活性污泥法作为一种成本较为低廉、 处理效果好的污水净化工艺被广泛用于城市污水处理厂. 在我国约有60%的城市污水处理厂和大部分工业废水处理厂采用了活性污泥法^{[1, 2, 3]}，但是污泥膨胀的高发生率是制约污水处理工艺发展的主要因素之一^{[4, 5, 6]}. 研究表明超过50%的污水处理厂受到污泥膨胀的困扰^[7]，且95%以上的污泥膨胀是由丝状菌过度增殖引起^{[8, 9]}. 污泥发生丝状性膨胀的本质为细菌对相关环境因素变化的响应差异而导致菌落之间的平衡被破坏^{[10, 11, 12]}. 研究发现在低温条件下极易发生污泥膨胀，导致污泥絮体松散、 沉淀压缩性能变差，影响出水水质^{[13, 14]}. 因此冬季低温诱导的污泥膨胀问题已成为目前研究的重点. 郑州某污水处理厂近年来每年均出现间断性污泥膨胀问题，致使二沉池发生漂泥现象，后续处理费用增加，经济效益降低. 本研究于2014年对该厂进行连续采样调查，结合水质参数和细菌群落结构变化，拟探讨该厂冬季发生污泥膨胀的机制，以期能够提出相应的调控措施.

郑州某污水处理厂主体采用A²/O处理工艺，建设规模为30万m³·d^-1，总变化系数为1.30. 设计出水水质为BOD₅ 20mg·L^-1，COD 80mg·L^-1. 生物池设计参数为：泥龄14 d，BOD₅污泥负荷0.08 kg·(kg·d)^-1，污泥浓度3.80 g·L^-1，产泥率0.97 kg·kg^-1，设计水温最低12℃. 污水水质监测的水样均采自污水处理厂的进出水口. 经预处理后用快速消解法测定COD，测定间隔为一周. 用于微生物群落结构研究的污泥样品取自A²/O工艺好氧段. 采集后的样本在-20℃下保存运输至实验室.

污泥样品解冻后，用美国OMEGA公司土壤DNA提取试剂盒E.Z.N.A.TM Soil DNA Kit(OMEGA D5625-01，USA)进行DNA的提取. 提取后的DNA进行琼脂糖凝胶电泳实验，检验其纯度. 最后将纯化DNA样溶解于50 μL TE buffer，-20℃下保存以备用.

图 1

Fig. 1

图 1 进出水COD变化趋势 Fig. 1 COD changes of effluent and influent

将30 μL的 DNA样本送到微基生物科技(上海)有限公司进行16S rDNA V4可变区的高通量测序(Roche 454 GS FLX sequencer). 测得的高质量序列优化后与silva 119 数据库中的 aligned(16S/18S，SSU)核糖体序列比对后进行OTU聚类. 使用mothur 软件(http://www.mothur.org/) 计算菌群丰度指数(chao 1，ACE)和多样性指数(Shannon指数).

该厂2014年1月到12月的进出水COD情况如图 1所示，平均进水COD浓度为339 mg·L^-1. 平均出水浓度为 22.40 mg·L^-1，全部低于出水设计值(50 mg·L^-1)，COD去除率达90%以上，净化效果佳. 本研究中，1~4月的水温范围在14~20℃之间，COD去除率始终维持在90%以上，出水COD指标和夏季样品相差无几，活性污泥的降解效率并没有受到很大的影响. 这与前人的研究类似. 如罗固源等^[15]考察了低温(8~20℃)对螺旋升流式反应器(SUFR)系统处理效果的影响，同样发现SUFR系统在低温运行期间，COD去除率始终保持在86％以上. 崔迪^[16]在比较寒区3种污水处理工艺性能时发现，水温变化范围在10.40~17.10℃之间时，A/O污水生化处理系统对COD的去除率仍然可达 82.10%，满足出水水质标准. 究其原因，高春娣等^[17]认为，活性污泥丝状菌微膨胀状态下，丝状菌比表面积大，并且使得活性污泥具有很好的网滤作用，可以有效去除出水中细小的悬浮物，改善出水水质.

2014年全年该厂活性污泥的沉降性能变化趋势如图 2所示，表现出很明显的季节性变化趋势，即温度曲线与SVI正好呈相反的变化趋势. 1月SVI指数从150迅速上升到250； 2月稳定250左右，污泥膨胀最为严重. 随着温度的回升，3月开始污泥沉降性能缓慢恢复； 4月恢复速度进一步加快. 从5月开始到12月，污泥SVI值始终稳定在100，沉降性能良好. 因此，本实验采集8月的泥样代表整个夏季，而波动较大的 1、 2、 3、 4、 12月均需单独采样研究微生物菌落结构. 污泥膨胀现象在我国北方寒冷地区城市污水处理厂经常发生^{[18, 19]}，这给污水处理的正常运行和管理带来很大困难. Knoop等^[20]也发现系统在12℃运行期间发生了污泥膨胀. 这与本研究的结论是一致的.

