2023, Vol. 40
2. 天津化学化工协同创新中心, 天津 300072;
3. 天津大学化学工程联合国家重点实验室, 天津 300350;
4. 中油(新疆)石油工程有限公司设计分公司, 新疆 克拉玛依 834000;
5. 新疆油田公司工程技术研究院地面工程研究所, 新疆 克拉玛依 834000;
6. 南开大学环境科学与工程学院, 天津 300071
2. Collaborative Innovation Center of Chemical Science and Technology, Tianjin 300072, China;
3. State Key Laboratory of Chemical Engineering, Tianjin University, Tianjin 300350, China;
4. Xinjiang Petroleum Engineering Co., Ltd., Design Branch, Xinjiang Karamay 834000, China;
5. Engineering Technology Research Institute of Xinjiang Oilfield Company, Xinjiang Karamay 834000, China;
6. College of Environmental Science and Engineering, Nankai University, Tianjin 300071, China
压裂作业作为油气田增产的主要措施，被广泛应用于油气田的开采过程。水力压裂技术大规模应用的同时，伴随着大量压裂返排液的产生[1]。由于具有高化学需氧量(COD)、高盐度、高黏度以及难以降解等特点，未经适当处理的压裂返排液的直接排放会严重威胁水环境安全和人类健康[2, 3]。目前，压裂返排液的处理研究大多沿用传统方法，这些方法普遍存在处理成本高、出水稳定性差、二次污染等问题，探索一种更加经济高效的处理方法对于油气开采的可持续发展具有重要意义。
膜曝气生物膜反应器(Membrane Aerated Biofilm Reactor, MABR)是一种集气体分离膜工艺与生物膜工艺于一体的新型污水处理技术[4]。疏水透气性中空纤维膜不仅可以用于无泡曝气，还可作为生物膜的载体。MABR系统生物膜内氧气和污染物异向传质，并可通过控制供氧条件使生物膜产生功能活性分层，通过生物膜内多种微生物的协同作用实现水体的净化[5]。MABR具有无泡曝气、适应能力强、运行成本低等优势，在污水处理领域有着广阔的应用前景。近年来，MABR技术已逐渐应用于多种类型的污水处理研究，包括市政污水[6]、制药废水[7]、含油废水[8]等，且部分领域已实现规模化应用。
本研究首次将MABR技术应用于压裂返排液的处理。根据压裂返排液的水质特点，设计并构建了三级MABR系统实验装置。MABR-1重点提高压裂返排液的生物降解性以及反硝化脱氮；MABR-2的作用是去除大部分氨氮(NH4+-N)和COD；MABR-3用于进一步强化碳氮污染物的脱除。通过优化运行参数使MABR系统获得优异的除碳脱氮效果，并利用高通量测序对MABR生物膜的生物多样性和群落结构进行了分析。
1 实验部分 1.1 MABR膜与膜组件本实验中使用的MABR膜是由天津海之凰科技有限公司提供的复合高分子材料中空纤维膜。该中空纤维膜氧气传质阻力低，有利于氧气的扩散，可以降低曝气压力，减少能耗；膜表面结构粗糙，有利于微生物的附着；机械性能优异，能够避免在安装过程中出现破损；抗氧化能力和抗腐蚀能力强，适合长期运行使用。单个膜组件包含200根膜丝，每个反应器内放置1个膜组件，MABR中使用的中空纤维膜既是氧气的提供者，也为微生物生长提供了载体。MABR膜组件参数如表 1所示。
| 膜组件参数 | 数值 |
| 组件长度/m | 1.5 |
| 膜丝外径/μm | 700~800 |
| 壁厚/μm | 80~100 |
| 膜丝数量/根 | 200 |
| 组件数量/个 | 3 |
| 总表面积/m2 | 1.41 |
| 膜丝拉伸强度/MPa | 45 |
