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農(nóng)村生活污水具有污水來源多、水質(zhì)波動(dòng)較大、水量日夜變化較大、冬季水量小但是污染質(zhì)量濃度高，夏季水量大但是污染質(zhì)量濃度低、管網(wǎng)收集難度大等特點(diǎn)。我國(guó)農(nóng)村地區(qū)人口、地形、氣候環(huán)境、經(jīng)濟(jì)條件差異較大，不同農(nóng)村地區(qū)處理需求也有所不同。當(dāng)前農(nóng)村生活污水處理設(shè)施很難在滿足不同地區(qū)不同需求的條件下做到能耗低、建設(shè)運(yùn)行費(fèi)用低。

生物膜工藝具有抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)、運(yùn)行管理簡(jiǎn)單、處理效果好等優(yōu)點(diǎn)，較適用農(nóng)村生活污水處理。人工濕地系統(tǒng)具有建設(shè)成本較低、維護(hù)簡(jiǎn)便、效率高和美觀等特點(diǎn)。人工濕地工藝通過物理、化學(xué)和生物的協(xié)同作用，能夠高效處理污水，在我國(guó)已得到廣泛應(yīng)用。相較于目前已有的生物膜組合工藝處理農(nóng)村生活污水，如金秋等使用脈沖雙層生物濾池與人工濕地組合處理農(nóng)村生活污水，穩(wěn)定運(yùn)行期間對(duì)各污染物都有顯著去除效果；如蘇功平等使用復(fù)合生物濾池組合人工濕地處理農(nóng)村生活污水，去除污染物效果良好，達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB18918-2002)一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)。本研究開發(fā)的模塊化生物濾池是一種可自由拼裝，可靈活增加或減少多孔箱體的模塊化生物濾池。具有以下優(yōu)點(diǎn)：1)整套工藝可以現(xiàn)場(chǎng)安裝，施工簡(jiǎn)便，拆卸容易；2)可根據(jù)不同的處理規(guī)模和處理要求靈活增加或減少箱體數(shù)量；3)自然濺水通風(fēng)供氧，無需曝氣；4)整套裝置運(yùn)行只需一臺(tái)水泵，能耗及運(yùn)行費(fèi)用低。

因此，本研究采用“生物+生態(tài)”處理技術(shù)，在模塊化生物濾池出水后銜接潛流人工濕地對(duì)污水深度凈化，實(shí)現(xiàn)生物和生態(tài)處理技術(shù)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。對(duì)實(shí)際運(yùn)行的污水處理裝置進(jìn)行研究，探究了裝置回流比及裝置布水時(shí)間對(duì)污染物去除效果的影響，并在最佳工況下長(zhǎng)期運(yùn)行監(jiān)測(cè)組合工藝出水各污染物指標(biāo)，考察其污染物去除效果，以期為農(nóng)村生活污水治理提供一種可行的方法。

1、實(shí)驗(yàn)裝置與研究方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置及工藝流程

實(shí)驗(yàn)裝置搭建于江蘇省常州市某公司廠區(qū)內(nèi)，設(shè)計(jì)處理量5t·d?1。實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。

脫氮池位于模塊化生物濾池前段，水力停留時(shí)間HRT為14h，總?cè)莘e為3m3，采用3個(gè)容積為1m3的小脫氮池串聯(lián)而成，小脫氮池材質(zhì)為聚丙烯。倉內(nèi)填充懸浮球填料用以富集微生物，填料球直徑為80mm。

模塊化生物濾池主體如圖1所示，整體尺寸1.5m×1.5m×1.75m。采用63個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化多孔箱體疊層拼裝構(gòu)成(3個(gè)×3個(gè)×7個(gè))，每個(gè)多孔箱體尺寸0.5m×0.5m×0.25m，采用聚丙烯。為保證過水通暢、供氧充足以及布水均勻，將多孔箱體的底部和四周打若干10mm小孔。多孔箱體內(nèi)使用粒徑10~15mm的陶粒作為濾料。在濾池頂部配有穿孔布水管，將污水從脫氮池均勻的分布在濾池上部，并且布水管上加配時(shí)間控制開關(guān)對(duì)布水時(shí)間進(jìn)行調(diào)控。

