近年来, 全球范围内的水源硝酸盐氮污染问题严重^[1~4].长期饮用高浓度的硝酸盐氮会引起高铁血红蛋白症, 并且硝酸盐氮在人体中可以转化为致癌的亚硝酸盐氮, 严重威胁着人类的健康和生存^{[5, 6]}.并且自然水体中硝酸盐氮浓度的增加会引起水体富营养化、有毒赤潮、沿海地区生物栖息地恶化等环境问题^{[7, 8]}.许多国家将硝酸盐氮作为重要的水质指标加以控制, 如美国和我国生活饮用水卫生标准规定硝酸盐氮最高限值为10 mg·L^{-1[9, 10]}.

国内外常用的硝酸盐氮去除技术主要包括生物反硝化、吸附、高级氧化、电化学法等^[11~13].其中生物反硝化和离子交换是较为常用的去除硝酸盐氮的方法.离子交换法因其工艺简单、快速高效、可再生性, 被美国环保署(EPA)推荐为地下水中硝酸盐氮的去除优先选用方法并受到广泛研究^{[14, 15]}.但是吸附后的树脂需要用高浓度的盐水进行再生, 而再生液的处理与处置则会导致二次污染, 后续处理难度大^{[16, 17]}.生物反硝化技术因其技术成熟、处理水量大得到广泛应用, 但其对于温度较低、使用面积有限以及高盐、含有毒害污染物的体系适用性较差.

生物再生技术利用微生物降解离子交换树脂中的污染物质, 实现离子交换树脂的再生.该方法作为盐再生的一种替代方式, 运用生物反硝化过程将硝酸盐氮转化为氮气, 而且生物再生体系可进行套用或回用, 避免了二次污染. Sharbatmaleki等^[18]对比了吸附有高氯酸盐的凝胶型阴离子交换树脂和大孔型阴离子交换树脂的生物再生过程, 发现大孔型树脂的生物再生速率优于凝胶型. Meng等^[19]的研究指出树脂的生物再生受VSS、pH和电导率的影响较大.在碳源充足的条件下, 随着pH、电导率的升高, VSS的降低, 树脂的生物再生速率越慢.此外, Ebrahimi等^[20]对温度和NaCl浓度对生物再生去除硝酸根和高氯酸根做了正交对比试验, 其结果表明, 在10~35℃、NaCl浓度20~60 g·L^-1范围内, 硝酸盐氮的去除速率随着温度的升高而增快, 但是微生物的耐盐性却随之降低, 且35℃、3% NaCl浓度条件下其生物再生速率最快.并且Meng等^[19]对生物再生树脂的吸附稳定性做了研究, 其结果表明：生物再生后的树脂处理量从400 BV降至360 BV左右, 其主要是由生物质堵塞树脂孔道所致.而Sharbatmaleki等^[21]观察生物再生后树脂的表面得出：树脂吸附量降低主要是由于微生物堵塞孔道所造成的, 并且其运用盐水和NaOH对树脂进行清洗消毒去除生物膜后, 树脂可以多次重复使用.文献[22~24]运用膜将树脂和微生物分隔开以去除微生物对树脂的污染, 但其研究结果表明, 6次吸附-再生循环后仍有6%的吸附量损失.由于生物再生体系是一个经吸附剂高度浓缩的硝酸盐体系, 故与传统的反硝化相比, 其操作条件易于控制, 占地面积极小, 投资和运行成本也能够极大地降低.因此, 基于生物再生去除硝酸盐氮的技术具有广泛运用前景.

然而, 阴离子交换树脂种类繁多, 其在吸附-再生过程中受污染程度与骨架结构和孔道结构有重要关系^[25], 这对于生物再生的影响缺少进一步探索.而且, 生物体系受溶液环境影响较大, 目前的生物再生溶液组成主要以反硝化细菌培养基为基础, 难以在实际应用中发挥作用.因此, 本文选择了苯乙烯系强碱阴离子交换树脂作为研究对象, 通过使用缓冲液作为再生体系, 考察了反硝化细菌接种量、NaCl浓度对树脂生物再生行为的影响, 并在此基础上对生物再生树脂吸附稳定性进行了分析, 探讨了生物再生树脂污染的原因, 以期为树脂生物再生法在水中硝酸盐氮处理应用提供重要支撑.

