本試驗開始之前, MAVF、BHF濾池已于前期運行1 a, 主要用于處理模擬配制的高濃度養殖廢水[9], 濾池內已形成成熟的生物膜; 而NAVF、NVF為新啟用濾池.試驗啟動時, 于各組濾池內接種采自武漢某污水處理廠生化池末端的活性污泥, 每天接種1次, 連續接種3 d.過后, 再往濾池內引入模擬配制的生活污水進行掛膜/微生物馴化, 并開始采集數據, 期間MAVF、NAVF濾池進行曝氣, 其余未曝氣.生活污水的配制參考該污水廠沉砂池的出水.生活污水的配制方案如下：每升水含面粉、葡萄糖(含少量鈉、鈣、鐵、鋅等元素)、碳酸氫銨、磷酸二氫鉀的質量依次為0.30、0.15、0.225 6和0.043 9 g.配制廢水對應各項污染物的質量濃度見表 1.
表 1 試驗模擬配制的廢水組成1) /mg·L-1
目前關于生物濾池啟動時間長短尚無定論, 如張菊萍等采用接種掛膜方式, 在平均水溫為16.7℃時, 僅需17 d就可以實現曝氣生物濾池成功掛膜; 王建華等考察了進水是否含有機物對硝化型曝氣生物濾池掛膜的影響, 發現進水不含有機物的濾池成功掛膜僅需18 d, 而進水含有機物的濾池成功掛膜需24 d; 端艷等稱懸浮陶粒曝氣生物濾池處理城鎮污水的自然掛膜啟動時間為23 d; 王東等[2]比較了沸石和陶粒填料曝氣生物濾池處理微污染水源水的低溫啟動特性, 在水溫為10~14℃的啟動條件下, 均可在30 d內完成接種掛膜.本研究將新濾池掛膜時間設定為一個月, 期間將各組垂直流濾池水力負荷設為0.05、0.10、0.18 m3·(m2·d)-1這3個水平, 每個水平持續運行10 d.
3組垂直流濾池每天間歇進水1次, 其中MAVF出水即為BHF進水.曝氣濾池每天間歇曝氣6 h, 即上午09:00~12:00、下午14:30~17:30;對應3種水力負荷的氣水比約為1 200：1、600：1和300：1.水樣采集點為濾池進、出水, 采樣頻率為每天1次.采用美國YSI多參數水質分析儀(型號：Pro Plus)現場測定溫度(T)、溶解氧(DO)、氧化還原電位(ORP)、堿度(pH)、電導率(Cond)、比電導率(SC)、總溶解固體(TDS)、鹽度(Sal)等在線參數.水樣采集后, 按國家標準方法[10]測定COD、TN、NO3--N、NO2--N、TAN、TP、IP等指標, 其中COD為高錳酸鹽指數. COD又分為總有機物(TCOD)和溶解性有機物(DCOD). DCOD為水樣經0.45μm濾紙過濾后測定值, TCOD為直接測定值.
掛膜結束后, 采集各組濾池陶粒樣品送杭州聯川生物技術股份有限公司進行微生物檢測, 具體是通過16S rDNA高通量測序方法完成微生物群落結構分析.測序平臺為MiSeq, 采用細菌16S rDNA V3+V4區域通用引物：338F ACTCCTACGGGAGGC AGCAG和806R GGACTACHVGGGTWTCTAAT.下機原始數據利用overlap將雙端數據進行拼接, 并進行質控、嵌合體過濾以獲得高質量的有效數據, 隨后對其進行97%的相似度聚類.為了降低假陽性率, 過濾singleton序列以獲得*終的OTU豐度及代表序列.
1.3 數據分析
生物濾池的凈化效率除受污染負荷影響外, 還與濾料類型、填充深度密切相關, 后者會影響到構建成本.為了綜合多方面因素, 本文采用去除率和一階去除率常數k來評價濾池的凈化效能, 即：
式中, k為一價去除率常數, d-1; HLR為水力負荷, m·d-1; ci、ce分別為進、出水污染物質量濃度, mg·L-1; hw為基質填充深度; ε為孔隙率.
采用獨立t-test檢驗各組濾池進出水間理化特征的差異.因為BHF濾池進水即為MAVF出水, 為了屏蔽進水濃度對濾池凈化效率的影響, 以進水污染負荷為協變量, 采用協方差分析比較各組濾池間凈化效率的差異.此外, 為了比較各組濾池微生物群落結構及凈化效率的相似性, 采用層次聚類法對優勢菌種的相對豐度、所有OTU序列數及一階去除率常數k進行聚類; 同時為了探究優勢菌種與濾池出水理化環境特征及凈化效率的關系, 還對這些變量進行了冗余度(redundancy analysis, RDA)排序分析.選擇RDA是因為某些污染物指標的k值為負.排序、聚類分析分別在CANOCO 4.5、ORIGIN8.6軟件中完成, 其它分析在SPSS 19.0軟件中完成.
2 結果與討論2.1 不同運行工況濾池進出水理化特征比較
由表 2可知, 4種不同工況生物濾池進出水理化參數間的差異主要體現在溫度、溶解氧、氧化還原電位、堿度等指標上, 而電導率、比電導率、總溶解固體、鹽度等指標的變化較小.另外, 與3組垂直流濾池相比, 水平流濾池進出水間的差異更小(僅氧化還原電位存在顯著差異).進一步比較發現, 經垂直流濾池處理后, 出水溫度顯著升高, 溶解氧、pH顯著降低.溫度升高可能是因為曝氣所致(鼓風機持續運行發熱, 吹出的空氣高于室溫); 溶解氧、pH降低是因為濾池內部存在硝化過程, 需要消耗溶解氧和堿度.曝氣顯著提高了濾池出水溶解氧和pH(NVF出水的DO、pH分別與NAVF、MAVF出水的DO、pH相比, 所有P<0.05), 原因可能是因為硝化過程需要消耗CO2, 曝氣能不斷地向濾池內部輸送O2和CO2, 而未曝氣濾池硝化過程需要消耗原水中的CO32-或HCO3-, 后者致使pH降低.此外, 依據高立杰等提出的DO等級劃分方法, 即<0.3mg·L-1代表厭氧、0.4~0.7 mg·L-1代表兼氧及>1.0mg·L-1代表好氧, 本研究4組濾池內溶解氧含量處于好氧和兼氧水平.
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