厭氧鐵氨氧化脫氮除磷效能及穩(wěn)定性研究*

龍世平 劉 吉 蔣妍繪 廖宏燕 王 健

(1.重慶新天地環(huán)境檢測技術(shù)有限公司,重慶 401147;2.中國石油集團(tuán)測井有限公司遼河分公司,遼寧 盤錦 124010;3.沈陽建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院,遼寧 沈陽 110168;4.遼寧省朝陽市生態(tài)環(huán)境事務(wù)服務(wù)中心,遼寧 朝陽 122000)

然而,由于實際廢水的成分復(fù)雜、環(huán)境條件多變,Feammox反應(yīng)受到鐵源類型、Fe2+濃度、pH、溫度等諸多因素的影響[9-11],在實際污水處理應(yīng)用中依然面臨著巨大挑戰(zhàn)。例如,低溫是污水生化處理面臨的重要問題,當(dāng)環(huán)境溫度低于10 ℃時,微生物的脫氮活性將受到嚴(yán)重抑制[12-13]。鐵氧化物在中性pH下主要以固態(tài)形式存在,其結(jié)晶度直接影響微生物的鐵還原效率,進(jìn)而影響Feammox的氨氧化速率[14-15]。Feammox與硫循環(huán)存在密切的聯(lián)系[16],[17]6691,在硫限制條件下Feammox能否穩(wěn)定運行?因此,進(jìn)一步探討Feammox的環(huán)境耐受性以及調(diào)控機(jī)制是推動該技術(shù)走向污水處理應(yīng)用的關(guān)鍵。

針對上述問題,本研究設(shè)置了硫酸鹽+水鐵礦、硫酸鹽+磁鐵礦、無硫+水鐵礦、無硫+低溫+水鐵礦共4組實驗,考察高結(jié)晶度鐵氧化物、硫限制和低溫條件對Feammox脫氮除磷效能和穩(wěn)定性的影響,并對脫氮除磷產(chǎn)物及微生物群落結(jié)構(gòu)與功能進(jìn)行分析,以期為Feammox的科學(xué)研究與實際應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

實驗采用模擬廢水,模擬廢水組成如下:NaHCO31.0 g/L,NH4Cl 1.0 g/L,KH2PO40.1 g/L,MgCl20.2 g/L,微量元素1.0 mL/L。模擬廢水的化學(xué)需氧量(COD)為15.4 mg/L,氨氮為258.5 mg/L,總磷為40.2 mg/L。將稻田土和市政污水處理廠剩余污泥按1∶1的質(zhì)量比混合作為接種污泥,初始接種污泥懸浮固體(SS)為8.4 g/L,揮發(fā)性懸浮固體(VSS)為7.6 g/L。

磁鐵礦采用分析純試劑,水鐵礦采用Fe(NO3)3和NaOH法制備。水鐵礦制備過程如下:將64.8 g Fe(NO3)3·9H2O溶于300 mL超純水中,邊攪拌邊加入10.0 mol/L的NaOH溶液,直至pH達(dá)到7.3。室溫靜置穩(wěn)定2 h后,緩慢滴加1.0 mol/L的NaOH溶液,至pH達(dá)到7.5。采用去離子水將上述混合物反復(fù)洗滌至硝酸根低于1 mg/L,最后用去離子水定容至400 mL。合成的水鐵礦樣品中Fe(Ⅲ)為380 mmol/L。

1.2 實驗方法

實驗在1 L廣口瓶中進(jìn)行,裝液量為800 mL,接種污泥后通入高純氮氣除氧15 min。分別設(shè)置硫酸鹽(0.8 mmol/L MgSO4)+水鐵礦(60 mmol/L,以Fe(Ⅲ)計,下同)、硫酸鹽(0.8 mmol/L MgSO4)+磁鐵礦(60 mmol/L,以Fe(Ⅲ)計,下同)、無硫(無MgSO4)+水鐵礦(60 mmol/L)、無硫+低溫(4 ℃)+水鐵礦(60 mmol/L)共計4組實驗,各實驗組設(shè)置3個平行。低溫實驗組置于4 ℃振蕩培養(yǎng),其他各組均置于25 ℃振蕩培養(yǎng)。實驗過程中定時采樣考察水質(zhì)變化。

