間歇曝氣-內循環生物濾池效能及生物膜特性

任武昂,曹鋒鋒,鞠 愷,金鵬康,李思敏,柴蓓蓓,雷曉輝

間歇曝氣-內循環生物濾池效能及生物膜特性

任武昂1,曹鋒鋒1,鞠 愷1,金鵬康2,李思敏3,柴蓓蓓4,5*,雷曉輝5

(1.西安科技大學建筑與土木工程學院,陜西 西安 710054；2.西安交通大學人居環境與建筑工程學院,陜西 西安 710049；3.河北省水污染控制與生態修復技術創新中心,河北 邯鄲 056038；4.河北工程大學水利水電學院,河北 邯鄲 056038；5.河北省智慧水利重點實驗室,河北 邯鄲 056038)

針對間歇曝氣耦合內循環生物濾池的強化脫氮作用機制尚不明確的問題,探究了反應器沿程污染物去除特性,運用多項測試手段解析系統沿程生物量、生物活性、硝化及反硝化速率,并對反應器內沿程微生物種群特性進行分析.試驗結果表明:沿程類蛋白熒光強度逐漸減弱,最終出水并未檢測到類蛋白峰;反應器沿程10～50cm區段NH4+-N的降低并沒有引起NO3--N大幅增長,并且在50cm處NO3--N含量有所下降,該段反硝化作用明顯;沿程溶氧環境和生物量也顯示,該區域具備較為明顯的缺/厭氧的環境以及富集了充足的生物量;此外,50cm處的好氧速率(OUR)低但TTC-脫氫酶活性高以及反硝化速率明顯強于硝化速率,均可表明系統在該區域強化了反硝化脫氮過程.另外,16S rRNA高通量測序分析顯示:系統在門水平上涉及反硝化功能的微生物有更高的豐度,主要有Firmicutes (厚壁菌門:10.64%)和Bacteroidetes (擬桿菌門:22.29%);在屬水平上也明顯存在反硝化功能的(叢毛單胞菌屬:3.11%)和(2.43%).上述研究均表明間歇曝氣耦合內循環的BAF系統強化了底部區域的反硝化作用進而提升了脫氮效能.

生物濾池；間歇曝氣；內循環；污染物；微生物響應

曝氣生物濾池(BAF)是集生物降解和濾料物理截留為一體的生物膜處理工藝,具有抗沖擊負荷能力強、不易發生污泥膨脹、管理簡便等特點[1-3],對COD和NH4+-N有較高的去除效率[4].由于傳統BAF具有推流反應器的特征,很難在反應器內形成硝酸鹽氮與有機物同步富存的環境,限制了系統的反硝化作用導致總氮的去除效率較低[5].為強化BAF脫氮功能,一般采用構建硝化和反硝化兩級曝氣生物濾池的方式來實現對水中總氮的削減[6-7].在單級BAF中增加內回流,可將富含硝酸鹽氮的處理水引入反應器底部區域與原水混合,為反硝化反應提供的必要的基質條件[8];此外,田兆龍等[9]改變傳統BAF的供氧策略,通過間歇曝氣的方式可以在反應器內創造好氧/缺氧交替的環境. 因此,構建間歇曝氣耦合內循環生物濾池理論上可以提高單級BAF的總氮脫除效率.課題組前期的研究成果顯示, BAF間歇曝氣耦合內循環的技術措施將系統總氮去除效果從41.8%提升至75.23%[10],證實了該思路與工藝的可行性與有效性.

BAF作為一種典型的生物膜反應器,改變運行工況來提升系統處理效率的本質是通過創造適宜的基質條件與環境條件,在系統內富集功能微生物并使其充分發揮作用[11-12].本文以間歇曝氣耦合內循環生物濾池實驗裝置為研究對象,通過檢測反應器沿程水質指標變化情況,并運用多項測試手段解析系統沿程生物量、生物活性、硝化及反硝化速率;借助高通量測序技術對反應器內沿程微生物種群特性比對分析,以期揭示間歇曝氣耦合內循環生物濾池反應器提升脫氮效能的作用機理.

