硫鐵填料和微電流強化再生水脫氮除磷的研究

徐忠強,郝瑞霞,徐鵬程,張 婭 (北京工業大學,北京市水質科學與水環境恢復工程重點實驗室,北京 100124)

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硫鐵填料和微電流強化再生水脫氮除磷的研究

徐忠強,郝瑞霞*,徐鵬程,張 婭 (北京工業大學,北京市水質科學與水環境恢復工程重點實驗室,北京 100124)

摘要：為提高再生水質量,在不同C/N和HRT條件下,對比分析硫鐵復合填料和微電流作用強化再生水深度脫氮除磷效果.結果表明,硫鐵復合填料和微電流作用均能夠強化氮、磷的深度去除效果,且二者結合能夠使反硝化系統pH值穩定在7.2～8.5之間.系統中TN主要靠異養反硝化、氫自養反硝化和硫自養反硝化作用去除,94.04％的TP是以生成磷酸鐵沉淀的形式去除.分別從填料上取生物膜,進行Miseq高通量測序,構建細菌16S rRNA基因克隆文庫.結果發現,在僅有海綿鐵作用系統中,同時具有異養反硝化和氫自養反硝化功能的細菌所占比例達到29.47％;硫鐵復合填料和硫鐵微電流作用系統中,具有硫自養反硝化功能的Thiobacillus(硫桿菌屬)所占比例分別達到60.47％和40.62％.因此,硫鐵復合填料和微電流作用用于強化再生水深度脫氮除磷具有明顯的優勢.

關鍵詞：硫鐵復合填料；微電流；C/N；HRT；深度脫氮除磷；16S rRNA克隆文庫

* 責任作者, 教授, haoruixia@bjut.edu.cn

由于受污水處理技術限制,生活污水經二級處理后仍含有較高濃度的氮、磷等植物營養物質,當回用于景觀補水和地下水回灌時,會對水環境生態系統構成嚴重威脅[1].然而,城市污水廠二級出水C/N普遍低于生物反硝化所需的理論值2.86[2-3],存在碳源不足的問題[4];且以往學者對再生水同步脫氮除磷的研究遠遠少于單一脫氮方面的研究[5-6].因此,研究再生水氮、磷的深度去除原理,開發同步脫氮除磷新工藝,已成為目前迫切需要解決的關鍵問題.

海綿鐵具有比表面積大、表面能高、電化學富集能力強以及水解產物絮凝沉降性能優的特點[7-8].相關研究表明[9-10],海綿鐵在腐蝕過程中產生H2,能夠促進氫自養菌的反硝化過程.也有研究表明[11],海綿鐵腐蝕產生的Fe2+和進一步氧化生成的Fe3+,以及它們的水化物,在沉淀、絮凝、吸附和卷掃等作用下,可以大幅度降低出水中的氮、磷濃度.硫自養反硝化過程是硫細菌利用無機碳(如CO32-、HCO3-)合成細胞,以單質硫或者硫化物作為硝酸鹽還原的電子供體,整個反硝化過程無需外加有機碳源.Batchelor等[12]利用富集培養的脫氮硫桿菌,以硫化物和硫代硫酸鹽為電子供體進行了自養反硝化實驗研究,證實了硫自養反硝化的可行性.Lawrence等[13]進一步研究,認為單質硫做為電子供體時工藝運行效果最佳,并提出了硫自養反硝化是一個產酸的過程.

微電流的刺激作用能夠提高微生物的活性[14].在微電流作用的研究中,人們將電化學法與生物膜法相結合,開發出電極-生物膜工藝.有研究顯示[14-15],電極生物膜工藝陰極電解產生的H2可以作為氫自養反硝化細菌的電子供體,碳陽極電解產生的CO2可以為這些自養菌提供無機碳源.該方法節省有機碳源的消耗,適宜于低C/N再生水氮、磷的深度去除.

本研究針對目前污水處理廠二級出水C/N低的問題,探究硫鐵復合填料和微電流作用強化再生水同步脫氮除磷效果;并通過Miseq高通量測序,構建細菌16S rRNA基因克隆文庫,深入分析微生物種群構成及脫氮除磷機理,為城市污水廠尾水深度脫氮除磷提供技術參考.

1 試驗裝置與方法

1.1 試驗裝置

本實驗采用3組結構相同的生物反硝化脫氮濾柱對比運行,反應器內徑25cm,高度0.6m,有效容積8L.反應器的內壁緊貼一層高度為0.45m的內夾聚丙烯晴活性炭纖維的雙層泡沫鎳,作為陰極;正中央放置石墨棒,作為陽極;陰陽極板間距約10cm,其間按一定比例填充粒徑均為5～ 8mm的填料,填充高度45cm.進水采用上向流方式,從進水最下端開始每隔15cm設置一個取生物膜口.反應器填料組成及運行模式見表1,實驗裝置見圖1.

