本试验开始之前, MAVF、BHF滤池已于前期运行1 a, 主要用于处理模拟配制的高浓度养殖废水[9], 滤池内已形成成熟的生物膜; 而NAVF、NVF为新启用滤池.试验启动时, 于各组滤池内接种采自武汉某污水处理厂生化池末端的活性污泥, 每天接种1次, 连续接种3 d.过后, 再往滤池内引入模拟配制的生活污水进行挂膜/微生物驯化, 并开始采集数据, 期间MAVF、NAVF滤池进行曝气, 其余未曝气.生活污水的配制参考该污水厂沉砂池的出水.生活污水的配制方案如下：每升水含面粉、葡萄糖(含少量钠、钙、铁、锌等元素)、碳酸氢铵、磷酸二氢钾的质量依次为0.30、0.15、0.225 6和0.043 9 g.配制废水对应各项污染物的质量浓度见表 1.

　　表 1 试验模拟配制的废水组成1) /mg·L-1

　　目前关于生物滤池启动时间长短尚无定论, 如张菊萍等采用接种挂膜方式, 在平均水温为16.7℃时, 仅需17 d就可以实现曝气生物滤池成功挂膜; 王建华等考察了进水是否含有机物对硝化型曝气生物滤池挂膜的影响, 发现进水不含有机物的滤池成功挂膜仅需18 d, 而进水含有机物的滤池成功挂膜需24 d; 端艳等称悬浮陶粒曝气生物滤池处理城镇污水的自然挂膜启动时间为23 d; 王东等[2]比较了沸石和陶粒填料曝气生物滤池处理微污染水源水的低温启动特性, 在水温为10~14℃的启动条件下, 均可在30 d内完成接种挂膜.本研究将新滤池挂膜时间设定为一个月, 期间将各组垂直流滤池水力负荷设为0.05、0.10、0.18 m3·(m2·d)-1这3个水平, 每个水平持续运行10 d.

　　3组垂直流滤池每天间歇进水1次, 其中MAVF出水即为BHF进水.曝气滤池每天间歇曝气6 h, 即上午09:00~12:00、下午14:30~17:30;对应3种水力负荷的气水比约为1 200：1、600：1和300：1.水样采集点为滤池进、出水, 采样频率为每天1次.采用美国YSI多参数水质分析仪(型号：Pro Plus)现场测定温度(T)、溶解氧(DO)、氧化还原电位(ORP)、碱度(pH)、电导率(Cond)、比电导率(SC)、总溶解固体(TDS)、盐度(Sal)等在线参数.水样采集后, 按国家标准方法[10]测定COD、TN、NO3--N、NO2--N、TAN、TP、IP等指标, 其中COD为高锰酸盐指数. COD又分为总有机物(TCOD)和溶解性有机物(DCOD). DCOD为水样经0.45μm滤纸过滤后测定值, TCOD为直接测定值.

　　挂膜结束后, 采集各组滤池陶粒样品送杭州联川生物技术股份有限公司进行微生物检测, 具体是通过16S rDNA高通量测序方法完成微生物群落结构分析.测序平台为MiSeq, 采用细菌16S rDNA V3+V4区域通用引物：338F ACTCCTACGGGAGGC AGCAG和806R GGACTACHVGGGTWTCTAAT.下机原始数据利用overlap将双端数据进行拼接, 并进行质控、嵌合体过滤以获得高质量的有效数据, 随后对其进行97%的相似度聚类.为了降低假阳性率, 过滤singleton序列以获得*终的OTU丰度及代表序列.

　　1.3 数据分析

　　生物滤池的净化效率除受污染负荷影响外, 还与滤料类型、填充深度密切相关, 后者会影响到构建成本.为了综合多方面因素, 本文采用去除率和一阶去除率常数k来评价滤池的净化效能, 即：

　　式中, k为一价去除率常数, d-1; HLR为水力负荷, m·d-1; ci、ce分别为进、出水污染物质量浓度, mg·L-1; hw为基质填充深度; ε为孔隙率.

　　采用独立t-test检验各组滤池进出水间理化特征的差异.因为BHF滤池进水即为MAVF出水, 为了屏蔽进水浓度对滤池净化效率的影响, 以进水污染负荷为协变量, 采用协方差分析比较各组滤池间净化效率的差异.此外, 为了比较各组滤池微生物群落结构及净化效率的相似性, 采用层次聚类法对优势菌种的相对丰度、所有OTU序列数及一阶去除率常数k进行聚类; 同时为了探究优势菌种与滤池出水理化环境特征及净化效率的关系, 还对这些变量进行了冗余度(redundancy analysis, RDA)排序分析.选择RDA是因为某些污染物指标的k值为负.排序、聚类分析分别在CANOCO 4.5、ORIGIN8.6软件中完成, 其它分析在SPSS 19.0软件中完成.

　　2 结果与讨论2.1 不同运行工况滤池进出水理化特征比较

　　由表 2可知, 4种不同工况生物滤池进出水理化参数间的差异主要体现在温度、溶解氧、氧化还原电位、碱度等指标上, 而电导率、比电导率、总溶解固体、盐度等指标的变化较小.另外, 与3组垂直流滤池相比, 水平流滤池进出水间的差异更小(仅氧化还原电位存在显著差异).进一步比较发现, 经垂直流滤池处理后, 出水温度显著升高, 溶解氧、pH显著降低.温度升高可能是因为曝气所致(鼓风机持续运行发热, 吹出的空气高于室温); 溶解氧、pH降低是因为滤池内部存在硝化过程, 需要消耗溶解氧和碱度.曝气显著提高了滤池出水溶解氧和pH(NVF出水的DO、pH分别与NAVF、MAVF出水的DO、pH相比, 所有P<0.05), 原因可能是因为硝化过程需要消耗CO2, 曝气能不断地向滤池内部输送O2和CO2, 而未曝气滤池硝化过程需要消耗原水中的CO32-或HCO3-, 后者致使pH降低.此外, 依据高立杰等提出的DO等级划分方法, 即<0.3mg·L-1代表厌氧、0.4~0.7 mg·L-1代表兼氧及>1.0mg·L-1代表好氧, 本研究4组滤池内溶解氧含量处于好氧和兼氧水平.