褐煤提质废水生物处理系统启动期菌群结构变化_邓欢.pdf

吉林农业大学学报 2023，45（1）：83-93http:/Email:jlndxb Journal of Jilin Agricultural University褐煤提质废水生物处理系统启动期菌群结构变化*邓欢1，陆海2，张小雨2*，刘志生3，闫博佼1，任贺11.长春科技学院建筑工程学院，长春 130600；2.吉林建筑大学松辽流域水环境教育部重点实验室，长春 130118；3.长春市城乡规划设计研究院，长春 130022摘 要：利用Illumina MiSeq测序平台，定量分析褐煤提质废水生物接触氧化反应器生物膜培养驯化过程中的微生物种群变化规律，旨在为处理系统的优化运行提供科学依据。试验依据褐煤提质废水的进水比例分为30%、60%以及100%3个阶段。结果表明：经驯化，生物接触氧化反应器对褐煤提质废水的COD去除率为85.55%88.21%，满足后续深度处理系统的进水要求；随着进水褐煤提质废水比例的升高，生物膜微生物种群丰富度降低，种群多样性降低；随着启动过程的进行，进水酚类等芳香族物质含量升高，种群结构产生了动态响应，Flavobacteria、Aquaspirillum等菌属由于不适应水质，逐渐被淘汰，而可降解多种有机物尤其是芳烃类的Hydrogenophaga等菌属逐渐成为优势菌属。为通过工程技术手段创造更适合Hydrogenophaga等功能菌属生境，以强化菌群功能、提高褐煤提质废水处理效果提供理论依据。关键词：褐煤提质废水；生物接触氧化；微生物种群结构中图分类号：X703 文献标志码：A 文章编号：1000-5684（2023）01-0083-11DOI：10.13327/j.jjlau.2020.5882引用格式：邓欢，陆海，张小雨，等.褐煤提质废水生物处理系统启动期菌群结构变化 J.吉林农业大学学报，2023，45（1）：83-93.Dynamic Changes of Microbial Community Structure in the Start-up Period of the Biological Treatment System for Lignite Upgrading Wastewater*DENG Huan1，LU Hai2，ZHANG Xiaoyu2*，LIU Zhisheng3，YAN Bojiao1，REN He11.College of Civil Engineering and Architecture，Changchun Sci-Tech University，Changchun 130600，China；2.Key Laboratory of Songliao Aquatic Environment，Ministry of Education，Jilin Jianzhu University，Changchun 130118，China；3.Changchun Institute of Urban Planning and Design，Changchun 130022，ChinaAbstract：Illumina MiSeq sequencing platform was used to quantitatively analyze the dynamic changes of the microbial population in the biofilm cultivation and domestication process of lignite upgrading wastewater in biological contact oxidation reactor,aiming to provide a scientific basis for the optimal operation of the treatment system.The experiment was divided into three stages:30%,60%and 100%respectively according to the influent proportion of lignite upgrading wastewater.The results showed that after acclimation,the COD removal rate of lignite extracted wastewater in the bio*基金项目：国家自然科学基金项目（51808254）作者简介：邓欢，女，硕士，研究方向：污水处理及资源化利用。