為保障水生態系統的安全, 將二級出水作為再生水回用時, 需對其進行脫氮除磷的深度處理.由于二級出水具有低碳氮比的特點, 單純依靠異養微生物進行脫氮往往難以達到理想效果.另外, 在除磷方面, 傳統的生物除磷工藝也不如化學除磷方法更為穩定有效.因此, 在當前的再生水深度處理領域, 硫自養反硝化因其無需外加碳源等優點而被廣泛地用于脫氮; 在深度除磷過程中, 一些高效的除磷填料如海綿鐵, 也被研究人員廣為使用.
目前已有一些研究將硫磺與單質鐵混合用于脫氮除磷, 研究人員分別用不同的工藝方法、從不同角度探究了硫鐵復合填料的脫氮除磷效果.這些研究在機制上大都是利用硫自養反硝化進行脫氮, 利用單質鐵在失電子的氧化過程中釋放的鐵離子與磷酸鹽結合形成沉淀進行除磷.而有研究表明, 硫自養反硝化為半級動力學模型, 其反應速率與硫磺粒徑的大小及表面積有關, 即粒徑越小反應速率越大.同時, 粒徑越小也越有利于硫與鐵的均勻混合, 提高填料的利用效率.因此, 如果采用更小粒徑的硫鐵填料必將使得反應器的脫氮除磷能力得到大大提升.
綜上, 本研究基于二級出水的水質特點, 以硫磺、海綿鐵混合顆粒填料為基礎進行改進, 采用硫磺粉、海綿鐵粉作為有效成分制備出一種新型硫鐵復合填料, 并將該種新型填料與顆粒混合填料進行對比運行, 探究其反硝化脫氮同步除磷性能; 同時結合高通量測序技術構建16S rRNA克隆文庫, 對填料表面微生物種群結構進行深入分析, 以期為低碳氮比條件下污水處理廠二級出水的深度脫氮除磷提供技術參考.
1 材料與方法1.1 填料的制備
以硫磺粉、海綿鐵粉作為脫氮除磷的有效成分, 輔以發泡劑和黏結劑等成分, 采用二次黏附包裹的方法進行制備以延長填料的使用壽命.具體制備過程如下.
(1) 取體積比為6:1硫磺粉、海綿鐵粉與一定量的水泥混合均勻, 加入一定量的水攪拌均勻, 然后加入一定比例的發泡劑攪拌發泡, 制備成粒徑為5~8 mm顆粒待用;
(2) 將硫粉, 海綿鐵粉按體積比3:1混合均勻平鋪在托盤里, 取上一步驟中制備出的顆粒放入托盤振蕩, 使其自然黏附混合粉末, 停止黏附后取出, 室溫下靜置2 d, 待其充分凝結硬化后使用, 最終制備出粒徑約為6~10 mm的復合填料.
1.2 實驗裝置
本實驗采用2組結構完全相同的生物反硝化濾柱對比運行, 反應器內徑80 cm, 高度110 cm, 承托層厚度為10 cm.兩反應器內分別填裝等質量的新型復合填料及體積比為3:1的硫磺顆粒、海綿鐵顆粒的混合填料(粒徑約3~8 mm), 有效容積分別為3.2 L和2.7 L.實驗裝置見圖 1.
圖 1 實驗裝置示意
1.3 實驗水質與分析儀器
實驗用水采用人工配水模擬污水廠尾水, 即在自來水中加入一定量的CH3COONa、KNO3和KH2PO4, 進水水質特征為：pH=7.0~7.5, ρ(TN)=ρ(NO3--N)=30 mg·L-1, TP=1.5 mg·L-1.在不同碳氮比條件下, 分別保持進水COD:TN=1.5、1.0和0.
分析儀器見表 1.
表 1 實驗所有分析儀器
1.4 實驗設計
兩組反應裝置均按照接種、掛膜和馴化的順序啟動, 接種污泥來自北京某污水處理廠污泥濃度約為5.6 g·L-1的回流污泥.具體啟動方法參考文獻, 待出水中各項污染指標達到穩定后, 反應裝置啟動成功.
兩反應器啟動成功后在不同HRT和不同C/N條件下對比運行, 確定新型復合填料的最佳運行特性.每天監測進出水的pH、COD、NO3--N、NO2--N、NH4+-N、SO42-、TP、TFe指標, 并保證各實驗梯度穩定運行時間至少為15 d, 且每次改變條件都保證穩定5 d后再開始監測指標數據.
