短程反硝化處理酸性含氮廢水及N2O釋放特性

孫婷,李悅,李樂,潘永寶,姬濤,呂永濤

(1.西安建筑科技大學 環境與市政工程學院,陜西 西安 710055;2.陜西省現代建筑設計研究院有限公司,陜西 西安 710024;3.中國地質調查局西安地質調查中心,陜西 西安 710119)

N2O是生物脫氮過程釋放的強溫室氣體[4],當pH低于6.0時,反硝化的主要產物是N2O而非N2[5-6],但以上研究多針對酸性pH的應激影響,對長期運行的酸性反硝化系統中N2O的釋放特性尚少有報道。

本文在SBR系統成功實現了短程反硝化穩定運行,在此基礎上研究了不同pH對N2O釋放特性的影響,并通過系統中微生物群落的變化解析了N2O釋放特性,旨在為酸性廢水的直接反硝化提供理論依據。

1 實驗部分

1.1 實驗裝置與運行

采用圓柱形SBR反應器,有效容積3 L,排水比0.66。每天運行4個周期,單周期6 h,包括進水5 min、攪拌300 min、靜置沉淀30 min、排水5 min、閑置20 min,反應器在室溫條件下運行(15～25 ℃)。

1.2 污泥來源和實驗用水

污泥取自西安市第四污水處理廠,接種后反應器初始污泥濃度為4 000 mg/L左右,每天排除污泥混合液200 mL,泥齡控制為15 d左右。

1.3 分析方法

1.4 N2O氣體分析及計算

反應過程中使用氣體采樣針從反應器上部集氣區抽取50 mL氣體,轉移至氣密性良好的鋁箔氣體采樣袋后,使用PE600氣相色譜儀對其中的N2O進行分析,所有氣體樣品均測定3次,取平均值。N2O的濃度、釋放量及釋放速率的計算參考文獻[9]中的方法。

1.5 微生物群落多樣性分析

取少量離心后的污泥采用高通量測序方法分析微生物群落結構,采用反硝化引物cd3aF(5’-GTSAACGTSAAGGARACSGG-3’)和R3cdR(5’-GASTTCGGRTGSGTCTTGA-3’)。PCR產物數據由美吉生物云平臺進行分析。

2 結果與討論

2.1 SBR馴化過程中氮素變化特性

圖1 SBR系統啟動及酸性條件下C、N的轉化特性Fig.1 SBR system start-up and conversion characteristics of C and N under acidic conditions

2.2 不同pH條件下SBR單周期氮素轉化特性

圖2 不同pH條件下COD和氮素去除及N2O釋放特性Fig.2 COD and nitrogen removal and N2O release rate at different pH conditions

2.3 微生物種群變化特性

取接種污泥(1#)和第120 d時已馴化污泥(2#)進行高通量測序。物種豐富度與多樣性分析結果見表1,樣品在屬水平的菌落結構見圖3。菌落分布柱狀圖中,“others”表示基因相對豐度小于1%的菌屬。

表1 物種豐富度與多樣性分析結果Table 1 Species richness and diversity analysis

圖3 污泥樣品在屬水平的群落結構組成Fig.3 Community structure composition of samples at the genus level

由表1可知,120 d污泥(2#)微生物Sobs指數、Chao指數、Ace指數、Shannon指數較接種污泥(1#)明顯下降,表明低pH馴化后,反硝化菌豐富度和多樣性均有所降低。

由圖3可知,接種污泥(1#)主要菌屬為unclassified_k_norank_d_Bacteria(28.05%)、unclassified_p_Proteobacteria(39.06%)、norank_p_environmental_samples(21.30%)、Alicycliphilus(5.43%)、Thauera(2.41%);120 d污泥(2#)unclassified_k_norank_d_Bacteria相對豐度升至65.60%,norank_p_environmental_samples和Alicycliphilus基本消失,Thauera升至20.22%、unclassified_f_Rhodocyclaceae升至9.79%、unclassified_p_Proteobacteria降至3.07%。表明酸性進水條件對反硝化微生物群落的組成影響較大。武曉桐等[14]在研究好氧高溫牛糞堆肥中反硝化細菌群落變化中發現,unclassified_p_Proteobacteria和pH之間呈顯著正相關,unclassified_k_norank_d_Bacteria與pH之間呈負相關,這說明降低pH條件會使unclassified_p_Proteobacteria相對豐度降低,而使unclassified_k_norank_d_Bacteria的相對豐度增加,這與本研究結果一致(圖3)。

此外,系統中微生物種群也影響著N2O的釋放量。YUAN等[15]在研究了灌溉和覆膜對土壤N2O排放的影響中發現,N2O累積排放量與unclassified_k_norank_d_Bacteria和unclassified_p_Proteobacteria的相對豐度呈顯著負相關[16];仇瀟灑[17]在缺氧條件下成功培養出Thauera占主導的反硝化污泥系統,其在微生物總量中的占比由24.03%增至76.4%,N2O的轉化率下降了97.5%,表明以上三個屬反硝化數量增加均有利于N2O釋放量的降低,由圖3可知,unclassified_k_norank_d_Bacteria和Thauera均是本研究中反硝化系統的優勢微生物,這也是本系統N2O產生率始終保持較低水平的主要原因,表明長期低pH條件培養的優勢反硝化菌對控制溫室氣體N2O排放具有重要意義。

3 結論

(3)長期低pH馴化后,unclassified_k_norank_d_Bacteria和Thauera屬成為優勢反硝化菌,它們對N2O的減量釋放起到重要作用。