苯乙烯系强碱阴离子交换树脂[PuroliteA520E、漂莱特(中国)有限公司、中国南京], 该树脂使用甲醇经索氏抽提器抽提6 h后浸泡于盐酸溶液(2%)中转型24 h, 再使用蒸馏水清洗至中性后于50℃下真空干燥24 h后使用, 其交换容量为4.4 mmol·g^-1, 有效粒径为0.4~0.6 mm, 含水率为45%~53%^{[26, 27]}.反硝化细菌(BZT, 碧沃丰生态环境有限公司, 中国山东)使用无机培养液(K₂HPO₄·3H₂O 2.7 g·L^-1, KNO₃ 1.1 g·L^-1, NaAc 5.0 g·L^-1)于35℃下进行扩大培养, 并进行微生物群落结构检测, 其结果表明BZT反硝化细菌主要为Pseudomonas (36.17%)、Bacteroides (13.18%)、Alishewanella (10.51%), 具有反硝化效果.所用试剂(KNO₃、K₂HPO₄·3H₂O、NaAc, 分析纯)均购于南京试剂有限公司.

称取20 g树脂于锥形瓶中, 加入1.0 L 50 g·L^-1硝酸钾溶液后置于恒温振荡器中(DQHZ-2001A、太仓市华美生化仪器厂、中国江苏), 在20℃、120 r·min^-1条件下吸附2 h后过滤分离, 取得树脂和滤液.对滤液中的硝酸根进行测定, 并根据公式(1)计算树脂对硝酸根的吸附量.

(1)

式中, q_t表示树脂对硝酸盐氮的吸附量(mg·g^-1); c₀表示初始硝酸盐氮浓度(mg·L^-1); c_t表示吸附后硝酸盐氮浓度(mg·L^-1); w表示吸附树脂的质量(g); V表示吸附溶液的体积(L).

培养后的反硝化细菌在10 000 r·min^-1下离心富集, 用氮吹除氧后的无机培养液进行再悬浮, 量取200 mL不同微生物浓度的再悬浮液放入250 mL锥形瓶中氮吹以保证厌氧环境, 并补充碳源, 考察不同碳源影响因素.实验分别称取葡萄糖0.562 5 g、乙酸钠0.77 g、乳酸钠0.526 mL、甲醇0.505 mL, 或添加过量的乙酸钠(5 g·L^-1), 用1 mol·L^-1 NaOH和1 mol·L^-1HCl调节pH为7.0;分别称取0.2 g吸附硝酸盐氮的树脂于锥形瓶中与菌液混合, 通N₂后使用气球密封后置于恒温培养箱(35℃、120 r·min^-1)中, 测定硝酸盐氮和亚硝酸盐氮含量.生物再生后运用高浓度盐水(15% NaCl)测定树脂硝酸盐氮残留量, 并根据公式(2)计算树脂再生率.为考察NaCl浓度对生物再生的影响, 实验对不同NaCl浓度(0~30 g·L^-1)的菌液进行了上述生物再生实验.上述每组实验均重复3次.

(2)

式中, η表示树脂再生率(%); q₀表示树脂对硝酸盐氮的吸附量(mg·g^-1); q_t表示树脂上硝酸盐氮的残留量(mg·g^-1).

为考察生物再生稳定性, 本文进行了吸附-再生-吸附循环实验.实验采用1 g树脂于200 mL 5 g·L^-1 KNO₃溶液中进行吸附, 将吸附1 h后的树脂放入200 mL菌液中进行再生24 h, 实验条件同上述生物再生过程.再生后的树脂经蒸馏水清洗后直接用于再次吸附, 并重复上述吸附过程, 对吸附前后水样中的硝酸盐进行测定, 并根据公式(1)计算其树脂对硝酸盐氮的吸附量.上述每组实验均重复3次.