如图 1所示，本实验中所用的三级膜曝气生物膜反应器系统由3个反应器串联组成，分别命名为MABR-1、MABR-2和MABR-3。每个反应器都是由厚度为10 mm的透明亚克力板组成的长方体，方便观察反应器内部生物膜的生长情况。单个反应器的长、宽、高分别为33、15和18 cm，有效体积为6 L。由200根长为1.5 m的中空纤维膜丝组成的膜组件通过上下缠绕的方式固定在反应器内。在研究过程中，利用蠕动泵将压裂返排液(水质参数如表 2所示)泵入MABR-1，然后溢流至MABR-2和MABR-3。通过将出水回流至MABR-1，回流比为100%，进一步提高进水中难降解有机物的可生化性。通过调节蠕动泵的转速控制压裂返排液的水力停留时间。反应器内采用循环泵调节流量，以促进污染物向生物膜内的传质。反应器2侧设有布水器，避免了水流对生物膜的严重冲击。生物膜中的氧气由空气压缩机提供。曝气压力由阀门控制，压力表监测。在pH值为7.64、水力停留时间(HRT)为24 h、回流比为100%以及MABR-1、MABR-2和MABR-3的曝气压力分别为0.01、0.03和0.02 MPa的条件下，将营养液和压裂返排液配制成进水，通过逐步增加进水中压裂返排液的比例，经过20%~100% 5个梯度的压裂返排液的25 d驯化后，MABR系统的COD和TN去除率分别达到65.84%和61.60%，表现出较好的除碳脱氮性能。
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| 图 1 MABR系统装置示意图 Fig.1 Schematic diagram of the MABR system |
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| 水质参数 | 数值 |
| COD/(mg·L-1) | 820~1 200 |
| BOD5/(mg·L-1) | 172 |
| NH4+-N/(mg·L-1) | 18.4~25.4 |
| NO3--N/(mg·L-1) | 10.4~12.6 |
| TN/(mg·L-1) | 65~87 |
| Salinity/% | 0.68 |
| pH | 7.64 |
在实验过程中，在MABR-1、MABR-2、MABR-3的曝气压力分别为0.01、0.03和0.02 MPa以及水力停留时间为24 h的条件下，通过加入碳酸钠-碳酸氢钠缓冲溶液将pH值分别调为5、6、7、8和9，探究进水pH值对MABR系统的污染物去除的影响，确定最适宜的pH值。在最适pH值和水力停留时间为24 h的条件下，逐级优化MABR-1、MABR-2和MABR-3的曝气压力，探究曝气压力对MABR系统的污染物去除的影响，MABR-1、MABR-2和MABR-3的曝气压力范围分别为0.005~0.015、0.03~0.05和0.02~0.03 MPa，确定各级反应器的最适宜曝气压力。在最适宜pH值和最适宜曝气压力下，探究水力停留时间对MABR系统的污染物去除的影响，水力时间分别设为12、18、24和30 h。随后在最适宜运行参数下连续运行30 d考察系统的稳定性。
1.4 分析方法实验过程中COD、TN、NH4+-N、NO3--N浓度均采用多参数水质测定仪测定(DR3900，DRB200，美国Hach)。DO浓度采用便携式溶氧测定仪(HQ30d，美国Hach)测定。pH值采用pH计(Delta320，美国Mettler Toledo)测定。通过高通量测序技术对微生物群落进行分析(MiSeq，PE300，苏州金唯智生物科技)。
2 结果与讨论 2.1 pH值对污染物去除效率的影响在MABR-1、MABR-2、MABR-3的曝气压力分别为0.01、0.03和0.02 MPa以及水力停留时间为24 h的条件下，在每个pH值工况下运行7 d时间，每24 h进行1次水质监测，研究pH值对污染物去除的影响。MABR系统在不同的pH值下对COD的去除情况如图 2所示。实验进水COD在1 002~1 102 mg·L-1之间。当pH值从5增加到9时，出水COD先从675 mg·L-1降低到422 mg·L-1，再增加到517 mg·L-1。与此同时，MABR系统的COD去除率从36.82%增加到61.44%，然后再降低到51.61%。pH值会影响微生物细胞质膜的结构和渗透性，进而影响微生物降解活性[9]。
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| 图 2 pH值对MABR系统的COD去除效果的影响 Fig.2 The effect of pH on COD removal performance |
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在不同的pH值条件下，MABR系统对氨氮的去除情况如图 3所示。
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| 图 3 pH值对MABR系统的氨氮去除效果的影响 Fig.3 The effect of pH on NH4+-N removal performance |