潛流人工濕地規(guī)格長(zhǎng)×寬×深=6.0m×2.0m×1.0m，水力停留時(shí)間為24h，水力負(fù)荷0.42m3·(m2·d)?1。濕地內(nèi)從上往下依次填充礫石、珍珠巖、陶粒等填料，并增設(shè)導(dǎo)流折板，保證水流在濕地內(nèi)往復(fù)流動(dòng)，增加與植物根系及填料的接觸時(shí)間，選取脫除氮素和有機(jī)物能力強(qiáng)的花葉蘆竹(Arundodonaxvar.versicolor)和可以越冬并且根系發(fā)達(dá)、耐污染物能力強(qiáng)的鳶尾科馬藺(IrislacteaPall.)、鳶尾(IristectorumMaxim.)等植物種在濕地表面，整體實(shí)驗(yàn)流程如圖2所示。

1.2 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1)水體物質(zhì)測(cè)定。

對(duì)濾池進(jìn)出水水質(zhì)進(jìn)行化學(xué)需氧量(COD)、氨氮(NH4+-N)、總氮(TN)、總磷(TP)等指標(biāo)的測(cè)定，其測(cè)定方法根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行測(cè)試(表1)，溶解氧(DO)用便攜式溶解氧測(cè)定儀測(cè)定。

為了探究模塊化生物濾池-潛流式人工濕地組合工藝的運(yùn)行最佳工況，使組合工藝出水滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《農(nóng)村生活污水處理設(shè)施水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T51347-2019)一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。因此，在模塊化生物濾池不同回流比、不同布水時(shí)間下分別進(jìn)行10d的實(shí)驗(yàn)，經(jīng)過10d運(yùn)行，污染物去除率發(fā)生明顯變化，每2d檢測(cè)1次進(jìn)出水COD、NH4+-N、TN、TP。

2)微生物學(xué)分析方法。

從距濾池頂部50、100、150cm處分別取出陶粒濾料，將陶粒上附著的生物膜刮下送樣檢測(cè)。使用1%的瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè)DNA的提取質(zhì)量，使用NanoDrop2000測(cè)定DNA質(zhì)量濃度和純度；使用338F(5’-ACTCCTACGGGAGGCAGCAG-3’)和806R(5’-GGACTACHVGGGTWTCTAAT-3’)對(duì)16SrRNA基因V3~V4可變區(qū)進(jìn)行PCR擴(kuò)增，利用Illumina公司的MiseqPE300/NovaSeqPE250平臺(tái)進(jìn)行測(cè)序。本研究中的微生物群落多樣性檢測(cè)包括樣品的DNA提取以及PCR擴(kuò)增等過程均由上海美吉生物醫(yī)藥科技有限公司完成。

1.3 實(shí)驗(yàn)水質(zhì)

實(shí)驗(yàn)原水取自廠內(nèi)宿舍區(qū)生活污水，宿舍區(qū)常住人口約15戶，因工人作息工作時(shí)間不規(guī)律，導(dǎo)致水質(zhì)波動(dòng)變化較大，且存在低碳氮比的問題。實(shí)驗(yàn)期間的進(jìn)水水質(zhì)如下，DO、PH、COD、NH4+-N、TN、TP質(zhì)量濃度分別為0~2.31、6.83~7.92、37.55~401.14、17.16~95.48、22.57~104.83、1.15~5.39mg·L?1。

