李 明 禮, 高 彥 寧, 黃 丹, 徐 曉 晨*, 陳 捷, 楊 鳳 林

(1.大連理工大學(xué) 環(huán)境學(xué)院 工業(yè)生態(tài)與環(huán)境工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,遼寧 大連 116024;2.中國船舶集團(tuán)環(huán)境發(fā)展有限公司,北京 100039 )

0 引 言

硫自養(yǎng)反硝化工藝電子供體具有多種形式,主要包括單質(zhì)硫、硫化物、硫鐵礦物、復(fù)合新材料等[6].近年來,以單質(zhì)硫?yàn)殡娮庸w的自養(yǎng)反硝化工藝(sulfur-based autotrophic denitrification,SAD)因其脫氮效率高且成本低,得到了廣泛的研究.硫自養(yǎng)反硝化反應(yīng)式如下式所示[7]:

硫自養(yǎng)反硝化工藝的核心功能菌屬大多分布在變形菌門(Proteobacteria),其中以脫氮硫桿菌(Thiobacillusdenitrificans)最為知名,也是SAD工藝與PAD工藝共同的核心功能菌屬[5,15].Yuan等[20]比較了S與S2-作為短程硫自養(yǎng)反硝化電子供體的反應(yīng)器啟動速度及微生物群落結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)兩個反應(yīng)器啟動速度上具有明顯差異,Thiobacillus為兩個系統(tǒng)共同的核心功能菌屬.以硫黃作為電子供體的SAD工藝具有啟動速度快、脫氮效率高的特點(diǎn),可以快速富集功能菌屬.因此,硫黃是一種強(qiáng)化PAD工藝快速啟動的潛在的優(yōu)質(zhì)材料.石灰石作為SAD工藝中常用的pH緩沖劑,不僅可以有效緩沖pH,同時也能夠提供無機(jī)碳源促進(jìn)反硝化過程.根據(jù)PAD工藝的反應(yīng)式,反應(yīng)消耗堿度,將石灰石引入PAD工藝中強(qiáng)化系統(tǒng)運(yùn)行與出水的穩(wěn)定性是十分必要的.基于目前的研究成果,本文使用3套硫鐵礦自養(yǎng)反硝化固定床生物濾池反應(yīng)器(以下簡稱為反應(yīng)器),將以硫鐵礦為填料的反應(yīng)器(1號反應(yīng)器)作為對照組,分別構(gòu)建以硫鐵礦/石灰石和硫鐵礦/硫黃為填料的強(qiáng)化型硫鐵礦反應(yīng)器(2號、3號反應(yīng)器),采用硫自養(yǎng)反硝化工藝,處理城市污水處理廠二沉尾水,以期為硫鐵礦自養(yǎng)反硝化技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用提供理論與技術(shù)支持.

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)共設(shè)置3組相同的反應(yīng)器,如圖1所示,反應(yīng)器材質(zhì)為亞克力板,反應(yīng)器總高為1 200 mm,內(nèi)徑為60 mm,有效高度為1 090 mm,容積為3.0 L,采用上流式運(yùn)行,控制反應(yīng)器內(nèi)溫度為(33±1) ℃,由左至右依次為1號、2號、3號反應(yīng)器.1號反應(yīng)器以硫鐵礦為填料,2號反應(yīng)器以體積比為1∶1的硫鐵礦與石灰石為填料,3號反應(yīng)器以體積比為200∶1的硫鐵礦與硫黃為填料.硫鐵礦與石灰石粒徑均為3～5 mm,硫黃粒徑為1 mm,填充層高度為700 mm,床層孔隙率為65%左右.

1～3 反應(yīng)器進(jìn)水桶; 4～6 蠕動泵; 7～9 1、2、3號反應(yīng)器; 10～12 反應(yīng)器出水桶; 13 水循環(huán)恒溫水浴箱;14 循環(huán)水泵

1.2 接種污泥及試驗(yàn)進(jìn)水

本試驗(yàn)接種污泥取自遼寧省大連市某污泥處理廠厭氧消化罐內(nèi)厭氧污泥.試驗(yàn)進(jìn)水為遼寧省大連市某城市污水處理廠的二沉尾水.其水質(zhì)指標(biāo)見表1,pH為6.5～7.5.

