旋转生物接触器(RBCs)中工艺优化与微生物群落动态对氨氮去除的协同机制研究

为解决污水处理厂(RBCs)氨氮(NH3)去除效率不均衡问题，研究人员通过流量均衡化与pH调节工艺优化，结合16S rRNA测序和新型统计方法(PPCA+SCPCA)，发现流量分配是提升RBC B氨氮去除的关键因素，微生物群落变化影响较小。该研究为污水处理工艺优化提供了分子生物学与统计学交叉创新范例。

　　

污水处理领域长期面临氨氮(NH₃)排放导致的富营养化问题，旋转生物接触器(RBCs)作为主流生物处理工艺，其氨氮去除效率受多重因素影响。加拿大Beechville-Lakeside-Timberlea污水处理厂发现并联运行的RBC A与RBC B存在显著性能差异——RBC A始终达标而RBC B冬季频繁超标，这种"双胞胎反应器"的迥异表现引发了研究者对工艺参数与微生物群落关系的深入探究。

研究团队创新性地采用流量分配器均衡两套RBC系统进水，并逐步将进水pH从9.5提升至10.2。通过长达17个月的跟踪监测，结合Poisson校正主成分分析(PPCA)和逐步共同主成分分析(SCPCA)等前沿生物信息学方法，揭示了工艺调整与微生物响应的复杂互动关系。

关键方法

1. 1.

   多变量线性回归模型：分离流量均衡化与pH调节的独立/协同效应

2. 2.

   微生物群落分析：采集17个时间点的水/污泥/生物膜样本，使用Illumina MiSeq平台进行V6V8区16S rRNA测序

3. 3.

   新型统计模型：PPCA校正泊松噪声，SCPCA+PPCA识别跨处理阶段的共同微生物因子

4. 4.

   线性判别分析(LDA)：量化微生物群落分离程度

研究结果

3.1 工艺调整前的氨氮去除性能

历史数据显示RBC A出水氨氮稳定在0.50±1.05 mg-N/L，而RBC B高达3.95±3.98 mg-N/L，且冬季恶化趋势明显。两套系统进水氨氮相同(27.6±12.5 mg-N/L)，但去除率差异暗示可能存在流量分配不均。

3.2 工艺调整后的性能改善

流量均衡化后，RBC B氨氮去除率提升29%(至2.76±3.34 mg-N/L)，而RBC A保持稳定。回归分析证实：在pH 9.27-9.91区间，流量调整使两套系统去除率分别提升15%和22%，但pH>9.91时反而抑制效果。

3.3 微生物群落特征

PPCA-LDA分析显示两套RBC生物膜群落显著分离(错误率0.06 vs基线0.50)。尽管共享优势菌群(硝化螺菌Nitrospira占NOB的82%，亚硝化单胞菌Nitrosomonas占AOB的67%)，但菌群结构差异可能与原始流量差异导致的营养负荷不同有关。

3.4 流量均衡化的微生物响应

SCPCA+PPCA分析显示工艺调整仅引起微小群落变化(LDA错误率0.24 vs基线0.31)。值得注意的是，RBC B的Nitrosomonas丰度增加2倍，结合延长HRT(水力停留时间)共同促进了氨氮氧化。

结论与意义

该研究通过多学科方法证实：流量均衡化而非pH调节是改善RBC B性能的主因，微生物群落的适度调整起辅助作用。创新性地证明：1) 成熟RBC系统的微生物群落具有强稳定性；2) 工艺优化可优先考虑物理参数调整；3) 高级分子工具能有效解析"黑箱"生物处理过程。成果发表于《Journal of Water Process Engineering》，为污水处理厂快速诊断与精准优化提供了新范式，特别对解决并联系统性能差异问题具有重要实践指导价值。