收稿日期：2020-06-16*通信作者：张小雨，E-mail：吉林农业大学学报 2023 年 2 月Journal of Jilin Agricultural University 2023，Februarylogical contact oxidation reactor reached 85.55%-88.21%,which met the influent water requirements of the subsequent in-depth treatment system.With the increase in the proportion of lignite upgrading wastewater extracted from influent lignite,the microbial population richness and diversity decreased.With the start-up process,the content of phenols and other aromatic substances in the influent increased,and the population structure produced a dynamic response:Flavobacteria,Aquaspirillum and other bacteria were gradually eliminated because of their inadaptability for the water quality.The bacteria capable of degrading a variety of organic substances,especially aromatic hydrocarbons,such as Hydrogenophaga,gradually became the dominant bacteria.Therefore,scientific support was provided to aid in creating more suitable habitats for functional bacteria such as Hydrogenophaga through engineering techniques,to enhance the function of flora and improve the treatment effect of lignite extraction wastewater.Key words：lignite upgrading wastewater；biological contact oxidation；microbial community structure2016年，我国褐煤产量达到4.43亿t，产量位居全球第一，褐煤是介于泥炭与沥青煤之间的棕黑色、无光泽的低级煤，化学反应性强，在空气中容易风化，不易储存和运输，燃烧时会产生大量的黑灰，严重污染空气，大量使用可能导致我国雾霾问题。因此，只有提质后的褐煤产品方可满足要求1-3。目前，褐煤提质的首选工艺为洗选蒸脱法。该方法具有技术成熟、设备先进、运行稳定等优点。但在提质过程中，干燥脱水、加热分解等工序在改变煤炭组成和结构的同时，产生了大量废水。侯克怡等4采用原子吸收法、气相色谱-质谱联用技术等对该废水成分进行了详细分析，发现废水中不但富含灰分及重金属，而且含有高浓度难降解的有机污染物，如苯系物、酚类、氰化物、烷烃等，此外氨氮含量也很高。根据褐煤提质废水的污染特性可知，该种废水可生化性较差，应采用生化法为主体技术进行处理5-7。目前，氨氮含量高的废水脱氮处理方法包括物理、化学以及生物法等 8-10，其中生物脱氮法可与有机物去除在同一套系统中完成，因而应用广泛。此外，根据工程经验，含难生物降解成分的废水，仅采用生物处理工艺难以达到排放标准，需采用高级氧化技术等深度处理工艺11。综上，根据废水水质特性，结合难降解废水处理技术经验，确定褐煤提质废水处理可行性方案：混凝沉淀法预处理厌氧生物反应器好氧生物反应器高级氧化技术或活性炭吸附。其中，好氧生物处理技术是核心技术，运行效果直接影响废水处理效果1，12-14。目前，针对褐煤提质废水好氧生物处理技术的研究多集中于处理技术开发、反应器处理效果评估等方面15-16，关于反应器内的微生物种群结构，尤其是污泥培养驯化过程中的种群结构变迁的研究尚未见文献报道。近年来，高通量测序技术和PCR-DGGE等现代分子生物学技术被广泛用于环境领域17-20，本研究利用Illumina MiSeq测序平台定量分析了褐煤提质废水生物接触氧化反应器生物膜培养驯化期间的菌群变化规律，以期识别系统功能与细菌群落结构的关系，从群落演替层面揭示褐煤提质废水好氧生物处理机理，为处理系统的优化运行以及规模化应用提供理论依据。1材料与方法1.1试验装置生物接触氧化反应系统试验装置见图1。反应器有效容积为 24.75 L（长宽高=75 cm15 cm30 cm），其中保护高度为 8 cm。反应器内设置4 个带导流管的隔板，将其分为5个串联的反应格室，每格室内设有半软性填料。