2、結(jié)果與討論

2.1 模塊化生物濾池對(duì)有機(jī)物的去除效果

不同回流比下COD的去除情況如圖3所示。當(dāng)回流比由100%增加到300%時(shí)，COD去除率不斷增加，由36.12%增加到76.31%；而當(dāng)回流比繼續(xù)增加到400%時(shí)，模塊化生物濾池對(duì)于有機(jī)物的去除效果并沒有持續(xù)提升，平均去除率反而降低到68.19%。模塊化生物濾池對(duì)于有機(jī)物具有較為優(yōu)異的去除效果，這可能是由于填料表面及內(nèi)部生長(zhǎng)著大量異養(yǎng)微生物，對(duì)有機(jī)物的降解發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。當(dāng)回流比由100%增大到300%時(shí)，COD的去除率不斷增加，回流比的增大增加了污水在系統(tǒng)內(nèi)的接觸反應(yīng)概率，提高了附著在填料上生物膜對(duì)有機(jī)物的利用率；同時(shí)，在濾池之前的厭氧脫氮池中，反硝化細(xì)菌以回流液中的硝酸鹽和亞硝酸鹽為電子受體，利用水中的有機(jī)物作為碳源，進(jìn)行反硝化作用，回流比不斷增大使得反硝化細(xì)菌可用的碳源量也增大，從而COD的去除率不斷增加。當(dāng)回流比由300%增大到400%時(shí)，生物濾池的水力負(fù)荷不斷增大，污水的停留時(shí)間隨著水力負(fù)荷增大而縮短，并且回流比過高，進(jìn)入濾池的污水質(zhì)量濃度被稀釋過多，不利于生物膜中微生物生長(zhǎng)，導(dǎo)致COD的去除率降低。此外，生物膜表面的剪切力會(huì)隨水力負(fù)荷增大而增大，濾料上的微生物無法適應(yīng)高水力負(fù)荷環(huán)境，導(dǎo)致生物膜脫落過多，不利于有機(jī)物的去除。

不同布水時(shí)間條件下COD的去除結(jié)果如圖4所示。在回流比為300%、布水時(shí)間與布水間歇的比值為1:4的情況下，當(dāng)布水時(shí)間由0.5min延長(zhǎng)到2min時(shí)，COD去除率逐漸升高并趨于平穩(wěn)，平均出水值由52.50mg·L?1降低到30.11mg·L?1；回流比固定，濾池水力負(fù)荷恒定，隨著布水時(shí)間和布水間歇時(shí)間的延長(zhǎng)，單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入濾池的水量減少，濾料上生物膜受到水流沖刷作用減弱，微生物更容易附著生長(zhǎng)；同時(shí)由于模塊化生物濾池主體由多孔箱體堆疊組裝而成，層與層之間有良好的通風(fēng)布水效果，布水間歇的延長(zhǎng)也有助于濾池內(nèi)部的空氣流通。如圖5所示，濾池出水溶解氧濃度隨著布水間歇的延長(zhǎng)不斷提高。這可能會(huì)使異養(yǎng)菌在更充足的溶解氧下降解有機(jī)物反應(yīng)更加高效，COD的去除效果得到提升。

因此，當(dāng)回流比為300%，布水時(shí)間與布水間歇比在2min:8min和3min:12min時(shí)，模塊化生物濾池對(duì)COD有較好的去除效果。COD的平均值均符合《農(nóng)村生活污水處理設(shè)施水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》一級(jí)A排放限值要求(≤60mg·L?1)。

2.2 模塊化生物濾池對(duì)NH4+-N的去除效果

如圖6所示，NH4+-N去除率隨著回流比的增加先升高后下降，當(dāng)回流比為300%時(shí)，NH4+-N的去除率達(dá)到最大，為69%。其平均出水質(zhì)量濃度為17.05mg·L?1。在好氧生物濾池內(nèi)硝化作用是氨氮減少的主要原因，硝化細(xì)菌是嚴(yán)格好氧菌，世代周期長(zhǎng)，增長(zhǎng)速度慢，并且在水中與碳化異養(yǎng)菌競(jìng)爭(zhēng)DO和生存空間。當(dāng)回流比由100%提升到300%時(shí)，濾池進(jìn)水C/N比逐漸降低，有機(jī)物負(fù)荷不斷減小，附著在濾料生物膜上的硝化菌種逐漸成為優(yōu)勢(shì)菌種，使得硝化作用逐漸增強(qiáng)，這與微生物群落分析所得的具有硝化功能微生物的富集這一結(jié)果一致。當(dāng)回流比由300%增加到400%時(shí)，雖然較高的回流比會(huì)帶來相對(duì)較高的溶解氧濃度，有利于促進(jìn)硝化反應(yīng)(圖7)。但與此相對(duì)的是，濾池的水力負(fù)荷不斷提高，并且污水在濾池內(nèi)的停留時(shí)間逐漸減少，可能會(huì)導(dǎo)致污水與生物膜接觸時(shí)間不足，硝化作用減弱。因此，綜合考慮，回流比為300%時(shí)可以取得最大的NH4+-N去除率。