表1　反應器填料組成與運行模式Table 1 Fillers and operational modes of three groups of reactors

圖1　實驗裝置示意Fig.1 Schematic layout of experimental installation

1.2 試驗水質與分析儀器

表2　分析項目與儀器Table 2 Analysis items and apparatuses

試驗用水采用在自來水中加入一定量的CH3COONa、KNO3和KH2PO4模擬污水處理廠二級出水的人工配水.該水質特征為:ρ(TN)= ρ(NO3--N)=30mg/L,ρ(H2PO4--P)=1.5mg/L,pH=7.0～ 7.5.分析儀器見表2.

1.3 試驗方法

3組反應器均按照接種、掛膜和馴化的順序啟動,接種污泥取自北京某污水處理廠A2/O工藝的回流污泥,污泥濃度約為5.65g/L,具體參考李素梅等[16]和Hao等[17]提供的反應器啟動方法.待出水各污染指標趨于穩定后,啟動過程完成.

啟動成功后,對比運行3組反應器,分別進行C/N和HRT梯度試驗,每天監測3組反應器出水水質變化情況,監測項目包括進出水NO3--N、NO2--N、NH4+-N、SO42-、TN、TP、TFe、COD 和pH值.保證各梯度試驗穩定運行時間至少為15d,且每次改變條件都保證穩定5d以上再開始檢測.

2 結果與分析

2.1 C/N的影響

反應系統中氮、磷的去除主要是異養反硝化、氫自養反硝化、硫自養反硝化和海綿鐵腐蝕凝聚等共同作用的結果[11,18].反硝化細菌首先利用有機碳源進行異養反硝化脫氮,在碳源不足的情況下,利用H2和單質S為無機電子供體進行自養反硝化脫氮[19-20].同時,異養反硝化和氫自養反硝化是產堿的過程,硫自養反硝化是產酸的過程,三者共同作用決定了系統pH值的波動情況[21], 而pH值又是化學法除磷的主要影響因子[22].因此,C/N會直接影響不同類型微生物所占比例和系統pH值,進而影響脫氮除磷效果.

2.1.1 C/N對TN去除率的影響 在HRT=4h、I=150mA條件下,不同C/N對反應器TN去除效果的影響見圖2.

由圖2可知,在不同C/N條件下,3號脫氮效率一直保持最高,2號次之,1號最差;隨著C/N的增大,3組反應器對TN去除率均呈上升趨勢,且1號上升趨勢明顯.在C/N=0時,2號和3號的脫氮效率比1號分別高38.7％和46.9％左右;當C/N增加到3時,2號和3號的TN去除率高達83.2％ 和91.0％左右.由此可見,硫鐵復合填料和微電流作用均能夠不同程度促進低C/N水的脫氮效果; 且C/N越低,效果越明顯.

圖2　不同C/N條件下3組工藝TN去除率Fig.2 TN removal rate of three groups of reactors at different C/N

分析其原因,硝氮的去除方式主要有異養反硝化、氫自養反硝化和硫自養反硝化.由于海綿鐵的腐蝕相對緩慢,1號中硝氮的去除主要是靠異養反硝化作用,在碳源為零時,異養反硝化作用不明顯,故此時1號呈現出較低的脫氮效率;而隨著C/N的增大,1號系統中異養反硝化作用得到明顯的增強,其脫氮效率也呈現出明顯的上升趨勢.2號中,硫磺的加入引入了硫自養反硝化脫氮,同時硫自養反硝化過程產生H+,進一步促進了海綿鐵的腐蝕[7],故2號在不同C/N條件下均呈現出比1號更高的脫氮效率.3號中,電流的引入能夠使系統產生更多的H2,有效促進了氫自養反硝化;而且,電流的刺激作用還能夠有效增強反硝化細菌的活性、促進海綿鐵的腐蝕[3,14],故3號能夠一直保持較高的脫氮效率.

2.1.2 總磷的去除研究 a) C/N對TP去除率的影響

在HRT=4h、I=150mA條件下,不同C/N對反應器TP去除效果的影響見圖3.

由圖3可知,在不同C/N條件下,2號和3號一直保持較高的除磷效率;隨著C/N的增大,3組反應器對TP去除率均呈上升趨勢.其中,在C/N=0時,2號和3號的除磷效率分別比1號高25.1％和57.8％左右;當C/N增加到3時,2號和3號除磷效率分別達到94.6％和98.2％左右.可見,硫鐵填料和微電流作用均不同程度促進了磷的去除.