在HRT=4 h, C/N=1的條件下, 穩定運行一個月后, 分別于兩反應器內中部填料上提取生物膜, 采用高通量測序技術構建兩種填料表面微生物種群的16S rRNA基因克隆文庫, 對兩系統中的微生物菌群結構進行分析.
2 結果與討論2.1 HRT的影響
HRT作為一項表征工藝運行效率的重要指標, 其大小也決定著工藝的運行成本的大小.因此, 在保證較為理想處理效果的前提下, 當碳氮比一定時, 縮短HRT對于降低經濟成本有著至關重要的意義.
2.1.1 HRT對脫氮效果的影響
在C/N=1.5的條件下, 探究HRT為8、4和2 h對兩反應器內反硝化脫氮效果的影響, 如圖 2(a)所示.
圖 2 不同HRT條件下兩反應器TN去除率變化和硫酸鹽積累量及亞氮、氨氮濃度變化情況
由圖 2(a)可見, 隨著HRT的縮短, 顆粒填料的脫氮能力出現了明顯下降, 而新型填料變化趨勢則相對穩定.當HRT從8 h逐漸縮短至2 h時, 顆粒填料的總氮去除率從64.5%降至30%左右, 而新型填料的總氮去除率在HRT為2 h時仍然可達85%以上, 且整個變化過程中它的總氮去除能力始終明顯優于顆粒填料.此外還可以看到, 當HRT從8 h調至4 h時, 新型填料總氮去除率不僅沒有降低反而出現上升的趨勢, 這是由于該系統在8 h停留時間時氨氮積累較高所致, 如圖 2(b)所示：兩系統內均出現了亞氮和氨氮的積累, 且前者隨HRT的減小而增大, 后者隨HRT的縮短而減小. HRT為8 h時新型填料系統內的氨氮積累較大, 達到了10 mg·L-1以上, 而當HRT為4 h時, 系統內的氨氮迅速降至4mg·L-1以下.最終造成4 h停留時間下系統總氮去除率相對更高.出現氨氮積累的原因推測與海綿鐵的還原作用有關[7], 由于新型填料內部的海綿鐵粒徑較小, 反應速率較高, 因此出現了較長停留時間下高濃度的氨氮積累.
硫酸鹽積累量的大小可以直觀地反映出硫自養反硝化作用的強弱.從圖 2(a)可以看出, 兩反應器內的硫酸鹽積累量均隨HRT的減小而呈現出下降的趨勢, 但新型填料的硫酸鹽積累量卻明顯高于顆粒填料.這表明, 新型填料系統內的硫自養反硝化作用較強, 因此使得新型填料的脫氮能力明顯地強于顆粒混合填料.
袁瑩等在考察不同硫源種類電子供體對硫自養反硝化脫氮效能的影響時發現, 采用單質硫作為電子供體時, 系統的脫氮效率受傳質效率的影響較大.另外, 有研究表明, 硫磺粒徑是影響硫自養反硝化速率的重要因素之一, 其粒徑越小, 反硝化速率越大.新型填料在制備過程中采用硫磺粉末, 與硫磺顆粒相比粒徑大為減小, 使得系統內硫自養反硝化的速率得以有效提高, 從而顯著地強化了新型填料的脫氮能力.
2.1.2 HRT對除磷效果的影響
兩反應器內總磷去除率隨HRT變化情況見圖 3.
圖 3 不同HRT條件下兩反應器TP去除率及出水總鐵變化情況
由圖 3可見, 兩種填料的除磷能力均隨HRT的縮短而下降, 但新型填料的除磷能力始終優于顆粒混合填料.在HRT從8 h減少到2 h的過程中, 新型填料的總磷去除率逐漸從91%降到了69.4%, 分別比顆粒混合填料高出17.6%、32.7%和26.3%.可見, 與顆粒填料相比, 新型填料的除磷能力對HRT的縮短具有更好的適應能力.
根據相關研究, 硫鐵填料的除磷能力主要與海綿鐵的腐蝕作用有關：硫自養反硝化產酸促進海綿鐵的腐蝕, 生成的Fe2+為化學除磷提供反應物質, 從而使系統中的磷得以去除.另外, 范軍輝等的研究發現, 除上述過程外, 硫和鐵通過化學反應生成的FeS可以先將磷酸鹽吸附到表面, 再轉化為FePO4沉淀, 從而強化除磷效果.因此, 出水總鐵是表征除磷效果的一個關鍵因素.
