難降解碳源混合PHBV顆粒強化反硝化性能研究

何云鵬,柴曉利

(同濟大學 環境工程學院，上海 200082)

當今社會的水污染是人類活動猖獗和工業化進程加快的結果。最常見的污染物是水體中氮、磷等營養物質超標，導致藻類等浮游生物過度生長，最終成為富營養化的重要原因。早期嘗試采用物理和化學方法去除氮和磷。反滲透[1]、電滲析[2]以及離子交換法[3]等物理方法已經被證明是不經濟的或者低效的。而化學工藝主要有化學絮凝、沉淀、氧化、絡合等，操作簡單、效果快，易造成二次污染，運行費用高[4]。

生物反硝化是一種可靠、經濟可行的廢水脫硝技術。也是近年來最常用的技術。生物反硝化是在沒有溶解氧的情況下，將硝酸鹽氮作為電子末端受體，將硝酸鹽還原成氮氣的技術[5]。一般來說，大多數反硝化細菌都是異養的，因此需要有機碳源作為能源和電子供體來滿足反硝化過程的進行和自身生長發育的需要[6]。

反硝化碳源主要分為液體碳源和固體碳源兩種。常用的液體碳源主要有乙醇，甲醇，葡萄糖等[7]。固體碳源主要分為可生物降解高聚物，例如PHBV，PCL，PHA等，和天然有機物，例如樹皮，秸稈，棉花，玉米芯等[8]。

在本研究中，選用可生物降解高聚物PHBV和天然纖維素類有機物樹皮作為反硝化系統的碳源，在不同硝酸根負荷下進行序批實驗探索兩者的脫氮性能以及反應器中微生物群落的分析研究。

1 材料與方法

1.1 碳源來源及預處理

PHBV顆粒購買于寧波天安生物科技有限公司，其形狀為直徑約3 mm，高度約3 mm的圓柱體。樹皮取至與同濟大學校區內的樟樹皮，取下后進行破碎成10mm×10mm的方塊，洗凈烘干處理備用。

1.2 實驗用水

實驗用水采用人工配水，以KNO3為氮源，以KH2PO4為磷源，使得氮磷比為5∶1，并加入CaCl2，MgSO4，FeSO4，MnSO4等無機鹽配以自來水作為實驗用水。

1.3 測量方法

出水經過0.45μm膜過濾后利用TOC儀(島津，日本)的燃燒-化學發光法測定,出水COD采用哈希-消解分光法測定。實驗完成后的反應器中附著在PHBV顆粒和樹皮上的生物膜利用無菌PBS溶液沖洗，冷凍離心后沉淀由上海美吉生物醫藥科技有限公司利用Illumina公司的Miseq PE300平臺進行測序。

1.4 反硝化序批試驗

實驗所用污泥取至上海曲陽污水廠的回流污泥，MLSS在4000mg/L左右，并利用葡萄糖作為碳源進行反硝化菌培養后，加入30L的反硝化容器中，曝氮氣使DO在2mg/L以下。實驗組分為3組分別為A,B,C組，各加入660g PHBV顆粒，660g樹皮，以及330g PHBV顆粒+330g樹皮。分別在20，30，40，80mg/L的進水硝酸根負荷下運行，出水水質達到平衡后去除上清液并重新更換進水硝酸根負荷。