圖3　不同C/N條件下3組工藝TP去除率Fig.3 TP removal rate of three groups of reactors at different C/N

磷的去除方法主要包括生物除磷法和化學沉淀法兩大類.有研究顯示[22],在系統中厭氧區投加葡萄糖,乙酸鈉等有機物能提高聚磷菌除磷功能;而在反硝化系統中,分布的主要為反硝化聚磷菌[23].影響化學法除磷的主要因子是pH值,隨著pH值增加,磷的去除率上升[22];隨著C/N不斷增大,出水pH值呈現出一定的上升趨勢(圖5).故反應器的除磷效率隨著C/N增大,整體呈現出上升趨勢.而2號中硫自養反硝化過程中產生的H+進一步促進了海綿鐵的腐蝕,使系統中產生更多的磷酸鹽沉淀,促進了化學除磷過程,從而呈現出比1號更高的除磷效率.3號中,電流的作用在加快海綿鐵腐蝕的同時還刺激了反硝化聚磷菌的活性,對系統化學除磷和生物除磷均有不同程度的促進作用;因此,3號的除磷效果最好.

b) TP去除形式的探究

生物法除磷時,聚磷菌以可溶性單磷酸鹽的形式將磷排到體外環境中[24].本研究中排出的單磷酸鹽極易被系統中產生的Fe(OH)3膠體所吸附,形成所謂的胞外聚合物( EPS),沉積在反應器中,經過充分的超聲后能夠析出來[25].而化學法除磷是磷酸根和金屬離子生成磷酸鹽沉淀,超聲并不能將其中的磷析出,只有通過酸化作用才能使其轉化為可溶性磷.

為進一步確定系統中TP的去除形式,現進行如下實驗:取3號反應器中含有大量EPS混合液靜置12h→倒出上清液100mL備用,將剩余混合液超聲1h→取超聲后液體經過濾得100mL備用,在剩余混合液中加入幾滴稀鹽酸→取酸化后的混合液經過濾得100mL備用→分別測量上清液、超聲后液體和酸化后液體中TP和TFe的含量,結果見圖4.

圖4　不同方式處理后TP和TFe濃度對比Fig.4 Comparison of TP and TFe concentration after different treatment

由圖4可知,上清液中TP和TFe濃度分別為0.85mg/L和0.92mg/L,而超聲后分別增加到1.40mg/L和1.13mg/L,酸化后則出現明顯的上升,分別達到10.08mg/L和15.68mg/L.酸化后TP和TFe質量濃度增加量(Δρ)分別為8.68mg/L和14.55mg/L,故Δρ(TP)/Δρ(TFe)=0.597,與FePO4化學式中P和Fe的相對原子質量比值0.554十分接近.由此可見,本實驗中94.04％的TP是以生成磷酸鐵沉淀形式的化學法被去除,僅有5.96％可能是被反硝化聚磷菌作用的生物法去除.

2.1.3 C/N對出水pH值的影響 在HRT=4h, I=150mA,C/N=0、1、2、3條件下,反應器進出水pH值波動情況見圖5.

由圖5可知,在不同C/N條件下,進水維持在7.0～7.5之間時,3組反應器出水pH值隨著C/N增加均呈現出上升趨勢.其中,3號出水pH值最穩定,維持在7.2～8.5之間.說明硫鐵填料和微電流共同作用具有較好緩沖系統pH值的能力.

圖5　不同C/N條件下3組工藝進出水pH值Fig.5 pH of three groups of reactors at different C/N

分析其原因,異養反硝化和氫自養反硝化過程中會產生OH-,硫自養反硝化過程中會產生H+,它們共同作用使系統的pH值維持在一定范圍內[21].隨著C/N不斷增加,系統中異養反硝化所占比例逐漸增大,系統中產生的OH-的量也逐漸增多,故3組反應器pH值隨著進水C/N不斷增大,整體呈現出上升趨勢.在3號系統中,電流的作用促進了海綿鐵的腐蝕,使系統中產生更多的Fe3+,陰極電解產生H2的同時還產生OH-,大量的OH-和Fe3+結合生成Fe(OH)3膠體;同時,硫自養反硝化作用產生H+會中和掉一部分異養反硝化和氫自養反硝化作用產生的OH-,再加上碳陽極電解產生的CO2對系統pH值也有一定的緩沖作用[21].它們的共同作用使3號系統的pH值穩定在一定范圍內,為優勢均屬生長提供了適宜pH環境[26],這與孟成成[5]的研究結果一致.

