本試驗(yàn)開始之前, MAVF、BHF濾池已于前期運(yùn)行1 a, 主要用于處理模擬配制的高濃度養(yǎng)殖廢水[9], 濾池內(nèi)已形成成熟的生物膜; 而NAVF、NVF為新啟用濾池.試驗(yàn)啟動(dòng)時(shí), 于各組濾池內(nèi)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(xù)接種3 d.過后, 再往濾池內(nèi)引入模擬配制的生活污水進(jìn)行掛膜/微生物馴化, 并開始采集數(shù)據(jù), 期間MAVF、NAVF濾池進(jìn)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(zhì)量依次為0.30、0.15、0.225 6和0.043 9 g.配制廢水對(duì)應(yīng)各項(xiàng)污染物的質(zhì)量濃度見表 1.

　　表 1 試驗(yàn)?zāi)M配制的廢水組成1) /mg·L-1

　　目前關(guān)于生物濾池啟動(dòng)時(shí)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(shí), 僅需17 d就可以實(shí)現(xiàn)曝氣生物濾池成功掛膜; 王建華等考察了進(jìn)水是否含有機(jī)物對(duì)硝化型曝氣生物濾池掛膜的影響, 發(fā)現(xiàn)進(jìn)水不含有機(jī)物的濾池成功掛膜僅需18 d, 而進(jìn)水含有機(jī)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(zhèn)污水的自然掛膜啟動(dòng)時(shí)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(dòng)特性, 在水溫為10~14℃的啟動(dòng)條件下, 均可在30 d內(nèi)完成接種掛膜.本研究將新濾池掛膜時(shí)間設(shè)定為一個(gè)月, 期間將各組垂直流濾池水力負(fù)荷設(shè)為0.05、0.10、0.18 m3·(m2·d)-1這3個(gè)水平, 每個(gè)水平持續(xù)運(yùn)行10 d.

　　3組垂直流濾池每天間歇進(jìn)水1次, 其中MAVF出水即為BHF進(jìn)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(duì)應(yīng)3種水力負(fù)荷的氣水比約為1 200：1、600：1和300：1.水樣采集點(diǎn)為濾池進(jìn)、出水, 采樣頻率為每天1次.采用美國YSI多參數(shù)水質(zhì)分析儀(型號(hào)：Pro Plus)現(xiàn)場測定溫度(T)、溶解氧(DO)、氧化還原電位(ORP)、堿度(pH)、電導(dǎo)率(Cond)、比電導(dǎo)率(SC)、總?cè)芙夤腆w(TDS)、鹽度(Sal)等在線參數(shù).水樣采集后, 按國家標(biāo)準(zhǔn)方法[10]測定COD、TN、NO3--N、NO2--N、TAN、TP、IP等指標(biāo), 其中COD為高錳酸鹽指數(shù). COD又分為總有機(jī)物(TCOD)和溶解性有機(jī)物(DCOD). DCOD為水樣經(jīng)0.45μm濾紙過濾后測定值, TCOD為直接測定值.

　　掛膜結(jié)束后, 采集各組濾池陶粒樣品送杭州聯(lián)川生物技術(shù)股份有限公司進(jìn)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(jié)構(gòu)分析.測序平臺(tái)為MiSeq, 采用細(xì)菌16S rDNA V3+V4區(qū)域通用引物：338F ACTCCTACGGGAGGC AGCAG和806R GGACTACHVGGGTWTCTAAT.下機(jī)原始數(shù)據(jù)利用overlap將雙端數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接, 并進(jìn)行質(zhì)控、嵌合體過濾以獲得高質(zhì)量的有效數(shù)據(jù), 隨后對(duì)其進(jìn)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(shù)據(jù)分析

　　生物濾池的凈化效率除受污染負(fù)荷影響外, 還與濾料類型、填充深度密切相關(guān), 后者會(huì)影響到構(gòu)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(shù)k來評(píng)價(jià)濾池的凈化效能, 即：

　　式中, k為一價(jià)去除率常數(shù), d-1; HLR為水力負(fù)荷, m·d-1; ci、ce分別為進(jìn)、出水污染物質(zhì)量濃度, mg·L-1; hw為基質(zhì)填充深度; ε為孔隙率.

　　采用獨(dú)立t-test檢驗(yàn)各組濾池進(jìn)出水間理化特征的差異.因?yàn)锽HF濾池進(jìn)水即為MAVF出水, 為了屏蔽進(jìn)水濃度對(duì)濾池凈化效率的影響, 以進(jìn)水污染負(fù)荷為協(xié)變量, 采用協(xié)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(jié)構(gòu)及凈化效率的相似性, 采用層次聚類法對(duì)優(yōu)勢菌種的相對(duì)豐度、所有OTU序列數(shù)及一階去除率常數(shù)k進(jìn)行聚類; 同時(shí)為了探究優(yōu)勢菌種與濾池出水理化環(huán)境特征及凈化效率的關(guān)系, 還對(duì)這些變量進(jìn)行了冗余度(redundancy analysis, RDA)排序分析.選擇RDA是因?yàn)槟承┪廴疚镏笜?biāo)的k值為負(fù).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(jié)果與討論2.1 不同運(yùn)行工況濾池進(jìn)出水理化特征比較

　　由表 2可知, 4種不同工況生物濾池進(jìn)出水理化參數(shù)間的差異主要體現(xiàn)在溫度、溶解氧、氧化還原電位、堿度等指標(biāo)上, 而電導(dǎo)率、比電導(dǎo)率、總?cè)芙夤腆w、鹽度等指標(biāo)的變化較小.另外, 與3組垂直流濾池相比, 水平流濾池進(jìn)出水間的差異更小(僅氧化還原電位存在顯著差異).進(jìn)一步比較發(fā)現(xiàn), 經(jīng)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?yàn)槠貧馑?鼓風(fēng)機(jī)持續(xù)運(yùn)行發(fā)熱, 吹出的空氣高于室溫); 溶解氧、pH降低是因?yàn)闉V池內(nèi)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?yàn)橄趸^程需要消耗CO2, 曝氣能不斷地向?yàn)V池內(nèi)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(jù)高立杰等提出的DO等級(jí)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(nèi)溶解氧含量處于好氧和兼氧水平.