根據圖 3中兩反應器內的出水總鐵變化情況, 新型填料的出水總鐵明顯高于顆粒復合填料.分析其原因, 新型填料制備過程中使用的有效組分的物理狀態均為粉末態, 這樣既增大了硫磺和海綿鐵的比表面積, 也使得兩者之間混合更加均勻充分, 從而使海綿鐵更易于被硫自養反硝化產生的H+腐蝕.同時, 從圖 2(a)中可以看到, 新型填料系統內的硫自養反硝化作用強于顆粒填料系統, 這與圖 3中的出水總鐵變化情況相一致.綜上, 采用該種方法制備出的新型填料可使系統內的海綿鐵腐蝕過程得以促進, 從而強化了填料的除磷能力.
2.2 C/N的影響
C/N是考察填料反硝化脫氮除磷效果的又一重要參數.根據2.1節的相關結論, 隨著HRT的縮減, 兩種填料的脫氮除磷能力均有不同程度地減小.為了探究填料脫氮除磷性能對低碳氮比條件下的適應性, 在HRT=4 h的條件下, 對比探究了C/N分別為1.5、1.0和0時兩種填料的脫氮除磷能力的變化情況.
2.2.1 C/N對脫氮效果的影響
圖 4所示為C/N對兩種填料脫氮效果的影響.
圖 4 不同C/N條件下兩反應器TN去除率變化及硫酸鹽積累量變化情況
由圖 4可知, 碳氮比的減小對顆粒混合填料系統的脫氮能力影響較大.隨著C/N的減小, 新型復合填料的總氮去除率逐漸從90.5%降低到70.7%, 而顆粒填料系統的總氮去除率卻從59%降到了16.2%.由此可見, 新型填料對不同碳氮比含氮廢水的脫氮處理效果明顯優于顆粒混合填料, 在低碳氮比時這種優勢更加明顯.此外, 當C/N從1.5減小到1.0時, 新型填料總氮去除率未發生明顯下降, 其原因與亞氮積累、氨氮積累變化有關, 類似于2.1.1節分析, 在此不再贅述.
如圖 4所示, 伴隨著碳氮比的減小, 兩反應器內的硫酸鹽積累量均呈現出增長的趨勢, 且新型填料的硫酸鹽積累量和增長趨勢均始終高于顆粒填料系統.這表明, 在低碳氮比的條件下, 新型填料系統內的硫自養反硝化效率仍然高于顆粒填料系統, 這進一步驗證了Koenig等的結論.此外, 當C/N從1減小到0時, 兩反應器內的脫氮效率均出現了明顯的下降, 但新型填料的脫氮效果仍始終優于顆粒混合填料.這可能是由于系統中缺少有機碳源對生物膜產生了負面影響, 同時也表明反硝化過程中異養反硝化的作用不容忽視, 且混養型反硝化(異養反硝化和自養反硝化同時存在)的脫氮效率要高于單一自養反硝化, 這也與相關研究相一致.
2.2.2 C/N對除磷效果的影響
在HRT=4 h的條件下, 不同碳氮比對填料總磷去除效果的影響及兩反應器內的出水總鐵變化見圖 5.
圖 5 不同C/N條件下兩反應器TP去除率及出水總鐵變化情況
由圖 5可知, 在不同碳氮比條件下, 新型填料的除磷能力明顯高于顆粒填料, 且兩種填料的總磷去除率均伴隨C/N的減小而增大.其中, 當C/N從1降為0時, 新型填料的總磷去除率從81.3%增加到96.3%, 而顆粒填料的總磷去除率從46.4%增長到了54.1%.與此同時, 兩反應器內的出水總鐵濃度分別從3 mg·L-1、1.1 mg·L-1增加到了3.5 mg·L-1、1.5 mg·L-1.
根據2.1.2節的分析, 在兩系統中, 硫自養反硝化作用和海綿鐵除磷作用之間存在一定的協同作用：硫自養反硝化產酸的過程可以加速海綿鐵腐蝕, 同時海綿鐵對氫離子的消耗也保證了硫自養反硝化有利的反應條件.由圖 4可見, 進水C/N減小, 兩反應器內出水硫酸鹽積累量均隨之增多, 表明兩系統硫自養反硝化作用得以增強.此時海綿鐵的腐蝕作用也必然隨之增大, 致使出水總鐵濃度增加, 填料的除磷能力得以提升.此外, 兩種填料的除磷效果對比也進一步表明新型填料可以在低碳氮比的條件下強化再生水的除磷效果.
