2.2 启动过程中悬浮载体的硝化性能

研究期间，一、二级MBBR区悬浮载体的挂膜情况如图5所示（左侧为一级，右侧为二级）。悬浮载体投加3d后即出现明显的生物膜附着且整体呈现黄棕色；10d后，整个载体挂膜已基本均匀，颜色进一步加深；17 d后，生物膜颜色进一步加深，开始从黄棕色向黄褐色转变；30d后，生物膜呈现深褐色；50d后，生物膜呈现深褐色且致密。同时期内一、二级MBBR区的悬浮载体生物膜虽然颜色一致，但挂膜效果存在差异。

为了更准确地表征悬浮载体的硝化能力，投加悬浮载体后每7d取一、二级悬浮载体进行硝化小试，并核算硝化负荷，同步测定生物膜的生物量与厚度。硝化小试及生物量测定结果如图6所示。悬浮载体挂膜7d后，一、二级的硝化负荷分别为0.111、0.075kg/（m3·d）；在后续的7d迅速升高至0.328、0.189kg/（m3·d），此后分别稳定在（0.32±0.008）、（0.21±0.010）kg/（m3·d），一级硝化负荷是二级硝化负荷的1.5倍左右，且均高于项目实际运行中核算的硝化负荷。由于小试的进水氨氮浓度较实际工程中的要高，因此悬浮载体表现出更高的硝化负荷，这与硝化负荷受进水基质浓度影响的结果相符。同时，也说明悬浮载体生物膜存在负荷余量，这为MBBR良好的抗水质冲击性能奠定了生物学基础。

另外，一、二级悬浮载体生物膜的生物量均呈现迅速升高而后逐渐稳定的变化趋势。挂膜7d时，生物膜相对较薄，生物量较低，一、二级悬浮载体的生物量分别为0.62、0.49g/m2；此后两级悬浮载体的生物量均迅速上升，并于28d后稳定在（2.66±0.36）、（2.14±0.19）g/m2。受进水负荷较低的影响，该生物量水平与市政污水处理系统（12.9g/m2）相比明显偏低。

虽然悬浮载体生物膜的生物量与硝化负荷变化趋势相似，但并不完全一致。启动阶段，硝化负荷的上升速度领先于生物量，分析原因，虽然系统基质浓度较低，但污染物以氨氮为主，因此启动前期生物膜以快速富集自养硝化菌为主，此阶段硝化负荷上升迅速；随着系统的运行，生物膜中逐渐富集了一部分其他菌群，该部分微生物虽然使生物量有所增加，但与硝化关系不大。另外，对于MBBR工艺，在系统稳定前，生物量与硝化负荷并非完全相关，对于不同水质、不同阶段需具体分析。

一、二级悬浮载体的生物膜厚度变化如图7所示。生物膜厚度与生物量的变化趋势较为一致，当运行14 d系统硝化负荷稳定后，一、二级悬浮载体的生物膜厚度分别为（107±28）、（81±16）μm；此后，随着运行时间的延长，生物膜厚度继续增长；28 d后分别稳定在（197±23）、（157±17）μm。

研究过程中发现，即便是在同一悬浮载体上，生物膜厚度分布也并不均匀，且表面较为粗糙，如图8所示。在水处理系统中，时刻发生着老龄生物膜的脱落与新生生物膜的生长，生物膜厚度的差异可能是由于不同位点生物膜的更新程度不同。

综上，采用MBBR工艺处理微污染河道水时，最不利温度下系统的硝化负荷仅需14d即可达到稳定，出水水质稳定达标，但生物膜的生物量和厚度则需要28d才能达到稳定，相比硝化负荷具有一定的滞后性。

2.3 启动过程微生物多样性变化及物种组成

以Chao和Ace指数表征样品物种的丰富度，指数值越大，说明该样本物种数越多。如图9（a）所示，整个研究阶段，生物膜的Chao和Ace指数均无明显变化趋势，但除第21天外，其他时间一级生物膜的Chao和Ace指数均高于同期二级生物膜。可见，系统在启动初期生物膜的物种丰富度就达到了较高水平，但受进水负荷的影响，一级生物膜优先发挥污染物去除作用，致使其物种丰富度高于二级生物膜。

以Simpson和Shannon指数表征样品中微生物的α多样性。Simpson指数值越大，说明物种分布越不均匀，群落多样性越低；Shannon指数与之相反，其值越高表明群落多样性越高。如图9（b）所示，前21 d生物膜的Shannon指数逐渐升高，而Simpson指数则相反；而除第28天外，其他时间一级生物膜的Shannon指数均高于同期二级生物膜，Simpson指数则相反。结合物种丰富度分析结果可知，在前21d，在一、二级生物膜物种丰富度较为稳定的基础上，物种分布均匀程度逐渐上升。与硝化负荷及生物量分析结果相对应，在启动初期，生物膜中优先富集硝化菌群，而其他菌群虽然同样富集于生物膜中，但整体分布并不均匀，随着系统的运行，生物膜的物种分布均匀性逐渐升高，也反映了其他菌群相对丰度的提升，进而导致生物量升高。而一级生物膜在物种丰富度较高的同时，物种分布均匀程度同样高于二级生物膜，进而导致其物种多样性更高。