在回流比為300%、布水時(shí)間與布水間歇比為1∶4的情況下，NH4+-N在不同布水時(shí)間下的去除效果如圖8所示。NH4+-N的去除主要是依靠濾池填料上的生物膜中的硝化細(xì)菌和亞硝化細(xì)菌去除。當(dāng)布水時(shí)間在0.5min時(shí)，氨氮的出水平均質(zhì)量濃度為17.81mg·L?1，去除率僅有62.67%。濾池內(nèi)單位時(shí)間內(nèi)的污染物負(fù)荷較大，有機(jī)物負(fù)荷亦然，此時(shí)生物膜上的異養(yǎng)細(xì)菌將會(huì)增殖從而抑制硝化細(xì)菌的增殖；并且類似于不同的布水時(shí)間對(duì)COD去除的影響，過短的布水間歇會(huì)使濾池內(nèi)部的充氧效果減弱，直接抑制了硝化作用。當(dāng)布水時(shí)間在2和3min時(shí)，氨氮的出水平均質(zhì)量濃度可以達(dá)到3.56mg·L?1，去除率高達(dá)92%。此時(shí)濾池進(jìn)水的污染物負(fù)荷較低，有利于硝化細(xì)菌的增殖；并且如上文所述，較長(zhǎng)的布水間歇可能有助于濾池內(nèi)充分充氧。較高質(zhì)量濃度的溶解氧有利于硝化細(xì)菌和其他微生物對(duì)水中的污染物進(jìn)行利用降解。有研究表明，生物濾池中充分的溶解氧和良好的復(fù)氧效果有利于降解有機(jī)物和氨氮。當(dāng)回流比300%，布水時(shí)間在2min和3min時(shí)，模塊化生物濾池對(duì)氨氮有較好的去除效果。出水氨氮的平均質(zhì)量濃度均符合《農(nóng)村生活污水處理設(shè)施水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》一級(jí)A排放限值要求(≤8mg·L?1)。

2.3 模塊化生物濾池對(duì)TN的去除效果

在農(nóng)村生活污水中，氨氮在總氮中的含量較高，根據(jù)上述對(duì)于NH4+-N去除效果的研究，模塊化生物濾池可對(duì)污水中的氨氮實(shí)現(xiàn)高效去除，但是在生物濾池的好氧環(huán)境中，反硝化作用較弱，所以總氮的去除主要依靠生物濾池前置的厭氧脫氮池。

在模塊化生物濾池回流比分別為100%、200%、300%、400%的條件下，裝置對(duì)于TN的去除如圖9所示?；亓鞅扔?00%增大到400%時(shí)，TN去除率呈現(xiàn)先增后降的趨勢(shì)，最高可達(dá)60.67%，此時(shí)的TN平均出水質(zhì)量濃度為22.95mg·L?1。當(dāng)回流比為100%時(shí)，回流至脫氮池的硝化液較少，導(dǎo)致脫氮池中反硝化作用缺少電子受體，反硝化作用不明顯；同時(shí)較少的回流液對(duì)進(jìn)水氨氮的稀釋效果較弱，有較高質(zhì)量濃度的氨氮存在，因此，TN去除率較低。隨著回流比增大至300%，根據(jù)上述研究結(jié)果，氨氮的去除率得到了一定的提升；并且回流到脫氮池中的硝化液增多，脫氮池中的反硝化細(xì)菌在缺氧條件下能夠?qū)⒏嗟腘O3?和NO2?被還原成氮?dú)饣蛞谎趸?，部分微生物也可以通過同化作用將NO3?和NO2?合成細(xì)胞物質(zhì)，脫氮池部分的反硝化效果增強(qiáng)，因此，硝化效果和反硝化效果的增強(qiáng)使系統(tǒng)對(duì)TN的去除性能有所提升。如圖8所示，隨著回流比進(jìn)一步增大至400%，回流硝化液把較高質(zhì)量濃度的溶解氧帶入脫氮池。高質(zhì)量濃度溶解氧回流水與缺氧污水混合后，破壞了脫氮池中的缺氧環(huán)境，抑制了反硝化反應(yīng)的進(jìn)行，TN的平均去除率下降。故回流比為300%時(shí)，模塊化生物濾池系統(tǒng)的硝化能力和反硝化能力最佳，對(duì)TN有最佳去除效果。

