环境科学  2020, Vol. 41 Issue (2): 849-855   PDF    
引用本文
周亚坤, 杨宏, 王少伦, 何海超, 刘宗跃, 苏扬, 张辉. 包埋反硝化填料强化二级出水深度脱氮性能研究及中试应用[J]. 环境科学, 2020, 41(2): 849-855.
ZHOU Ya-kun, YANG Hong, WANG Shao-lun, HE Hai-chao, LIU Zong-yue, SU Yang, ZHANG Hui. Research on Denitrification Performance of Enhanced Secondary Effluent by Embedded Denitrification Filler and Pilot Application[J]. Environmental Science, 2020, 41(2): 849-855.
包埋反硝化填料强化二级出水深度脱氮性能研究及中试应用
周亚坤1, 杨宏1, 王少伦1, 何海超1, 刘宗跃1, 苏扬1, 张辉2     
1. 北京工业大学建筑工程学院, 北京市水质科学与水环境恢复工程重点实验室, 北京 100124;
2. 北京城市排水集团有限公司, 北京 100022
收稿日期: 2019-08-07; 修订日期: 2019-09-23
基金项目: 中央引导地方科技发展专项（Z161100004516015）
作者简介: 周亚坤(1992~), 男, 硕士研究生, 主要研究方向为水环境恢复和水处理微生物技术, E-mail:18911237510@163.com
通信作者: 杨宏, E-mail:yhong@bjut.edu.cn
摘要: 利用包埋广谱性高效反硝化填料处理城市污水厂二级出水，可有效降低出水总氮（TN）浓度，本研究共分为两部分，D1阶段研究了包埋反硝化填料对污水厂二级出水的适应性、TN去除效果、稳定运行及填料反冲洗的工况条件；D2阶段研究了填料在中试条件下稳定运行1 a脱氮性能的变化，并通过高通量测序和荧光定量分析（qPCR）手段，研究对比了包埋填料运行前后微生物种群的变化规律.通过研究发现，包埋反硝化填料在水温为（24±1）℃、pH为7.1、HRT为1 h和填充率为10%，投加乙酸钠保证碳源充足的条件下稳定运行7 d，即可适应二级出水水质，实现出水总氮 < 5mg·L-1.通过对比研究不同水力停留时间（HRT）对填料TN去除效果的影响，得出适宜的HRT为30 min，填充率为10%的运行条件，在7.2 m3·d-1的进水条件下经过1 a的稳定运行，TN去除率最高可达到90.42%，出水总氮可稳定在5mg·L-1以下.通过对比反冲洗效果，确定了反冲洗强度为5.2L·（m2·s）-1，周期为每3 d进行一次.高通量测序和荧光实时定量PCR分析结果表明，运行前后填料上反硝化功能菌属的丰度及拷贝数都有了明显增长，这说明细菌在包埋条件下可实现良好的自我生长.
关键词: 微生物固定化      包埋反硝化填料      深度脱氮      反冲洗      微生物群落结构     
Research on Denitrification Performance of Enhanced Secondary Effluent by Embedded Denitrification Filler and Pilot Application
ZHOU Ya-kun1 , YANG Hong1 , WANG Shao-lun1 , HE Hai-chao1 , LIU Zong-yue1 , SU Yang1 , ZHANG Hui2     
1. Key Laboratory of Beijing for Water Quality Science and Water Environment Recovery Engineering, College of Architectural Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China;
2. Beijing Drainage Group Co., Ltd., Beijing 100022, China
Abstract: The use of an embedded broad-spectrum high-efficiency denitrification filler to treat secondary effluent from municipal wastewater treatment plants can effectively reduce total nitrogen (TN) concentration of the effluent. This study consists of two parts. The D1 stage studies the adaptability of the secondary effluent based on the embedded denitrification, removal effect of total nitrogen, stable working conditions, and backwashing conditions; In the D2 stage, the change in the nitrogen removal performance of the filler under the condition of a year-long stable operation was studied. The variation in the microbial population before and after the operation of the embedded packing was studied by high-throughput sequencing and real-time quantitative PCR detecting system real-time (qPCR). In this research, the embedded denitrification filler had a water temperature of (24±1)℃, pH:7.1, hydraulic retention time (HRT):1 h, and filling rate:10%. Sodium acetate was added to ensure stable operation for seven days. Under adequate carbon source conditions, the filler can adapt to the quality of secondary effluent water and achieve effluent TN < 5mg·L-1. By comparing and studying the effect of different HRT on the removal of filler TN, it is concluded that HRT is 30 min and the filling rate is 10%. After a year of stable operation under 7.2 m3·d-1influent conditions, the TN removal rate can reach 90.42%, and the total nitrogen in the effluent can be stabilized below 5 mg·L-1. In comparison with the backwashing effect, the backwashing strength was 5.2 L·(m2·s)-1, and the cycle is three days long. High-throughput sequencing and real-time quantitative PCR analysis results show that the abundance and copy number of denitrifying functional genus in the filler before and after the operation exhibited significant changes, which indicated that the bacteria could achieve good self-growth under embedding conditions.
Key words: microbial immobilization      embedded denitrification filler      deep denitrification      backwash      microbial community structure     

