曝气生物滤池(BAF)是将传统过滤作用与生物作用相结合的一种工艺，具有占地面积少、处理效果好等优点^[1-2]，已经被广泛运用于水处理领域。但是BAF的生物除磷效果不理想，低温下反硝化效果有待提高。李东等^[3]采用后置反硝化-BAF工艺处理污水厂尾水，通过外加碳源使出水有机物浓度(COD)、氨氮(NH₄⁺-N)和总氮(TN)平均浓度达到20、1、5 mg/L以下；高欣等^[4]采用前置反硝化-BAF工艺处理低温生活污水，系统出水COD、NH₄⁺-N和TN浓度达到污染物排放一级A标准。以上工艺能够提高BAF系统的处理效果，但工艺复杂，成本较高。目前，已有研究表明某些金属离子(如Fe³⁺、Mg²⁺、Mn²⁺、Zn²⁺)在一定浓度下能提高活性污泥处理系统的脱氮除磷效果^[5-8]。孟雪征等^[9]首次研究了Mg²⁺、Mn²⁺和Zn²⁺等金属离子对活性污泥的影响，发现一定浓度的金属离子会对污泥活性起促进作用；杨涛^[10]发现当铁、锰离子浓度为4.51 mg/L和0.34 mg/L时有利于生物膜的形成。本实验考察了水温15 ℃下Mn²⁺对缺氧/好氧-曝气生物滤池(A/O-BAF)处理效能的影响，以期提高该工艺在较低温度下的脱氮除磷效果，同时了解A/O-BAF系统内微生物的群落多样性的变化情况。此外，实验所用的沸石填料能够对出水中残留的Mn²⁺通过离子交换等方式进行去除，有利于避免金属离子二次污染。

1 材料与方法 1.1 实验装置

如图 1所示，A/O-BAF系统是由缺氧柱和BAF柱两部分组成。其中，缺氧柱和BAF柱的高度分别为3.0 m和2.0 m，缺氧柱和BAF柱的内径为8.0 cm。滤柱的底部设置有缓冲区、内置曝气管和兼做反冲洗的进气管。在缺氧柱和BAF柱承托板上分别装填高度为0.1 m和0.2 m的鹅卵石作为承托层。缺氧柱滤料为陶粒，粒径5-8 mm，高度1.2 m；BAF柱滤料为沸石，粒径3-5 mm，高度1.1 m，从承托层顶端开始每隔0.2 m处设置一个取样口。实验装置采用连续进水，水温为15 ℃、水力负荷为0.50 m³/(m²·h)、气水比为10:1。

1.2 接种污泥和实验用水

反应器接种污泥取自兰州市某污水厂A²/O工艺好氧池。实验用水采用兰州交通大学校园生活污水，进水COD、NH₄⁺-N、TN、TP的浓度范围分别为176.3-423.1、29.3-84.9、37.2-88.8、2.0-10.9 mg/L，平均值分别为275.2、59.6、62.5、5.5 mg/L。Mn²⁺投加方式：在反应器进水桶投加配置好的MnCl₂溶液与原水混合后，使其浓度达到预定值。

1.3 测试项目和分析方法

COD和TN的测定分别采用重铬酸钾比色法和过硫酸钾氧化-紫外分光光度法^[11]；TP和NH₄⁺-N的测定分别采用钼锑抗分光光度法和纳氏试剂分光光度法^[11]；硝酸盐氮和亚硝酸盐氮的测定分别采用麝香草酚分光光度法和N-(1-萘基)-乙二胺分光光度法^[11]；Mn²⁺的测定采用高碘酸钾氧化分光光度法^[11]。COD、TN、硝酸盐氮、亚硝酸盐氮、NH₄⁺-N和TP在每个工况内隔1 d测定1次，单个工况运行时间为20 d；Mn²⁺在每个工况最后一周稳定运行阶段，隔1 d测定1次，共测定3次。在4.0 mg/L工况运行阶段末，在BAF柱内自上而下0、55和110 cm处取填料对其表面生物膜好氧速率和生物膜量进行测定；同时取A/O-BAF-2反应器BAF柱内自上而下55 cm处沸石填料表面和Mn²⁺浓度2.0和4.0 mg/L时A/O-BAF-1反应器BAF柱内自上而下55 cm处沸石填料表面的生物膜样本，分别命名为RO15、MO215和MO415，并委托上海派森诺科技有限公司进行高通量测序。