2.2 HRT的影響

HRT的大小在一定程度上直接反映生物處理工藝的運行效率,從經濟成本角度考慮,一般希望生物處理工藝在最短水力停留時間內達到理想的處理效果.

2.2.1 HRT對脫氮效果的影響 在C/N=2, I=150mA條件下,不同HRT對反應器NO3--N和TN去除效果的影響見圖6.

圖6　不同HRT條件下3組工藝NO3--N和TN去除率Fig.6 NO3--N and TN removal rate of three groups of reactors at different HRT

由圖6可知,隨著HRT增加,3組反應器對NO3--N和TN的去除率均呈現出上升趨勢;其中,3號脫氮效率最高,2號次之,1號最差.由于NO3--N在反硝化脫氮時,需要先轉化為NO2--N,再轉化為N2,整個過程需要一定的時間[16].在HRT=2h時,水力停留時間較短,部分NO3--N來不及完全參與反應,故僅靠異養反硝化作用的1號對NO3--N和TN的去除率明顯低于異養反硝化和硫自養反硝化共同作用的2號;3號由于氫自養反硝化作用的引入,使其對NO3--N和TN的去除率比2號又分別提高了11.0％和4.4％左右. 當HRT延長到4h時,同時具備硫鐵填料和微電流作用的3號反應器NO3--N和TN去除率已分別達到92.6％和85.6％左右.可見,硫鐵填料和微電流共同作用能夠實現在較短HRT內達到較高的脫氮效果.

2.2.2 HRT對除磷效果的影響 在C/N=2,I= 150mA條件下,不同HRT對反應器TP去除效果的影響見圖7.

由圖7可知,隨著HRT增加,3組反應器除磷效率均呈現出遞增的趨勢,其中2號和3號一直保持較高的除磷效率.在HRT=8h時,1號除磷效率只有53.1％左右,2號和3號的除磷效率分別達到94.4％和 99.1％,除磷效率比1號分別提高41.3％和46.0％左右.其中在HRT=4h時,同時具備硫鐵填料和微電流作用的3號反應器TP去除率已達97.4％,進一步表明硫鐵填料和微電流共同作用能夠實現在較短HRT內達到較高的除磷效果.

圖7　不同HRT條件下3組工藝TP去除率Fig.7 TP removal rate of three groups of reactors at different HRT

2.3 系統中微生物菌群結構分析

在C/N=2,HRT=4h,I=150mA條件下維持穩定運行一個月后,分別從3組反應器中間位置填料上采集生物膜樣品,分別編號為1、2、3,移交北京美吉生物公司進行Miseq高通量測序,并構建細菌16S rRNA基因克隆文庫.

2.3.1 16S rRNA基因多樣性分析 物種多樣性指數是指應用數理統計方法求得表示物種的種類和個體數量的數值.常用Shannon-Weiner指數和Simpson指數反映樣本中微生物α多樣性;其中,Shannon-Wiener指數反映群落種類豐富度,Simpson指數反映每個種類分布的均勻度[27].

Shannon-Wiener指數(H)計算公式[28]:

式中:ni為第i個種的個體數目;N為群落中所有種的個體總數.

根據經驗數據計算的Shannon-Wiener指數(H)一般在1.5～3.5之間,H值越大表明樣本中物種量越大[29-30];Simpson指數(D)在0～1之間,D值越大,表明物種種類分布越均勻[30].本研究中1、2 和3號的Shannon-Wiener指數(H)分別為4.426、3.089和3.592,Simpson指數(D)分別為0.025、0.120和0.061,說明本研究樣本中1號物種量最大,而2號種類分布最均勻.

2.3.2 菌群結構特征分析 將序列按照彼此的相似性歸為操作分類單元(OTU).將每種OTU代表序列與Silva庫比對,進行分類學分析,作樣本群落結構分析圖(見圖8),并將主要菌屬的功能及其比例列于表3中.

圖8　3組樣本群落結構分析圖(分類到屬)Fig.8 Bacterial communities at genera level of sample of three groups of samples

由圖8和表3可知,1號樣本中群落豐度相對較大的為Rhodocyclaceae和Thauera,分別占10.34％ 和8.00％;其中,Thauera也是Rhodocyclaceae的一個屬.Thauera可以以苯酸鹽、乙酸鹽和乙醇等有機物為電子供體進行反硝化脫氮[17,31];毛躍建[32]還發現Thauera中存在可直接利用H2為電子供體進行反硝化作用的細菌.而且,反硝化聚磷菌也主要分布于Rhodocyclaceae中[33].1號反應器中主要存在異養反硝化和氫自養反硝化兩種脫氮形式,因此,系統中同時具有異養反硝化和氫自養反硝化功能的Rhodocyclaceae、Thauera、Comamonadaceae 和Acidororax所占比例之和達到了29.47％.