硝酸根和亚硝酸根的测定选用国标(HJ/T 84-2001)中离子色谱法(ICS-110离子色谱仪, 赛默飞, 美国), 硝酸盐氮和亚硝酸盐氮浓度根据测得的硝酸根和亚硝酸根浓度进行计算.微生物接种量用VSS(挥发性悬浮颗粒)指标进行表示, 其方法选用文献[28]中的VSS测定方法.生物再生前后的树脂用SEM(S-3400N Ⅱ; 日立, 日本)观察其表面.微生物群落结构分析采用16S rRNA基因高通量测序(Illumina, MiSeq)进行检测.微生物样品DNA的提取及PCR采用文献[29]报道的方法.扩增经琼脂糖凝胶电泳鉴定PCR产物后, 采用纯化试剂盒(Cycle-Pure Kit, OMEGA Bio-tek, Inc.)纯化后送至上海美吉生物医药科技有限公司进行MiSeq测序.

碳源作为反硝化微生物的电子供体, 对生物再生产生重要影响. 图 1为反硝化过程常用碳源的树脂再生率的影响, 可以看出, 4 h乳酸钠和乙酸钠作为碳源树脂生物再生率为100%, 葡萄糖的生物再生率为93.61%; 8 h后, 葡萄糖的树脂生物再生率增至100%.由于甲醇对树脂具有一定的溶胀作用, 故树脂上硝酸盐氮脱附量增加, 但这些脱附的硝酸盐在溶液中并未减少, 说明该菌液在本实验体系中不能利用甲醇作为电子供体实现对硝酸盐的降解, 该现象与文献[30]的报道一致.但乙酸钠、乳酸钠和葡萄糖均可作为唯一碳源实现树脂完全生物再生.此外, 此再生体系中使用了K₂HPO₄作为缓冲, 因此在此生物再生过程中, 体系pH并无显著变化(7.05±0.10), 故该体系中pH值变化对反硝化的影响较小.为进一步考察不同碳源对生物再生稳定性的影响, 实验对乙酸钠、乳酸钠、葡萄糖分别作为唯一碳源生物再生后树脂的吸附性能进行了多批次评价, 结果如图 2所示.从图中可以看出乙酸钠、乳酸钠和葡萄糖作为碳源时, 树脂的重复使用稳定性并无显著差别, 生物再生后, 其吸附量稳定在35.5 mg·g^-1左右.而由于该菌液不能使用甲醇作为碳源进行反硝化, 故树脂重复使用时对硝酸盐氮的吸附量仅为25.5 mg·g^-1.本研究选用乙酸钠作为碳源进行后续实验.

图 1

Fig. 1

图 1 不同碳源树脂生物再生率 Fig. 1 Proportion of bioregenerated nitrate with different carbon sources

图 2

Fig. 2

图 2 不同碳源树脂多次吸附-再生循环硝酸盐氮吸附量 Fig. 2 Nitrate-nitrogen adsorption during multi-cycle adsorption-bioregeneration with different carbon sources

图 3(a)为生物再生过程中硝酸盐氮随时间变化过程, 可以看出, 溶液中的硝酸盐氮在初始阶段急剧增加, 这主要是硝酸根与溶液中阴离子发生交换引起的.由于体系中有较高浓度的K₂HPO₄和CH₃COOH, 其阴离子存在形态为：H₂PO₄^-、HPO₄^2-和CH₃COO^-.实验通过单独乙酸钠再生体系中硝酸盐的测定排除了CH₃COO^-再生的可能性, 故该脱附过程可由公式(3)、(4)表示.微生物利用脱附至溶液中的硝酸盐氮作为电子受体进行反硝化, 且随着微生物量(VSS)的增加, 反硝化作用逐渐占主导, 从而导致溶液中硝酸盐氮浓度的降低.而且, 随着VSS量的增加, 初始阶段溶液中硝酸盐氮的增加值显著降低, 这表明在初始阶段, 接种体系的反硝化作用与离子交换作用同时存在, VSS量的增加能够提高反硝化作用对再生的贡献.随着VSS从0.6 g·L^-1增加至2.3 g·L^-1, 溶液中的硝酸盐氮完全降解所需的时间从20 h减少到5 h以内.生物再生24 h后的再生率结果如图 4所示, 从中可以看出, 当VSS高于0.6 g·L^-1时, 反硝化均可实现完全再生, 此时溶液中的硝酸盐氮也被完全降解.对比相同条件下吸附态硝酸盐氮与等量的溶解态硝酸盐氮的降解过程[图 3(b)], 发现两者降解的时间和程度无显著区别, 表明生物再生整体受反硝化过程控制.对比生物再生、反硝化及树脂脱附这3个过程[图 3(c)], 可以看出, 树脂的生物再生过程由树脂脱附和生物反硝化两个过程构成, 在初始阶段, 脱附占主导, 溶液中硝酸盐氮浓度急剧升高, 而后期反硝化过程占主导, 溶液中硝酸盐氮逐渐被生物降解. VSS的增加可以显著增强反硝化过程, 减少生物再生时间, 提高再生率.当VSS含量较低时(分别为0、0.3 g·L^-1), 24 h接触时间下的再生率也较低(分别为83.25%、87.03%).