1 材料與方法

1.1 實驗裝置

圖1 實驗裝置示意

a BAF實驗裝置;b 好氧速率裝置

構建的間歇曝氣耦合內循環的BAF實驗裝置如圖1a所示,反應器主體為圓柱形,內徑為15cm,外徑為25cm,總體高度為240cm.底部是高為20cm的均勻配水區,上方高為30cm的襯托層,填料層高為140cm,并以20cm等距設置7個直徑為8mm的采樣口;頂部高為50cm的靜水區,各分區之間用法蘭連接.好氧速率檢測裝置如圖1b,錐形瓶置于恒溫磁力攪拌器上,DO電極穿過橡膠塞插入掛膜填料和充氧飽和的生活污水中,待DO穩定后從溶解氧儀上讀取數值.

1.2 運行工況

維持BAF反應器在最佳工況條件下連續運行[10],主要的運行參數為:硝化液回流比為100%、曝氣停曝比為1:1(曝氣30min,停曝30min)、HRT為6h、氣水比為6:1、整個反應器溫度控制為(22±2)℃、采用的反沖洗流程為:氣洗2～5min、氣水混合洗4～6min、水洗8～10min,沖洗強度均為8～16L/(m3·s),反沖洗周期為4d.此外,在填料層高為10, 50, 130cm處設置沿程取樣點(A1、A2和A3).

1.3 檢測項目與方法

1.3.1 常規指標檢測方法 水質參數如COD、NH4+-N、NO3--N、TN等常規指標均采用《水和廢水監測分析方法》(第四版)方法測定[16],DO測定選用便攜式溶解氧儀.

1.3.2 三維熒光光譜分析 待測水樣取自原水、填料層高為50cm取樣口和出水,測定前用0.45μm濾膜進行過濾.儀器參數設置:激發波長為200～450nm,發射波長為250～550nm,步長2nm,狹縫寬度為1.11mm,對應熒光譜分辨率為2nm.

1.3.3 生物量和活性測定 系統沿程濾料生物量采用MLVSS法測定[17];生物活性分別以OUR[18]和TTC-脫氫酶活性測定[19].

1.3.4 硝化速率和反硝化速率測定 硝化速率測定需調節曝氣量以維持溶解氧濃度在2mg/L以上,反硝化速率測定需充入N2創造缺氧環境.分別在30, 60, 90, 120min取樣,混合液經0.45μm濾膜過濾后測其NO3--N和NO2--N濃度,并計算單位重量填料的硝化和反硝化速率[20].

1.4 DNA提取和高通量測序

采用16S rRNA高通量測序技術研究BAF系統沿程微生物多樣性和群落結構.樣品取自在間歇曝氣耦合內循環生物濾池系統穩定條件下的生物填料,依據沿程DO和水質變化情況選取填料層高為10, 50和130cm為微生物采樣口,測試時分別將其編號為A1、A2、A3.DNA提取采用試劑盒(E.Z.N.ATM Mag-Bind Soil DNA Kit),利用1%瓊脂糖凝膠電泳檢測抽提樣品總的DNA.選擇341(CCTACGGG- NGGCWGCAG)和805R(GACTACHVGGGTATCT- AATCC)作為引物,對V3-V4高變區域16S rRNA序列進行擴增[21].在上海生工生物工程股份公司的Illumina MiSeq測序平臺進行高通量測序.

2 結果與討論

2.1 污染物變化特性

如圖2a所示,在間歇曝氣耦合內循環生物濾池系統穩定條件下,根據COD降解速率的不同,反應器沿程水質變化情況大致分為a(0～50cm)、b(50～ 110cm)、c(110～150cm)3段,各段填料層生物對COD的去除率分別為46.98%、27.75%、12.79%,逐漸降低.該現象主要是由于進水端有機物充沛,加之氧氣供給有利于微生物的生長繁殖,因此在a段有機物降解消耗的速率最快;這與之前李燕飛等[22]的研究結論相似.沿程至110cm處,COD已降低至36.39mg/L,此時有機物相對匱乏,已然成為限制異養菌增殖的主要原因,導致COD的去除速率降至最低.

