很多城鎮污水處理廠進水中碳氮比(C/N)較低，通常采用外加碳源以提高TN去除率，所采用的碳源分為傳統碳源和新型碳源。其中：傳統碳源包括甲醇、乙酸、乙酸鈉、葡萄糖等；新型碳源包括天然固相碳源(果皮類、秸稈類、枝干類、貝類等)、人工合成固相碳源(PHAs類多聚物、聚己內酯(PCL)、聚丁二酸丁二脂(PBS)等)、液相碳源(食品工業廢水、餐廚廢棄物水解液等廢液發酵副產品)等。選擇合適的碳源是目前處理低C/N污水的關鍵。
低C/N污水處理常應用移動床生物膜反應器(movingbedbiofilmreactor，MBBR)和反硝化生物濾池(biofiltersfordenitrification，DNBF)等反硝化工藝。其中DNBF具有一定的過濾能力，但需要定期進行反沖洗。而MBBR是在曝氣池中加入懸浮填料作為微生物載體，使好氧、缺氧和厭氧環境同時存在，無需污泥回流，可以實現同步硝化反硝化(simultaneousnitrificationanddenitrification，SND)，能有效去除COD和氮等污染物，降低廢水處理成本。現有污水處理廠在提標改造中廣泛采用MBBR處理技術，改造過程簡單且成本較低，故MBBR技術具有較大的應用潛力。在MBBR中，懸浮填料的物理化學性質會影響生物膜的形成和污染物去除性能。LIU等利用添加表面改性復合填料的MBBR在低DO水平(0.6~0.8mg·L−1)和低C/N(≤5)條件下，可實現對有機物和總氮的高效去除，COD和TN去除率分別為85.7%和75.9%。SONG等開發了一種以沸石粉基聚氨酯海綿為懸浮填料的MBBR，TN的去除效果比傳統的海綿懸浮填料型MBBR高出近10%。
我國是酒業大國。在酒類產品中，白酒所占的比例較高。白酒釀造的原料以谷糧為主，在白酒釀造與生產過程中會產生大量白酒廢水，據統計，每生產1t白酒即可產生20~40t廢水。白酒廢水可分為低濃度和高濃度廢水。高濃度白酒廢水(highconcentrationBaijiuwastewater，HCBW)包含原料沖洗浸泡水、窖底水、鍋底水等，約占白酒廢水排放總量的5%，含有高濃度溶解性有機物，如多糖、有機酸、乙醇、甘油等，具有高COD、高BOD、高色度、呈酸性、低溶解氧、總氮濃度高等特征，處理難度大，可生化性好。HCBW是食品工業排放的污染最嚴重的廢水之一，未經充分處理的HCBW排放會導致藻類大量繁殖，水體溶解氧大量消耗，抑制生物的光合作用，使水生動植物無法正常生存，對水生態系統造成嚴重破壞。若廢水滲入土壤中，則會抑制種子的萌芽、生長，導致植被枯竭，也能對陸生動物造成一定程度損害。此外，還可能導致當地獨特的微生物群落發生轉變，對當地白酒行業造成損害。
釀酒廢水處理的常用方法為物化法、生物法、生態法和聯用技術等。物化處理技術包括吸附、混凝沉淀、氧化、電解、熱分解、膜分離等；生物處理技術包括好氧、厭氧及藻類微生物降解等；生態處理技術主要是人工濕地處理系統；聯用技術主要是多種技術結合，共同實現廢水污染物去除。單獨的物化處理或生物處理對HCBW中污染物的去除效果不理想，采用多種方法聯合應用可對HCBW實現達標處理，但處理難度大、運行管理費用較高，難以在中小型企業中進行推廣應用。
基于以上研究，本研究采用MBBR技術，構建了高濃度白酒窖底廢水與低C/N生活污水協同處理系統，使用改性海綿填料和流化床填料分別探究了HCBW作為反硝化外加碳源對低C/N污水處理的影響，并分析了微生物群落的變化，探究了白酒窖底廢水作為反硝化外加碳源與低C/N生活污水協同處理技術的可行性及功能微生物，以期為HCBW的資源化利用提供參考。
1、材料與方法
1.1 實驗裝置
如圖1所示，反應器具有內外雙層結構，內層為反應區，外層為保溫層。反應區內由擋板分隔為2個反應腔，每個反應腔均裝有助循環隔板，單個反應腔的有效容積為45L，反應腔內填充懸浮填料，分別采用海綿填料和流化床填料，填料直徑均為10mm，填充密度為30%~35%。反應器底部鋪設有微孔曝氣管(Φ=10mm)，通過曝氣為懸浮填料提供上升的動力和氧氣。實驗裝置分A、B2組反應器，A組反應器在進水中添加白酒窖底廢水(協同組)，分A1、A2反應腔；B組反應器只添加模擬低C/N生活污水(未協同組)，分B1、B2反應腔，其中A1、B1填充海綿填料，A2、B2填充流化床填料(表1)，4組反應器互為對照。