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从图 3可以看出，进水的pH值对MABR系统的硝化过程有显著的影响。实验期间，进水氨氮浓度在19.9~21.6 mg·L-1之间。当pH值从5增加到9时，出水氨氮浓度先从9.7 mg·L-1降低到1.4 mg·L-1，再增加到3.2 mg·L-1。与此同时，MABR系统的氨氮去除效率先53.57%增加到93.52%，然后再降低到85.07%。根据之前的研究结果，硝化细菌对pH值的变化较为敏感，硝化细菌在酸性条件下的活性很低，当pH值小于6时几乎检测不到硝化细菌的活性[10]，所以当pH值为5时氨氮去除效率较低。pH值对于HCO3-和CO2之间和NH4+-N和NH3之间的转化平衡有显著影响。当pH值过高，在碱性条件下更多的NH4+-N转化为游离氨(FA)，抑制硝化细菌的活性，降低了氨的生物利用率[11]，所以当pH值为9时出现氨氮去除效率下降的情况。
在不同的pH值条件下，MABR系统对总氮的去除情况如图 4所示。
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| 图 4 pH值对MABR系统的总氮去除效果的影响 Fig.4 The effect of pH on TN removal performance |
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如图 4所示，pH值对总氮的去除效率的影响与氨氮相似。实验期间，进水总氮浓度在70~77 mg·L-1之间。当pH值从5增加到9时，出水总氮浓度从52 mg·L-1降低到29 mg·L-1，再增加到40 mg·L-1。与此同时，MABR系统的总氮去除率从25.99%增加到60.88%，然后再降低到45.02%。在酸性条件下，MABR系统的总氮去除率大幅降低，一方面是因为硝化细菌活性被抑制，另一方面是反硝化细菌的活性也受到影响。
硝化反应是一个消耗碱度的过程，反硝化作用是一个产生碱度的过程，总体上脱氮过程是一个消耗碱度的过程，硝化速率大于反硝化速率，在碱性条件下会中和一部分酸，所以MABR系统在中性或弱碱性环境中污染物处理效果最好。压裂返排液的pH值为7.64，刚好处于最适宜的pH值范围之间，所以在后续的研究中我们对压裂返排液的pH值保持在原值7.64。
2.2 曝气压力对污染物去除效率的影响在pH值为7.64和水力停留时间为24 h的条件下，通过对MABR-1、MABR-2、MABR-3三级反应器进行逐级优化，讨论曝气压力对各级反应器的污染物去除的影响。曝气压力实验运行了63 d，在每个曝气压力下运行了7 d，每24 h进行1次水质监测，不同曝气压力下MABR-1对污染物的去除情况如图 5所示。
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| 图 5 曝气压力对MABR-1的污染物去除效率的影响 Fig.5 The effect of aeration pressure on pollutant removal rate of MABR-1 |
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从图 5可以看出，当曝气压力从0.005 MPa增加到0.015 MPa时，MABR-1的COD去除率从14.73%升高到21.24%，硝氮去除率从60.74%降低到48.51%，出水的氨氮浓度38.5 mg·L-1降低到28.6 mg·L-1，总氮去除率从36.42增加到41.64%，再降低到40.35%。由于MABR-1的进水有机负荷较高、曝气压力较低，溶解氧(DO)在0.12~0.46 mg·L-1之间，使MABR-1中形成了厌氧环境。在厌氧环境中，水解酸化过程将大分子有机物转化为小分子物质，增强了MABR-1出水的可生化性。在大分子有机物分解成小分子物质的过程中，MABR-1中有机氮被释放经过氨化作用形成氨氮，导致出水氨氮浓度比进水高[12]。硝氮的去除率逐渐降低，说明水体中溶解氧的逐渐增加抑制了反硝化作用。当曝气压力从0.010 MPa增加到0.015 MPa时总氮去除效率下降，此时的溶氧环境不利于反硝化过程，反应器内的有机物主要被好氧菌所去除。MABR-1的主要功能是提高压裂返排液的可生化性以及反硝化脱氮。此外，MABR-1还起到了缓冲池的作用，可以有效地抵抗压裂返排液中毒害物质的影响。综合考虑COD和总氮的去除效果，将MABR-1的曝气压力设定为0.010 MPa。
