环境科学  2021, Vol. 42 Issue (7): 3392-3399   PDF    
引用本文
唐义, 马邕文, 万金泉, 王艳, 叶刚. 外加固体缓释碳源的两段反硝化工艺脱氮性能[J]. 环境科学, 2021, 42(7): 3392-3399.
TANG Yi, MA Yong-wen, WAN Jin-quan, WANG Yan, YE Gang. Two-Stage Denitrification Process Performance with Solid Slow-Release Carbon Source[J]. Environmental Science, 2021, 42(7): 3392-3399.
外加固体缓释碳源的两段反硝化工艺脱氮性能
唐义1, 马邕文1,2, 万金泉1,2, 王艳1,2, 叶刚1     
1. 华南理工大学环境与能源学院, 广州 510006;
2. 广东省植物纤维高值化清洁利用工程技术研究中心, 广州 510641
收稿日期: 2020-10-26; 修订日期: 2020-12-20
基金项目: 国家自然科学基金项目（31570586，31670585）
作者简介: 唐义(1995~), 男, 硕士研究生, 主要研究方向废水生物脱氮, E-mail: 736302457@qq.com
通信作者: 马邕文, E-mail: ppywma@scut.edu.cn
摘要: 传统生物脱氮工艺处理废水过程中，出水硝态氮（NO3--N）浓度过高是导致总氮（TN）超标的主要原因.通过采用外加碳源提高碳氮比（C/N），强化反硝化过程可有效解决这一难题.利用基于两段反硝化工艺原理研发设计的一体化脱氮反应器，通过在第二段反硝化池投加聚丁二酸丁二醇酯（PBS），采用扫描电子显微镜，对反硝化过程前后PBS材料进行表征，采用扩增子测序，深入探究投加PBS前后，第二段反硝化池中微生物群落结构变化.连续120 d的运行数据表明，COD去除率从95.7%降到90.8%，总氮去除率从51.8%提高到80%，Proteobacteria菌门相对丰富度从36.1%上升到46.1%，Thermomonas菌属相对丰富度从6.47%上升到13.48%.结果表明，投加PBS后，PBS不仅可以为反硝化作用提供碳源，其表面还可作为微生物生长附着的载体，起到良好的挂膜作用，同时提高了反硝化菌丰富度，强化了反硝化过程，脱氮性能明显增强，有效提高系统总氮去除率.
关键词: 两段反硝化      碳氮比      固体缓释碳源      脱氮      微生物群落     
Two-Stage Denitrification Process Performance with Solid Slow-Release Carbon Source
TANG Yi1 , MA Yong-wen1,2 , WAN Jin-quan1,2 , WANG Yan1,2 , YE Gang1     
1. School of Environment and Energy, South China University of Technology, Guangzhou 510006, China;
2. Guangdong Engineering and Technology Research Center of Plant Fiber High-value Cleaning and Utilization, Guangzhou 510641, China
Abstract: During wastewater treatment using a traditional biological denitrification process, the excessive concentration of nitrate nitrogen (NO3--N) in the effluent is the primary cause of excessive total nitrogen (TN) generation. By using an external carbon source to increase the carbon to nitrogen ratio (C/N), the denitrification process can be strengthened, which effectively addresses this problem. Using an integrated denitrification reactor developed based on the two-stage denitrification process principle with the addition of polybutylene succinate (PBS) in the second stage, the denitrification process was analyzed using a scanning electron microscope before and after characterization of PBS materials. Moreover, amplicon sequencing was used for in-depth exploration of changes in the microbial community structure in the second denitrification pool before and after the addition of PBS. The data of a continuous 120-day experiment showed that the COD removal rate dropped from 95.7% to 90.8%, the TN removal rate increased from 51.8% to 80%, the relative abundance of Proteobacteria phylum rose from 36.1% to 46.1%, and the relative abundance of Thermomonas rose from 6.47% to 13.48%. The results show that after the addition of PBS, PBS can not only provide carbon source for denitrification, but its surface can also serve as a carrier for microbial growth and attachment, play a good role in filming, and increase the abundance of denitrifying bacteria and strengthen denitrification. During the nitrification process, denitrification performance was significantly enhanced, effectively improving the TN removal rate of the system.
Key words: two-stage denitrification      C/N      solid slow-release carbon source      denitrification      microbial community     