(3)

(4)

图 3

Fig. 3

(a)树脂生物再生;(b)溶解态硝酸盐氮反硝化动力学;(c)不同体系硝酸盐变化动力学对比 图 3 不同微生物量情况下硝酸盐降解动力学 Fig. 3 Kinetics of nitrate denitrification with different VSS inoculum amounts

图 4

Fig. 4

图 4 不同微生物量下树脂再生率 Fig. 4 Proportion of bioregenerated nitrate with different VSS inoculum amounts

NaCl是常见用于离子交换树脂的再生剂, 它通过氯离子与硝酸根的交换实现再生, 因此, 其存在对脱附过程有利.从图 5可以看出, 当再生体系中的NaCl浓度升高时, 初始阶段溶液中的硝酸盐氮浓度上升越快.然而, 其存在可对生物过程产生不利影响, 从中可以看出, 当NaCl浓度低于20 g·L^-1时, 生物再生时间约为10 h, 而当NaCl浓度高于20 g·L^-1时, 生物再生时间有所延长, 但在本实验体系所采用的NaCl浓度范围内(0~30 g·L^-1), 树脂均可实现完全再生.

图 5

Fig. 5

图 5 不同NaCl浓度下树脂生物再生动力学 Fig. 5 Kinetics of resin bioregeneration with different NaCl concentrations

生物的再生稳定性是生物再生面向实际应用的重要指标. 图 6为生物再生树脂吸附稳定性变化趋势, 可以看出随着循环次数的增加树脂的吸附量从41.08 mg·g^-1降至33.25 mg·g^-1, 但最终逐渐稳定在30~35mg·L^-1. Sharbatmaleki等^[21]根据受污染树脂的分析推测生物再生树脂吸附量损失是由微生物对树脂造成的污染引起的.本文对生物再生前后的树脂表面进行的观察, 结果如图 7所示, 可以明显看出树脂表面附着大量微生物和代谢胞外聚合物, 堵塞树脂孔道, 从而造成树脂污染.但经过多次再生后, 树脂吸附量基本稳定, 表明该体系下生物再生具有较好的吸附-再生稳定性, 可用于树脂去除硝酸盐氮的实际应用中.生物再生体系可通过营养源的补充实现再生液的回用, 理论上几乎不增加脱附液产量.而与传统盐再生工艺相比, 其运行成本降低50%左右(主要为盐的节省量).

图 6

Fig. 6

图 6 树脂多次吸附-再生循环硝酸盐氮吸附量 Fig. 6 Nitrate-nitrogen adsorption during multi-cycle adsorption-bio-regeneration

图 7

Fig. 7

(a)新鲜树脂; (b)树脂生物再生后 图 7 树脂生物再生前后表面SEM Fig. 7 SEM images of surface morphology of the resins before and after bioregeneration

(1) 生物再生受生物反硝化过程限制.当微生物接种量较高(0.6 g·L^-1)时, 吸附有硝酸盐氮的树脂可完全通过反硝化过程再生.

(2) 再生体系中NaCl浓度的升高可加强离子交换脱附过程, 当其浓度低于20 g·L^-1时, 生物再生速率几乎不受其影响; 当NaCl浓度超过20g·L^-1, 再生时间随浓度增加而延长.

(3) 生物再生后的树脂吸附稳定性能较好, 20次吸附-生物再生循环后硝酸盐氮吸附量稳定于30~35 mg·L^-1, 与树脂首次吸附相比, 生物再生后吸附量降低是由于树脂表面微生物及代谢产物污染树脂.