2022, Vol. 43
2. 哈尔滨工业大学环境学院, 哈尔滨 150090;
3. 北京工业大学城镇污水深度处理与资源化利用技术国家工程实验室, 北京 100124
2. School of Environment, Harbin Institute of Technology, Harbin 150090, China;
3. National Engineering Laboratory of Urban Wastewater Treatment and Resource Utilization Technology, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China
随着经济的快速发展, 许多发达地区的城市受纳水体发生严重污染, 环境容量变得非常有限.这些地区的城市污水处理厂即使执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918-2002)一级A标准, 氨氮(NH4+-N)和总氮(TN)也高于地表水V类标准的限值, 污染物的累积将使得污染难以得到控制[1].因此, 控制城市污水处理厂出水达到国家《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002)的Ⅲ类水质是科学可行的策略.
污水厂排放满足Ⅲ类水质要求, 需达到ρ(TN)≤1.0 mg ·L-1, ρ(NH4+-N)≤1.0 mg ·L-1的极限脱氮水平.硝化良好的系统, NH4+-N的完全去除不成问题, 而NO3--N因受限于尾水的基质浓度, 通常成为极限脱氮的难点.尾水NO3--N的深度去除常需要投加外碳源来实现.近年来, 关于外碳源的研究得到广泛关注, 许多新型碳源的研究也取得一定进展.固体碳源如天然纤维素物质[2~4]、人工合成可降解高聚物聚己内酯(PCL)[5]和聚丁二酸丁二醇酯(PBS)[6]等, 可实现缓慢释放并容易控制, 但通常需要较长的停留时间.以高浓度有机工业废水[7, 8]、污泥水解液[9]、垃圾渗滤液[10]和餐厨废弃物水解液[11]为代表的新型液体碳源也引起广泛关注.利用这些碳源符合可持续发展的原则, 但预处理成本一般较高, 投加量需精准控制, 容易引入重金属和有毒物质等, 不适合尾水处理.考虑污水厂尾水深度脱氮在反应效率、安全性以及经济性等方面的要求, 采用甲醇、乙醇等传统液态型单一碳源以及由这些单一碳源为基础开发的复合碳源可能是较为合适的选择[12, 13].单一碳源通常较容易被利用, 反应速率快, 但也存在缺点, 如甲醇具有毒性[14~16], 乙醇运输和贮存有一定安全隐患[17], 乙酸钠价格较高[18~20], 葡萄糖反应速率较低[13, 21], 以及单碳源可能仅被少量微生物利用、容易造成菌群结构丰度下降[22]等.而复合碳源可能会克服上述一些缺点和问题, 近年来在商业碳源领域得到较多关注[22, 23], 但公开数据较少.关于单碳源和复合碳源在尾水深度脱氮系统的应用和对比研究还较少.
此外, 通过投加碳源对尾水进行深度脱氮是一个长期的过程.外碳源作为生化反应和微生物生长的基质, 其对微生物种群必然存在选择作用[12, 24~26], 不同菌群也会影响系统反硝化性能[27].关于碳源对种群结构影响的研究还较少.本研究针对某实际污水处理厂面临的碳源选择问题展开, 为充分对比碳源的性能, 选取4种单碳源和4种复合碳源, 对系统反硝化性能、微生物群落结构和碳源经济性进行综合对比, 以期为污水处理厂的碳源选择提供更多更全面的借鉴.
1 材料与方法 1.1 试验水质及接种污泥本试验采用人工配水.在实验室取自来水, 加入硝酸钠作为氮源, 配制微量元素浓缩储备液Ⅰ和Ⅱ(见表 1)为微生物提供必要营养, 每个反应器每周期投加浓缩储备液Ⅰ和Ⅱ均为2.5 mL.进水ρ(NO3--N)为14.33~17.71 mg ·L-1, ρ(NO2--N)为0~0.078 mg ·L-1.试验过程为排除自来水携带的溶解氧(DO)对缺氧反硝化的影响, 投加无水亚硫酸钠脱氧.试验种泥取自哈尔滨某城市污水处理厂二沉池, 该处理厂未投加碳源, 脱氮除磷性能稳定.接种后污泥MLSS为4 000 mg ·L-1, MLVSS为1 937 mg ·L-1.