近年来, TN去除成为城镇生活污水处理的重点和难点[1, 2].生活污水中的TN主要由硝态氮(NO3--N)、亚硝酸盐氮(NO2--N)和氨氮(NH4+-N)组成[3, 4].在传统脱氮工艺中, 当反硝化池中的C/N低于4或5时[5], C/N成为异养反硝化过程的主要限制因素[6], 反硝化细菌难以将NO3--N还原为氮气(N2), 出水TN超标.通常污水厂会投加甲醇、乙醇和乙酸等液态碳源[7], 但液态碳源存在成本高、操作要求严格以及缓释性能差等缺点, 固体缓释碳源的经济性能和可持续性能优异[8, 9].常见的固体缓释碳源包括农业废弃物、聚己内酯(PCL)和PBS[10]等. PCL等聚合物的合成研究受到广泛关注[11]; PBS固相反硝化生物膜反应器处理城镇生活污水, TN去除率超过90%[12, 13].

本研究在两段反硝化原理基础上, 自主设计一体化生物脱氮反应器, 进行实验室规模的废水处理实验, 发现该反应器对污染物有显著的去除效果.在第二段反硝化池中投加碳源PBS[14, 15], 强化反硝化过程, 进一步提高TN去除率.

分析比较投加PBS前后出水总氮去除率和氮元素浓度分布, 探究该反应器运行最佳工艺条件, 着重考察PBS对于第二段反硝化池中微生物群落的影响.结果显示, 一方面, PBS在提供碳源的同时, 可作为微生物生长附着的载体材料; 另一方面, PBS表面形成的生物膜, 可堵塞材料表面孔隙, 减缓可溶性有机物的流失, 降低碳源释放速率, 确保脱氮系统中C/N的稳定.

1 材料与方法 1.1 实验装置

反应器结构示意如图 1所示.反应器为有机玻璃材质, 长×宽×高=90 cm×40 cm×50 cm, 有效体积140 L.

图 1 反应器结构示意 Fig. 1 Schematic diagram of the reactor structure

从左到右依次为一段反硝化池、好氧池、二段反硝化池和沉淀池.各池容积比为1∶3∶1∶1, 池内挂有生物组合填料(比表面积：3 300~3 800 m2·m-3, 总孔隙率大于99%, 规格为150 mm×100 mm), 好氧池内安有曝气装置.

1.2 原水水质

人工模拟城镇生活污水水质组成如表 1, 各项水质指标范围如表 2所示.

表 1 人工配水的水质组成1) Table 1 Water quality composition of artificial water distribution

表 2 进水平均水质/mg·L-1 Table 2 Average water qualities/mg·L-1

1.3 实验程序

本实验用活性污泥取自广州市猎德生活污水处理厂好氧池和缺氧池, 各阶段控制参数如下：

接种：取50 L活性污泥稀释, 投入到反应器中, 控制MLSS在3 000~3 500 mg·L-1, SV 30%左右.

第一阶段(0~60 d)：驯化培养阶段.逐步增加流量到设计流量12 L·h-1, 该工艺HRT约为20 h, 前置反硝化过程3.6 h, 好氧硝化过程10.8 h, 后置反硝化过程3.6 h, 沉淀过程2 h.控制好氧池DO约为5 mg·L-1, 缺氧池DO约为0.5 mg·L-1, pH为8, 温度为(27±2)℃.

第二阶段(61~150 d)：强化脱氮阶段.保持各参数不变, 在第二段反硝化池中投加一定量的PBS, 提高池中C/N比, 强化反硝化过程, 提高总氮去除率.

1.4 碳源释碳动力学研究

分别称取玉米芯、PCL和PBS各5 g, 放入1 L反应瓶中, 注入800 mL去离子水, 温度为(25±1)℃, pH为7.2~7.5, 分别在第0、8、16、24、48、72、96、120、144和168 h取样, 测定溶解有机碳(DOC)浓度.碳源释放过程的动力学拟合方程式见式(1).

一级动力学方程：

(1)

式中, Mt指t时刻碳源释放量(mg·L-1); M∞指碳源释放最大量(mg·L-1); k指碳源释放常数; t指时间(h).

1.5 正交试验

为探究外加PBS强化反硝化脱氮的最佳实验条件, 选择环境温度、pH、碳源投加量和水力搅拌条件为考察因素, 按照正交试验L9(34)设计4因素和3水平的正交试验, 分析比较各组条件的硝态氮去除率.

取第二段反硝化池中250 mL含水污泥于锥形瓶中.根据正交试验表控制各环境因素, 放入摇床中连续培养观察, 记录实验数据.

1.6 分析方法 1.6.1 水质指标分析

pH采用SLIM48工业用pH计HP-480测定; COD采用HJ 828-2017中重铬酸钾法测定; 氨氮、亚硝态氮、硝态氮和总氮采用UV-2600分光光度计(Shimadzu, 日本)测定; 通过扫描电镜(S-3400N, 日本)观察材料的微观形貌.