2.3 反硝化微生物菌群分析
在HRT=4 h, C/N=1的條件下, 針對兩反應器中部的生物膜樣品構建了16S rRNA基因克隆文庫, 對存在于兩種填料表面的微生物菌群進行了多樣性分析和分類學分析.在97%的相似度水平下對兩樣本中的非重復序列進行操作樣品單元(OTU)聚類, 最終新型填料和顆粒混合填料分別獲得了142個和473個OTU.兩樣本的文庫覆蓋率(C)分別為99.96%和99.99%, 表明兩樣本的克隆文庫結果具有較高的置信度.
2.3.1 菌群物種多樣性
群落生態學中研究微生物多樣性, 一般通過單樣品的多樣性分析如a多樣性反映微生物群落的物種豐度和多樣性. a多樣性被稱為生境內的多樣性, 主要關注的是局域均勻生境下的物種數目, 通常用Simpson多樣性指數和Shannon多樣性指數表征.其中, Simpson指數反映樣本中的物種種類分布均勻程度, 該數值一般在0~1之間, 值越大物種種類分布越均勻; Shannon指數反映樣本中的物種量大小, 數值一般在1.5~3.5之間, 很少超過4, 樣本物種量越大對應的該指數值也越大.本研究中新型復合填料和顆粒混合填料的Simpson指數值分別為0.199和0.118, Shannon指數分別為2.69和3.77.這表明, 新型復合填料表面的微生物物種種類分布相對較為均勻, 而顆粒混合填料表面的微生物物種量相對較大.
2.3.2 菌群結構組成分析
為研究兩種填料表面的微生物種類及其相對豐度(樣本中各微生物的序列數), 對兩樣本進行分類學分析.將各樣本中代表序列與Silva數據庫中的序列進行同源性比對, 作出屬級分類水平菌群結構豐度圖, 如圖 6所示.然后將主要功能菌屬及其所占比例列于表 2中.
圖 6 樣本在屬級水平的菌落豐度
表 2 樣本中主要功能菌屬及其所占比例
由圖 6可見, 新型復合填料樣本中相對豐度最大的菌屬是Sulfurimonas, 大約占42.66%, 而它在顆粒混合填料中約占10.66%.該菌種是一種兼性厭氧的化能自養菌, 可將硫、硫化物或氫為電子供體, 以CO2為碳源進行反硝化作用.除Sulfurimonas外, 在兩樣本中與硫自養反硝化作用有關的菌屬還有Thiobacillus, 其所占比例分別為5.59%和2.92%.該菌屬是一種專性自養兼性厭氧的革蘭氏陰性菌, 可在厭氧條件下以硫或硫化物為電子供體進行反硝化作用.此外, 由表 2可知, 兩反應器內反硝化種群由硫自養反硝化, 異養反硝化及部分反硝化聚磷微生物組成.其中, 硫自養反硝化菌群在兩反硝化體系內均占有優勢比例, 它們在新型填料反硝化系統內所占的比例相對更大.這進一步表明, 本研究制備出的新型復合填料可以使反硝化體系內的硫自養反硝化作用得以強化, 從而提高系統的脫氮能力.
另外, 由表 2可見, 兩系統中與除磷作用有關的微生物有Pseudomonas、Aeromonas和Acinetobacter.從兩系統內具有除磷功能微生物的總量對比可以看出, 顆粒混合填料反應器內的生物除磷作用大于新型復合填料, 表明該系統內的生物除磷作用相對更多一些.同時根據2.2.2節的分析, 新型填料系統內的化學除磷作用相對更強, 這會使得系統內的總磷濃度得以迅速降低, 因此推測新型填料表面不動桿菌屬Acinetobacter的含量較小可能與之有關.此外, 兩系統內還存在著不同比例的可能具有反硝化聚磷功能的假單胞菌屬, 特別是新型填料, 這也在一定程度上提高了系統的脫氮除磷能力.具體參見污水寶商城資料或http://m.bnynw.com更多相關技術文檔。
3 結論
(1) 本研究制備出的新型復合填料可以強化硝氮、總磷的去除效果.當HRT=4 h, C/N=1時, 該種新型填料的氮、磷去除率可達90%及81%以上, 分別比顆粒填料高出38%和35%左右.
(2) 新型填料對條件的變化具有更好的適應能力.在不同HRT及C/N條件下, 其脫氮除磷的能力均強于顆粒混合填料, 這與其內部硫自養反硝化和海綿鐵腐蝕除磷二者之間較強的協同作用有關.
(3) 兩反應器內的反硝化功能微生物中均存在著硫自養反硝化種群和異養反硝化種群, 且具有硫自養反硝化功能的菌群在新型填料系統內占有更大的比例, 是該系統內的優勢種屬.