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表 1 矿物元素和微量元素成分 Table 1 Composition of minerals and trace elements |
本试验所用复合碳源按相应单碳源理论COD当量, 配制成同一浓度基准溶液(以COD计).复合碳源的配比主要考虑配制容易、尽量增加葡萄糖比例以降低造价和突出结果差异性等问题, 选择1 ∶1和1 ∶3两种体积比.4种复合碳源分别为乙酸钠/葡萄糖(1 ∶3)、乙酸钠/葡萄糖(1 ∶1)、乙醇/葡萄糖(1 ∶1)和乙醇/葡萄糖(1 ∶3).本试验过程, 每周期固定投加碳源溶液10 mL, 通过控制外碳源的质量浓度, 达到不同的进水碳氮比COD/ρ(N), 碳源投加量的变化即体现在COD/ρ(N)变化上.
1.2 试验装置本试验采用8个序批式(SBR)反应器, 有效容积为2 L, 结构如图 1所示. 8个SBR反应器分别编号为1~8号.1~4号反应器加入单一碳源, 按顺序分别为甲醇、乙醇、葡萄糖和乙酸钠; 5~8号反应器投加复合碳源, 按顺序分别为乙酸钠/葡萄糖(1 ∶3)、乙酸钠/葡萄糖(1 ∶1)、乙醇/葡萄糖(1 ∶1)和乙醇/葡萄糖(1 ∶3).配有蠕动泵控制进水和外碳源, 通过时间控制系统控制出水.设置搅拌装置用于搅拌混合, 在线监测pH和温度, 通过PLC控制系统处理信号, 通过控制系统终端监测数据.
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图 1 SBR试验系统示意 Fig. 1 Schematic diagram of the SBR system |
(1) 碳源投加量确定 试验模拟实际污水厂经常采用的碳源投加方法和策略, 即按照出水标准来调整碳源用量的反馈控制.以出水ρ(NOx--N)≤1 mg ·L-1为处理目标, 标记ρ(NOx--N)达到1 mg ·L-1时的碳源投加量, 计算反应速率和运行费用.根据文献[28, 29]以及试验前期在污水厂进行的初步试验, 确定单碳源系统初始COD/ρ(N)均为5, 复合碳源系统初始COD/ρ(N)均为7.根据出水ρ(NOx--N)来调节COD/ρ(N), 若出水ρ(NOx--N)高于1 mg ·L-1, 调高COD/ρ(N); 若出水ρ(NOx--N)低于1 mg ·L-1, 调低COD/ρ(N).每次调整COD/ρ(N)后, 系统稳定时间不少于5个周期.
(2) 试验时间及高通量测序 单周期运行6 h, 每天运行一周期.每周期进水10 min, 缺氧搅拌270 min, 沉淀70 min, 排水10 min, 其余时间闲置, 排水比50%.全程未控制温度, 水温范围17~19℃.试验过程不排泥, 部分污泥随出水流失.单一碳源1~4号系统运行时间为70 d, 复合碳源5~8号系统, 运行期为64 d.试验初期, 取种泥样品进行高通量测试; 待系统稳定, 单一碳源1~4号反应器于第65 d及复合碳源5~8号系统第60 d取样, 对污泥样品进行高通量测试.
1.4 分析项目与测定方法样品采用标准方法[30]测定：COD采用重铬酸钾快速测定法, 由连华快速测定仪测定; NO2--N采用N-(1-萘基)-乙二胺光度法; NO3--N采用麝香草酚分光光度法; pH值、ORP、DO和温度由美国哈希在线测定仪监测.
采用16S rRNA高通量测序方法分析微生物种群结构.污泥取样后, 使用无菌离心管离心3 min, 采用冰袋低温保存送至生工生物(上海)公司进行测序.样品DNA提取采用E.Z.N.A.TM Mag-Bind Soil DNA Kit试剂盒(OMEGA).采用通用引物341F(CCTACGGGNGGCWGCAG)和805R(GACTACHV GGGTATCTAATCC)对样品16S rRNA中的V3-V4区进行扩增.PCR反应体系和扩增方法同文献[13]的报道.扩增后的DNA进行回收纯化, 利用Qubit3.0 DNA检测试剂盒对其精确定量, 最后利用Illumina MiSeq平台进行测序.
2 结果与讨论 2.1 不同碳源系统的脱氮性能不同碳源系统运行周期及脱氮性能见图 2.试验结果表明, 1~4号系统在COD/ρ(N)为8、5、10、7和5~8号系统在COD/ρ(N)为9、6、10、10分别达到ρ(NOx--N)≤1 mg ·L-1的处理目标.单碳源系统, 2号系统在COD/ρ(N)为5时的处理效果与1、3和4号系统在COD/ρ(N)为8、10和7时的相当.而复合碳源系统, 6号系统在COD/ρ(N)为6时的处理效果与5、7和8号系统在COD/ρ(N)为9、10和10时的相当.从5~8号系统出水ρ(NOx--N)曲线可以看出, 在第27~33 d, 未改变反应条件, 出水ρ(NOx--N)均出现升高.这主要是因为在这期间, 未对原水进行脱氧处理.第33 d之后继续采取脱氧措施, 出水ρ(NOx--N)出现明显的下降.这说明, 原水携带DO会造成外碳源浪费.实际工程从好氧池到缺氧池的内循环, 经常会携带大量的DO, 从节省碳源的角度, 应采取措施尽可能降低DO的携带.