在回流比固定為300%、布水時(shí)間與布水間歇比固定為1:4的情況下，TN在不同布水時(shí)間條件下的去除效果如圖10所示。布水時(shí)間從0.5min增大到3min時(shí)，TN去除率呈現(xiàn)先增后降的趨勢(shì)，最高可達(dá)72%，此時(shí)的TN平均出水質(zhì)量濃度為13.29mg·L?1。當(dāng)布水時(shí)間與布水間歇比在0.5min:2min時(shí)，如前文所述，氨氮的降解效率低，從而導(dǎo)致總氮的去除效率也不理想。當(dāng)布水時(shí)間逐漸延長(zhǎng)，濾池內(nèi)部充氧效果不斷增強(qiáng)，氨氮的降解效率不斷提高，總氮的去除率也隨之提升。但當(dāng)間歇時(shí)間過長(zhǎng)，布水時(shí)間由2min延長(zhǎng)到3min時(shí)，由于生物濾池閑置時(shí)間過久，并在一直濺水通風(fēng)的情況下，使生物滴濾池內(nèi)部溶解氧質(zhì)量濃度過高，回流水中含有較高質(zhì)量濃度的溶解氧，而高質(zhì)量濃度的溶解氧會(huì)對(duì)脫氮池中反硝化效果有一定的抑制作用。所以當(dāng)布水時(shí)間與布水間歇比在2min:8min時(shí)，模塊化生物濾池對(duì)TN有最佳去除效果。

綜上所述，當(dāng)回流比300%，布水時(shí)間與布水間歇比在2min:8min時(shí)，模塊化生物濾池對(duì)TN有最佳去除效果。TN的平均出水質(zhì)量濃度均符合《農(nóng)村生活污水處理設(shè)施水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》一級(jí)A排放限值要求(≤20mg·L?1)。2.4組合工藝對(duì)于污染物的去除效果

由圖11(a)所示，組合工藝中COD的去除主要發(fā)生在模塊化生物濾池中。在1個(gè)月的監(jiān)測(cè)期間內(nèi)平均水溫22.3℃，平均進(jìn)水COD值為156.08mg·L?1，模塊化生物濾池平均出水COD值為37.07mg·L?1，去除率高達(dá)76.24%。同時(shí)人工濕地也對(duì)濾池出水進(jìn)行深度凈化，COD去除率可達(dá)38.54%，出水COD值22.78mg·L?1。

在模塊化生物濾池中，NH4+-N的去除效果也十分顯著。實(shí)驗(yàn)期間內(nèi)NH4+-N平均進(jìn)水質(zhì)量濃度為38.61mg·L?1，生物濾池平均出水NH4+-N質(zhì)量濃度為2.54mg·L?1，去除率高達(dá)93.42%。符合《農(nóng)村生活污水處理設(shè)施水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》一級(jí)A排放限值要求(≤8mg·L?1)。

組合工藝對(duì)于TN的去除如圖11(b)所示。實(shí)驗(yàn)期間內(nèi)TN平均進(jìn)水質(zhì)量濃度為41.99mg·L?1，模塊化生物濾池平均出水TN質(zhì)量濃度為14.71mg·L?1，去除率64.97%；人工濕地平均出水TN質(zhì)量濃度為4.48mg·L?1，去除率69.54%；組合工藝整體TN去除率為89.33%，TN的出水質(zhì)量濃度均滿足《農(nóng)村生活污水處理設(shè)施水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》一級(jí)A排放限值要求(≤20mg·L?1)。潛流人工濕地主要通過植物根系及其附近區(qū)域交替形成的好氧、厭氧和缺氧區(qū)，完成對(duì)NH4+-N的硝化以及NO3?和NO2?的反硝化作用進(jìn)行脫氮，以及植物根莖也可以對(duì)污水中的氮元素進(jìn)行一定的吸收，從而完成對(duì)TN的深度去除。