如圖2b所示,生活污水中的TN濃度主體是NH4+-N,因此兩者的沿程濃度呈現出一致的變化規律.就硝化速率而言,在填料層高為70cm處可分為前后2段;在前段NH4+-N平均去除率為79.64%,遠高于后段13.75%的平均去除率.可見,在前段基本可完成NH4+-N轉化,說明此區域硝化細菌代謝能力強.進水NO3--N濃度幾乎為0,隨著水流的上升,沿程NO3--N含量逐步富集,直至出水濃度的10.61L/(m3·s);在10～50cm區域,NH4+-N大幅降低并沒有導致NO3--N過快增長,并且在50cm處NO3--N含量有所下降,推測10～50cm區域存在較強的反硝化作用.

從圖3a可以看出,原水的三維熒光光譜圖中有2個比較明顯的特征熒光峰,其中峰Ａ中心位置為x/m=280nm/340nm,屬于高激發波長色氨酸熒光峰,主要是蛋白質的熒光貢獻;峰B中心位置為x/m=225nm/340nm,屬于低激發波長色氨酸熒光峰; 填料層高為50cm的出水三維熒光光譜圖(圖3b)在x/m=320nm/410nm處還存在1個較弱的峰C,其與可見區的類腐殖酸有關.系統出水的三維熒光光譜圖(圖3c)基本已檢測不到峰A.峰C強度變化不大,這與其代表較難被微生物降解的類腐殖質有關.峰A和峰B則有一定程度的削弱,峰A的消減強度最大,這是因為該峰常被認為是污水中易被生物降解組分[23].

a為原水;b為填料層高為50cm的出水;c為系統出水

進水中三維熒光光譜可觀察到強烈的類蛋白峰,而類蛋白與COD具有較好的正相關,表明進水富含有機碳源與營養物質.沿程出水過程中類蛋白熒光強度逐漸減弱,最終并未檢測到類蛋白峰,這也佐證了該系統對COD的處理效果好,碳源匱乏也是限制反硝化脫氮的主要因素[24].

2.2 DO和生物量變化規律

如圖4所示,對曝氣30min和停曝氣30min后的沿程DO濃度進行測定,2種不同曝氣條件下BAF填料層沿程DO均呈山谷型分布.在填料層高為10cm處DO較高(DO>2mg/L),這是由于回流的硝化液DO>4mg/L,與進水混合后仍保持較高的DO.在30～70cm區段,不同曝氣階段DO都顯著下降,出現了低谷,最低DO<0.5mg/L;分析認為底部有機物充沛,加之系統內部富集了大量活躍狀態的好氧菌,可迅速實現對DO的消耗.之后在90～150cm區段內DO持續升高并至3mg/L之上;這是由于系統推流式的特性和高溶解氧的內部回流所致.由曝氣與停曝氣階段的沿程DO比對可知,在30～70cm區段擁有較高NO3--N濃度和有機物,這些都是強化反硝化過程的基礎;加之停曝氣階段形成的缺氧環境為生物脫氮提供了有利條件,提高了該區域的反硝化效率.

如圖4b所示,進水端填料區和出水端填料區可MLVSS平均含量分別為9.19, 2.59mg/g,進水端的生物量是出水端的3倍.這是由于底部的填料能夠截留大量的懸浮物,有機物濃度高,可供異養菌生長繁殖所需,使得該區域可富集更多的生物量[17].出水端生物量低的主要原因是水體中易被生物降解的有機物質在底部區域被消耗殆盡所致.MLVSS在沿程高度為50cm處有小幅升高,這與劉俊峰等[25]研究的沿程生物量與有機物濃度呈正相關,沿水流方向均是下降態勢的結果有所差異性.分析原因,一方面是此處水力剪切較為適當,既能吹脫老化的生物膜,促進微生物的生長富集,又不會破壞原本的生物膜導致生物大量流失.另一方面,底部相對充足的有機物與交替的好氧/缺氧環境,有利于刺激大量活性生物代謝繁殖.

2.3 生物活性變化規律

如圖5a所示,填料層高在a區段(10～50cm)OUR值分別為6.64,4.75, 3.25mg/(g·h),降幅較大;結合該區域生物量的監測結果推測,濾料上附載微生物以兼性硝化菌以及反硝化菌為主,在飽和的溶解氧模擬水中檢測的OUR值呈下降態勢[26].濾料深度在b區段 (70～90cm)OUR值依次為3.51, 4.23mg/(g·h),又表現出小幅上升趨勢;在濾層末端c區段(110～ 150cm) OUR逐步降低,監測結果為3.55, 3.26, 2.64mg/(g·h);由于出水端微生物較少,且可利用的有機物質被消耗殆盡,進而影響了生化反應速率,好氧速率值降為最低[27].

