨氧化菌的存在及其脫氮貢獻率，需進一步開展系統菌群結構特性分析。

3.3 菌群特性分析

3.3.1 系統內菌群總體特性分析

研究測定了秋冬兩季多介質生物濾池在門水平上的菌群相對豐度（見圖4），發現多介質生物濾池系統內主要菌門為變形菌門、硝化螺旋菌門、浮霉菌門、擬桿菌門、放線菌門、綠彎菌門和厚壁菌門等，與城鎮污水處理系統優勢菌門相近，可能由于服務區污水和城鎮污水的主要成分接近。系統內變形菌門和綠彎菌門為具有反硝化功能的菌門[24-25]，其中綠彎菌門為兼性厭氧菌，常在富集有厭氧氨氧化菌的系統中被發現[26]；硝化螺旋菌門含有能夠將氧化為的亞硝酸鹽氧化菌[27]；浮霉菌門為厭氧氨氧化菌相關菌門，主要由Candidatus Brocadia和Candidatus Kuenenia菌屬組成[28]，該菌門在缺氧環境中，以CO2為唯一碳源，NH3為電子供體，為電子受體，生成N2實現系統低能耗脫氮；擬桿菌門為厭氧菌，能夠將復雜大分子有機物降解為簡單小分子有機物，主要存在于低氧或缺氧環境中[29]；放線菌門能夠分解纖維素等復雜有機物[30]；厚壁菌門具有硝化或反硝化功能[31]。正因為系統內存在大量硝化菌和反硝化菌，浮霉菌門可能有助于TN 去除，故系統表觀氮素處理效果很好。此外，擬桿菌門和放線菌門有利于降解系統內復雜有機物，因此系統對COD 去除效果一直高效穩定。由于變形菌門、擬桿菌門、厚壁菌門均為耐低溫菌[32-33]，進一步從分子生物學角度解釋了本系統在低溫環境下處理效果好的原因。

圖4（a）和圖4（b）所示分別為系統2020年1 月12 日和9 月30 日的菌門相對豐度情況。對比可知，從冬季到秋季硝化螺旋菌門相對豐度由6.39%提高至11.07%，經菌屬相對豐度統計可知，系統內亞硝酸鹽氧化關鍵菌屬為硝化螺菌屬，其相對豐度由18.69%提高至32.60%，硝化作用明顯增強，為反硝化菌提供了更多的基質，所以系統的總氮去除率由57.51%提高至76.69%。

3.3.2 系統各格室菌群特性分析

為進一步探究多介質生物濾池不同格室內菌群結構變化對系統脫氮的影響，選取2020 年9 月30 日的菌門相對豐度占比情況進行分析，如圖5所示。缺氧格室、好氧格室1 及好氧格室2 中具有反硝化功能的變形菌門相對豐度分別為45.74%,48.10%和54.45%，即好氧格室2 的反硝化相關菌門相對豐度最大。而圖3 所示的沿程數據顯示好氧格室2 基本沒有反硝化作用，這可能是由于該格室曝氣量過大，導致反硝化活性受到抑制，因此應適當降低曝氣量以提高反硝化活性。此外，圖5所示的硝化螺旋菌門在缺氧格室、好氧格室1 及好氧格室2 中相對豐度逐漸降低，分別為23.02%,8.16%和2.02%，可能是由于缺氧格室進水NH3-N 濃度較高，在該格室經硝化作用積累的-N 濃度較高，為硝化螺旋菌門提供了更多的-N 基質，從而富集了硝化螺旋菌門。值得注意的是，在菌屬統計中發現系統存在自富集厭氧氨氧化菌屬Candidatus Brocadia，其相對豐度均值為0.08%，其中在缺氧格室的相對豐度為0.06%，比以往研究的Anammox菌豐度占比要高，如Wang等[34]通過qPCR 測定系統絮凝污泥中Anammox菌的相對豐度，發現其小于0.003%；Guo等[35]通過宏基因組測序發現Anammox菌的相對豐度小于0.01%，可能是由于本系統內長期同時存在NH3和基質，為厭氧氨氧化菌提供了適宜的底物環境，使厭氧氨氧化菌不斷富集，結合工藝沿程數據分析可知，TN 在缺氧格室中共去除9.85mg/L，即對TN 去除的貢獻率為68.36%，說明厭氧氨氧化菌對系統TN的去除有一定的貢獻。

3.4 工藝優化建議

針對上述微觀菌群特性研究，從設施的處理效果和運行成本的宏觀角度，提出工藝優化建議：①好氧格室2 的進水NH3-N 濃度較低，無需提供過大的曝氣量，否則會造成反硝化菌活性降低與曝氣能耗成本增加，因此可適當降低好氧格室2 的曝氣量，并輔以投加有機碳源的措施，以提高工藝的脫氮效果；②增設污泥回流管，污泥由沉淀池底部以一定比例流至缺氧格室首端，增大了缺氧格室污泥濃度，出水NH3-N 可進一步得到降解，通過強化反硝化及厭氧氨氧化活性，充分發揮缺氧格室脫氮作用，進一步提高服務區污水特征污染物氮素的去除效果。

4 結論

本文以吉林省某服務區多介質生物濾池污水處理工程為研究對象，通過6 年不同季節的長期跟蹤水質處理效果監測，發現該工藝平均出水COD,TN 和NH3-N 分別為27.72mg/L,10.54mg/L 和3.66mg/L，達到了《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918—2002）一級A 標準，處理出水效果良好。通過分析處理系統內微生物群落分布情況，研究得出系統內沿程氮素去除途徑，并確定了對TN 去除貢獻率（68.36%）最大的為缺氧區，該區域自富集了0.06%的厭氧氨氧化菌屬Candidatus Brocadia，可同時消耗NH3-N和-N基質，促進TN去除；研究確定了促進系統脫氮的關鍵菌，系統反硝化耐寒關鍵菌門為變形菌門，相對豐度為49.43%，亞硝酸鹽氧化關鍵菌屬為硝化螺菌屬，相對豐度為32.60%，耐低溫菌為變形菌門、擬桿菌門、厚壁菌門。研究結果可為多介質生物濾池工藝優化及耐低溫菌屬篩選提供依據，從而縮短處理系統調試時間，提高系統抗沖擊能力。

受工程現場和實驗條件所限，本研究采用分子生物學手段揭示了服務區污水處理效果與菌群特性之間的關系，但欠缺對微生物表面物理特性及內在作用機理等全方位的探究。后續可采用掃描電鏡、關鍵功能酶活性測定[36]、熒光原位雜交[37]及宏基因組測序等新技術，深入探究多介質生物濾池系統內存在的新型脫氮菌株及其演替規律，并拓展應用于類似水質的船舶、高鐵站、機場等污水處理領域，以實現分子生物學研究價值[38]。此外，在服務區層面今后還可考慮將新型氣水連通LID 結構與服務區污水處理相結合，實現服務區雨污協同處理，完善服務區水污染防治與水資源利用技術體系。