1.2 實驗水質
實驗采用人工模擬低C/N生活污水和貴州省茅臺鎮某醬香型白酒企業的窖底水(表2)，未協同組進水僅為人工模擬低C/N生活污水，協同組進水為模擬低C/N生活污水與窖底水按1000∶1配制的混合廢水，混合后廢水的C∶N∶P=100∶1.14∶0.11。采用葡萄糖、NH4Cl、KH2PO4模擬低C/N生活污水的COD、TN、TP。為維持微生物正常的生長繁殖，向人工模擬廢水中添加微量元素為0.3mg·L−1 FeSO4·7H2O、0.15mg·L−1 CoCl2·6H2O、0.12mg·L−1 MnCl2·4H2O、0.06mg·L−1 Na2MoO4·2H2O、0.15mg·L−1 H3BO3、0.15mg·L−1 NiCl2·6H2O、0.12mg·L−1 ZnSO4·7H2O、0.06mg·L−1 CuSO4·5H2O、0.06mg·L−1 Na2WO4·2H2O、0.15mg·L−1 KI。
1.3 實驗方法
先向反應器中加入接種污泥，接種污泥取自貴州省某污水處理廠濃縮池，污泥接種質量濃度為4.0g·L−1。通過調壓器調節曝氣泵曝氣強度，控制DO為5~6mg·L−1，采用循環熱水控制反應器內溫度為(30±1)℃。使各組反應器在該條件下曝氣3d，使接種污泥與懸浮填料充分接觸混合。待系統掛膜完成后，采用間歇式運行，運行周期為“反應23.5h+換水0.5h”，換水比為50%。定期檢測反應器中的pH、DO、T、COD、NH+4NH4+-N、TN、色度等水質指標。在系統運行穩定后，通過傅里葉紅外光譜儀分析污水處理前后物質組分變化，并利用16SrRNA高通量測序技術分析反應器中微生物群落結構及功能。
1.4 分析方法
1)理化指標分析。NH+4NH4+-N采用納氏試劑分光光度法(HJ535-2009)分析，TN采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法(HJ636-2012)分析，色度采用光電比色法(LH-SD500，陸恒生物，中國)分析，pH、DO、T采用HACH便攜式多參數數字化分析儀分析(HQ40d，HACH，美國)，COD采用COD快速消解分析法分析。
2)傅里葉紅外光譜(FTIR)分析。采集反應器穩定運行階段的進出水水樣各10mL，協同組進出水分別記為A0、A1、A2，未協同組進出水分別記為B0、B1、B2。水樣分析前，先將水樣冷凍成冰，再利用真空冷凍干燥機(FD-1A-50，中國)將樣品冷凍干燥成固體粉末，然后采用傅里葉變換紅外光譜儀(Nicolet6700，ThermoFisherScientific，美國)對樣品進行分析，設置掃描次數和分辨率分別為32次和4cm−1，在4000~400cm−1內對樣品進行紅外光譜測定。
3)微生物群落分析。采用16SrRNA高通量測序技術研究微生物的多樣性和差異，采集接種污泥和反應器中培養至第68天的生物膜，分別標記為S0(接種污泥)、A1、A2、B1、B2，立即置于–80℃條件下進行冷凍保存，然后送至上海某生物公司進行16SrRNA基因測序分析。先采用試劑盒(E.Z.N.ATMMag-BindSoilDNAKit)對樣本進行DNA的提取，并對提取后的DNA進行質檢和純化，利用ABIGeneAmp®9700型PCR擴增儀，選用338F(5′-ACTCCTACGGGAGGCAGCAG-3′)和806R(5′-GGACTACHVGGGTWTCTAAT-3′)作為引物在V3~V4之間的高變區對所提取合格的DNA序列進行PCR擴增，對PCR擴增產物經3µL上樣量的2%瓊脂糖凝膠電泳分析，使用AxyPrepDNA凝膠提取試劑盒進行純化，純化后采用QuantiFluorM-ST進行定量。然后，根據所構建的Illumina測序文庫，對所得到的數據進行OTU聚類統計、物種注釋、物種差異、功能預測等分析。
2、結果與討論
2.1 系統構建及處理效能
在系統構建過程中，各反應器出水的pH、DO、溫度如表3所示。其中，DO質量濃度均相差不大；但pH有明顯差異。A1、A2的pH均大于6.5，呈中性；而B1、B2的pH為6.0左右，呈弱酸性。這是由于B組反應器中反硝化能力較弱，硝化過程消耗堿度導致。