生物接触氧化反应器出水进入沉淀池中进行固液分离。沉淀池为竖流式，有效容积15 L，上端设有溢流堰，出水由硅胶管排出。沉淀池底部设有排泥孔，用于定期向外排放污泥。84邓欢，等：褐煤提质废水生物处理系统启动期菌群结构变化吉林农业大学学报 Journal of Jilin Agricultural University1.2试验用水与运行方案原褐煤提质废水取自洗选蒸脱法褐煤提质工艺示范生产线的浸出预处理段。废水取回后采用聚合氯化铝铁（PAFC）进行混凝沉淀预处理，后经厌氧折流板反应器进行厌氧共代谢生物处理，其出水作为生物接触氧化池进水，主要水质指标见表 1，其中硝酸盐氮和亚硝酸氮未检出。为满足微生物生长繁殖对磷的营养需求，需补充添加磷源KH2PO5，投加量按m（C）m（P）=100 1计算。反应系统接种污泥为长春市某污水处理厂二沉池回流污泥。该厂于2002年建成投产，处理对象为生活污水和部分工业废水，日处理量为15104 m3/d，主体工艺为氧化沟，为达到除磷目的，增加聚合氯化铝投加工艺。污水厂运行至今，化学需氧量（COD）降解、氮以及磷去除效果较好且稳定。活性污泥呈黄褐色，污泥指数（SVI）约为130。接种污泥共6 L，取回后，向其中投加营养物质啤酒，每日投加2次，每次投加1 000 mL，连续曝气以恢复污泥活性。2 d后，将其按照比例投加至生物接触氧化反应器各格室内。试验期间，为培养驯化污泥，将厌氧共代谢出水经自来水按不同比例稀释后，再通入生物接触氧化反应器内，即逐级增加褐煤提质废水COD质量浓度，不断提高容积负荷的方法运行。按照褐煤提质废水投加比例的不同，将反应系统的运行分为3个阶段，每阶段运行30 d。各阶段设计参数见表1。试验启动期间，即第1阶段初期，以30%的褐煤提质废水进入生物接触氧化反应器，运行10 d后，填料上观察到生物膜，说明挂膜成功，可开始研究。表1生物接触氧化反应器进水水质及运行参数Table 1Influent quality and operating parameters of biological contact oxidation reactor运行阶段褐煤提质废水投加比例/%稀释水（自来水）比例/%（进水COD）/（mgL-1）（进水氨氮）/（mgL-1）（进水TP）/（mgL-1）COD容积负荷/g （Ld）-1进水量/（Lh-1）水力停留时间/h填料填充高度/cm（DO）/（mgL-1）pH运行时间/d第1阶段3070581.2930.9425.124.850.720.530.560.03124.75142.350.426.870.19130第2阶段60401 030.4927.3239.546.011.230.321.000.02124.75142.270.736.950.213160第3阶段10001 654.3734.4557.465.781.570.451.600.03124.75142.580.296.730.3761901.进水；2.生物接触氧化反应器；3.沉淀反应器；4.出水；5.排泥；6.蠕动泵；7.弹性立体填料；8.空气压缩机；9.电动调节阀；10.空气扩散器图1试验装置图Fig.1Schematic diagram of test apparatus85吉林农业大学学报 2023 年 2 月Journal of Jilin Agricultural University 2023，February1.3微生物种群结构分析1.3.1常规水质指标检测试验期间，每天从生物接触氧化反应器进水口和出水口处取进水和出水样品，采用国家规定的标准方法测定COD和氨氮质量浓度 21。水样在4 500 r/min条件下，离心7 min后检测。借助WTW-DO、WTW-pH值/OXi340便携式在线测定仪测定溶解氧（DO）质量浓度和pH。当改变进水褐煤提质废水和自来水比例后，受冲击负荷影响，生物接触氧化池出水 COD 和质量氨氮浓度将出现上升现象，57 d后，出水基本保持稳定。选用每一阶段系统稳定期出水COD和氨氮质量浓度（共30 d）数据进行分析、讨论。1.3.2污泥取样、DNA提取、PCR反应和高通量测序在每个运行阶段的末期，从生物接触氧化池末端取混合液样品1 000 mL。同时取出填料，从中部剪下一部分，将生物膜刮下，与 1 000 mL混合液混合备用。此外，用无菌水反复洗涤填料。最后，将洗涤水与生物膜、1 000 mL的池末端样品混合，充分搅拌混匀后，取出 1 000 mL 样品，在4 500 r/min条件下离心7 min，弃除上清液，浓缩污泥存入-80 冰箱中待检。使用土壤DNA提取试剂盒（Fast DNA Spin kit for soil，美国MP公司），从所有样本中提取基因组DNA；采用0.8%琼脂糖凝胶电泳检测DNA完整性；利用紫外分光光度法分别在260，280 nm处测定DNA的纯度和提取量。