TF為等位的TTC-脫氫酶活性與MLVSS比值

a為OUR;b為TF

由圖5b可知,底部填料區的脫氫酶活性最高,頂端附近生物活性較低,與OUR的監測結果保持一致.值得注意的是,濾料深度在50cm處微生物好氧速率較低,但該段TTC-脫氫酶活性有所上升;這也可以推測出該段富集有兼氧/厭氧細菌,可進行反硝化作用.此外,在近出水端130cm處, 活性有小幅上升,該結果與王曦曦等[28]的研究結果一致,即認為是生物膜相對較薄,導致生物活性升高.

2.4 沿程硝化和反硝化速率

如圖6所示,就硝化速率而言,隨著填料層厚度的增加硝化速率逐步降低.沿程的硝化速率可大致分為a(10～70cm)和b(70～150cm)2個區段;在a階段,硝化速率均值為28.87mg/(kg·h),表明該段具有良好的硝化性能,是由于此處高氨氮濃度,富含溶解氧,使得生物膜中的硝化細菌得以穩步增長,進而硝化速率高.b段硝化速率相對于a段有較大幅度下降,均值僅為3.86mg/(kg·h),表明此段的硝化反應不明顯,原因在于該段氨氮濃度較低,硝化細菌生長缺乏基質,致使硝化速率減小.該現象也與沿程氨氮濃度的變化特征相符.

圖6 沿程硝化和反硝化速率分析

反應器內沿程反硝化速率與消化速率的變化情況不同,呈現出先升高再減小的過程,并在50cm處達到約31mg/(kg·h)的最高值.在濾層高度10～ 50cm處(c階段)反硝化速率均值為21.56mg/(kg·h);表明間歇曝氣耦合內循環的操作條件在該區域為脫氮微生物提供了良好的基質條件,使反硝化作用得以充分發揮.在70～140cm處(d階段)反硝化速率遞減直至最低0.13mg/(kg·h),基本喪失了反硝化作用.一方面是由于沿水流方向易于被生物利用的有機物逐漸被消耗,導致各生物濾池沿程反硝化速率逐漸下降,甚至在濾池末尾段速率基本趨于0;另一方面,出水端完全呈現好氧的環境,反硝化細菌難以富集,限制了反硝化的進行.

除濾層高度50cm外,同位置的硝化速率始終優于反硝化速率,說明系統內部硝化反應始終占優勢,這也是系統最終脫氮效果良好效果的主要原因.結合圖4,系統內部僅在沿程30～50cm的停曝氣階段存在一定的缺氧環境;加之氧的傳遞在生物膜內形成溶解氧梯度,填料內層因而存在微觀的缺氧環境,為反硝化菌富集提供了優勢條件[28].

2.5 沿程微生物群落結構物

圖7a表明,系統各樣本菌群數量均大于1.00%的優勢菌群主要有Proteobacteria (變形菌門: 37.74%)、Bacteroidetes (擬桿菌門:22.29%)、Firmicutes (厚壁菌門:10.64%)、Planctomycetes (浮霉菌門:9.08%)、Acidobacteria (酸桿菌門:2.84%)等5種.

從脫氮細菌來看,Proteobacteria被認為是BAF反應器中的優勢門,這一門廣泛分布于土壤、廢水和污泥中[29-30].該細菌在沿程A1～A3方向所占比例分別為47.56%、22.87%和42.87%,同樣保持著較高豐度.Nitrospirae是硝化作用的主要實踐者,Nitrospirae的存在說明了亞硝酸鹽氧化細菌的存在[31];沿程各取樣點的Nitrospirae占總細菌比例低,為0.32%～ 3.02%,僅在填料層的末端A3處有較高水平,分析原因可能是此段的DO較高,為其富集提供了有利條件.這與Ma等[32]研究結論類似,其認為曝氣條件下,Nitrospirae是占優勢的系統發育群.擬桿菌門和厚壁菌門是參與反硝化脫氮過程的主要菌種,二者常見于實際污水廠和模擬實驗研究的反應器中[33-34].在本系統中厚壁菌門沿程豐度依次為7.91%、14.43%和9.57%,在填料層中部出現了峰值,這種變化趨勢與之前的研究類似[35],分析原因是中后層條件穩定,氧氣和水力剪切擾動較小,為其富集創造了便利條件.系統的擬桿菌門沿程豐度依次為11.91%、32.05%和22.93%,變化情況與DO負相關,在A2區域的溶解氧環境和相對充足的底物為其富集提供了有利環境,進而該取樣點出現了峰值.間歇曝氣耦合內循環的工況優化會顯著改變生物膜中微生物的種群結構,尤其是在濾層50cm處有效提高厚壁菌門和擬桿菌門等反硝化菌的豐度.