各反應器的COD、NH+4NH4+-N、TN和色度變化如圖2所示。由圖2(a)可看出，從第10天開始，出水COD逐漸趨于穩定，A1、A2的COD由358.94mg·L−1分別降低至31.02mg·L−1和33.75mg·L−1，平均去除率分別為91.29%和90.51%；而B1、B2的COD由68.34mg·L−1分別降低至22.51mg·L−1和23.31mg·L−1，平均去除率分別為65.92%和64.73%。由圖2(b)可看出，從第24天開始，出水中NH+4NH4+-N濃度逐漸趨于穩定，A1、A2的NH+4NH4+-N質量濃度由36.31mg·L−1分別降低至0.33mg·L−1和0.52mg·L−1，平均去除率分別為99.08%和98.58%；而B1、B2的NH+4NH4+-N質量濃度由33.58mg·L−1分別降低至10.88mg·L−1和10.67mg·L−1，平均去除率分別為67.20%和67.74%。由圖2(c)可看出，在穩定后，A1、A2的TN質量濃度由38.73mg·L−1分別降低至3.83mg·L−1和9.29mg·L−1，平均去除率分別為89.81%和75.73%；而B1、B2的TN質量濃度由35.85mg·L−1分別降低至27.90mg·L−1和27.97mg·L−1，平均去除率分別為24.63%和26.92%。由圖2(d)可看出，A1、A2的色度呈逐漸下降趨勢，在穩定后，A1、A2的色度(稀釋倍數)由175.12分別降低至34.01和42.06，平均去除率分別為80.66%和76.07%。
綜上所述，協同處理組A1、A2反應器對COD、NH+4NH4+-N和TN的去除效果均較好，出水達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB18918-2002)一級A標準要求，說明窖底水與低C/N生活污水協同處理有利于提高TN的去除效率；而B1、B2出水中TN濃度均未達到一級A標準要求，這主要是由于系統缺乏碳源，導致未協同組對TN的去除率較低。此外，A1出水中的TN濃度和色度均比A2低，說明在MBBR系統中，海綿填料的TN和色度去除效果均比流化床填料好。其原因為：流化床填料是由聚乙烯制成的，這種材料通常表現出疏水性且表面帶負電荷，不利于污染物的轉移，抑制親水性和負電性生物膜的形成；流化床填料表面粗糙度較差，在換水和曝氣過程中產生的水力剪切作用容易將表面附著的生物膜沖刷脫落，不利于生物膜初始黏附。而海綿填料是由改性親水聚氨酯制成的，其比表面積大、表面粗糙、對微生物黏附性好；此外，由于立方海綿填料中的高溶解氧(DO)梯度，為各種微生物創造生存條件，填料上出現硝化菌與反硝化菌等不同微生物，使其具有SND特性。由此可見，懸浮填料作為微生物生長載體，是MBBR工藝的核心，生物膜的形成和污染物去除性能取決于載體的物理化學性質。
2.2 污染物種類變化分析
采用FTIR分析了協同組進出水中污染物官能團的變化，其FTIR譜圖如圖3所示。混合廢水經過MBBR處理后，3413cm−1(O—H伸縮振動)和1632cm−1處(NH2變角振動或NH+2NH2+變角振動或NH+3NH3+不對稱變角振動)的峰的強度有一定程度增強，說明廢水經過處理后，具有該類官能團的物質的相對比例增加。1385cm−1和1402cm−1處(NO3−反對稱伸縮振動或者NH+4NH4+不對稱變角振動)的峰寬變窄，且強度明顯變弱，說明出水中硝酸鹽類和銨類物質的相對比例明顯減小。1147cm−1和1120cm−1處(SO−4SO4−反對稱伸縮振動)的峰的強度有一定程度增強，而峰寬無明顯變化，說明出水中SO4−基團的相對比例增加。671cm−1 (醇COH面外彎曲振動)和604cm−1處(PO−4PO4−的PO4不對稱變角振動)的波峰強度均有微弱增強，說明出水中醇類物質、磷酸鹽的相對比例有一定程度增加。上述FTIR分析結果進一步佐證了混合廢水經過MBBR系統處理后，NH+4NH4+-N和TN均得到有效去除，且可推測出水中的醇類、硫酸鹽和磷酸鹽的物質相對比例有一定程度的增加。
2.3 微生物群落結構與功能預測
1)微生物群落結構。