在組合工藝中，TP主要依靠潛流人工濕地去除。人工濕地對(duì)磷的去除主要通過基質(zhì)填料吸附和攔截，還有一定的植物吸收以及微生物降解完成。如圖11(c)所示，實(shí)驗(yàn)期間內(nèi)TP平均進(jìn)水質(zhì)量濃度為3.94mg·L?1，模塊化生物濾池出水TP質(zhì)量濃度為3.52mg·L?1，去除率僅為9.74%。而潛流人工濕地TP出水平均質(zhì)量濃度為0.28mg·L?1，去除率高達(dá)92.04%，符合《農(nóng)村生活污水處理設(shè)施水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》一級(jí)A排放限值要求(≤1mg·L?1)。

2.5 微生物群落結(jié)構(gòu)分析

1)微生物群落多樣性分析。

對(duì)模塊化生物濾池不同高度的生物濾料進(jìn)行取樣分析，距濾池頂部50、100、150cm的樣本記為D50、D100、D150。采集的3個(gè)樣品進(jìn)行高通量測(cè)序，經(jīng)過質(zhì)量分析和序列篩選后獲得有效序列，對(duì)其進(jìn)行去雜優(yōu)化，維恩圖、序列信息及多樣性指數(shù)如圖12和表2所示。用維恩圖可以比較直觀的表現(xiàn)3個(gè)生物濾池樣品的OTU數(shù)目組成相似性及重疊情況。2個(gè)樣本之間共有的OTU指數(shù)越大，說明樣本之間的微生物組成的相似度越大。如圖12所示，樣本D50(D表示距濾池頂部的距離)的OTU為1749，樣本D100的OTU為1686，樣本D150的OTU為1796，距濾池頂部不同高度下的生物膜樣本共有的OTU指數(shù)大于各自特有的OTU指數(shù)，這說明濾池內(nèi)部整體微生物群落組成大致相同。

Alpha多樣性是分析單獨(dú)每個(gè)樣本中的物種多樣性，主要包括了微生物豐富度和群落多樣性。Ace和Chao1指數(shù)可反應(yīng)群落分布豐富度，其值越大群落豐富度越高。如表2可知，從濾池頂端向下，Ace和Chao1指數(shù)逐漸減小。在距離濾池頂端50cm處，Ace、Chao1分別為2056.50和2031.94，高于100cm處的2029.34和1993.73，而在150cm處這2個(gè)指數(shù)最低，分別為2018.49和1967.52。Shannon和Simpson指數(shù)可反應(yīng)微生物群落多樣性，從濾池頂部向下，Shannon指數(shù)和Simpson指數(shù)從50cm處的4.23和0.04變化到100cm處的3.23和0.11，在150cm處為3.13和0.09。這些指數(shù)的變化都表明從濾池頂部沿程向下，微生物的豐富度和群落多樣性都逐漸降低，但是變化幅度并不大。這可能是由于濾池頂部進(jìn)水時(shí)，各種污染物質(zhì)量濃度都偏高，各類微生物可以利用污水中不同的有機(jī)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)行生長(zhǎng)繁殖。隨著污染物在濾池當(dāng)中不斷被降解，濾池中下層的微生物生長(zhǎng)繁殖所依賴的有機(jī)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)質(zhì)量濃度降低，所以微生物生長(zhǎng)受到了一定的抑制，從而微生物的豐富度和群落多樣性都逐漸降低。