1.3 分析方法

氨氮、亞硝態(tài)氮、硝態(tài)氮、總磷的檢測方法參考文獻(xiàn)[18]。

X射線衍射(XRD)分析:將污泥樣品冷凍干燥后研磨成細(xì)粉,采用XRD儀(X Pert3 Powder)進(jìn)行晶體分析。掃描速率為5°/min,掃描角度為5°～90°。

掃描電子顯微鏡(SEM)/能譜(EDS)分析:將污泥置于真空干燥2 h,采用離子濺射鍍膜法噴金,采用SEM/XRD系統(tǒng)(JSM-7800F)對樣品進(jìn)行表面形貌和元素組成分析。

微生物群落結(jié)構(gòu)與功能分析:在反應(yīng)結(jié)束時(第70天),取污泥樣品進(jìn)行微生物高通量測序分析。采用小量脫氧核糖核酸(DNA)提取試劑盒對污泥樣品進(jìn)行DNA提取,提取后的DNA通過1%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))瓊脂糖凝膠電泳檢測。采用16S rRNA細(xì)菌引物515F/907R(515F:GTGYCAGCMGCCGCGGTAA,907R:CCGYCAATTYMTTTRAGTTT)進(jìn)行聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(PCR)擴(kuò)增。采用DNA凝膠回收試劑盒切膠回收PCR產(chǎn)物,2%瓊脂糖凝膠電泳檢測。將PCR產(chǎn)物用藍(lán)色熒光定量系統(tǒng)(QuantiFluorTM-ST)進(jìn)行檢測定量。采用TruSeqTM DNA Sample Prep Kit建庫,利用Illumina Hiseq 2500平臺進(jìn)行測序。微生物功能預(yù)測采用上海某信息技術(shù)有限公司提供的生信云平臺完成。

2 結(jié)果與討論

2.1 氮磷去除效率

各實驗體系中氮磷的去除情況見圖1。硫酸鹽+水鐵礦組、硫酸鹽+磁鐵礦組與無硫+水鐵礦組的氨氮變化曲線相似,均在0～14 d氨氮波動明顯,之后氨氮濃度迅速下降。在70 d反應(yīng)結(jié)束時,硫酸鹽+水鐵礦組、硫酸鹽+磁鐵礦組與無硫+水鐵礦組氨氮去除量分別為234.4、195.2、215.4 mg/L,去除率介于84.3%～88.0%,表明高結(jié)晶度的磁鐵礦作鐵源和硫限制對氨氧化無明顯影響。無硫+低溫+水鐵礦組早期氨氮波動明顯,28 d后緩慢下降,最終氨氮去除量為65.3 mg/L,去除率僅為25.5%,遠(yuǎn)低于其他實驗組,表明低溫顯著降低了Feammox氨氧化的效能。

圖1 氮磷變化曲線Fig.1 Change curve of nitrogen and phosphorus

硫酸鹽+水鐵礦組、硫酸鹽+磁鐵礦組與無硫+水鐵礦組的亞硝態(tài)氮濃度呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢,反應(yīng)結(jié)束時其亞硝態(tài)氮分別為5.75、78.48、74.49 mg/L;無硫+低溫+水鐵礦組體系中沒有明顯的亞硝態(tài)氮生成,其亞硝態(tài)氮始終低于4.00 mg/L。

硝態(tài)氮濃度在各實驗組中都存在波動現(xiàn)象。硫酸鹽+磁鐵礦組和無硫+低溫+水鐵礦組硝態(tài)氮的最終硝態(tài)氮質(zhì)量濃度更低,分別為1.48、1.17 mg/L;硫酸鹽+水鐵礦組和無硫+水鐵礦組硝態(tài)氮的最終硝態(tài)氮質(zhì)量濃度相對較高,分別達(dá)到了3.43、4.05 mg/L。但總體上看各實驗組的最終硝態(tài)氮均較低。

在所有添加水鐵礦的實驗組中,上清液中的總磷在7 d內(nèi)迅速下降到1.0 mg/L以下,去除率達(dá)到98.3%以上。硫酸鹽+磁鐵礦組中的總磷濃度下降較為緩慢,至反應(yīng)結(jié)束時,僅去除了58.6%。這一結(jié)果表明,低結(jié)晶度、高吸附性的水鐵礦比高結(jié)晶度的磁鐵礦具有更強(qiáng)的吸附除磷能力。