BAF柱内硝化细菌和反硝化细菌测定：采用MPN法^[11]进行测定，称一定质量的填料置于锥形瓶，振荡使填料上的生物膜脱落，随后进行梯度稀释接种至不同倍数的培养基中(亚硝酸菌采用改良的Stephenson培养基A，硝酸菌采用改良的Stephenson培养基B，反硝化菌采用柠檬酸钠硝酸钾培养基)，每组5个培养管。亚硝酸菌：培养约20 d，将培养液滴于陶瓷比色板上，加入2滴格里斯试剂Ⅰ和Ⅱ，如有亚硝酸盐存在，为红色。硝酸菌：培养约20 d，将培养液滴在陶瓷比色板上，加入2滴格里斯试剂Ⅰ和Ⅱ，如不为红色，表明亚硝酸盐完全消失；此时另外的培养液加入二苯胺试剂2滴，若为蓝色，表示有硝酸菌存在。反硝化菌：培养14 d后观察是否有气泡且变浑浊，将培养液滴在陶瓷比色板上加入格里斯试剂Ⅰ和Ⅱ，若呈现红色则有反硝化菌；若不为红色，则取出培养液滴在陶瓷比色板上，加入二苯胺试剂，若有蓝色出，说明未进行反硝化。

生物膜耗氧速率测定方法：取一定量带有生物膜的填料以及300 mL左右该填料位置的污水，置于锥形瓶中充氧10 min，直至溶解氧达到饱和；将溶氧仪探头放入锥形瓶内，密封瓶口，打开磁力搅拌器，每30 s记录1次溶氧仪读数，记溶解氧的变化为△₁，单独测定污水溶解氧变化△₂，耗氧速度=△₁-△₂。最后将用到的填料烘干，再取反应器中同一位置上的填料，测出生物膜量，计算生物膜耗氧速率。

生物膜量测定方法：取一定量的带有生物膜的填料，将填料放入1%的NaOH溶液中，搅拌至生物膜完全脱落，用蒸馏水清洗数次，放入烘箱烘干至恒重，称得填料的重量M₁，随后将填料放入蒸发皿中，在烘箱内烘干至恒重，称出的重量M₂为填料+蒸发皿的重量；最后将蒸发皿洗干净烘干，称得蒸发皿的重量为M₃。生物膜量=M₁/(M₂-M₃)(gVSS/g)。

2 结果与分析

两个反应器均采用活性污泥接种挂膜法启动：初始阶段反应器水力负荷为0.25 m³/(m²·h)，气水比为10:1，运行30 d后，将水力负荷提高到0.50 m³/(m²·h)，在反应器启动运行50 d后缺氧柱内填料出现黑灰色生物膜，好氧柱内填料表面出现褐色生物膜，且COD和NH₄⁺-N的去除率分别达到90%。反应器挂膜完成后，将投加和未投加Mn²⁺的反应器分别作为实验组(AO-BAF-1)和对照组(AO-BAF-2)，在水温15 ℃、水力负荷0.50 m³/(m²·h)、气水比10:1的条件下，考察不同浓度Mn²⁺对反应器处理效能的影响，每个工况运行周期为20 d，浓度条件分别为1.0、2.0、4.0 mg/L。

2.1 Mn²⁺对污染物去除效能影响与分析

如图 2A所示，Mn²⁺浓度为1.0、2.0和4.0 mg/L时，A/O-BAF-1的COD去除率相比A/O-BAF-2分别提高了2.56%、3.51%和4.24%，说明一定浓度Mn²⁺对A/O-BAF系统的COD去除效果有一定的促进作用。这是因为Mn²⁺能够提高生物膜活性，有助于微生物聚集生长，增加生物膜量^[12]，从而提高反应器对COD的去除效果。