1.6.2 微生物群落结构分析

选取原污泥、运行60 d和120 d污泥进行高通量测序, 采用CTAB方法提取样本的基因组DNA, 采用琼脂糖凝胶电泳仪进行DNA纯度和浓度检测.

取适量样本DNA于离心管中, 用超纯水稀释至1 ng·μL-1.对16S rDNA的V4区进行PCR扩增, PCR扩增所用仪器为New England Biolabs公司的Phusion High-Fidelity PCR Master Mix with GC Buffer和高效高保真酶, 反应条件: 98℃预变性1 min, 然后30个循环(98℃变性10 s, 50℃退火30 s, 72℃延伸30 s), 最后72℃延伸5 min.采用Thermofisher公司的Ion Plus Fragment Library Kit 48 rxns试剂盒构建文库, 待Qubit定量和文库检测合格后, 利用Thermofisher的IonS5TMXL进行上机测序[16].

2 结果与分析 2.1 COD的去除

图 2为出水COD浓度和COD去除率, 图 3为出水COD频率分布.

图 2 出水COD浓度和COD去除率 Fig. 2 Effluent COD concentration and COD removal rate

图 3 出水COD频率分布 Fig. 3 COD frequency distribution of effluent

运行期间, 出水COD从87 mg·L-1降至12 mg·L-1.其中未加PBS阶段平均出水COD为54.1 mg·L-1, 出水COD集中在60~70 mg·L-1, COD去除率最高为95.7%, 该反应器对COD去除效果好; 加入PBS阶段平均出水COD为36.6 mg·L-1, 出水COD在排放标准50 mg·L-1以下的频率为86.7%, 该反应器运行稳定.投加PBS初期, 二段反硝化池中的微生物不适应新环境, 导致部分出水COD超标; 微生物适应新环境后, PBS释放的有机物作为电子供体参与到反硝化过程被消耗, 出水COD逐渐降低, COD去除率从77.4%升至91.7%, 出水COD稳定达标.

2.2 氮的去除

图 4是出水NH4+-N、NO2--N、NO3--N浓度和TN去除率, 图 5是出水NH4+-N、NO2--N和NO3--N频率分布.

图 4 出水NH4+-N、NO2--N、NO3--N浓度和TN去除率 Fig. 4 Effluent NH4+-N, NO2--N, NO3--N concentration, and TN removal rate

图 5 出水氨氮、亚硝态氮和硝态氮频率分布 Fig. 5 Frequency distribution of effluent NH4+-N, NO2--N, and NO3--N

60 d数据表明, 出水NO2--N低于1 mg·L-1, TN去除率达到57%, 该反应器脱氮性能较好.图 5(c)表明, 出水NO3--N集中在7~7.5 mg·L-1, 最高可达8.5 mg·L-1, 导致出水TN去除率难以提升; 加PBS后, 出水TN去除率显著提升至80%, 由图 5(b)和5(d)可知, 94%出水NO3--N在5 mg·L-1以下, 平均NO3--N出水从7.35 mg·L-1降至3.4 mg·L-1, 平均NO2--N出水从1.6 mg·L-1降至0.68 mg·L-1.投加PBS初期, 反硝化细菌不适应新环境, TN去除率变化不大; 随后, 反硝化细菌逐渐适应新环境, 还原NO3--N为N2, 脱氮性能大幅提升.

2.3 碳源释放性能

PBS、PCL和玉米芯的DOC释放曲线如图 6所示, 动力学拟合方程如表 3所示.

图 6 不同碳源DOC释放曲线 Fig. 6 DOC release curve of different carbon sources

表 3 DOC释放过程的动力学拟合 Table 3 Kinetic fitting of DOC release process

由图 6可知, 各碳源释放DOC可分为快速阶段(≤24 h)和慢速阶段(＞24 h).快速阶段, 各碳源DOC释放量占总释放量的54.5%~95.9%, 慢速阶段为4.1%~45.5%.各碳源DOC释放量占总释放量50%的时间顺序为玉米芯＜PCL＜PBS, PBS缓释性能较好.DOC累计释放量大小顺序为PCL＜PBS＜玉米芯, PCL碳源释放量过小无法提高C/N, 玉米芯过大易使出水COD超标, 而PBS适中, 适合作为外加碳源材料.

由表 3可知, 各碳源释放的快速阶段和慢速阶段用一级动力学进行拟合, R2表示拟合方程的相关系数.各碳源释放过程基本符合一级动力学方程, 碳源释放量和时间成正比.