綜上,在本實驗中硝態(tài)氮/亞硝態(tài)氮是Feammox的主要直接產(chǎn)物,之后硝態(tài)氮/亞硝態(tài)氮通過反硝化作用轉(zhuǎn)變?yōu)榈獨狻Ｒ韵鯌B(tài)氮/亞硝態(tài)氮為主要產(chǎn)物的Feammox過程同樣被其他研究所報道[19-20]。從熱力學(xué)角度來看,當(dāng)Feammox生成產(chǎn)物為氮氣時能夠釋放更多的能量[21]。從能量利用的角度來看,逐級反應(yīng)有利于提高微生物的能量利用率[22]。在硫酸鹽+水鐵礦組中,硝態(tài)氮和亞硝態(tài)氮反硝化去除的速率總體上較高,這可能與其硫自養(yǎng)反硝化代謝有關(guān)。在硫酸鹽+水鐵礦組氨氧化過程中(0～58 d),體系中生成大量黑色的硫化物,并隨著硝態(tài)氮/亞硝態(tài)氮的去除逐漸消失。這一結(jié)果與已報道的硫化合物介導(dǎo)Feammox反應(yīng)一致[17]6696。

2.2 污泥性狀分析

反應(yīng)結(jié)束后對污泥樣品進(jìn)行了SEM/EDS分析。在所有添加水鐵礦的實驗組中,樣品表面磷元素占有相對較高的比例;而在硫酸鹽+磁鐵礦組中,磷元素的占比相對較低。這一結(jié)果證實了水鐵礦比磁鐵礦吸附了更多的磷元素,與除磷效果相對應(yīng)。其原因是水鐵礦主要以膠體形式存在,具有更大的比表面積和高表面活性,可以通過吸附和共沉淀與水中的磷酸鹽相互作用,提高磷酸鹽的去除效果[23]。

污泥樣品的XRD分析結(jié)果表明,各實驗組中均出現(xiàn)了新的礦物晶體,其特征峰主要在26.90°、27.63°和55.45°(見圖2)。與標(biāo)準(zhǔn)卡片(PDF#89-1671)相比可知,該礦物晶體為四方復(fù)鐵天藍(lán)石(Fe25(PO4)14(OH)24),其中的Fe(Ⅲ)∶Fe(Ⅱ)為16∶9。各實驗組鐵氧化物中的Fe(Ⅲ)參與Feammox反應(yīng)后被還原為Fe(Ⅱ),并進(jìn)一步與磷酸鹽結(jié)合形成穩(wěn)定的礦物晶體。

圖2 污泥的XRD分析Fig.2 XRD analysis of sludge

2.3 微生物群落分析

各樣品的α多樣性指數(shù)見表1。無硫+低溫+水鐵礦組的Ace指數(shù)、Shannon指數(shù)和Chao指數(shù)明顯高于其他實驗組,Simpson指數(shù)則明顯低于其他實驗組,說明無硫低溫條件下微生物豐富度和多樣性均高于其他實驗組。各樣品覆蓋度均達(dá)到了99%以上,表明數(shù)據(jù)可信度較高。