如图 2B所示，Mn²⁺浓度为1.0 mg/L和2.0 mg/L时，A/O-BAF-1的NH₄⁺-N去除率相比A/O-BAF-2分别提高了2.21%和1.92%；Mn²⁺浓度为4.0 mg/L时，A/O-BAF-1的NH₄⁺-N去除率相比A/O-BAF-2仅提高了1.15%，提升率反而有所下降。原因是低浓度Mn²⁺能够刺激硝化过程中微生物酶的合成和转录，增强硝化菌活性，从而提高硝化效果^[13-14]，而过高的Mn²⁺浓度反而对硝化细菌产生了抑制和毒害作用，不利于硝化作用的进行。如图 2C所示，实验组和对照组在不同工况下出水硝态氮都占绝大部分，说明反应器硝化效果较为完全。

如图 2D所示，Mn²⁺浓度为1.0、2.0、4.0 mg/L时，A/O-BAF-1的TN去除率相比A/O-BAF-2分别提高了3.26%、6.26%和7.75%。结合图 2B可知，反应器对TN去除效能的提升远大于氨氮去除效果的提升。这说明Mn²⁺主要是通过增强反硝化效果提高脱氮能力，这与Bai等^[15]的研究相符。其原因一方面是Mn²⁺为微生物体内多种酶的辅助因子(例如丙酮酸歧化酶、多聚酶等)，并且对生物膜活性有促进作用^[16]；且部分反硝化细菌可以将Mn(Ⅱ)氧化为高价Mn(Ⅲ/Ⅳ)氧化物，并进行自养反硝化脱氮^[17]，从而同时达到提供电子供体、除锰和反硝化脱氮的目的。

如图 2E所示，Mn²⁺浓度为1.0 mg/L时，A/O-BAF-1的TP去除率略微提升；Mn²⁺浓度为2.0 mg/和4.0 mg/L时，A/O-BAF-1的TP去除率相比A/O-BAF-2分别提高了12.13%和10.73%。其原因一方面是污水处理系统中存在适量的Mn²⁺能够促进微生物合成更多的EPS，有利于聚磷菌的生长，从而提高反应器的生物除磷效果^[18-19]；另一方面，Mn²⁺在水中生成的氧化产物(Mn₂O₅等)能够通过吸附和络合等多种物理化学作用除磷^[20]。随着Mn²⁺浓度的增加，TP去除效果逐步提升，这是因为随着浓度的增加，Mn²⁺对生物除磷和物理化学除磷的促进作用也逐步增加。当浓度为4.0 mg/L时，TP去除效果有所下降，这可能是因为随着Mn²⁺浓度增加，其对微生物的抑制和毒害作用逐渐显现。

2.2 进水Mn²⁺浓度对AO-BAF反应器出水锰含量的影响

图 3所示为水温15 ℃、水力负荷0.50 m³/(m²·h)、气水比10:1的条件下，稳定运行阶段，各工况下Mn²⁺的平均出水浓度。结果显示当进水Mn²⁺浓度为1.0、2.0、4.0 mg/L时，AO-BAF系统稳定运行时Mn²⁺平均出水浓度分别为0.13、0.31、1.07 mg/L，系统出水锰含量均符合要求。

2.3 Mn²⁺对微生物特性的影响与分析

2.3.1 硝化菌及反硝化菌MPN计数结果:

表 1所示为温度15 ℃、水力负荷0.50 m³/(m²·h)、气水比10:1的条件下BAF柱内硝化及反硝化菌计数结果。结果表明，亚硝酸菌的数量随着Mn²⁺浓度的提高，呈现先上升后下降的趋势，硝酸菌数量有所减少。Mn²⁺浓度为1.0 mg/L时，亚硝酸菌明显增加，硝酸菌变化不大；Mn²⁺浓度为2.0 mg/L和4.0 mg/L时，亚硝酸菌的数量反而有所下降，但实验组亚硝酸菌数量达到空白组的2.0倍，硝酸菌数量相比对照组反而有所下降；反硝化菌的数量随着Mn²⁺浓度的提高呈上升趋势。结合效能数据可以发现，Mn²⁺有利于亚硝酸菌和反硝化菌的生长繁殖从而提高系统亚硝化和反硝化效果，但硝酸菌的生长繁殖易被抑制。

2.3.2 BAF柱内生物膜耗氧速率:

图 4所示为4.0 mg/L Mn²⁺浓度下BAF柱内自上而下0、55、110 cm处填料表面生物膜量耗氧速率测定结果。对比两个反应器，BAF-1相比BAF-2各部分耗氧速率均有所提升。实验测定的SOUR的变化情况与孟雪征等^[9]的研究结果相类似，SOUR是测定最终受氢体——氧的消耗速度，而脱氢酶活性测定^[11]原理为TTC氢受体受氢后变红，根据其显色程度反映其结合的氢离子量，测定脱氢酶活性。因此，SOUR和脱氢酶活性存在不小的相关性，这说明了锰离子对BAF内生物膜活性有促进作用。

2.3.3 BAF柱内生物膜量:

图 5所示为Mn²⁺浓度为4.0 mg/L条件下BAF柱内自上而下0、55、110 cm处填料表面生物膜量测定结果。生物膜量在BAF柱内由上到下呈现递减趋势。对比两个反应器，BAF-1和BAF-2自上而下0 cm处的生物膜量较为接近，但是BAF-1自上而下55 cm和110 cm处填料表面生物膜量比BAF-2分别高出0.002 9 gVSS/g和0.003 3 gVSS/g，生物膜量变化较大。主要原因是Mn²⁺能够促进微生物合成EPS^[15]，从而加速生物膜的成熟，有利于微生物聚集生长，提高生物膜量；另一方面含锰化合物能够通过载体和诱导核心作用吸引微生物在其表面聚集生长^[19-20]。

2.4 Mn²⁺对A/O-BAF系统内微生物群落多样性的影响

由表 2可知，2.0 mg/L和4.0 mg/L Mn²⁺作用下微生物群落多样性大幅增加，样本OTU数量从4 430提高到5 659和5 556。结合ACE指数可以发现^[21]，Mn²⁺作用下BAF柱内微生物种数明显增加；由Simpson和Shannon指数分析可知^[21]，Mn²⁺作用下微生物群落丰富程度明显增加。但随着Mn²⁺浓度升高增加幅度反而有所下降，原因是随着Mn²⁺浓度的升高，其对微生物的抑制和毒害作用逐步显现。

2.4.1 门分类水平下BAF柱内微生物群落组成:

如图 6所示，3个样本中主要的优势菌种门有变形菌门(Proteobacteria)、拟杆菌门(Bacteroidetes)、酸杆菌门(Acidobacteria)、浮霉菌门(Planctomycetes)和硝化螺旋菌门(Nitrospirae)。Mn²⁺作用下变形菌门(Proteobacteria)成为相对丰度最高的优势菌种，变形菌门是一种常见的革兰氏阴性细菌，在污水处理过程中对有机物降解和脱氮起重要作用^[22]。2.0 mg/L Mn²⁺作用下变形菌门相对丰度提升最为明显，为24.9%，随着Mn²⁺浓度继续增加，变形菌门(Proteobacteria)相对丰度提升有所下降；2.0 mg/L和4.0 mg/L Mn²⁺作用下厚壁菌门和放线菌门在样本MO415和MO215中的丰度均高于RO15，厚壁菌门和放线菌门具有降解有机物的功能，且放线菌门的某些细菌能够除磷^[23-25]；Mn²⁺作用下样本MO415和MO215中硝化螺旋菌门(Nitrospirae)的丰度相比RO15均有所减少。Mn²⁺作用下生物膜中具有有机物降解、反硝化和除磷的功能微生物丰度明显增加，使反应器COD去除、反硝化脱氮和除磷能力得到增强。