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图 2 不同碳源系统NOx--N去除性能 Fig. 2 NOx--N removal performance in different systems with different external carbon sources |
8个系统在最优COD/ρ(N)下, 一个周期内ρ(NOx--N)变化如图 3所示.1~4号系统, 从投加碳源开始到ρ(NOx--N)达到1 mg ·L-1的时间分别为45、20、80和25 min, 相应的平均速率分别为0.245、0.562、0.141和0.454 kg ·(m3 ·d)-1, NOx--N去除率分别为96.57%、98.87%、96.87%和98.34%.响应速度和反应速率最快的是乙醇系统.而葡萄糖系统, 先出现一个短暂的平台期, 然后ρ(NOx--N)快速下降, 第30 min左右, 反应速率再次出现下降. 4个系统, 投加葡萄糖外碳源, 反应速率最慢, 这与彭永臻等[12]的研究结果一致, 分析原因可能是因为葡萄糖代谢途径较为复杂[13].
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图 3 典型周期内NOx--N去除性能 Fig. 3 NOx--N removal performance in typical cycle |
5~8号复合碳源系统, 与单碳源系统相比, 反应速率均出现较大程度下降.从反应开始, 到ρ(NOx--N)到达1 mg ·L-1的时间分别为79、45、78和85 min, 平均反应速率为0.138、0.233、0.137和0.127 kg ·(m3 ·d)-1, NOx--N去除率分别为96.44%、97.56%、95.41%和94.78%.其中5、7和8号系统的反应速率均低于速率最低的3号系统.乙醇与葡萄糖组成复合碳源后, 反应速率均低于乙酸钠/葡萄糖组合, 8号系统反应时间甚至高于葡萄糖单碳源系统.分析原因可能是由于乙醇是葡萄糖的发酵产物, 其大量存在导致葡萄糖分解反应的推动力降低, 反应速率变缓.
2.2 不同碳源系统污泥群落结构变化 2.2.1 微生物群落多样性分析对样品进行高通量测序.种泥样品编号为0, 1~8号系统污泥样品编号为1~8.首先利用多样性分析(α)来反映群落丰度和多样性, α多样性指数的统计如表 2所示.9组样品的Coverage指数均大于0.99, 说明可靠性非常高.
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表 2 样品物种多样性指数 Table 2 Species diversity index of the sample |
由表 2可以看出, 所有系统的Shannon指数均低于种泥样本.这表明, 投加外碳源, 8个系统的群落多样性均下降.这与李彭[31]的研究结果相一致, 其研究表明, 城镇污水深度反硝化系统内的微生物群落多样性低于生物法二级处理系统, 这可能是由单一的缺氧环境导致.考察群落丰富度, 1~4号单碳源系统Chao和Ace指数与种泥相当, 而5~8号复合碳源系统的Chao和Ace指数出现明显的下降.根据本研究碳源组成, 推断葡萄糖是复合碳源系统群落丰富度降低的主要原因.
2.2.2 微生物群落结构分析为进一步明确各系统菌群结构和丰度差异, 对样品在不同分类水平上进行类别及丰度分析.样本中丰度占比小于1%的物种归为others, 其余作为优势菌种进行分析.
2.2.2.1 门水平下微生物种类及丰度样品在门水平上的群落结构分析如图 4所示.从中可知, 在种泥样本中排名前10位的优势菌门和相对丰度为：Proteobacteria(变形菌门, 36.6%)、Bacteroidetes(拟杆菌门, 21.45%)、Unclassified_Bacteria(未分类菌门, 9.25%)、Planctomycetes(浮霉菌门, 8.22%)、Chloroflexi(绿弯菌门, 8.96%)、Acidobacteria(酸杆菌门, 4.19%)、Verrucomicrobia(疣微菌门, 2.93%)、Nitrospirae(硝化螺旋菌门, 1.27%)、Firmicutes(厚壁菌门, 1.25%)和Actinobacteria(放线菌门, 1.42%).