圖7 沿程微生物群落分析

a門水平;b屬水平

由圖7b可知,在屬水平上,沿程相對豐度均值大于2.00%的優勢菌群主要有(弓形桿菌屬:3.53%)、(叢毛單胞菌屬:3.11%)、(紫單細胞菌屬:4.78%)、(3.41%)、(2.43%)等5種.此外,同樣發現了能夠進行缺氧代謝的細菌,如、和表明即使在反應器的曝氣區也存在著缺氧的環境.已有研究證明,和細菌屬在缺氧條件下可進行反硝化[37].而傳統的BAF受限于內部環境條件,難以富集缺氧代謝和反硝化功能細菌,王琳等[28]的研究指出Biostyr系統菌群并未檢測出能夠反硝化的優勢細菌,該結果也可佐證上述結論.

綜上,間歇曝氣耦合內循環濾池內具有豐富的微生物群落,且硝化和反硝化等功能性種群豐度賦存較為明顯,結合出水回流、間歇曝氣的運行方式,為反硝化細菌的代謝提供良好的基質條件,強化了系統的反硝化脫氮效率,實現了單級BAF反應器對總氮的高效去除.

3 結論

3.1 系統沿填料層高度方向水中NH4+-N、TN遞減,而NO3--N逐漸積累,但 50cm處NO3--N濃度有小幅度的小降,表明此處的反硝化過程占優.進水在沿程出水過程中類蛋白熒光強度逐漸減弱,最終出水并未檢測到類蛋白峰.

3.2 在沿程30～70cm區段具有強化反硝化作用的優勢溶解氧環境和充沛的有機物;此外,該段的生物數量也明顯優于其它區域.生物膜沿程的OUR和TTC-脫氫酶活性沿水流方向逐漸降低,在濾池深度50cm附近出現了峰谷.該段的OUR速率低但脫氫酶活性高,表明低DO區主要進行反硝化脫氮.反硝化速率在濾料底部區域較高.

3.3 16S rRNA高通量測序分析顯示:系統在門水平上涉及反硝化功能的微生物有較高的豐度,主要有Firmicutes (10.64%)和Bacteroidetes (22.29%);在屬水平上也明顯存在反硝化功能的(3.11%)和(2.43%).

[1] Dong J X, Wang Y H, Wang L J, et al. The performance of porous ceramsites in a biological aerated filter for organic wastewater treatment and simulation analysis [J]. Journal of Water Process Engineering, 2020,34:101134.

[2] Zhang L L, Yue Q Y, Yang K L, et al. Enhanced phosphorus and ciprofloxacin removal in a modified BAF system by configuring Fe-C micro electrolysis: Investigation on pollutants removal and degradation mechanisms [J]. Journal of Hazardous Materials, 2018, 342(15):705-714.

[3] 楊永愿,汪曉軍,趙 爽,等.沸石曝氣生物濾池短程硝化特性及其機制[J]. 中國環境科學, 2017,37(12):4518-4525.

Yang Y Y, Wang X J, Zhao S, et al. Partial nitrification performance and mechanism of zeolite biological aerated filter for ammonium wastewater treatment [J]. China Environmental Science, 2017,37(12): 4518-4525.

[4] Feng Y, Li X, Song T, et al. Stimulation effect of electric current density (ECD) on microbial community of a three dimensional particle electrode coupled with biological aerated filter reactor (TDE-BAF) [J]. Bioresource Technology, 2017,243:667-675.