2.4.2 科分类水平下BAF柱内微生物群落组成:

如7图所示，3个样本中主要的优势菌科为硝化螺菌科(Nitrospiraceae)、丛毛单胞菌科(Comamonadaceae)、芽单胞菌科(Gemmatimonadaceae)、Hyphomonadaceae、黄色单胞菌科(Xanthomonadaceae)和红环菌科(Rhodocyclaceae)。2.0 mg/L和4.0 mg/L Mn²⁺作用下硝化螺菌科的丰度均有所减少，该菌科的硝化螺旋菌属为硝化细菌，可将亚硝酸盐氧化成硝酸盐；丛毛单胞菌科(Comamonadaceae)的丰度提高6.0%和2.1%，丛毛单胞菌科对污水中的有机物、氨氮和亚硝氮有一定的降解作用，且丛毛单胞菌属既能够将氨氮转化为亚硝酸盐氮，并进行反硝化转化为氮气，实现短程硝化反硝化，且易受高浓度重金属离子影响^[26]。2.0 mg/L和4.0 mg/L Mn²⁺作用下Hyphomonadaceae的丰度相比RO15从1.9%提高到3.62%和3.6%，该菌科下多个属具备反硝化功能，通常在贫营养条件下生存^[27]；红环菌科(Rhodocyclaceae)的丰度提高3.3%和3.1%，该菌科有除磷功能^[28]；黄色单胞菌科(Xanthomonadaceae)的丰度提高0.8%和1.2%，黄色单胞菌是一种常见的除磷微生物，可以去除污水中的有机磷^[29-30]。Mn²⁺作用下AO-BAF系统对TN和TP效果的提升主要是因为Mn²⁺能够促进生物膜中亚硝化、反硝化和除磷微生物的生长。随着进水Mn²⁺浓度的提高，部分微生物的相对丰度增加幅度有所减少，这与效能实验中继续提高进水Mn²⁺浓度处理效果变化不明显，甚至氨氮和TP去除效果提升幅度略有下降的现象相符。

2.4.3 属分类水平下热图和聚类分析:

图 8为属分类水平下丰度前50位的热图。样本MO215中以NO₃^--N作为电子受体进行自养反硝化脱氮的Sulfuritalea^[31]，可进行反硝化脱氮的Thermomonas和Thauera^[32]，以及能将NH₄⁺-N转化成NO₂^--N的亚硝化单胞菌属(Nitrosomonas)^[33]；具有反硝化脱氮能力的Denitratisoma属^[34]，既能够将氨氮转化为亚硝酸盐氮，还可进行反硝化转化为氮气；实现短程硝化反硝化的Comamonas属^[35]，是样本中相对优势的菌属，相比RO15丰度明显增加。样本MO415中Nitrosomonas、Thermomonas、Acidibacter和Comamonas等菌属的相对丰度相比RO15有所增加，Thuaera、Denitratisoma和Comamonas等的相对丰度相比样本MO215有所减少，但高于样本RO15。结果表明，适宜浓度Mn²⁺作用下BAF柱内优势菌属变化明显，反硝化菌属Thauera、Thermomonas、Denitratisoma、Sulfuritalea和Comamonas等的相对丰度明显增加，是生物膜中相对优势的菌属，从而提高反应器的反硝化脱氮效果。