DNA提取后于-20 保存。PCR 扩增采用细菌 16S rRNA V3-V4 区通用引物340F（5-CCTACGGGNBGCASCAG-3）和806R（5-GGACTACHVGGGTWTCTAAT-3）。PCR反应体系20 L：4 L缓冲液5Buffer、2 L脱氧核苷三磷酸（dNTP），2 L污泥样品DNA模板，引物 340F 和 806R 各 0.8 L（10 mmol/L），0.5 L Taq DNA 聚合酶，加水补足 20 L。PCR 扩增在ABI Gene Amp 9700 型 PCR 仪上进行，程序：95 条件下预变性3 min；95 条件下变性3 s，低温退火27 个循环（55 条件下延伸30 s、72 条件下退火 45 s 为 1 个循环）；72 条件下，延伸10 min。2%琼脂糖凝胶电泳检测 PCR 扩增产物后，置于-20 冷冻保存。采用Illumina MiSeq高通量测序技术，委托北京诺禾致源生物公司测定污泥样品16S rRNA序列。测序结果需进行过滤，得到优化序列后，进行OTU 聚类分析和物种分类学分析，分析样品的微生物多样性以及群落结构。2结果与分析2.1反应器运行性能试验期间各阶段生物接触氧化反应器进出水COD和氨氮的质量浓度见图2和图3。由图2可见，第1阶段，出水COD质量浓度保持在163.50183.03 mg/L，去除率保持在67.48%72.69%；第2阶段，出水COD质量浓度保持在157.90195.64 mg/L，去除率保持在 80.85%84.37%；第 3 阶段出水COD 质量浓度保持在 197.90237.98 mg/L，平均值为210.07 mg/L，去除率保持在85.55%88.21%，平均值为87.33%。此外，由图3可见，生物接触氧化反应器对氨氮的去除率较高，在85.00%以上，出水氨氮最高为3.76 mg/L，根据进水碳氮质量比可知，氨氮主要通过微生物同化作用去除。图2试验期间各阶段COD质量浓度Fig.2COD concentration in each stage during the test图3试验期间各阶段氨氮质量浓度Fig.3Ammonia nitrogen concentration in each stage during the test86邓欢，等：褐煤提质废水生物处理系统启动期菌群结构变化吉林农业大学学报 Journal of Jilin Agricultural University目前，关于褐煤提质过程所产生废水的排放没有行业标准，但该废水水质与煤化工炼焦工业废水水质相似，所以排放标准参照文献 22。因褐煤提质废水污染成分与焦化废水相似，处理技术方案参照焦化废水确定，以生化法为主，前端混凝沉淀预处理，后续采用臭氧氧化、芬顿氧化等深度处理技术后，达到直接或间接排放标准。根据大量的科学研究和工程实践，当生化池出水COD质量浓度约为200 mg/L时，采用高级氧化技术进行深度处理，可满足上述排放标准，技术方面可行，经济方面合理23-29。因此，当生物接触氧化反应器主要设计参数 COD 负荷选定为（1.600.03）g/（L d）、水力停留时间（HRT）选定为24.75 h时，微生物培养驯化成熟后的处理出水可满足后续深度处理设施的进水要求。2.2生物接触氧化系统中微生物群落结构分析2.2.1生物接触氧化系统中微生物群落多样性分析表 2 为生物接触氧化反应器填料生物膜Illumina MiSeq平台高通量测序结果。在97%相似度水平下，对所有序列进行操作分类单元（Operational taxonomic units，OTU）划分，然后进行多样性分析。由表2可知，当序列相似度为0.97时，3 个运行阶段的生物膜样品分别产生 816，791，597种 OTU，覆盖率分别为 86%，93%，94%，说明生物接触氧化池稳定运行时至少存在597个细菌属，细菌群落多样性较为丰富。在生态学领域内，Ace和Chao1指数表示种群丰度，值越高说明种群越丰富。由表2可知，随着培养驯化过程的进行，从第1阶段到第3阶段，Ace和Chao1指数降低，说明种群丰富度降低。Shannon指数用来评价生物膜微生物种群多样性，其值越大，说明多样性越丰富。试验期间，随着进水褐煤提质废水比例和COD容积负荷的增加，生物膜微生物种群多样性下降。图4为丰富度稀疏曲线，图5为Shannon稀疏曲线。丰富度稀疏曲线的斜率大小表明微生物群落分布的均衡度和多样性的高低。由图4可见，第1阶段生物膜样品的曲线斜率最大，说明微生物群落最丰富，第2和第3阶段微生物群落丰富度下降。图 5 中第 1 阶段和第 2 阶段生物膜样品Shannon曲线几乎重合，表明所测样品中微生物的多样化差异较小，而样品3丰富度稀疏曲线趋于平缓且Shannon指数较小，表明生物膜上的污泥微生物菌群多样性降低。