表1 微生物α多樣性指數(shù)Table 1 Microbial α diversity index

污泥屬水平的微生物群落結(jié)構(gòu)見表2。硫酸鹽+磁鐵礦、無硫+水鐵礦和無硫+低溫+水鐵礦組共有的優(yōu)勢菌屬為假單胞菌屬,其相對豐度分別達(dá)到了12.7%、36.1%和2.1%。假單胞菌屬具有較強(qiáng)的異養(yǎng)反硝化能力[24]。硫酸鹽+水鐵礦和硫酸鹽+磁鐵礦組的共有優(yōu)勢菌屬為苯基桿菌屬、叢毛單胞菌屬和亞硝化單胞菌屬,其中,叢毛單胞菌屬和亞硝化單胞菌屬是已知的具有氨氧化能力的微生物[17]6697,[25]。研究表明,叢毛單胞菌屬是有硫共培養(yǎng)物中潛在的Feammox功能菌,能同時參與氮、鐵和硫元素循環(huán)3個過程[17]6694。在本研究中,叢毛單胞菌屬在硫酸鹽+水鐵礦和硫酸鹽+磁鐵礦組中的豐度分別為9.9%和4.2%。由此推測,叢毛單胞菌屬對有硫體系中氨氮的氧化起重要作用,是Feammox反應(yīng)的重要菌屬。硫酸鹽+水鐵礦、硫酸鹽+磁鐵礦和無硫+水鐵礦組的共有優(yōu)勢菌屬為硫桿菌屬,其豐度分別達(dá)到4.8%、1.9%和2.7%。硫桿菌屬具有較好的自養(yǎng)反硝化能力,本實驗體系中產(chǎn)生的Fe(Ⅱ)和硝態(tài)氮/亞硝態(tài)氮是該菌屬適宜的底物。無硫+水鐵礦和無硫+低溫+水鐵礦組的共有優(yōu)勢菌屬是黃桿菌屬,相對豐度分別為2.9%和2.5%。黃桿菌屬為異養(yǎng)反硝化微生物,對多種有機(jī)物具有較好的降解能力并能夠進(jìn)行同步反硝化[26]。在有硫?qū)嶒灲M中黃桿菌屬未能成為優(yōu)勢菌屬,說明該菌屬在低硫環(huán)境中具有更好的競爭力。

表2 污泥在屬水平上微生物群落組成Table 2 Relative abundance of the main genera in the sludge

2.4 微生物功能預(yù)測

微生物功能注釋結(jié)果表明,在硫酸鹽+水鐵礦和硫酸鹽+磁鐵礦組中,好氧氨氧化、亞硝化、黑暗鐵氧化、黑暗硫氧化明顯增強(qiáng)(見圖3)。這一結(jié)果提示在Feammox生物脫氮處理中,可以通過投加一定量的硫酸鹽來增強(qiáng)體系的氨氧化效果。此外,由于在Feammox體系中缺乏Fe(Ⅱ)和硫化合物氧化的氧氣,但存在大量的硝態(tài)氮/亞硝態(tài)氮,因此兩者的氧化主要由硝酸鹽/亞硝酸鹽充當(dāng)氧化劑,即硫酸鹽增加了Feammox體系中Fe(Ⅱ)反硝化和硫自養(yǎng)反硝化的功能。由于在本研究的Feammox體系中還生成了Fe(Ⅱ)和硫化物,自養(yǎng)反硝化的過程可以順利進(jìn)行,從而有助于有硫體系中硝態(tài)氮/亞硝態(tài)氮的快速消除。

注:顏色越深代表作用越強(qiáng)。

在無硫+水鐵礦和無硫+低溫+水鐵礦組中,異養(yǎng)反硝化(包括硝酸鹽還原、氮呼吸和硝酸鹽呼吸)功能高于有硫?qū)嶒灲M。但在Feammox體系中,有機(jī)物極度匱乏,異養(yǎng)反硝化的作用很難發(fā)揮,這可能是導(dǎo)致無硫?qū)嶒灲M中亞硝態(tài)氮積累的主要原因。另外,無硫+低溫+水鐵礦組中硝酸鹽/亞硝酸鹽氨化功能遠(yuǎn)高于其他實驗組,這一功能可使硝酸鹽/亞硝酸鹽重新還原為氨氮,這可能是導(dǎo)致該實驗組氨氮去除效果較差的主要原因之一。

3 結(jié) 論

(1) Feammox具有較高的同步脫氮除磷效果,添加硫酸鹽和水鐵礦的實驗組中,氨氮和總磷去除率分別超過84%和98%。磁鐵礦作為鐵源和硫限制不影響其氨氧化效果,但低溫則使氨氮去除率明顯下降。

(2) Feammox的氨氧化產(chǎn)物主要為亞硝態(tài)氮和硝態(tài)氮,這些產(chǎn)物能通過體系中的反硝化作用進(jìn)一步去除,而磷的去除初期依賴于水鐵礦的物理吸附,后期可進(jìn)一步與鐵結(jié)合生成四方復(fù)鐵天藍(lán)石。

(3) 有硫Feammox體系中具有氨氧化功能的微生物豐度較高,在硫限制體系中具有反硝化功能的微生物豐度較高。