目前大多数污水处理厂采用活性污泥法处理工艺[1], 随着我国污水排放标准不断提高, 二级出水TN浓度难以达到要求[2, 3], 特别是冬季低温条件下细菌的生物活性较差, 造成出水的TN较高, 因此开展深度脱氮处理技术的研究具有重要意义[4].微生物反硝化作用是脱氮的主要途径, 目前反硝化生物滤池[5~7]因占地面积小、操作流程简单等优点而被广泛地应用到二级出水的深度处理中, 其较为常见的工艺形式有曝气生物滤池[8]、反硝化生物滤池[9]等, 虽然出水TN得到有效控制, 但其本身也存在着运行不稳定、易堵塞[10~12]和反冲洗用水量过大等问题.

微生物固定化技术[13~15]作为现代生物工程中一项新兴技术, 在强化生物处理工艺方面有着显著的效果, 自20世纪70年代起, 固定化技术就已在水处理行业开始应用.Chen等[16]将磷酸化PVA包裹反硝化污泥用于废水脱氮, 其实验原水为人工配水, 针对市政污水复杂水质条件的脱氮效果并未作研究.王静萱等[17]以聚乙二醇为载体制作出包埋反硝化颗粒, 研究不同工况条件对包埋固定化颗粒深度脱氮的影响, 但其实验规模较小, 同时对运行过程中微生物在填料上变化规律未作研究.Rezaee等[18]将反硝化细菌固定在微生物纤维素上, 在较高硝酸盐浓度(200mg·L-1)下表现出良好的脱氮效果, 但在低硝酸盐浓度下效果并不理想.Wang等[19]以聚乙烯醇-海藻酸钠-粉末活性炭为固定化剂, 制作的固定化球粒在间歇运行条件下表现出较强的反硝化能力, 但连续流状态下效果不佳.

本实验利用课题组所建立的细菌包埋技术[20], 对驯化成熟的高效反硝化细菌[21]进行包埋固定化, 将制作完成的填料应用于北京某城市污水处理厂二沉池出水的深度脱氮研究, 以期为该处理工艺的工程化应用提供了依据.

1 材料与方法 1.1 实验装置和包埋填料的制备

如图 1所示, 反应装置系统(DN池)主体为200 L有机玻璃柱, 直径为0.4 m, 高1.6 m.采用上向流连续进水, 进水管路设静态混合器, 实现原水和外加碳源充分混合, 同时设转子流量计, 指示进水流量变化.设加药泵一台, 用于投加碳源, 系统底部设有反冲洗管路.

1.二级出水水箱；2.进水流量泵；3.进水阀门；4.乙酸钠溶液箱；5.进乙酸钠流量泵；6.进乙酸钠阀门；7.反冲洗阀门；8.反冲洗管路；9.流量计；10.静态混合器；11.进水取样点；12.阀门；13.有机玻璃柱；14.出水取样点；15.出水管路 图 1 包埋反硝化填料深度脱氮反应器(DN池) Fig. 1 Deep denitrification reactor with embedded denitrification filler

包埋反硝化填料制作方法如下：将驯化成熟的高效反硝化细菌[比反硝化速率58 mg·(g·h)-1]离心浓缩至含水率为85%, 将其与质量分数为15%的PVA凝胶混合成包埋液, 将包埋液均匀涂装在圆柱形条状载体上, 在过饱和的硼酸溶液中交联, 最后切成1 cm长度的筒状填料, 分装于悬浮填料球中, 如图 1中放大的部分所示.