不同曝气压力下MABR-2对污染物的去除情况如图 6所示。
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| 图 6 曝气压力对MABR-2的污染物去除效率的影响 Fig.6 The effect of aeration pressure on pollutant removal rate of MABR-2 |
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从图 6可以看出，当曝气压力从0.030 MPa增加到0.050 MPa时，DO浓度在1.54~2.33 mg·L-1之间，MABR-2的COD去除率从56.74%增加到61.58%，氨氮去除率从46.52%增加到69.76%，硝氮浓度从16.8 mg·L-1增加24.2 mg·L-1，总氮去除率从54.46%增加到59.68%，然后再降低到52.82%。总体上MABR-2的COD去除效率高于MABR-1，一方面是因为MABR-2的进水可生化性显著提高，另一方面是更高的曝气压力增强了异养菌的活性。随着曝气压力逐渐增大，异养菌的活性增强使得反应器具有更高的COD去除率。当曝气压力大于0.040 MPa时，COD去除率增幅不大，说明供氧速率不再是影响MABR系统COD去除性能的限制因素。随着曝气压力增加，硝化细菌的活性增强使得氨氮去除率增加。随着曝气压力增加，硝化速率升高，反硝化受到抑制，反硝化速率下降，造成MABR-2中NO3--N浓度的累积。当曝气压力过高时，水体中剩余的总氮基本上以硝氮的形式存在。而曝气压力过低，由于硝化反应不完全使得出水氨氮浓度依然较高。因此，将MABR-2的最适宜曝气压力设定为0.040 MPa。
不同曝气压力下MABR-3对污染物的去除情况如图 7所示。
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| 图 7 曝气压力对MABR-3的污染物去除效率的影响 Fig.7 The effect of aeration pressure on pollutant removal rate of MABR-3 |
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从图 7可以看出，当曝气压力从0.02 MPa增加到0.030 MPa时，DO浓度在1.48~1.82 mg·L-1之间，MABR-3的COD去除效率从65.64%增加72.12%，氨氮去除率从90.15%增加到95.07%，总氮去除率从74.32%降低到68.87%。MABR-3用于进一步强化碳氮污染物的脱除。经过MABR-2的处理，MABR-3的进水有机物负荷降低，不需要过高的曝气压力。当曝气压力分别为0.025 MPa和0.030 MPa时，MABR-3的氨氮的去除率基本相同，说明曝气压力的增加不能再显著提高MABR-3对氨氮的去除率。一方面，充足的氧气有利于COD的进一步去除和硝化过程。另一方面，过量的氧气会抑制反硝化过程，影响总氮的去除效果。综合考虑污染物的去除性能，将MABR-3的最适宜曝气压力设定为0.025 MPa。
2.3 水力停留时间对污染物去除效率的影响在pH值为7.64和MABR-1、MABR-2、MABR-3的曝气压力分别为0.010、0.040和0.025 MPa的条件下，MABR系统运行了28 d，在每个水力停留时间下运行7 d，每24 h进行1次水质监测，讨论水力停留时间对污染物去除的影响。不同水力停留时间下MABR系统对COD的去除情况如图 8所示。
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| 图 8 水力停留时间对MABR系统的COD去除效果的影响 Fig.8 The effect of HRT on COD removal performance |
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从图 8可以看出，实验进水COD在1 044~1 103 mg·L-1之间。当水力停留时间从12 h增加到30 h，出水COD先从574 mg·L-1降低到267 mg·L-1，再增加到272 mg·L-1。与此同时，MABR系统的COD去除率从45%增加到75.28%。当水力停留时间从24 h增加到30 h，MABR系统的COD去除率仅小幅增加，说明水力停留时间不再是影响MABR系统的COD去除性能的限制因素，增加水力停留时间不再能显著提升COD去除率。