2.2.2生物接触氧化系统中不同水平微生物群落结构分析由图 6可见，在 3个不同阶段均以Proteobacteria占微生物总量的绝对优势地位，丰度值分别为71.23%，54.41%，87.24%，其次以Bacteroidetes和Firmicutes为次要优势地位的群落，形成了在门水平上微生物菌群结构相对比较稳定的群落。图4丰富度稀疏分析图Fig.4Abundance sparsity analysis表2生物接触氧化系统中细菌种群多样性Table 2Bacterial community diversity in biological contact oxidation system试验阶段第1阶段第2阶段第3阶段OTU816791597Shannon指数4.704.513.99Ace指数4 516.693 356.862 287.67Chao1指数2 601.002 226.101 428.68覆盖率/%869394图5Shannon指数稀疏分析图Fig.5Shannon exponential sparsity analysis87吉林农业大学学报 2023 年 2 月Journal of Jilin Agricultural University 2023，February试验期间生物接触氧化反应器生物膜纲分类水平上不同阶段微生物相对丰度分布见图7，序列在纲分类水平中共有22个菌纲是3个样品共有的，在共有微生物中最优势微生物归属于 Betaproteobacteria（-变形菌纲），其丰度值分别为33.16%，22.26%，28.14%。次优势地位的微生物包括Gammaproteobacteria（-变形菌纲）、Alphaproteobacteria（-变形菌纲）、Bacteroidia、Deltaproteobacteria（-变形菌纲）和Clostridia（梭状芽胞杆菌），同时 Epsilonproteobacteria（-变形菌纲）的丰度值增加到16.96%，成为群落中的次优势菌种。由图8可见，不同运行条件下的微生物群落结构的差异明显，在第 1 阶段生物膜样品中以Neisseriales（奈瑟菌目，25.41%）和 Pseudomonadales（假单胞细菌目，17.54%）为主，Bacteroidales（拟杆菌目，8.73%）、Desulfovibrionales（脱硫弧菌目，5.97%）、Sphingomonadales（鞘脂单胞菌目，4.7%）、Rhizobiales（根瘤菌目，4.39%）、Clostridiales（梭菌目，4.25%）、Flavobacteriales（黄杆菌目，图6门分类水平上不同阶段微生物相对丰度分布Fig.6Relative abundance distribution of microorganisms at phylum level from different stages图7纲分类水平上不同阶段微生物相对丰度分布Fig.7Relative abundance distribution of microorganisms at class level from different stages88邓欢，等：褐煤提质废水生物处理系统启动期菌群结构变化吉林农业大学学报 Journal of Jilin Agricultural University3.87%）、Rhodocyclales（红环菌目，3.46%）为辅，形成了该阶段优势菌群；在第2阶段生物膜样品中则无明显绝对优势的菌群，其中 Burkholderiales（弯曲菌目）丰度值为 14.58%，Desulfovibrionales为 10.75%，Bacteroidales 为 8.62%，Desulfobacterales为8.17%；在第3阶段生物膜样品中Neisseriales（0.02%）几乎消失，Burkholderiales（24.97%）、Campylobacterales（16.96%）和Rhizobiales（11.41%）与前 2 个运行阶段比较丰度值明显增大，同时作为优势种属存在于反应器运行的稳定时期，说明这些优势种属经过进水成分改变而施加的“选择压”筛选后很好地生存下来。试验期间生物接触氧化反应器生物膜科分类水平上不同阶段微生物相对丰度分布见图9。在科分类水平上，3个生物膜样品中微生物群落结构的差异较大：在启动运行的第1阶段，Neisseriaceae（奈瑟氏菌科，24.41%）和 Moraxellaceae（莫拉菌科，17.51%）占据主要生态位，其次是Porphyromonadaceae（紫单胞菌科，7.62%）、Desulfovibrionaceae（脱硫弧菌科 5.89%）、Sphingomonadaceae（鞘脂单胞菌科，4.67%）、Flavobacteriaceae（黄杆菌科，3.85%）、Rhodocyclaceae（红环菌科，3.46%）和未分类细菌为 12.4%；运行的第 2 阶段，不存在绝对优势的种群，其中 Comamonadaceae（丛毛单胞菌科）丰度值增加到 14.31%，Desulfobulbaceae 丰度值增加到 8.15%，未分类细菌占19.24%；运行第3阶段，形成了以Comamonadaceae（24.34%）、Moraxellaceae（16.3%）和 Campylobacteraceae（弯曲菌科，16.13%）为主要优势菌群的群落结构。