1.2 实验水质与分析方法

本实验在北京某城市污水处理厂进行, 原水为该处理厂A2O工艺二沉池出水, 通过人工投加乙酸钠补充反硝化所需的碳源, 通过一年的水质检测, 其主要进水指标如表 1所示.

表 1 进水水质 Table 1 Quality of influent water

依据标准分析法[22]测定NH4+-N、NO2--N、NO3--N和COD浓度, 其中NH4+-N、NO2--N和NO3--N分别采用纳氏试剂光度法、N-(1-萘基)-乙二胺光度法和紫外分光光度法(UV-1600PC, MAPADA), COD采用连华科技COD快速测定仪测定.TN值利用MultiN/C3100TOC/TN仪测定, pH值利用上海三信PHS-3C型pH计测定, 温度由水银温度计测定.

1.3 DN池的启动及稳定运行

本实验分为两部分：D1部分研究包埋反硝化填料对二级出水的适应性及其在不同HRT条件下对TN去除效果.由于二级出水中有效COD浓度较低, 无法满足填料进行反硝化所需的碳源, 故采用人工投加乙酸钠的方式补充碳源.将包埋制作完成的填料置于直径80 mm的孔状球中, 填充于DN池, 填充率为10%, HRT为1 h, pH为7.04~7.18, 进水温度在24℃±1℃, 对反应器进行驯化启动.DN池成功启动后, 以出水TN < 5mg·L-1为控制标准, 进一步对比不同HRT条件下, 包埋填料对TN的去除效果, 确定长期稳定运行的适宜HRT.

D2阶段DN池填充率为10%, 进水量为7.2 m3·d-1, HRT为30 min, 连续稳定运行1 a, 进水温度变化范围为14~26℃, 研究其长期运行的稳定性以及对四季自然温度变化的适应性.

1.4 低C/N条件下包埋反硝化填料性能研究

污水厂二级出水中含有40 mg·L-1左右的COD, 其可生化性较差, 深度脱氮过程中利用率较低, 若提高该部分COD的利用率, 可有效减少外加碳源的投加量.DN池成功启动后, 在不外加碳源的条件下, 连续运行25 d, 研究包埋反硝化填料对二级出水中COD的最大利用率.

1.5 微生物群落结构变化 1.5.1 宏基因组测序分析

分别取DN池运行前包埋填料样品Y1和长期稳定运行结束后的填料样品ZYK-1, 通过高通量测序, 对比微生物群落结构变化, 研究运行过程中反硝化细菌在填料上的生长繁殖.高通量测序利用OMEGA试剂盒从样本中提取DNA, 对细菌16S rRNA V3-V4区基因进行PCR扩增测序, 引物设计为V3~V4通用引物：341F引物(CCCTACACGA CGCTCTTCCGATCTG)和805R引物(GACTGGAGTTCCTTGGCACCCGAG AATTCCA), 通过Illumina HiSeq2500 PE250平台进行高通量测序, 利用MEGAN软件进行环境微生物16S分析, 可分别得到样本对应的优质序列, 将各序列分成不同的聚类操作分类单元(OTUs), 最后对OTUs结果进行分析计算, 该工作由上海生工生物工程(上海)有限公司完成

1.5.2 绝对荧光定量qPCR检测分析

分别对样品Y1和ZYK-1进行绝对荧光定量qPCR检测, 测定反硝化功能基因的数量, qPCR检测设计引物序列为nirS-1F[CCTA(C/T)TGGCCGCC(A/G)CA(A/G)T]和nirS-6R[CGTTGAACTT(A/G)CCGGT], 使用生工质粒提取试剂盒B518191 SanPrep提取质粒, 构建好的质粒经测序鉴定无误后用微量分光光度计测定质粒D260的值, 通过公式换算成拷贝数(copies·mg-1).荧光定量qPCR检测工作在生工生物工程(上海)有限公司完成.

2 结果与讨论 2.1 DN池的驯化启动

如图 2所示, 从第8 d开始, 反应器出水TN开始稳定在5mg·L-1以下, 且随进水TN的变化, 出水TN浓度未见明显波动, 此时进水C/N为4.12, 包埋反硝化填料对二级出水表现出了良好的适应性, 经过7 d的运行DN池即可成功启动.