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图 4 各样品门水平群落结构分析 Fig. 4 Horizontal community structure analysis of each sample at phylum level |
Proteobacteria菌群被证实为大部分污水厂的优势菌群, 能脱氮除磷并去除有机物[32, 33], 种泥丰度较高可能与其所在的污水处理厂具有较好的脱氮除磷性能有关.经不同碳源驯化后, 种泥群落结构发生显著变化.Proteobacteria除在甲醇污泥中略有增长外, 在其余系统中均下降, 在葡萄糖相关系统中下降程度最高, 而相应的, Candidatus Saccharibacteria菌群在葡萄糖相关的系统增加也最为明显.Candidatus Saccharibacteria菌门的相对丰度在种泥中为1.16%, 在1~4号系统分别为0.35%、1.37%、46.4%和0.75%, 而在5~8号系统中丰度分别为42.22%、31.91%、47.37%和43.51%.显然, 其在3、5、6、7和8号系统内均成为绝对优势菌种.值得注意的是, 4种复合碳源反硝化速率与单碳源相比均有降低, 但在6号系统, Candidatus Saccharibacteria的相对丰度较低, 而6号系统的反硝化速率、氮的去除效率相对较高, 这也间接说明Candidatus Saccharibacteria菌门对提高反硝化速率可能不利.Candidatus Saccharibacteria菌群已被证实可在缺氧条件下降解有机物并对NO3--N进行还原, 且可能是与短程脱氮密切相关的菌群[34, 35].王维奇等[13]曾在2018年首次报道, 在葡萄糖作为基质的系统, Candidatus Saccharibacteria成为优势菌种, 并推测其对短程反硝化(NO3--N还原生成NO2--N)起主要作用, 且倾向于好氧环境生存.Zhao等[36]以溶解性淀粉做碳源, Candidatus Saccharibacteria发展成优势菌属; 而有研究结果表明[37, 38], 复杂有机物可能有利于Candidatus Saccharibacteria的富集.本研究菌种选择富集结果与王维奇等[13]的结果高度一致, 且所有与葡萄糖有关的系统出现相似结果, 因此判定Candidatus Saccharibacteria菌门是由葡萄糖筛选富集, 并适应缺氧条件.
在投加甲醇、乙醇和乙酸钠系统中, Unclassified_Bacteria的相对丰度得到极大提高, 而其它系统, Unclassified_Bacteria与种泥丰度相当, 未有显著变化.另外注意到, Firmicutes菌种, 其作为无氧条件下重要的反硝化菌, 彭永臻等[12]的研究表明其在乙酸钠碳源系统得到较高水平的富集, 而本研究在乙醇、乙酸钠系统以及4种复合碳源系统该菌群丰度均得到一定比例的提高, 而在甲醇和葡萄糖单碳源系统比例非常低, 这说明乙醇和乙酸钠对该菌群的富集可能均起到促进作用.Bacteroidetes主要被发现于缺氧环境中, 且在大部分污水厂占有较高丰度, 能水解大分子, 促进含氮物质的转化等[39].Bacteroidetes在种泥中的丰度较高, 而1~8号系统均出现下降, 这表明, 传统易降解外碳源可能对富集该类菌种不利.Chloroflexi属于碱性厌氧菌, 该门下的一些细菌可以将NO3--N转化为NO2--N[40].该菌属在1、2和4号样品中丰度维持较高水平, 而在3、5、6、7和8号污泥样品中均有一定下降, 说明葡萄糖对其生长不利. Actinobacteria门生物被认为主要降解葡萄糖[12, 41], 不以NOx--N为电子受体, 在单碳源系统该类菌群丰度水平较低, 而在复合碳源系统, Actinobacteria门得到大幅度提高, 且乙酸钠/葡萄糖系统的Actinobacteria丰度明显高于乙醇/葡萄糖系统, 推断复合类型的碳源对该类微生物的富集有促进作用.
2.2.2.2 属水平下的群落结构及丰度样品属水平群落结构及丰度如图 5所示.从中可知, 变化最为显著的是Saccharibacteria_genera_incertae_sedis菌属, 该菌属属于Candidatus Saccharibacteria门.在种泥中, 其仅占1.51%, 在1~8号系统其相对丰度与Candidatus Saccharibacteria菌门相当.Candidatus Saccharibacteria门高度富集情况下, Saccharibacteria_genera_incertae_sedis菌属高度富集, 这与已有的研究结果一致[35, 36, 42], 不同的是Zhao等[36]和霍小爱[42]以溶解性淀粉为碳源.马思佳等[25]的研究发现, 葡萄糖/蛋白胨和乙酸钠/蛋白胨均促进了Saccharibacteria_genera_incertae_sedis的选择富集, 且葡萄糖/蛋白胨系统富集比例更高, 推断复杂类型碳源更有利于Saccharibacteria_genera_incertae_sedis富集.