图10为试验期间生物接触氧化反应器生物膜属分类水平上不同阶段微生物相对丰度分布。运行第 1 阶段，Aquaspirillum（水生螺菌属，24.95%）、Acinetobacter（不动细菌属，17.51%）为降解有机污染物的主要菌种；第 2 阶段，呈现出以Desulfovibrio（脱硫弧菌属，10.67%）和 Hydrogenophaga（氢噬胞菌属，13.26%）占较优势地位的群落结构，Aquaspirillum 在此阶段的丰度值急剧下降为1.57%；在第3阶段，褐煤提质废水投加比例为100%，COD质量浓度达到最大，容积负荷也达到最大，形成以Hydrogenophaga（22.5%）为主，Acinetobacter（16.26%）、Arcobacter（17.97%）和Pseudoxanthobacter（9.64%）为辅的优势群落结构，而Aquaspirillum在此阶段由于不能适应进水水质而完全消失。图8目分类水平上不同阶段微生物相对丰度分布Fig.8Relative abundance distribution of microorganisms at order level from different stages89吉林农业大学学报 2023 年 2 月Journal of Jilin Agricultural University 2023，February从图6图10中可以发现，在生物接触氧化反应器的生物膜微生物门、纲、目、科、属等各级不同分类中，均发现了丰度较高的未分类序列，这表明多种新物种可能栖息于复杂的生物膜微生物群落中，且可能发挥着重要的作用。图9科分类水平上不同阶段微生物相对丰度分布Fig.9Relative abundance distribution of microorganisms at family level from different stages90邓欢，等：褐煤提质废水生物处理系统启动期菌群结构变化吉林农业大学学报 Journal of Jilin Agricultural University图10属分类水平上不同阶段微生物相对丰度分布Fig.10Relative abundance distribution of microorganisms at genus level from different stages91吉林农业大学学报 2023 年 2 月Journal of Jilin Agricultural University 2023，February3讨论自然环境中多种微生物组合在一起，形成群落，共存于生态系统中。不同生态环境下的微生物群落具有相应的生态功能，各种微生物在其中发挥各自独特的功能。根据高通量测序结果，处理褐煤提质废水的生物接触氧化反应器启动过程中，微生物种群以Proteobacteria为主，其次为Bacteroidetes和Firmicutes。根据污水生物处理系统微生物种群测定结果可知，这3门细菌是污水生物处理系统中常见种群，其中Betaproteobacteria在降解有机污染物起重要作用 30，尤其是处理煤化工废水的微生物群落中重要的降解菌，且很多研究均已表明，Proteobacteria具有广泛的降解芳香族化合物和杂环化合物能力 17。隶属于Proteobacteria门-Proteobacteria 纲 Burkholderiales（弯曲菌目）Comamonadaceae（丛毛单胞菌科）的Hydrogenophaga属的丰度从第1阶段的0，增加到第2阶段的13.26%，再增加至第3阶段的22.5%，成为最占优菌属。侯克怡等4借助GC/MS方法，对褐煤提质废水中的有机污染物质进行了全分析。再结合与该种废水类似的焦化废水水质分析可知，褐煤提质废水组成成分复杂，有机物种类繁多，且多为酚类、烃类、苯系物等难降解成分，其中芳香烃类物质主要为持久性有机物。因此，随着生物接触氧化反应进水中褐煤提质废水比例的升高，系统中萘、酚等污染物质含量升高，该类物质属有毒物质，所以部分微生物不能耐受，在驯化期间不适应系统环境的微生物种群被淘汰，同时诱导了专性特异性菌群的繁殖，体现优胜劣汰的自然法则。根据高通量测序结果可知，污泥中生长缓慢且易受如酚类等难降解有毒有机污染物的抑制、不能适应生境或对生境适应能力较差的菌属如 Flavobacteria、Aquaspirillum等丰度逐渐降低，最终被淘汰31-32；而可降解多种有机物，尤其对芳烃类污染物有很好降解作用的Hydrogenophaga 33-34丰度则逐渐升高；在生物接触氧化反应器成功启动第3阶段末期的微生物种群中发现了 Thauera属，该菌属是一类具有多种芳香族污染物降解能力的重要功能类群，其存在对于维持褐煤提质废水的生物处理效果至关重要。