图 2 反硝化填料对二级出水的适应性研究 Fig. 2 Study of adaptability of denitrifying filler to secondary effluent

2.2 不同HRT条件下包埋反硝化填料TN去除效果研究

在出水TN稳定达标的前提下, HRT越小则反应器的日处理能力越强, 实验对比了50、40、30和20 min条件下包埋反硝化填料对TN的去除效果.从图 3可看出, 当HRT由60 min降至30 min的过程中, 反应器出水TN仍能保持在5 mg·L-1以下, 分别用时5、9和12 d.当HRT为20 min时, 填料对TN的去除效果较差, 出水TN在9.0mg·L-1左右.这可能由于反应时间较短, 水流对填料的冲击负荷较大, 使其活性受到影响, 由此确定30 min为DN池稳定运行的适宜HRT.这表明包埋填料具备一定的耐水流冲击负荷能力, 可在较短HRT条件下, 实现TN的稳定去除.

图 3 包埋反硝化填料在不同HRT条件下TN去除效果 Fig. 3 TN removal by embedded denitrification filler under different HRT

2.3 包埋反硝化填料对二级出水中COD利用率研究

从图 4可看出, 随DN池运行, 包埋反硝化填料对二级出水中生化性较差的COD利用率在不断提高, 最高可达到67.5%, 高于一般生物滤池的利用率[23], 这表明包埋反硝化填料可有效利用二级出水中生化性较差的COD, 从而减少深度脱氮过程中碳源的投加量, 出水的COD可降至15 mg·L-1, 这低于《北京市地方水污染物综合排放标准》(DB 11/307-2013)中的A类标准(COD < 20 mg·L-1).

图 4 包埋反硝化填料对二级出水COD利用率变化分析 Fig. 4 Analysis of change of COD utilization rate of secondary effluent by embedding denitrification

2.4 反冲洗对包埋反硝化填料脱氮效果影响 2.4.1 反冲洗条件的确定

二级出水带有絮状杂质, 随实验进行填料表面会出现杂质的积累, 影响出水效果, 当系统出水TN超过5mg·L-1时, 需对系统进行反冲洗.通常普通滤池的冲洗强度和时间是通过膨胀率和反冲洗效果两方面来确定, 但DN池构造有别于普通滤池, 反冲洗时间和强度会影响填料的活性恢复和冲洗频率, 综合填料表面杂质的脱落和出水水质情况, 确定反冲洗强度为5.2 L·(m2·s)-1, 从图 5可看出随着反冲洗时间的增长, 填料活性恢复所用时间也在不断增加, 这说明反冲洗过程中, 水中的余氯以及水流对填料的冲刷会使得填料表面的微生物活性下降, 所以反冲洗时间越长, 填料反硝化活性恢复所用时间也越长.另一方面, 反冲洗时间与冲洗频率呈反比趋势, 这说明反冲洗时间越长对DN池的冲洗也越彻底.综合两者变化趋势, 确定DN池适宜的反冲洗时间为7 min.

图 5 不同反冲洗条件与填料活性恢复所用时间变化关系 Fig. 5 Relation between different backwashing conditions and recovery time of filler activity

2.4.2 反冲洗后运行时间与填料生物活性恢复时间研究

如图 6所示, 反冲洗过程中强劲的水流冲击会影响填料的生物活性, 且由于实验条件所限, 反冲洗用水为自来水带有少量余氯, 所以在反冲洗结束后的短时间内, 包埋填料TN去除率下降较为明显.在7 min冲洗时间条件下, 冲洗结束后运行70 min左右, 出水TN即可小于5 mg·L-1, 此时认为填料完成活性恢复, 这明显优于一般生物滤池120 min左右的冲洗后活性恢复时间[24], 表明反冲洗过程并未造成填料上细菌的流失, 包埋填料对微生物有良好的保护作用, 可抵抗一定强度的水流冲击.

图 6 反硝化填料反冲洗后运行时间与活性恢复时间 Fig. 6 Relation between run time and activity recovery time of denitrifying filler

2.5 DN池对四季温度变化的适应性研究

D2阶段DN池稳定运行的进水量为7.2 m3·d-1, HRT为30 min, DN池成功启动后稳定运行1 a, 自然水温变化范围为14~28℃.从图 7可以看出, 随冬季温度降低, DN池进水TN浓度有升高趋势, 出水TN出现小幅波动, 但仍保持在5 mg·L-1以下, 这表明DN池在中试规模条件下稳定运行, 出水TN可稳定在5 mg·L-1以下, 同时随温度的四季变化以及进水TN的波动, DN池出水较稳定, 处理效果明显优于生物滤池工艺[25], 经过一年连续运行, 填料在结构上也表现出良好的完整性.

