着生生物群落对污水厂排水的水质响应与工艺反馈研究

The effluent of wastewater treatment plant is the main gateway for micropollutants entering environment. The micropollutants of effluent correspond to the ecological responses of community in receiving river. Based on this hypothesis, our project is to explore the ecological responses of periphyton (a sensitive community to water pollution) to the typical micropollutants discharged from different treatment processes by determining various endpoints (community diversity, metabolic function, and pollution-induced community tolerance). The proposed project will further study the periphyton community responses to complex micropollutants. The key scientific issues in the project include (i) degradation and transformation of micropollutants in different treatments; (ii) mechanism for periphyton community responses to complex pollutants; (iii) treatment process optimization based on the indication of periphyton responses. The study aims to reveal the ecological effects of the effluents from different wastewater treatment-process plants; innovate ecotoxicity assessment of effluent from wastewater treatment plant, and provide technical support for the selection and optimization of treatment process.

城市污水处理厂排水是微量污染物进入到水生生态系统的主要通道，排水中微量污染物的种类、浓度与受纳水体生物群落的生态响应相互对应。据此，本项目以对污染物敏感的着生生物群落为暴露受体，深入探讨了着生生物群落在不同端点（多样性、代谢功能、污染耐受性）对不同处理工艺排水中典型微量污染物的响应特征，揭示了微量污染物共暴露条件下的着生生物群落变化规律。项目系统研究了不同处理工艺对微量污染物的降解及转化、受纳水体着生生物群落对排放的复合污染物响应机制、以着生生物群落变化为指示的污水处理工艺优化原理等关键科学问题，揭示了不同污水处理工艺排水对受纳环境的生态影响。研究将创新污水处理厂排水生态毒理效应评价方法并为处理工艺选择及优化提供技术支持。

传统的市政污水厂所采用的生物处理工艺不能有效去除废水中的微量污染物，大部分微量污染物随排水进入受纳水生生态系统中。由于排水中污染物的种类、浓度与受纳水体生物群落（特别是着生生物）的生态响应相互对应。据此，本项目以北京污水厂受纳河流为研究对象，重点关注（1）受纳水体着生生物群落对排放的复合污染物响应机制；（2）以着生生物群落变化为指示的污水处理工艺优化原理这两个关键科学问题。研究选取对污染物敏感的着生生物群落和浮游生物群落作为暴露受体，探讨了四个污水厂受纳河流微生物对污水厂污染物排放的响应。研究结果表明污水处理厂受纳河流微生物群落的α和β多样性主要受季节因素影响较大，污染物排放影响较小。从微生物群落物种组成来看，Betaproteobacteria是污水处理厂出水及受纳河流中相对丰度最大的物种（20%-55%）。通过多元非参数分析，识别出氨氮、溶解氧是影响受纳河流微生物群落的重要水质因子。对受纳河流着生生物膜与浮游微生物的群落结构的研究发现，两者具有显著差异（R>0.716，P=0.001），其中着生生物膜中优势门类为蓝藻门，而浮游微生物群落中优势门类为变形菌门。同时，由于浮游生物群落对于水质变化十分敏感，可以通过浮游微生物的群落组成来指示水质的瞬时变化，而着生生物膜群落由于构成复杂可以用来指示水体的长期变化。此外我们提出了能准确反映营养水平与微量污染物共同影响的生物指标，我们通过蓝细菌的绝对浓度（细菌量/mL 河水）和单个细菌代谢速率来反映这种共同影响。对污水受纳河流中病原菌与毒性因子的研究表明，着生生物膜不仅易于富集毒性因子，而且大部分毒性因子都是被病原菌属所携带，其生态健康风险相比于河水更大。同时毒性因子数量及类型分布与微量污染物排放呈正相关。结合研究结果与北京污水厂采用的污水处理工艺，我们认为臭氧和生物滤池工艺能有效减少微量污染物排放从而减小受纳河流着生生物的毒性。