2.4 正交试验

挑选影响因子温度(A)、pH(B)、碳源投加量(C)和水力搅拌条件(D), 按正交试验L9(34)设计4因素和3水平.正交试验影响因素水平见表 4, 结果见表 5.

表 4 L9(34)正交试验影响因素水平 Table 4 Influencing factors of L9(34) orthogonal test

表 5 正交试验结果1) Table 5 Orthogonal test results

由表 4可知, 各因素对强化反硝化作用的影响次序为：C＞A＞B＞D, 最优方案为温度20℃, pH8, 碳源投加量6 g·L-1, 水力搅拌条件150 r·min-1, 硝态氮去除率可达92.1%.

3 讨论 3.1 固体缓释碳源表面结构变化特征

采用SEM和EDS-Mapping观察PBS表观结构.图 7表明, 反硝化后PBS表面较反应前更为粗糙, 且有活性污泥附着; 图 8可知, 反硝化前PBS表面只有碳元素和氧元素, 而反硝化后表面出现了磷、硅和氯元素, 这些元素是微生物生长繁殖必需的微量元素.PBS不仅可以提供碳源, 还是微生物生长附着的载体材料.

(a)和(b)反硝化反应前; (c)和(d)反硝化反应后 图 7 PBS的扫描电镜图 Fig. 7 SEM of PBS

图 8 PBS的EDS-Mapping图 Fig. 8 EDS-Mapping of PBS

3.2 高通量测序

未加入PBS的活性污泥样本1、加入PBS 30 d的样本2和加入PBS 60 d的样本3, 采用高通量测序对细菌16S V4区测序.

3.2.1 加入固体缓释碳源对微生物多样性的影响

在活性污泥系统中微生物多样性越高, 系统调节能力越强, 越有利于抵抗外部环境的变化, 保证工艺的稳定运行[17~19].Shannon指数和Simpson指数可以反映微生物群落的多样性, Chao指数与ACE指数常用来反映物种丰富度[20, 21].

表 6显示, 样本2和3的Chao指数和ACE指数远大于样本1, PBS的加入提高了微生物丰富度.样本2和3的Shannon指数远大于样本1, 微生物多样性更丰富.随着时间的增加, 样本3比样本2 Chao指数和ACE指数略有增加, 微生物丰富度增大; Simpson指数基本保持不变, 该区域常见物种未受影响.

表 6 不同时期微生物多样性 Table 6 Microbial diversity in different periods

3.2.2 加入固体缓释碳源对微生物群落结构的影响

图 9为门水平和属水平的微生物群落相对丰度, Proteobacteria和Bacteroidetes为优势菌门, 是生物脱氮过程中应用最广泛的反硝化门类[22, 23], Proteobacteria与全球碳氮循环有关[24, 25].Proteobacteria在样品1、2和3中的相对比例分别为36.1%、46.9%和46.1%, Bacteroidetes为33.6%、39%和40.7%.

(a)门水平; (b)属水平 图 9 主要微生物群落组成的相对丰度 Fig. 9 Relative abundance of major microbial community composition

属水平分析可知, Thermomonas、Flavobacterium和Haliangium为优势菌属, 均与反硝化过程有关.Thermomonas在厌氧反硝化中具有更好的反硝化性能[26].Thermomonas在样品1、样品2和样品3中的相对比例分别为6.47%、8.38%和13.48%, Flavobacterium分别为9.79%、10.45%和11.42%, Haliangium分别为3.49%、8.72%和9.8%.

加入PBS有利于反硝化细菌的生长繁殖, 强化反硝化过程, 给该阶段总氮去除率的增加提供有力依据.

4 结论

(1) 一体化脱氮反应器去污效果良好, COD去除率95.7%, TN去除率57%; 外加PBS强化反硝化阶段, 出水NO3--N浓度集中在3~5 mg·L-1, TN去除率上升至80%.

(2) 碳源释碳动力学研究表明, 各碳源释碳过程基本满足一级动力学方程, PBS具有更好的缓释性能; 正交试验结果表明, 该反应器的最佳运行条件为温度20℃, pH为8, 碳源投加量6 g·L-1, 水力搅拌条件150 r·min-1.

(3) SEM和EDS-Mapping结果表明, PBS可作为微生物附着生长的载体材料.

(4) 高通量测序分析, 外加PBS提高了二段反硝化池中微生物群落的种类和丰富度, Proteobacteria为优势菌门, 相对丰富度为46.1%, Thermomonas为优势菌属, 相对丰富度为13.48%.

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