[5] Wang H J, Dong W Y, Li T, et al. A modified BAF system configuring synergistic denitrification and chemical phosphorus precipitation: Examination on pollutants removal and clogging development [J]. Bioresource Technology, 2015,189:44-52.

[6] 江肖良,李 孟,張少輝,等.4種不同工況生物濾池凈化效能與微生物特性分析[J]. 環境科學, 2018,39(12):5503-5513.

Jiang X L, Li M, Zhang S H, et al. Purification efficiency and microbial characteristics of four biofilters operated under different conditions [J]. Environmental Science, 2018,39(12):5503-5513.

[7] Wang X J, Han J J, Chen Z W,et al. Combined processes of two-stage Fenton-biological anaerobic filter-biological aerated filter for advanced treatment of landfill leachate [J]. Waste Management, 2012,32(12):2401-2405.

[8] Zhang Q, Wang C R, Jiang L X, et al. Impact of dissolved oxygen on the microbial community structure of an intermittent biological aerated filter (IBAF) and the removal efficiency of gasification wastewater [J]. Bioresource Technology, 2018,255:198-204.

[9] 田兆龍,汪曉軍,黃志聰.間歇式曝氣生物濾池對焚燒垃圾滲濾液深度脫氮的研究[J]. 環境科學學報, 2013,33(5):1244-1248.

Tian Z L, Wang X J, Huang Z C. Nitrogen removal for waste incineration leachate by intermittent aerated biological filter [J]. Acta Scientiae Circumstantiae, 2020,33(5):1244-1248.

[10] 柴蓓蓓,曹鋒鋒,任武昂.間歇曝氣耦合內循環曝氣生物濾池脫氮除磷性能研究[J].環境污染與防治, 2020,42(12):1443-1448.

Chai B B, Cao F F, Ren W A. Research on nitrogen and phosphorus removal performance of intermittent aeration coupled with internal circulation biological aerated filter [J]. Environmental Pollution & Control, 2020,42(12):1443-1448.

[11] 靖青秀,游 威,黃曉東,等.鈷渣基陶粒脫除曝氣生物濾池廢水中氮磷研究[J]. 水處理技術, 2020,46(10):28-32.

Jing Q X, You W, Huang X D, et al. Study on removal of nitrogen and phosphorus in wastewater by a BAF with cobalt slag based ceramsite [J]. Technology of Water Treatment, 2020,46(10):28-32.

[12] Bao T, Chen T H, Ezzatahmadi N, et al. A performance evaluation of a new iron oxide-based porous ceramsite (IPC) in biological aerated filters [J]. Environmental Technology, 2017,38(7):827-834.

[13] Zhou H, Xu G. Biofilm characteristics, microbial community structure and function of an up-flow anaerobic filter-biological aerated filter (UAF-BAF) driven by COD/N ratio [J]. The Science of the Total Environment, 2020,708(15):1-10.

[14] 葉 星,馬凱迪,黃俊生,等.反硝化生物濾池中生物膜量與脫氮效果和脫氫酶活性的關系[J]. 環境工程學報, 2020,14(5):1210-1215.

Ye X, Ma K D, Huang J S, et al. Relationship between biofilm mass and nitrogen removal efficiency dehydrogenase activity in the denitrification biological filter [J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2020,14(5):1210-1215.

[15] 向 紅,劉武平,李 璇,等.生物濾池中生物量與生物活性分析及其凈水效果[J]. 中國給水排水, 2011,27(3):48-51.

Xiang H, Liu W P, Li X, et al. Analysis of biological filter biomass and biological activity and its purification effect [J]. China Water & Wastewater, 2011,27(3):48-51.

[16] 國家環境保護總局.水和廢水監測分析方法[M]. 北京:中國環境科學出版社, 2004.

State Environmental Protection Administration. Water and wastewater monitoring and analysis methods [M]. Beijing: China Environmental Science Press, 2004.

[17] 王 悅,王 海,石爍輝,等.反硝化濾池反沖洗效能綜合影響因素及微生物種群[J]. 中國給水排水, 2021,37(1):76-80.

Wang R, Wang H, Shi S H, et al. Comprehensive influencing factors of backwashing efficiency of denitrifying biofilter and its microbial community [J]. China Water & Wastewater, 2011,37(1):76-80.