系統運行68d后，采用16SrRNA高通量測序技術對系統中微生物進行分析，在門水平上(圖4(a))，接種污泥(S0)、海綿填料協同組(A1)、流化床填料協同組(A2)、海綿填料未協同組(B1)、流化床填料未協同組(B2)中相對豐度占主導的均為Proteobacteria、Chloroflexi和Actinobacteriota。其中，S0分別為24.36%、23.61%和14.63%，A1分別為24.56%、19.31%、和25.51%，A2分別為26.90%、17.63%和18.85%，B1分別為12.52%、5.71%和36.26%，B2分別為22.39%、9.87%和29.34%。與S0相比，A1和A2中的Actinobacteriota和Proteobacteria的相對豐度均增加，而Chloroflexi的相對豐度均降低，B1和B2 Actinobacteriota的相對豐度均增加，而Proteobacteria和Chloroflexi的相對豐度均降低。此外，未協同組B1和B2中Proteobacteria和Chloroflexi的相對豐度明顯低于協同組A1和A2，未協同組B1和B2中Patescibacteria和Actinobacteriota的相對豐度明顯高于協同組A1和A2，說明添加窯底廢水會導致Proteobacteria和Chloroflexi的比例增加，導致Patescibacteria和Actinobacteriota的比例降低。Actinobacteriota屬于異養需氧菌門，是降解污染物的主要功能菌。Proteobacteria廣泛存在于受污染的水體環境中，在德國污水處理廠和我國養殖場廢水中均檢測出了Proteobacteria。
在科水平上(圖4(b))，在S0中主要為Saprospiraceae(4.19%)、Rhodanobacteraceae(3.07%)和SC-I-84(2.07%)，A1和A2中主要為Propionibacteriaceae(9.76%、2.56%)、Nakamurellaceae(6.90%、11.94%)和Gemmatimonadaceae(6.70%、5.14%)，B1和B2中主要為Nakamurellaceae(32.10%、19.03%)、Gemmatimonadaceae(2.04%、3.95%)和Caldilineaceae(1.48%、2.73%)。協同組系統中的Propionibacteriaceae和Gemmatimonadaceae的相對豐度均比未協同組高，而Nakamurellaceae的相對豐度均比未協同組低。Nakamurellaceae能夠在細胞中積累大量的多糖，從而能夠快速吸收廢水中糖原和多磷酸鹽，然后通過其代謝過程來進行細胞體的合成，對生物脫氮及污水中有機物的去除具有重要作用。Propionibacteriaceae主要以酸類物質作為底物進行生長，由于協同組添加了窯底廢水，廢水中存在大量的酸類物質，為其生長提供了條件。Gemmatimonadaceae通過好氧和厭氧呼吸生長，能直接利用硝酸鹽和亞硝酸鹽，故經常在污水處理系統的活性污泥中被檢測到。
在屬水平上(圖4(c))，S0中主要為Ahniella(2.84%)、Ellin6067(2.44%)和Phaeodactylibacter(1.77%)。協同處理組A1和A2中主要為Micropruina(8.88%、2.26%)、Nakamurella(6.90%、11.94%)和Amaricoccus(3.48%、3.82%)，未協同組B1和B2中主要為Nakamurella(32.10%、19.03%)、TM7a(8.46%、1.63%)和Thermomonas(0.64%、1.49%)。A1和A2中的硝化菌屬主要為Nakamurella(6.90%、11.94%)、Nitrospira(0.46%、0.21%)，反硝化菌屬主要為Amaricoccus(3.48%、3.82%)、Dokdonella(0.15%、0.41%)、Thermomonas(0.25%、0.75%)。