因此，随着生物接触氧化反应器启动，系统COD去除率提高，并可稳定维持。由图6图10可见，在生物接触氧化反应器的生物膜微生物门、纲、目、科、属等各级不同分类中，都发现了丰度较高的未分类序列，这表明多种新物种可能栖息于复杂的生物膜微生物群落中，且可能发挥着重要的作用。综上，处理褐煤提质废水的生物接触氧化反应器生物膜培养驯化期间，随着褐煤提质废水投加比例的提高，微生物种群结构发生了变化，Flavobacteria、Aquaspirillum等菌属由于不适应水质，逐渐被淘汰，而可降解多种有机物尤其是芳烃类的Hydrogenophaga等菌属逐渐成为优势菌属。说明在容积负荷为（1.600.03）g/（L d）、水力停留时间为24 h、45 min时，填料填充高度14 cm、DO质量浓度为2 mg/L、pH为中性时，生物接触氧化反应器生物膜中驯化培养出了可降解褐煤提质废水内有机污染物的优势菌属，实现了该种废水的生物处理目的。上述容积负荷等参数值，可作为褐煤提质废水生物处理系统运行和规模化应用的推荐设计参数。废水生物处理实质上是微生物生态工程的尝试，目标是通过工程技术手段，管理微生物群落，进而促进有机物的降解、有毒物质的转化以及营养物质的去除，从而造福社会。在生物废水处理过程中出现的许多关键过程失败（即最终出水质量不可接受的降低），可能是由于某些细菌相对丰度或活性的变化导致的。而微生物群落结构的变化受确定性（反应器设计、环境和操作变量）和随机性（微生物扩散至反应器或离开反应器的概率）组合的影响。以往的研究多集中在处理效果及影响因素等宏观环境方面，本研究则从微生物学角度揭示褐煤提质废水生物处理系统种群结构变化规律，为下一步通过工程技术手段，如容积负荷、水力停留时间、调控DO等，创造更适合Hydrogenophaga等功能菌属生境，以强化菌群功能、提高褐煤提质废水处理效果提供理论依据。4结论（1）当生物接触氧化反应器主要设计参数COD 负荷为（1.600.03）g/（L d）、水力停留时间选定为24 h 45 min时，微生物经培养驯化后，褐煤提质废水处理后出水 COD 质量浓度可维持在197.90237.98 mg/L，平均值为210.07 mg/L；去除率为85.55%88.21%，平均值为87.33%。根据研究报道和工程经验，该出水COD满足后续深度处理设施如活性炭吸附、芬顿氧化等工艺技术的进92邓欢，等：褐煤提质废水生物处理系统启动期菌群结构变化吉林农业大学学报 Journal of Jilin Agricultural University水要求，同时经济成本较合理。（2）高通量测序结果表明，生物膜微生物种群Proteobacteria占绝对优势地位，以Bacteroidetes和Firmicutes为次要优势地位的群落。但从属的水平，随着培养驯化过程的进行，生物膜微生物种群为适应环境的变化而发生演替，不适应系统环境的微生物种群被淘汰，如Aquaspirillum因不适应进水水质而消失，而Hydrogenophaga因对芳烃类污染物有很好的降解作用而逐渐占优。（3）在生物接触氧化反应器的生物膜微生物群落门、纲、目、科、属各级分类中，未分类序列丰度菌较高，说明多种新物种可能栖息于复杂的生物膜微生物群落中，且很有可能对褐煤提质废水处理效果有着至关重要的作用，所以今后需借助高通量测序技术、PCR、基因文库等现代分子生物学技术，建立克隆文库，解析菌群功能和代谢途径，进一步完善微生物学反应机理，以期全面指导褐煤提质废水生物处理系统的优化运行。参考文献：1 胡佳欣.芬顿活性炭吸附深度处理褐煤提质废水技术研究 D.长春：吉林大学，2016.2 邵俊杰.褐煤提质技术现状及我国褐煤提质技术发展趋势初探 J.神华科技，2009，7（2）：17-22.3 朱书全.褐煤提质技术开发现状及分析 J.洁净煤技术，2011，17（1）：1-4.4 侯克怡，王晓玲，汤洁，等.褐煤提质废水污染特征分析J.科学技术与工程，2014，14（24）：308-311.5 朱小彪.焦化废水强化处理工艺特性和机理及排水生物毒性研究 D.北京：清华大学，2012.6 崔玉波，朱宝英，李影，等.低温下ABR对含硝基苯废水冲击的适应性研究 J .吉林农业大学学报，2008，30（3）：321-323.7 马秀兰，张凤君，周兰影，等.不同MLSS对低温低碳氮比污水处理效果的影响 J.吉林农业大学学报，2009，31（6）：733-737.8 章长江.Fenton+氨吹脱+EGSB+AO池+沉淀池组合工艺处理垃圾渗滤液研究 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