3 讨论

如图 2和表 1所示，2.0 mg/L Mn²⁺作用下反应器TN和TP去除率明显提高，当Mn²⁺浓度继续提高到4.0 mg/L时TP和氨氮的去除率提升幅度有所下降；Mn²⁺作用下亚硝酸菌和反硝化菌的数量明显增加，但硝酸菌的生长繁殖被抑制，数量有所下降。微生物测定结果表明：Mn²⁺作用下微生物群落多样性大幅增加，样本OTU数量大幅提高。BAF柱内变形菌门、厚壁菌门和放线菌门在实验组样本中的丰度均高于对照组，变形菌门是常见的革兰氏阴性细菌，对有机物降解和脱氮起重要作用^[22]，而放线菌门的某些菌种能够进行生物除磷^[23-25]；黄色单胞菌科(Xanthomonadaceae)和红环菌科(Rhodocyclaceae) 等具有除磷功能的微生物相对丰度明显增加^[28-31]，说明Mn²⁺在污水中除了能够在水中生成的氧化产物通过吸附、络合和沉淀等物理化学方式除磷外，Mn²⁺还能促进除磷微生物的生长繁殖提高反应器生物除磷效果。此外，Mn²⁺作用下反硝化菌属Thauera、热单胞菌属Thermomonas、Denitratisoma、Sulfuritalea和Comamonas等的相对丰度明显增加，成为生物膜中较为优势的菌属，是提高反应器反硝化脱氮能力的基础；随着进水Mn²⁺浓度继续提高，这些菌种的提升幅度有所下降，说明高浓度Mn²⁺反而不利于微生物生长繁殖。Mn²⁺主要是通过促进BAF柱内生物膜中的有机物降解、亚硝化、反硝化和除磷微生物的生长来提高反应器COD去除、脱氮和生物除磷效果，但对硝化的促进效果并不明显。此外随着Mn²⁺浓度的进一步提高，其对微生物的抑制作用也会逐渐显现，不利于反应器的脱氮除磷。

4 结论

(1) 水温15 ℃时，相比对照组，A/O-BAF系统在2.0 mg/L Mn²⁺作用下A/O-BAF系统的COD、NH₄⁺-N、TN、TP去除率分别提高3.51%、2.21%、6.26%和12.13%；4.0 mg/L Mn²⁺作用下COD、NH₄⁺-N、TN、TP去除率分别提高了4.24%、1.92%、7.75%和10.73%。Mn²⁺对TN和TP的去除效果促进较为明显，对COD和NH₄⁺-N去除效果有一定促进作用。

(2) Mn²⁺作用下A/O-BAF系统内亚硝酸菌和反硝化菌的数量明显增加；硝酸菌在1.0 mg/L Mn²⁺作用下数量有所增加，但随着Mn²⁺浓度继续升高呈下降趋势。Mn²⁺主要是通过促进A/O-BAF系统的亚硝化和反硝化作用提高系统脱氮效果，但对硝化的促进效果并不明显，且硝酸菌易被Mn²⁺抑制，Mn²⁺投加量为2.0 mg/L时便会开始抑制A/O-BAF系统内硝酸菌的生长。此外，Mn²⁺作用下BAF柱内生物膜活性和生物膜量明显提高。

(3) Mn²⁺作用下A/O-BAF系统内不同分类水平优势菌群的相对丰度发生改变，群落多样性大幅增加。2.0 mg/L和4.0 mg/L Mn²⁺作用下，样本OTU数量从4 430分别提高到5 659和5 556；系统内变形菌门、厚壁菌门、放线菌门、Comamonadaceae、Hyphomonadaceae、黄单胞菌科(Xanthomonadaceae)、红环菌科(Rhodocyclaceae)、陶厄式菌属(Thauera)、Denitratisoma、Sulfuritalea和Thermomonas等在实验组的丰度相比对照组均有所提高，硝化螺旋菌门(Nitrospirae)和硝化螺旋菌科的相对丰度有所减少。其中，Thauera、热单胞菌属(Thermomonas)、Denitratisoma、Sulfuritalea和Comamonas等为反硝化菌属，Comamonas还具有短程硝化反硝化能力；黄色单胞菌科(Xanthomonadaceae)和红环菌科(Rhodocyclaceae)等具有除磷功能。Mn²⁺主要是通过促进BAF柱内生物膜中的亚硝化、反硝化和除磷微生物的生长来提高反应器脱氮和生物除磷效果。此外随着Mn²⁺浓度的进一步提高，Mn²⁺对微生物的抑制作用也会逐渐显现，不利于反应器的脱氮除磷。