B1和B2中的硝化菌屬主要為Nakamurella(32.10%、19.03%)、Nitrospira(1.83%、0.37%)，反硝化菌屬主要為Amaricoccus(0.35%、0.25%)、Dokdonella(0.23%、1.39%)、Thermomonas(0.64%、1.49%)。Nitrospira和Nakamurella是硝化作用過程中的重要功能菌，Thermomonas是還原硝酸鹽或亞硝酸鹽的缺氧反硝化菌，Amaricoccus被認為是廢水處理中將硝酸鹽還原為亞硝酸鹽的關鍵消耗者。協同組系統中同時存在硝化菌和反硝化菌，說明協同組系統中存在SND現象，對TN的去除效率較高；而未協同組中主要存在硝化菌屬，反硝化菌屬較少，對TN的去除效率較低。此外，Micropruina在A1和A2中的相對豐度明顯高于B1和B2，由于 Micropruina能在細胞內儲存大量的糖類聚合物，可以很好的吸收水體中的有機營養物，說明Micropruina可能是參與有機物去除的功能菌屬。
2)微生物的功能預測。系統運行68d后，采用16SrRNA高通量測序技術對系統中微生物進行分析后，基于PICRUSt對協同處理系統A1、A2中細菌的KEGG功能進行了分析(圖5)。分別檢測到48535583、51425375個基因。在1層級下，共預測出5大功能。其中占主導的功能均是代謝，其次是遺傳信息處理、環境信息處理、細胞過程和有機體系統。協同海綿組A1中比例分別為40.75%、15.94%、14.23%、2.96%和0.85%；協同流化床組A2中比例分別為40.45%、15.93%、14.06%、3.24%和0.82%。在2層級下，共預測出25種通路，主要代謝通路均為氨基酸代謝、碳水化合物代謝和能量代謝。其中，A1中比例分別為11.05%、10.96%和5.90%，A2中比例分別為10.93%、10.92%和5.91%；主要的環境信息處理通路均為復制與修復和轉譯，其中，A1中比例分別為6.97%和2.30%，A2中比例分別為6.95%和2.33%；主要的遺傳信息處理通路均為膜運輸，A1和A2中比例分別為12.18%和11.95%。上述功能信息推測結果表明，A1、A2無明顯差別，所預測通路在污水處理廠中普遍存在，反應器中細菌具有豐富的代謝功能、繁殖能力和環境適應力較強，且存在多種代謝通路，說明存在功能冗余。這可能與HCBW有機物成分復雜有關，反應器中有大量的微生物，有機物的代謝任務由多種細菌共同承擔，這些微生物可以構建復雜的功能營養網絡，最終導致高功能冗余。當環境條件發生變化時，功能冗余可以維持微生物群落的生理能力，這表明微生物的功能結構比微生物群落結構更穩定。
3、結論
1)采用MBBR構建白酒廢水與低C/N生活污水協同處理系統，此系統對COD、NH+4NH4+-N和TN的去除效果均較好，均達到《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB18918—2002)一級A標準要求，且改性海綿填料組對污染物的去除效果優于流化床填料組。2)進出水中所含物質官能團種類無明顯變化，進出水紅外光譜特征變化可進一步佐證混合廢水經過MBBR系統處理后，NH+4NH4+-N和TN均得到有效的去除。3)在協同處理系統A1和A2中，主要的硝化菌屬均為Nakamurella(6.90%、11.94%)、Nitrospira(0.46%、0.21%)，主要反硝化菌屬均為Amaricoccus(3.48%、3.82%)、Dokdonella(0.15%、0.41%)、Thermomonas(0.25%、0.75%)，可能參與有機物去除的功能菌屬均為Micropruina(8.88%、2.26%)。4)通過功能預測發現協同處理系統A1、A2中，微生物占主導的功能是代謝，主要代謝通路均為氨基酸代謝(14.78%、14.67%)、碳水化合物代謝(14.67%、14.65%)和能量代謝(7.90%、7.93%)。此外，主要的環境信息處理通路均為復制與修復(9.33%、9.32%)和轉譯(5.84%、5.84%)，主要的遺傳信息處理通路均為膜運輸(16.29%、16.04%)。（來源：貴州大學資源與環境工程學院，喀斯特地質資源與環境教育部重點實驗室，貴州喀斯特環境生態系統教育部野外科學觀測研究站，貴州明俊雅正生態環境科技有限公司）