对各样本属水平物种组成进行分析，结果见图10。一、二级生物膜中的优势微生物较一致，但相对丰度存在一定差异，其中一级生物膜中分类较明确的优势菌属包括Nitrospira、Hyphomicrobium、Nitrosomonas、Kouleothrix、Pedomicrobium等，二级生物膜中的优势菌属有Nitrospira、Hyphomicrobium、Pedomicrobium、Nitrosomonas、Pedobacter等。

Nitrospira在一、二级生物膜中的相对丰度分别为8.48%~13.60%、6.48%～9.27%，该菌属的部分菌种（如Candidatus Nitrospira inopinata、Candidatus Nitrospira nitrosa和Candidatus Nitrospira nitrificans等）除携带负责氨氧化的氨单加氧酶（AMO）和羟胺氧化还原酶（HAO）外，还携带亚硝酸盐氧化还原酶（NXR），具有全程氨氧化能力，即将氨氮直接氧化成硝酸盐氮。该菌属在不同时间的相对丰度变化无明显规律，但在一级生物膜中的相对丰度均高于同期二级生物膜，这可能是由于一、二级MBBR区进水氨氮负荷差异所致。另外，根据稳定后的生物量核算，该项目中纯膜MBBR生物膜的比氨氧化速率为0.15kg/（kgMLSS·d），高于李俊等人在氧化沟短程硝化启动及运行研究中的比氨氧化速率[0.037kg/（kgMLSS·d）]，这可能是由于MBBR悬浮载体强化了对硝化微生物的富集效果。

Hyphomicrobium在一、二级生物膜中的相对丰度分别为1.32%～13.40%、1.32%～6.69%，该菌属除可利用甲醇、甲胺等一碳化合物作为唯一碳源和能源进行脱氮外，还可参与多环芳烃（PAHs）污染水体中菲的降解，这可能与进水中芳香烃类DOM的转化有关。在前35d，该菌属在一、二级生物膜中的相对丰度逐渐升高，且在一级生物膜中的相对丰度高于二级生物膜，说明该菌属的富集速率相对较慢，且受进水中某种成分在一、二级MBBR之间的浓度差异影响导致相对丰度不同。

Nitrosomonas在一、二级生物膜中的相对丰度分别为2.89%～5.64%、0.00%～3.48%，该菌属为常见的短程硝化细菌，其在不同时间的相对丰度无明显变化规律，但受一、二级进水氨氮浓度影响，除第35天外，其在一级生物膜中的相对丰度均高于二级生物膜。Kouleothrix在一、二级生物膜中的相对丰度分别为1.00%～5.56%、1.88%～4.38%，该菌属为丝状菌，在活性污泥系统中与污泥膨胀有关，在生物膜中则可能参与生物膜骨架的形成过程，该菌属在不同时间不同样品中的相对丰度均无明显变化规律。Pedomicrobium在一、二级生物膜中的相对丰度分别为1.45%～2.88%、1.71%～6.45%，该菌属可进行反硝化脱氮，同时部分菌种对高盐度具有一定的耐受性。Pedobacter仅在第7天大量存在于一、二级生物膜中，相对丰度分别为12.38%、11.37%，其余时间相对丰度均小于0.05%，该菌属为污水处理系统内常见的脱碳菌，部分菌种可降解酚类物质，其在启动前期相对丰度较高可能与进水水质差异有关。

3 结论

① 采用MBBR工艺处理微污染水，在冬季最不利水温条件下不接种污泥直接原水启动，经过10d系统调试成功，出水氨氮稳定达标，一、二级MBBR出水氨氮分别为（1.35±0.38）、（0.43±0.15）mg/L，系统对氨氮的去除率达到（88.98±3.03）%，一、二级MBBR的硝化负荷分别为（0.182±0.026）、（0.066±0.020）kg/（m3·d）；同时，系统具有一定的COD去除能力，相比进水，出水DOM组分中增加了类富里酸类物质。

② 在MBBR处理微污染水的启动过程中，硝化负荷增长于14d后达到稳定，生物膜的生物量增长滞后于硝化负荷增长，于28d后达到稳定，一、二级生物膜的生物量分别为（2.66±0.36）、（2.14±0.19）g/m2，生物膜厚度分别达到了（197±23）、（157±17）μm；生物膜负荷具有一定余量，能够抵抗进水负荷冲击。

③ 启动阶段，生物膜的物种丰富度于21d后基本达到稳定，一级生物膜的物种丰富度和分布均匀程度高于二级生物膜，具有更高的物种多样性；生物膜中优势微生物主要有Hyphomicrobium、Nitrospira、Nitrosomonas、Kouleothrix、Pedomicrobium、Pedobacter等，其中硝化菌属Nitrospira在一、二级生物膜中的相对丰度分别为8.48%～13.60%、6.48%～9.27%，Nitrosomonas的丰度分别为2.89%～5.64%、0.00%～3.48%，而Hyphomicrobium和Pedomicrobium等菌属的存在可能与进水中芳香烃类DOM的转化有关。

④ 采用MBBR工艺处理微污染水，通过在已有絮凝沉淀池内镶嵌悬浮载体系统，强化氨氮去除效果，工程验证技术路线可行，且启动周期短，处理效果稳定，可为微污染水旁位处理提供技术思路。