图 2

Fig. 2

图 2 全年SVI变化趋势 Fig. 2 Change of SVI value throughout the year

本研究采用高通量测序，读取6个样(1、 2、 3、 4、 8和12月)的有效序列依次为68194、 53100、 61602、 68481、 33532和65724. 序列长度集中在400~500 bp. 稀释性曲线(rarefaction curve)都趋于平坦时，说明测序数据量合理. 为了反映不同样品中微生物群落组成的相似性以及影响微生物多样性的主要因素，用PC-ORD软件将各组样本之间的数据差异在PCA图中表现出来. 分析结果显示如图 3所示，8月样品与其他月份存在着很大的差异.

图 3

Fig. 3

图 3 PCA分析 Fig. 3 Principle component analysis

全样本相似性分析如图 4所示，进一步反映了样本之间的相似度，结果与图 3一致，8月样品和其他样品差异最大. 微生物群落结构的多样性是评价污水处理系统结构和功能的主要指标之一. 样品间的多样性的差异表明夏季的细菌群落结构要显著不同于发生污泥膨胀的样品，微生物群落结构的差异与温度有着明显的相关性.

图 4

Fig. 4

图 4 全样本相似性分析 Fig. 4 Whole sample similarity analysis

在97%的相似度下对所有序列进行 OTU(operational taxonomic units)分类并进行生物信息统计分析. 所有序列分属于细菌的30个门. 图 5显示了在门水平上的相对丰度的差异. 结果表明8月的细菌菌落结构显著不同于其他月份，几种主要优势门的相对丰度均发生了明显的变化； 而1、 2、 3、 4、 12月则保持了一定的相似性. 这与之前的微生物结构的多样性和相似度分析结果一致，即温度的变化导致活性污泥中细菌群落优势种群组成也发生了显著变化.

在所有样本中，变形菌门的Proteobacteria 为主导优势门，其相对丰度占细菌总数的比例在1、 2、 3、 4、 8和12月依次为50.18%、 43.77%、 43.24%、 43.58%、 36.15%和44.39%，表现出显著的季节变化趋势. 第二优势门为拟杆菌门的Bacteroidetes，其相对丰度在8月变化显著，比例为15.66%的，远低于其他月份. 第三优势门绿弯菌门的Chloroflexi 的相对丰度随温度增加而上升.

图 5

Fig. 5

图 5 不同细菌门的相对丰度 Fig. 5 Relative abundances of different phyla

值得注意的是放线菌门的Actinobacteria相对丰度在温度较低的月份中仅占到1%左右的比例，而在8月占到了细菌总数的8.50%.

以上对群落结构的进一步分析表明正是由于主要的细菌菌群变形菌门、 拟杆菌门、 放线菌门对温度的响应不一致，导致了细菌菌落结构发生了显著改变. 温度降低，嗜冷菌(主要是拟杆菌门)的大量繁殖取代不耐低温的细菌的优势地位，进而引发污泥膨胀，沉降性能变差，表现为SVI值变高，而温度正是诱导这种群落结构变化的根本原因.

根据OTU分类数据，筛选出所有丝状菌进一步的分析. 如图 6所示，8月(夏季)的丝状菌群落组成与其他月份存在显著差异，表明丝状菌菌落结构随温度发生了较明显的变化. 腐螺旋菌科Saprospiraceae在1、 2、 3、 4、 12月占到了丝状菌总数的50%左右，且相对丰度较为稳定，但在8月的样品急剧下降至25%以下，这与污泥的SVI变化趋势一致，同属拟杆菌门的黄杆菌科的Flavobacteriales的相对丰度发生了类似的变化趋势. 说明该厂活性污泥膨胀与拟杆菌门丝状菌(主要是腐螺旋菌科的Saprospiraceae和黄杆菌科的Flavobacteriales)在低温月份的大量增殖有关. 另外，值得注意的是绿弯菌门的Anaerolineae和放线菌门的Candidatus Microthrix作为常见的丝状菌^{[21, 22]}，在8月的相对丰度有显著的增殖. 绿弯菌门丝状菌普遍存在于市政污水处理厂和工业废水处理厂中，它们一般隐藏在污泥菌胶团絮状体内部，通常也不会引起污泥膨胀^{[23, 24]}. 并且由于其在污泥膨胀月份的相对丰度过低，这两种丝状菌不是引起污泥膨胀的主要菌种.

针对低温条件污泥膨胀的调控方法，保温等措施无疑会增加基建和运行费用，不太经济可行. 有人提出，通过人工筛选、 培育耐低温优势菌是解决这类问题的最佳途径^{[25, 26]}. 本研究建议针对郑州某污水处理厂冬季污泥膨胀问题，添加相关药剂抑制拟杆菌门丝状菌的生长，改善污泥沉降性能.

图 6

Fig. 6

图 6 丝状菌相对丰度 Fig. 6 Relative abundances of filamentous bacteria

(1)季节变化引起的温度变化是该厂发生冬季污泥膨胀的根本原因.

(2)该厂发生的丝状菌污泥膨胀的优势丝状菌为腐螺旋菌科的Saprospiraceae和黄杆菌科的Flavobacteriales.