在不同水力停留时间下MABR系统对氨氮的去除情况如图 9所示。
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| 图 9 水力停留时间对MABR系统的氨氮去除效果的影响 Fig.9 The effect of HRT on NH4+-N removal performance |
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从图 9可以看出，实验进水氨氮在19.9~21.2 mg·L-1之间。当水力停留时间从12 h增加30 h，出水氨氮从5.3 mg·L-1降低到0.9 mg·L-1。与此同时，MABR系统的氨氮去除率从73.25%增加到95.75%。氨氮的去除效率随着水力停留时间的缩短而降低，因为水力停留时间的减少意味着MABR系统单位时间内有机物负荷的升高，为生物膜中好氧异养微生物的生长提供了更多的碳源。异养微生物的生长繁殖伴随着耗氧量的增加，加剧了微生物之间对氧气的争夺。硝化细菌是一种化能自养细菌，其对氧的竞争能力弱于异养细菌，使其在氧气的竞争中处于劣势[13, 14]。异养细菌在降解有机污染物的过程中消耗了大部分的氧气，使硝化细菌的活性受到抑制。因此，过短的水力停留时间不利于氨氮的去除。
在不同水力停留时间下MABR系统对总氮的去除情况如图 10所示。
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| 图 10 水力停留时间对MABR系统的总氮去除效果的影响 Fig.10 Effects of HRT on TN removal performance |
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从图 10可以看出，实验进水总氮在69~78 mg·L-1之间。当水力停留时间从12 h增加到30 h，出水总氮先从36 mg·L-1降低到20 mg·L-1，然后再增加到24 mg·L-1。与此同时，MABR系统的总氮去除率先从49.48%增加到74.36%，然后降低到67.94%。微生物通过反硝化作用将NO3--N转化为N2，最终从MABR系统释放出去。反硝化细菌多为异养细菌，通常以碳源为电子供体，在厌氧条件下完成反硝化。随着水力停留时间的增加，MABR系统的有机负荷降低，好氧异养菌耗氧量随着有效碳源的减少而降低，导致溶解氧浓度的增加，从而抑制了反硝化细菌的生长。因此，过长的水力停留时间会使的反硝化过程不能彻底进行，导致TN的去除效率下降。脱氮过程是一系列连续的反应，其中硝化反应是限速环节[15]。过短的水力停留时间使得硝化反应不能彻底进行，进而阻碍了TN的去除。TN是有机氮和各种形态无机氮的总量，降低TN的关键是实现硝化和反硝化的平衡，使各种形式的含氮物质浓度降到最低。综上所述，最适宜水力停留时间设定为24 h。
2.4 MABR系统在最适宜参数下的长期性能在pH值为7.64、水力停留时间为24 h以及MABR-1、MABR-2、MABR-3的曝气压力分别为0.010、0.040和0.025 MPa的最适宜运行参数下连续运行30 d，出水COD浓度最低达到224 mg·L-1，COD去除率达79.30%，MABR系统实现了对压裂返排液COD的高效去除。出水经芬顿试剂(H2O2: 100 mg·L-1；Fe3+: 100 mg·L-1)处理3 h后，COD降至92 mg·L-1，达到污水综合排放标准(GB 8978-1996)二级标准的要求。出水NH4+-N浓度最低达到了0.8 mg·L-1，氨氮去除率达到了96.06%。出水最低总氮浓度达到了20 mg·L-1，总氮去除率达75.61%，达到了污水综合排放标准(GB 8978-1996)二级标准的要求。
2.5 微生物群落分析实验通过16s rDNA高通量测序技术分析了4个样本的微生物群落组成和多样性，4个样本分别是：活性污泥(S0)；MABR-1内的生物膜(S1)；MABR-2内的生物膜(S2)；MABR-3内的生物膜(S3)。S1、S2和S3 3个生物膜样本是在MABR系统处于最适宜运行条件下稳定运行时取样的。