2號和3號樣本中群落豐度最大的為Thiobacillus,分別占60.47％和40.62％; Thiobacillus是Hydrogenophilaceae的一個屬,為專性自養、兼性厭氧的革蘭氏陰性菌,在厭氧條件下可以以單質硫或硫化物為電子供體,以硝酸鹽為電子受體進行反硝化脫氮[34-36].由于2號和3號系統中引入了單質硫,故其填料上生長了大量的Thiobacillus,從而大大增強了系統硫自養反硝化的能力.同時,硫磺的引入也使2號和3號系統中Sulfurimonas占有一定的比例,分別為3.07％和8.46％; Sulfurimonas是一種兼性厭氧,專門利用氫氣、硫及硫化物為能源,以CO2為碳源,以硝酸鹽或銨為氮源的化能自養菌[21].Sulfurimonas的引入在增強硫自養反硝化的同時,還增強了系統氫自養反硝化的能力;從而,能夠在碳源不足的條件下,使2號和3號的脫氮效果明顯優于1號.

表3　樣本中主要菌屬的功能及其比例Table 3 Function and proportion of the main genus in sample

3 結論

3.1 硫鐵復合填料和微電流作用均能夠不同程度促進低C/N再生水深度脫氮除磷效果.

3.2 系統中94.04％的總磷是以生成磷酸鐵沉淀的化學法去除.

3.3 硫鐵復合填料和微電流共同作用具有較好緩沖pH值的能力,能夠保證系統pH值維持在7.2～8.5之間.

3.4 硫鐵復合填料和微電流共同作用,能夠實現在較短HRT內達到較高深度脫氮除磷效果; 在C/N=2、I=150mA、HRT=4h條件下,二者共同作用使TN和TP去除率分別達到85.6％和97.4％左右.

3.5 在僅有海綿鐵作用系統中,同時具有異養反硝化和氫自養反硝化功能的Rhodocyclaceae、Thauera、Comamonadaceae和Acidororax所占比例之和達到29.47％;硫鐵復合填料和硫鐵微電流作用系統中,具有硫自養反硝化功能的Thiobacillus所占比例分別達到60.47％和40.62％.

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Research on enhanced denitrification and phosphorus removal from reclaimed water by useing sponge iron/sulfur composite fillers and low electrical current.

XU Zhong-qiang, HAO Rui-xia*, XU Peng-cheng, ZHANG Ya (KeyLaboratory of Beijing for Water Quality Science and Water Environmental Recovery Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China). China Environmental Science, 2016,36(2)：406～413

Abstract：In order to improve the quality of reclaimed water, a comparative study was conducted under different C/N and HRT conditions to examine the effect on advanced nitrogen and phosphorus removal by using sponge iron/sulfur composite fillers and low electrical current. The results indicated that both the sponge iron/sulfur composite fillers and low electrical current treatment can strengthen the removal efficiency of nitrogen and phosphorus, and their combination can further stabilize the pH value of 7.2～8.5 in the denitrification system. It was found that the removal of total nitrogen (TN) was mainly depended on the process of heterotrophic denitrification, hydrogen autotrophic denitrification and sulfur autotrophic denitrification, while 94.04％ of the total phosphorus (TP) were removed in the form of iron-phosphate precipitation. Furthermore, biofilm was taken from the fillers to build the bacterial 16S rRNA gene clone library by adopting the high-throughput sequencing technologies. The results showed that the bacteria which can use both organic carbon and elemental hydrogen as its electron donor for denitrification accounted for 29.47％ of the bacterial community in the sponge iron fillers system. The proportion of Thiobacillus bacteria which can use elemental sulfur as its electron donor reached 60.47％ and 40.62％ of the bacterial community in the system of sponge iron/sulfur composite fillers and the combined system of composite fillers with low electrical current, respectively.Therefore, there are obvious advantages of employing sponge iron/sulfur composite fillers and low electrical current to enhance the effect of advanced nitrogen and phosphorus removal from reclaimed water.

Key words：sponge iron/sulfur composite fillers；low electrical current；C/N；HRT；advanced nitrogen and phosphorus removal；16S rRNA gene clone library

作者簡介：徐忠強 (1988-),男,河南駐馬店人,北京工業大學碩士研究生,主要研究方向為污水資源化利用.

基金項目：國家自然科學基金項目(51378028)

收稿日期：2015-08-08

中圖分類號：X703.1

文獻標識碼：A

文章編號：1000-6923(2016)02-0406-08