表1 進(jìn)水水質(zhì)指標(biāo)

1.3 試驗(yàn)方法

將硫鐵礦浸泡在活性污泥中48 h進(jìn)行接種,然后裝入反應(yīng)器內(nèi),采用人工配水,進(jìn)行長達(dá)30 d的連續(xù)動態(tài)掛膜馴化,在此期間,3號反應(yīng)器內(nèi)的硫黃被充分消耗.若在3個反應(yīng)器內(nèi)填料表面觀察到生物膜,且反應(yīng)器TN去除率穩(wěn)定并保持在80%以上,則認(rèn)為反應(yīng)器啟動成功.待3個反應(yīng)器啟動成功后,均以城市污水處理廠二沉尾水為進(jìn)水,并采用氮?dú)獯得?使DO濃度保持在0.2 mg/L以下.3個反應(yīng)器在各個階段保持同一水力停留時間(thr)下運(yùn)行,通過逐步減少反應(yīng)器水力停留時間來提升負(fù)荷,試驗(yàn)裝置連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行70 d,不同階段反應(yīng)器水力停留時間見表2,每日監(jiān)測各水質(zhì)指標(biāo),考察反應(yīng)器的運(yùn)行效果.

表2 不同階段反應(yīng)器水力停留時間

1.4 分析測試和數(shù)據(jù)處理方法

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 強(qiáng)化型硫鐵礦自養(yǎng)反硝化系統(tǒng)脫氮性能

反應(yīng)器運(yùn)行各階段進(jìn)出水TN濃度變化情況如圖2所示.隨著反應(yīng)器的適應(yīng),反應(yīng)器自養(yǎng)反硝化能力不斷增強(qiáng),出水TN濃度均呈現(xiàn)出不斷減小的趨勢.3個反應(yīng)器均未出現(xiàn)亞硝酸鹽積累的現(xiàn)象.這可能是由于:(1)硫鐵礦反硝化過程中釋放的Fe2+可以促進(jìn)亞硝酸鹽還原酶(Nir)的合成[21];(2)進(jìn)水m(N)/m(P)>100不僅有利于硝酸鹽的還原,同時可減少亞硝酸鹽的積累[22].在水力停留時間為2.2 h條件下,3個反應(yīng)器TN最高去除率分別為91.3%(1號反應(yīng)器)、84.5%(2號反應(yīng)器)、100%(3號反應(yīng)器),出水TN濃度均低于5 mg/L.在各個階段中,3個反應(yīng)器脫氮效果有所不同.1號反應(yīng)器的TN去除效果均略優(yōu)于2號反應(yīng)器.這可能是因?yàn)?號反應(yīng)器內(nèi)填充了更多的硫鐵礦,為微生物提供了更多的接觸位點(diǎn)[23],加速硫鐵礦的溶解,從而促進(jìn)自養(yǎng)反硝化過程.而3號反應(yīng)器的平均TN去除效果僅在初始階段明顯優(yōu)于1號反應(yīng)器,隨著處理時間的延長,兩個反應(yīng)器的去除效果逐漸相近.Kong等[17]建立了硫與硫鐵礦自養(yǎng)反硝化兩個平行的反應(yīng)器,比較了兩個反應(yīng)器COD、TP和TN的去除效果及微生物群落組成,相較于硫鐵礦反應(yīng)器,硫反應(yīng)器具有更高的TN去除率,系統(tǒng)內(nèi)核心菌屬Thiobacillus相對豐度約為硫鐵礦反應(yīng)器的2.5倍.這說明在掛膜馴化期間硫的引入,可能會更容易富集參與反硝化過程的核心菌屬,可以實(shí)現(xiàn)反應(yīng)器快速啟動.

圖2 不同階段下3個反應(yīng)器進(jìn)出水TN濃度變化

2.2 強(qiáng)化型硫鐵礦自養(yǎng)反硝化系統(tǒng)除磷性能

反應(yīng)器運(yùn)行各階段進(jìn)出水TP濃度變化情況如圖3所示.3個反應(yīng)器在各個階段均有著不錯的除磷效果.當(dāng)水力停留時間為2.2 h時,各反應(yīng)器出水最低TP濃度及TP去除率分別為0.43 mg/L和91.4%(1號反應(yīng)器)、0.75 mg/L和85.0%(2號反應(yīng)器)、0 mg/L和100%(3號反應(yīng)器).在初始階段,進(jìn)水TP濃度為5 mg/L左右的條件下,各個反應(yīng)器出水TP去除效果均隨著TN去除效果的提升而提升.硫鐵礦自養(yǎng)反硝化除磷的過程可以用式(1)～(4)表示[23-24].反應(yīng)首先生成Fe2+,Fe2+可以發(fā)生反硝化反應(yīng)生成Fe3+,Fe2+和Fe3+與磷結(jié)合,可以形成鐵磷沉淀物.同時,鐵的氧化物和氫氧化物對磷具有吸附作用.因此,本系統(tǒng)TP的去除可能是自養(yǎng)反硝化過程生成的Fe3+促進(jìn)對磷的吸附與沉淀過程.