[18] 李 川,郭 鳴,王 讓,等.改性生物砂濾池對污染物的去除效果及微生物特性[J]. 中國給水排水, 2019,35(5):94-98.

Li C, Guo M, Wang R, et al. Analysis of pollutants removal and microbial characteristics of modified biological sand filter [J]. China Water & Wastewater, 2019,35(5):94-98.

[19] 金幼平,楊雪英,陳 罡,等.活性污泥INT-脫氫酶活性檢測方法的改進[J]. 中國給水排水, 2016,32(22):153-156.

Jin Y P, Yang X Y, Chen G, et al. Improvement of INT- dehydrogenase activity detection method of activated sludge [J]. China Water & Wastewater, 2016,32(22):153-156.

[20] 周 圓,支麗玲,鄭凱凱,等.城鎮污水處理廠活性污泥反硝化速率的影響因素及優化運行研究[J]. 環境工程, 2020,38(7):100-108.

Zhou Y, Zhi L L, Zheng K K, et al. Influencing factors and optimization analysis of denitrification rate in urban wastewater treatment plants [J]. Environmental Engineering, 2020,38(7):100-108.

[21] Zhang X J, Zhou Y, Yu B Y, et al. Effect of copper oxide nanoparticles on the ammonia removal and microbial community of partial nitrification process [J]. Chemical Engineering Journal, 2017,328(15): 152-158.

[22] 李燕飛,孫迎雪,田 媛,等.曝氣生物濾池處理生活污水研究[J]. 環境工程學報, 2011,5(3):575-578.

Li Y F, Sun Y X, Tian Y, et al. Study on domestic wastewater treatment with biological aerated filter [J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2011,5(3):575-578.

[23] 安 瑩,李云輝,李 震,等.改良型AO法組合工藝中有機物的三維熒光分析[J]. 環境工程學報, 2013,7(1):159-163.

An Y, Li Y H, Li Z, et al. Analysis of EEM fluorescence spectra of dissolved organic matter in improved AO combined process [J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2013,7(1):159-163.

[24] 張 華,全桂軍,黃 健,等.廢水DOM熒光強度與COD總氮的相關分析[J]. 環境科學與技術, 2017,40(10):157-162.

Zhang H, Quan G J, Huang J, et al. Analysis of the correlation between the fluorescence intensity of the dissolved organic matter and COD and total nitrogen in wastewater [J]. Environmental Science & Technology, 2017,40(10):157-162.

[25] 劉俊峰,范舉紅,劉 銳,等.2種填料BAF深度處理印染廢水沿程污染物變化規律研究[J]. 環境科學, 2014,35(12):4596-4601.

Liu J F, Fan J H, Liu R, et al. Variation of pollutants along the height of two media BAF during advanced treatment of dyeing wastewater [J]. Environmental Science, 2014,35(12):4596-4601.

[26] 王曦曦,倫 琳,張繼彪,等.改進型曝氣生物濾池的生物量和生物活性[J]. 環境工程學報, 2012,6(6):1829-1833.

Wang X X, Lun L, Zhang J B, et al. Biomass and microbial activity in modified biological aerated filter [J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2012,6(6):1829-1833.

[27] Urfer D, Huck P M. Measurement of biomass activity in drinking water biofilters using a respirometric method [J]. Water Research, 2001,35(6):1469-1477.

[28] 王 琳,肖嬌玲,竇娜莎.Biostyr曝氣生物濾池的沿程微生物多樣性[J]. 環境工程學報, 2016,10(11):6283-6289.

Wang L, Xiao J L, Dou N S. Microorganism characteristics along Biostyr biological aerated filter [J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2016,10(11):6283-6289.

[29] Gao P, Xu W, Sontag P, et al. Correlating microbial community compositions with environmental factors in activated sludge from four full-scale municipal wastewater treatment plants in Shanghai, China [J]. Applied Microbiology & Biotechnology, 2016,100(10):4663- 4673.

[30] Wang J F, Song X S, Wang Y H, et al. Nitrate removal and bioenergy production in constructed wetland coupled with microbial fuel cell: Establishment of electrochemically active bacteria community on anode–ScienceDirect [J]. Bioresource Technology, 2016,221:358-365.