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图 5 各样品属水平群落结构分析 Fig. 5 Analysis of the horizontal community structure of each sample at genus level |
在1、2和4号系统中优势菌属为unclassified_Bacteria(未分类细菌), 相对丰度分别为25.74%、25.84%和27.96%, 而其在种泥中丰度为9.25%, 分析认为, 传统碳源促进了复杂菌属的生长.值得注意的是, 1号甲醇系统, unclassified_Methylophilaceae的相对丰度大幅度增加, 其属于Methylophilaceae(嗜甲基菌科), 专性或严格兼性以甲醇或者甲胺为唯一碳源和能源.而高鑫华等[15]的研究表明NOx--N会增加嗜甲基菌属的丰度, 且认为NOx--N可能和铵盐一样, 作为营养物质参与反应, 而非氧化还原反应中的电子受体.本研究可以确定甲醇是该菌种得到富集的主要原因, NOx--N是否对其有利尚无法证实.此外, Thaurea(陶厄氏菌属)和Acinetobacter(不动杆菌属)在4、5和6号乙酸钠系统均有明显的数量优势, Thauera被证明是污水厂广泛存在的重要反硝化菌[32, 43, 44], 而Acinetobacter菌可能与一些系统的除磷和反硝化除磷有关[45, 46], 这些种属在4、5和6号系统具有数量优势, 推断和乙酸钠有直接关系. Zoogloea (动胶菌属)在7号和8号系统显著增加, 其被认为与菌胶团形成有关, 能以NOx--N为电子受体进行反硝化[47], 某些研究也表明其具有好氧反硝化功能, 对同步硝化反硝化(SND)具有促进作用[48].本试验Zoogloea的变化表明, 乙醇对其富集起重要作用.但由于反应过程为严格缺氧, Zoogloea不可能发挥好氧反硝化作用, 只能参与缺氧反硝化[49, 50], 或者如文献[51, 52], 其仅仅发挥污泥沉降功能.噬氢菌属(Hydrogenophaga)属于Proteobacteria, 有研究认为Hydrogenophaga能进行反硝化, 但很少利用碳水化合物作为碳源[53].本研究在1号甲醇系统Hydrogenophaga得到显著增加, 说明甲醇可能对其富集生长有利.
2.3 不同碳源经济性分析根据碳源投加量及碳源价格, 对运行费用进行粗略估算, 见表 3. 按照市场价格, 4种单碳源中乙醇单价最高, 但因其反硝化速率高, 反应时间短, 投加量省, 其作为外碳源费用最低.投加乙酸钠的系统, 反应速率仅次于乙醇, 但由于单位乙酸钠折合的COD当量不高, 其投加量较大, 折算后的费用为最高.复合碳源系统, 反硝化速率与单一碳源系统相比较低, 但均能在一个周期内达到处理目标.根据碳源投加量计算得到的复合碳源运行费用, 以乙酸钠/葡萄糖(1 ∶1)为最低.实际污水厂因规模、工艺及设计参数等不同, 碳源投加运行费用可能会有较大差别, 需因地制宜地制定优化策略.
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表 3 不同碳源系统氮去除性能及经济性分析 Table 3 Nitrogen removal performance and economic analysis of different carbon source systems |
3 结论
(1) 从系统反硝化效率看, 投加单碳源和复合碳源, 出水ρ(NOx--N)均能达到1 mg ·L-1以下的处理目标.投加乙醇单碳源的系统反应速率最快, 乙酸钠次之.若能解决安全运输和贮存问题, 乙醇为最优.单纯考虑安全性及效率, 投加乙酸钠较为理想.乙醇与葡萄糖组成复合碳源后, 在速率上未体现优势; 而乙酸钠更适合与葡萄糖组成复合碳源, 但葡萄糖比例不宜过高.考虑经济性、安全性和反应速率, 复合碳源乙酸钠/葡萄糖(1 ∶1)较为优化.
(2) 从微生物群落结构上看, 碳源对菌群具有明显的筛选作用, 会导致优势菌群发生根本性变化.在葡萄糖相关的系统中, Candidatus Saccharibacteri经过70 d左右的选择富集, 成为绝对优势菌门.相应的, 在属水平, Saccharibacteria_genera_incertae_sedis菌群占绝对优势.多种碳源的对比试验证明, 葡萄糖对群落结构影响较大, 可引起Candidatus Saccharibacteri菌门和Saccharibacteria_genera_incertae_sedis属的高度富集, 且此类菌群可在缺氧环境下生存.
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