圖3 不同階段下3個反應(yīng)器進(jìn)出水TP濃度變化

(1)

0.5N2+5Fe3++3H2O

(2)

(3)

Fen(OH)m·(PO4)p↓

(4)

2.3 強(qiáng)化型硫鐵礦自養(yǎng)反硝化系統(tǒng)出水pH與生成量變化

反應(yīng)器運(yùn)行各階段進(jìn)出水pH的變化情況如圖4所示.研究表明,硫自養(yǎng)反硝化過程主要功能菌屬為脫氮硫桿菌,其最適pH為6.8～7.4,pH過高或過低都會影響自養(yǎng)反硝化過程[25].本試驗(yàn)過程中,進(jìn)水pH維持在6.5～7.5時,3個反應(yīng)器出水pH均能維持在6.8～7.6,且無須外加堿度就能維持反應(yīng)器穩(wěn)定運(yùn)行.3個反應(yīng)器出水平均pH順序?yàn)?號反應(yīng)器>1號反應(yīng)器>3號反應(yīng)器,并且2號反應(yīng)器pH波動更小,這說明石灰石的引入可以有效緩沖體系內(nèi)pH的變化.

圖4 不同階段下3個反應(yīng)器進(jìn)出水pH變化

圖5 不同階段下3個反應(yīng)器實(shí)際與理論生成量的變化

2.4 微生物群落分析

為了研究各個系統(tǒng)內(nèi)微生物豐富度及多樣性,采用高通量測序?qū)悠愤M(jìn)行微生物群落分析.表3顯示所有樣品Coverage指數(shù)均大于等于0.99,表明樣品中絕大多數(shù)微生物被檢出,樣品測試結(jié)果具有可信性.與原始污泥相比,經(jīng)原始污泥培養(yǎng)馴化的樣品其物種豐富度與多樣性均得到了不同程度的提高.在3個反應(yīng)器內(nèi),Chao指數(shù)和Shannon指數(shù)均呈現(xiàn)出1號反應(yīng)器>3號反應(yīng)器>2號反應(yīng)器的情況.Kong等[17]的研究表明,硫鐵礦介導(dǎo)的反硝化過程是一個混合營養(yǎng)過程,而硫黃介導(dǎo)的反硝化則更依賴自養(yǎng)型微生物,因此這可能是1號反應(yīng)器的Chao指數(shù)和Shannon指數(shù)最高的原因;而2號反應(yīng)器的Chao指數(shù)和Shannon指數(shù)最低,則可能是因?yàn)?號反應(yīng)器內(nèi)硫鐵礦填充量較小造成的.

表3 樣品中微生物群落多樣性指數(shù)統(tǒng)計(jì)

3個反應(yīng)器樣品在門水平上的微生物群落組成如圖6所示.在門水平上,Proteobacteria、Chloroflexi和Firmicutes均在3個反應(yīng)器內(nèi)占據(jù)優(yōu)勢.據(jù)報道,自養(yǎng)反硝化菌廣泛分布在Proteobacteria門[28].同時,Proteobacteria門下菌屬Thiobacilli很可能介導(dǎo)了淡水濕地中依賴硫鐵礦缺氧氧化的硝酸鹽還原過程[29].對比3個反應(yīng)器Proteobacteria相對豐度Ar占比排序:3號反應(yīng)器>1號反應(yīng)器>2號反應(yīng)器,這可能是3號反應(yīng)器脫氮效果最好的原因.Chloroflexi門下菌屬可以參與硝酸鹽和硫酸鹽的還原[30],在3個反應(yīng)器內(nèi)具有較高的豐度,可能是硫鐵礦自養(yǎng)反硝化潛在的功能菌.Firmicutes與污泥反硝化脫氮過程有關(guān)[31].

圖6 微生物樣品在門水平的相對豐度

圖7 微生物樣品在屬水平的相對豐度

3 結(jié) 語

以硫鐵礦/硫黃為填料的3號反應(yīng)器的脫氮除磷效果明顯優(yōu)于其他兩個反應(yīng)器.掛膜馴化期間引入硫黃可實(shí)現(xiàn)反應(yīng)器快速啟動.

Thiobacillus作為硫鐵礦自養(yǎng)反硝化工藝的核心功能菌屬在3個反應(yīng)器內(nèi)均占據(jù)優(yōu)勢地位,相對豐度分別為3.33%(1號反應(yīng)器)、4.17%(2號反應(yīng)器)、10.94%(3號反應(yīng)器),硫黃的引入可以實(shí)現(xiàn)功能菌群的快速富集.