[31] Pereira A D, Leal C D, Dias M F, et al. Effect of phenol on the nitrogen removal performance and microbial community structure and composition of an anammox reactor [J]. Bioresource Technology, 2014,166:103-111.

[32] Ma J, Wang Z, Yang Y, et al. Correlating microbial community structure and composition with aeration intensity in submerged membrane bioreactors by 454high-throughput pyrosequencing [J]. Water Research, 2013,47(2):859-869.

[33] Rodriguez-Sanchez A, Margareto A, Robledo-Mahon T, et al. Performance and bacterial community structure of a granular autotrophic nitrogen removal bioreactor amended with high antibiotic concentrations [J]. The Chemical Engineering Journal, 2017,325:257- 269.

[34] 劉亞妮,朱宏偉,黃榮新,等.曝氣生態濾池中微生物群落組成及物種多樣性[J]. 中國環境科學, 2020,40(3):1075-1080.

Liu Y N, Zhu H W, Huang R X, et al. Microbial community composition and species diversity in ecological aerated filter [J]. China Environmental Science, 2020,40(3):1075-1080.

[35] Na S, Ge C, Ahmad H A, et al. Realization of microbial community stratification for single-stage nitrogen removal in a sequencing batch biofilter granular reactor [J]. Bioresource Technology, 2017,241:681- 691.

[36] Chakravarthy S S, Pande S, Kapoor A, et al. Comparison of denitrification betweensp. andsp [J]. Applied Biochemistry & Biotechnology, 2011,165(1):260-269.

Intermittent aeration-internal circulation biological filter performance and biofilm characteristics.

REN Wu-ang1, CAO Feng-feng1, JU Kai1, JIN Peng-kang2, LI Si-min3, CHAI Bei-bei4,5*, LEI Xiao-hui5

(1.School of Architecture and Civil Engineering, Xi’an University of Science and Technology, Xi’an 710054,China；2.School of Human Settlement Environment and Civil Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049,China；3.Hebei Water Pollution Control and Ecological Restoration Technology Innovation Center, Handan 056038, China；4.School of Water Conservancy and Hydroelectric Power, Hebei University of Engineering, Handan 056038, China；5.Hebei Key Laboratory of Intelligent Water Conservancy, Handan 056038, China)., 2022,42(2)：629～636

The mechanism of enhanced denitrification by intermittent aeration-coupled internal circulation biofiltration is still not clear. We therefore investigated the pollutant removal in a biofiltration reactor. Several methods were used to analyze the biomass, biological activity, and nitrification and denitrification rates of the system, and the microbial population in the reactor was analyzed. The intensity of protein-like fluorescence gradually decreased throughout the system, and no protein-like peak was detected in the effluent. The decrease of NH4+-N along the 10-50cm section of the reactor did not cause a significant increase in NO3--N, and the NO3--N content decreased at 50cm. This section showed obvious denitrification. The dissolved oxygen and biomass levels throughout the system indicated an anoxic/anaerobic environment and significant denitrification. In addition, the low oxygen uptake rate (OUR) but high TTC-dehydrogenase activity at 50cm and the significantly higher denitrification rate compared to the nitrification rate indicated enhanced denitrification in this region. Based on 16S rRNA high-throughput sequencing analysis, the system had a higher abundance of microorganisms involved in denitrification at the phylum level, mainly Firmicutes (10.64%) and Bacteroidetes (22.29%). Denitrification was also evident at the genus level in(3.11%) and(2.43%). Our results suggest that the BAF system with intermittent aeration coupled with internal circulation enhanced denitrification in the bottom zone and thus improved the denitrification efficiency.

biofilter；intermittent aeration；internal circulation；pollutants；microbial response

X703.5

A

1000-6923(2022)02-0629-08

任武昂(1986-),男,陜西西安人,講師,博士,主要從事污水處理與資源化研究.發表論文10余篇.

2021-06-03

陜西省重點研發計劃(2019ZDLNY01-08);陜西省重點研發計劃(2020ZDLNY06-07);國家自然科學基金資助項目(NSFC 52070065);河北省自然科學基金創新研究群體(Grant No.E2020402074)

* 責任作者, 副教授, cbb21@163.com