图 7 DN池稳定运行TN去除效果与温度变化关系 Fig. 7 Relation between TN removal effect and temperature change in stable operation of DN pool

2.6 微生物多样性变化分析

高通量测序可有效反映DN池运行前后包埋填料上微生物的种群变化, 表 2为样本α多样性统计, 其中Y1为DN池运行前的填料样本, ZYK-1为稳定运行1 a后的样本, 表中Coverage指数为样本文库覆盖率, 其数值越高, 则样本中序列被测出的概率越高, ACE指数指示菌群丰富度, 数值越大则丰富度越高, Shannon和Simpson指数表示菌群多样性, Shannon指数值越大表明群落多样性越高, Simpson指数值越大表明群落多样性越低.

表 2 包埋填料微生物多样性统计 Table 2 Microbial diversity statistics of embedded fillers

从表 2可看出, DN池运行前后对比, 包埋填料上的ACE和Shannon指数都有明显增大, 这说明填料上微生物的菌群丰度和多样性有了明显提高, 表明广谱性反硝化菌有效地保留了以目标细菌为核心的菌群结构, 为填料适应水质条件复杂的市政污水提供了菌群基础, 也说明填料可成为良好的微生物生长载体.

2.7 微生物群落结构分析

包埋填料上微生物菌群多样性变化表明DN池运行前后填料上菌群结构发生了变化, 反硝化细菌种类繁多, 已被报道的多达50多个属, 130多个种[26], 图 8为包埋填料上微生物主要菌属分布(仅列出1%以上), 可明显看出Y1中两种反硝化菌属Thauera(44.32%)和Paracoccus(31.36%)为主要优势菌属, 这从微生物层面解释了DN池快速启动的原因.经市政污水运行后填料上反硝化功能菌属多样性有所提高, 数量上明显增加的Pseudomonas(15.26%)和Comamonas (2.58%)均为污水处理中常见的反硝化菌属, 而Thauera(31.27%)和Paracoccus(19.9%)仍保持明显菌群优势, 这保证了包埋反硝化填料良好的脱氮性能.经市政污水运行后的填料上逐步形成了广谱性的反硝化脱氮菌群, 这使包埋填料具备了抵抗温度、水质条件变化的能力, 保证了DN池长期运行的出水TN稳定在5mg·L-1以下.

图 8 反硝化填料运行前后微生物群落结构对比(属层面) Fig. 8 Contrast in microbial community structure before and after denitrification filler operation (generic level)

2.8 包埋反硝化填料反硝化功能基因分析

反硝化过程分为两部分, 由亚硝酸盐转化为氧化氮的过程是反硝化有别于其他硝酸盐代谢的标志性反应, 亚硝酸盐还原酶(nir)是此反应重要的催化酶, 同时nir基因也是反硝化功能基因中研究最多的基因[27, 28], 其分为两种类型, 一种为可溶性含铜酶, 由nirK基因编码, 另一种为细胞色素还原酶, 由nirS编码.其中nirS为反硝化细菌检测的一个重要靶基因.

从表 3可看出, 反硝化功能基因nirS拷贝数由5.04×108 copies·g-1增长到1.33×109copies·g-1, 这表明DN池运行过程中, 由反硝化功能基因编码的细菌总量得到了提升, 这说明反硝化功能菌属可在填料上生长繁殖, 从而保证了填料高效的脱氮效率.

表 3 反硝化功能基因定量分析 Table 3 Quantitative analysis of functional denitrification gene nirS

3 结论

(1) 包埋反硝化填料能快速适应污水厂二级出水水质, 可有效抵抗市政污水水质条件及四季温度的变化, 使出水TN稳定在5 mg·L-1以下.

(2) 包埋反硝化填料对二级出水中COD的利用率最高可达到67.5%, 从而有效降低了外加碳源的投加量, 降低了出水COD的浓度.

(3) 高通量测序分析表明, 填料经稳定运行, 核心功能菌多样性得到了提高, 形成了广谱性的反硝化脱氮菌群.

(4) qPCR检测分析显示, 运行后反硝化功能基因拷贝数有了明显增加, 这表明具有反硝化功能的菌属数量有所增加, 证明填料可以成为良好的微生物生长繁殖载体.

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