2)門水平上微生物群落組成分析。

模塊化生物濾池沿程距離濾池頂部不同高度下在門水平上的組成和豐度如圖13所示。在距濾池頂部150、100、50cm處濾料上的優(yōu)勢(shì)門分別是變形菌門(Proteobacteria)(35.38%、51.90%和41.96%)、厚壁菌門(Firmicutes)(24.81%、16.01%和13.08%)、擬桿菌門(Bacteroidota)(7.84%、6.18%和5.53%)、綠彎菌門(Chloroflexi)(9.07%、6.08%和16.97%)。

沿程不同高度微生物群落中的的優(yōu)勢(shì)門都是變形菌門，這與大多數(shù)生物濾池處理農(nóng)村生活污水當(dāng)中的群落分析結(jié)果一致，也與上述對(duì)于模塊化生物濾池處理氨氮的分析效果一致。變形菌門中有很多固氮的細(xì)菌，在降解有機(jī)物的同時(shí)對(duì)氨氮有一定程度的去除，所以其分布和污水中氨氮質(zhì)量濃度有關(guān)。硝化細(xì)菌部分屬于擬桿菌門，在濾池中主要負(fù)責(zé)氨氮的去除。除了變形菌門之外，占比最多的門是厚壁菌門，厚壁菌門在系統(tǒng)中的功能主要是將有機(jī)物降解為甲酸、乳酸、丁酸等，并且也參與一定的硝化作用。以上3種菌門在分布上均呈現(xiàn)上層較少，中下層較多的情況，說明在有機(jī)物和氨氮質(zhì)量濃度較高的濾池上部，硝化細(xì)菌增殖受到抑制，因此，具備硝化能力的細(xì)菌菌門在濾池上部分布較少，隨著水中有機(jī)物沿程被降解，在濾池中下部硝化細(xì)菌處于優(yōu)勢(shì)，各類具有氨氧化能力和硝化能力的菌門在濾池中多分布于中下部，所以大部分氨氮在濾池的中下部被氧化去除。硝化細(xì)菌部分也屬于綠彎菌門，但綠彎菌門分布呈現(xiàn)中上部分多，中下部分少的趨勢(shì)。這可能是由于在模塊化生物濾池中，池體下部充氧效果強(qiáng)于上部，高質(zhì)量濃度的溶解氧可能會(huì)抑制綠彎菌門當(dāng)中的部分厭氧細(xì)菌的生長(zhǎng)。盡管如此，在濾池中綠彎菌門整體占比相對(duì)較高，而綠彎菌門細(xì)菌的反硝化作用較強(qiáng)，也可以在一定程度上表明模塊化生物濾池的硝化作用強(qiáng)。

3)屬水平上微生物群落組成分析。

在距濾池頂部150、100、50cm處濾料上的優(yōu)勢(shì)屬水平微生物分布情況如圖14所示。在150cm處，不動(dòng)桿菌(Acinetobacter)的相對(duì)豐度相比于50cm和100cm處分別提高了18.85%和11.56%，不動(dòng)桿菌作為典型的異養(yǎng)硝化菌屬，可以在較高溶解氧的條件下有效降低水中的COD、TN、氨氮。在100cm處的優(yōu)勢(shì)菌屬為黃桿菌屬(Flavobacterium)、食酸菌屬(Acidovorax)、假單胞菌屬(Pseudomonas)和動(dòng)膠桿菌屬(Zoogloea)。黃桿菌屬在距離濾池頂端100cm處的相對(duì)豐度分別是50cm和150cm處的2.75倍和5.11倍，黃桿菌屬是活性污泥工藝中的優(yōu)勢(shì)菌屬，可以參與水處理反應(yīng)器當(dāng)中的脫氮過程，完成對(duì)氨氮的硝化反應(yīng)，且該菌屬與其他菌屬有一定的互補(bǔ)能力，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。假單胞菌屬在距離濾池頂端100cm處的相對(duì)豐度分別比50cm和150cm處高18.01%和16.03%。假單胞菌屬是異養(yǎng)硝化-好氧反硝化菌屬，有研究表明，其不僅能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)氨氮的硝化，也能還原NO2?為N2。食酸菌屬在100cm處的相對(duì)豐度分別是50cm和150cm處的3.10倍和3.00倍，食酸菌屬作為氨氧化菌屬，可以同時(shí)進(jìn)行硝化和反硝化，也可以產(chǎn)生胞外聚合物EPS。生物膜中EPS有利于細(xì)胞膜的穩(wěn)定，利于微生物不同環(huán)境下生存，可以促進(jìn)微生物聚集以及吸附一定顆粒態(tài)物質(zhì)，有利于富集周圍菌種降解污染物，并且動(dòng)膠桿菌屬、黃桿菌屬也可以產(chǎn)生一定的EPS。各類硝化菌以及一些可以產(chǎn)生EPS的菌屬集中于模塊化生物濾池中下部，進(jìn)一步說明在模塊化生物濾池中下部硝化菌屬更加集中，完成對(duì)大部分氨氮、COD的去除。