2.5.1 门水平如图 11所示，在门水平上，活性污泥和生物膜在生物群落结构组成方面存在明显的差异。S0组别样品中的优势菌属依次为：Proteobacteria(47.34%)、Bacteroidetes(31.35%)、Acidobacteria(7.00%)和Chloroflexi(3.77%)；S1组别样品中的优势菌属依次为：Proteobacteria(49.10%)、Bacteroidetes(36.35%)、Acidobacteria(7.30%)和Chloroflexi(1.30%)；S2组别样品中的优势菌属依次为：Proteobacteria(38.36%)、Bacteroidetes(38.78%)、Dependentiae(6.84%)、Patescibacteria(6.31%)和Gemmatimonadetes(4.93%)；S3组别样品中的优势菌属依次为：Proteobacteria(43.73%)、Bacteroidetes(41.93%)、Acidobacteria(8.33%)和Zixibacteria(1.35%)。
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| 图 11 门水平下的细菌群落组成 Fig.11 Bacterial community distribution on phylum level |
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Proteobacteria是各种污水处理系统中含量最高的菌群之一，通常占据优势地位[16-18]，大部分Proteobacteria能够以有机物作为碳源，是典型的兼性异养菌，压裂返排液中的COD大部分由此类微生物降解，很多与反硝化相关的菌群都隶属于该门类[19, 20]。MABR-1中形成了厌氧环境，有利于反硝化细菌的生长，所以Proteobacteria在生物膜样本S1中的丰度较其在活性污泥样本S0的丰度有所提高。Bacteroidetes是化能自养菌，具有降解压裂返排液中有毒物质和大分子碳水化合物的能力[21]，适合在高盐度环境中生存，并且其相对丰度随盐度增加呈上升趋势[22]。压裂返排液的盐度较高，经过压裂返排液驯化后，Bacteroidetes在3个反应器中的丰度均高于活性污泥样本的丰度。Acidobacteria广泛存在于在污水处理系统和MABR系统中，可将NO3--N和NO2--N还原成N2。Chloroflexi在生物膜中的丰度较其在活性污泥中的丰度下降，说明Chloroflexi的部分菌群被压裂返排液的高盐度环境筛选淘汰。生物膜样本中Nitrospirae的相对丰度出现不同程度地下降，表明Nitrospirae作为亚硝酸盐氮氧化菌易受到盐度的影响。从生物膜样本之间对来看，生物膜样本S2中的Patescibacteria、Dependentiae和Gemmatimonadetes的丰度明显要比其在S1和S3中的丰度要高，这3个菌门的细菌可能与MABR-2在MABR系统中贡献出最多的污染物去除效率有关。
2.5.2 纲水平如图 12所示，在纲水平上，S0组别样品中的优势菌群Bacteroidia、Gammaproteobacteria、Alphaproteobacteria、Blastocatellia和Saccharimonadia的丰度分别为28.65%、24.63%、21.61%、5.73%和2.71%；S1组别的样品中的优势菌群Gammaproteobacteria、Bacteroidia、Alphaproteobacteria、Blastocatellia和Ignavibacteria的丰度分别为33.11%、31.20%、13.96%、6.97%和4.79%；S2组别的样品中的优势菌群Bacteroidia、Gammaproteobacteria、Alphaproteobacteria、Babeliae和Saccharimonadia的丰度分别为37.82%、27.91%、8.87%、6.84%和6.31%；S3组别的样品中的优势菌群Bacteroidia、Gammaproteobacteria、Alphaproteobacteria、Blastocatellia和Ignavibacteria丰度分别为34.02%、32.77%、9.51%、7.93%和6.91%。
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| 图 12 纲水平下的细菌群落组成 Fig.12 Bacterial community distribution on class level |