2 結果與討論2.1 反硝化性能對比

反硝化序批實驗一共進行了35天，每天定時取樣后過膜進行水質分析，反硝化出水總氮濃度變化見圖1。在進水硝酸根濃度20mg/L時，A,B,C三個反應器都經過了3～4天的適應期后，硝酸根濃度開始迅速下降，在一周后達到最低點，A,B,C三個反應器的出水硝酸根都在1.4mg/L左右。第二階段去除反應器上清液后，重新配置進水硝酸根濃度為30mg/L的污水進行反應。A反應器的脫氮速率最快，在3天后的出水硝酸根就僅有2.24mg/L，脫氮效率為92.5%，并在小范圍內浮動。C反應器達到平衡的時間較長，需要6天左右，并且出水硝酸根最低僅有1.6mg/L左右，脫氮效率達到94.7%。而B反應器在重新更換上清液配置硝酸根負荷后，出水一直在28mg/L左右浮動，該系統已經幾乎喪失了脫氮能力，這說明單一的原生樟樹皮并不能作為反硝化的碳源來去除硝酸根，階段一的硝酸根去除可能是由于樹皮本身的吸附能力所造成的，后續實驗中B反應器僅僅取出水，不再重新配置硝酸根負荷。第三階段驗證進水硝酸根負荷40mg/L下的脫氮性能。A,C組分別在第5天和第6天到達平衡，出水硝酸根濃度分別為3.35mg/L和1.66mg/L。但當第四階段硝酸根負荷增加到80mg/L時，A，C的出水硝酸根濃度猛然增加到16mg/L和13mg/L，脫氮效率降為80%和83.8%。這是由于進水的硝酸鹽負荷超過了反應器的反硝化能力導致的脫氮效率下降。綜上所述，A系統所達到的平衡時間最快,C系統的出水硝酸根濃度更低。

出水COD濃度見圖2，其中A組的COD經過2周的適應過程后開始大量釋放，并維持在一個很高的水平，最高釋放到3000mg/L，而樹皮組和復合組的COD釋放一直持續在低水平，C裝置的最高濃度達到200mg/L。

圖1 A,B,C反應器反硝化性能比較

圖2 A,B,C反應器的出水COD

2.2 微生物群落結構分析

在97%的相似度水平上進行OTUs聚類，得到不同OTUs中所有樣本的豐度信息。圖4是A,B,C個反應器的物種Venn圖，可以看出3個反應器中共有的OUTs為232個，占各組的比例較大。為了比較不同組之間的多樣性指數，我們將每個樣本的序列號規范化為34500個reads(在3個樣本中最少)利用Shannon指數繪制Shannon-Wiener曲線，以反映樣品中微生物的豐富度和均勻度(見圖3)，曲線在3900個reads的時候達到平穩狀態。測序深度為34500的Shannon多樣性指數值及其Shannon曲線表明，B發反應器中污泥樣本的多樣性最大，其指數為4.1133，A組其次，其shannon指數為4.0303，C組的shannon指數為3.1727,多樣性最小。

圖3 A,B,C的微生物群落shannon曲線

圖4 A,B,C反應器的Venn圖以及微生物群落豐度分布

為了更好地了解各反應器的微生物群落結構，進一步從門、綱、科三個層次分析了三組微生物群落的差異。在"門"水平上，3個反應器中豐度最高的"門"主要是Proteobacteria,Actinobacteria,Bacteroidetes,Chloroflexi,Acidobacteria,Saccharibacteria,Chlorob-i,Firmicutes,Verrucomicrobia,Planctomycetes,Gemmatimonadetes等。而最主要的差異則體現在Actinobacteria上，其中A反應器中占比16.7%，在C反應器中占比49.69%，在B反應器中僅占10.15%。

在“綱”水平上，三組反應器A,B,C中豐度最大的菌種為Actinobacteria,Alphaproteobacteria,Gammaproterobacteria以及sphingobacteriia等。而Actinobacteria在A,C反應器中占比較大分別占比17%和50%,在C反應器中僅占比9%。據報道[9]，Actinobacteria中的一些成員具有十分突出的有機物降解能力，和硝酸根還原能力，這能使得反應器中的微生物加速利用固體有機物碳源而降解硝酸鹽。

在“科”水平上進行了進一步的比較，以此來揭示更多有關微生物群落結構的詳細信息。挑選出每個樣品豐度比例前30的屬來進行比較。如圖4所示，在C反應器中Propionibacteiaceae的豐度最大占比47.8%，其在A反應器中也占有15%的比例。Puente-Sanchez[10]等人分離出了Propionibacteriaceae科中的菌種，這種菌種具有較強的耐受惡劣環境的能力，并且能將硝酸根作為電子受體來還原硝酸根。

3 結論

(1)PHBV顆粒與樹皮混合的反應器的出水效果最好，單一PHBV顆粒為碳源的反應器達到平衡的時間最快。

(2)單一PHBV反應器中的出水的COD含量過高。

(3)A,C表現出較好地脫氮性能的原因，在微生物群落結構上的分析表示，反應器中具有降解有機物和參與反硝化過程的菌種豐度更高。