采用冗余性分析對(duì)屬水平上微生物相對(duì)豐度受水質(zhì)指標(biāo)的影響進(jìn)行了分析。細(xì)菌中選取了上文分析過的5種優(yōu)勢(shì)菌屬；水質(zhì)參數(shù)包括COD和氨氮含量。結(jié)果見圖15。4種菌屬(Acinetobacter、Pseudomonas、Zoogloea和Flavobacterium)與水中COD和氨氮含量呈顯著負(fù)相關(guān)，也進(jìn)一步說明這4種菌屬可以在消耗有機(jī)物的情況下對(duì)水中氨氮進(jìn)行降解。并且由圖15中可以看出，5種菌屬相對(duì)豐度均在100cm和150cm處較高。這也說明在模塊化生物濾池中下部硝化細(xì)菌為優(yōu)勢(shì)菌屬，主要在濾池下半部分完成對(duì)氨氮和COD的降解。

總的來說，在模塊化生物濾池當(dāng)中變形菌門物種豐度明顯高于其他菌門，如上文所述，變形菌門在降解有機(jī)物的同時(shí)大量去除水中的氨氮。屬水平上的諸多優(yōu)勢(shì)菌屬如黃桿菌屬在缺氧條件下可以進(jìn)行無氧呼吸，除氮的同時(shí)吸收有機(jī)物；如不動(dòng)桿菌屬可以在好氧情況下有效降低水中的有機(jī)物和氨氮等。這些微生物群落分析表明模塊化生物濾池當(dāng)中存在較為完整的硝化?反硝化脫氮微生物體系，且富集于生物濾池中下部。這些優(yōu)勢(shì)微生物的存在，使得濾池中生物膜結(jié)構(gòu)穩(wěn)固，并具有良好的抗沖擊負(fù)荷能力。

3、結(jié)論

1)模塊化生物濾池采用自然通風(fēng)供氧的生物過濾技術(shù)，無需曝氣，全部動(dòng)力設(shè)備只有一臺(tái)水泵，主體采用可拼裝嵌入箱體疊加而成，運(yùn)行成本低。整套工藝可以現(xiàn)場(chǎng)安裝，施工簡(jiǎn)便，拆卸容易，適合農(nóng)村地區(qū)使用。并且可根據(jù)不同的處理規(guī)模和處理要求自由增加或減少箱體數(shù)量，滿足不同地區(qū)的處理需求。

2)模塊化生物濾池在回流比300%、布水2min、布水間歇8min時(shí)取得最佳處理效果。

3)模塊化生物濾池-潛流人工濕地組合系統(tǒng)對(duì)COD、NH4+-N、TN、TP的平均去除率分別為85.4%、95.16%、89.33%、92.63%，平均出水COD、NH4+-N、TN、TP的質(zhì)量濃度為22.78、1.87、4.48、0.28mg·L?1，均達(dá)到《農(nóng)村生活污水處理設(shè)施水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(DB32/3462-2020)一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。

4)從濾池頂部沿程向下，微生物群落多樣性逐漸降低，Proteobacteria、Firmicutes菌門主要分布在濾池中下部分，屬水平上微生物群落分析和冗余性分析進(jìn)一步證實(shí)模塊化生物濾池中下部硝化細(xì)菌更加集中，完成對(duì)大部分氨氮、COD的去除。