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Bacteroidetes能够适应压裂返排液的高盐度环境，所以隶属于Bacteroidetes的Bacteroidia(拟杆菌纲)在MABR生物膜中的丰度均高于其在活性污泥中的丰度。Alphaproteobacteria、Gammaproteobacteria、Deltaproteobacteria是典型的反硝化菌群。研究表明，Proteobacteria在低盐度时以Alphaproteobacteria为主，高盐度时以Gammaproteobacteria为主[18]。因为压裂返排液的高盐度，Gammaproteobacteria在MABR生物膜中的丰度均高于其在活性污泥中的丰度，Gammaproteobacteria是兼性厌氧菌，在降解压裂返排液中的难降解有机物中发挥着重要的作用[23]。由于受到压裂返排液高盐度的抑制，Alphaproteobacteria在MABR生物膜中的丰度均低于其在活性污泥中的丰度。
2.5.3 科水平如图 13所示，在科水平上，S0组别的样品中的优势菌群Chitinophagaceae、Rhodobacteraceae、Saprospiraceae、Blastocatellaceae和Burkholderiaceae的丰度分别为14.75%、11.91%、8.15%、4.10%和2.67%；S1组别的样品中的优势菌群Chitinophagaceae、Burkholderiaceae、Rhodanobacteraceae、Blastocatellaceae和Saprospiraceae的丰度分别为17.69%、6.31%、6.08%、5.81%和5.29%；S2组别的样品中的优势菌群Microscillaceae、Flavobacteriaceae、Chitinophagaceae、Burkholderiaceae和Pseudomonadaceae的丰度分别为16.20%、10.53%、7.97%、6.95%和5.16%；S2组别的样品中的优势菌群Microscillaceae、Flavobacteriaceae、Chitinophagaceae、Burkholderiaceae和Pseudomonadaceae的丰度分别为16.20%、10.53%、7.97%、6.95%和5.16%；S3组别的样品中的优势菌群Chitinophagaceae、Saprospiraceae、Rhodocyclaceae、Blastocatellaceae和Pseudomonadaceae的丰度分别为12.00%、11.34%、5.98%、5.89%和5.00%。
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| 图 13 科水平下的细菌群落组成 Fig.13 Bacterial community distribution on family level |
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闫凯丽等[24]通过膜生物反应器降解(MBR)降解对氨基苯磺酸(SA)，经过反应器长期驯化，Chitinophagaceae成为了反应器中的优势菌群，Bacteroidetes和Chitinophagaceae分别为处理SA的优势门和科。Rhodobacteraceae(红杆菌科)中某些菌群中被压裂返排液的高盐度环境所淘汰，其在生物膜中的丰度远低于其在活性污泥中的丰度。Yoon等[25]从盐湖中分离出隶属于Saprospiraceae的新物种和Chen等[26]从海生藻类分离出隶属于Saprospiraceae的新物种等一系列研究，表明Saprospiraceae(腐螺旋菌科)的菌群具有很好的耐盐能力，适合在高盐度环境中生长。
3 结论构建了1个三级MABR系统处理压裂返排液，实验结果表明MABR系统具有优异的除碳脱氮性能。在最适宜运行参数下，即pH值为7.64、水力停留时间为24 h以及MABR-1、MABR-2、MABR-3的曝气压力分别为0.010、0.040和0.025 MPa，MABR系统在最适宜运行参数下长期稳定运行，出水水质稳定，MABR系统的COD、NH4+-N和TN的去除效率分别为79.30%、96.06%和75.61%。
不同的进水水质和操作条件深刻影响着生物膜群落结构组成，Proteobacteria(变形菌门)、Bacteroidetes(拟杆菌门)、Acidobacteria(酸杆菌门)Patescibacteria(髌骨细菌门)、Dependentiae、Gemmatimonadetes(芽单胞菌门)是生物膜中的优势菌群。
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