SCSC-S/Fe復合系統(tǒng)脫氮除磷途徑及微生物群落特性

范軍輝,郝瑞霞*,LIU Lei,朱曉霞,王衛(wèi)東,萬京京

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SCSC-S/Fe復合系統(tǒng)脫氮除磷途徑及微生物群落特性

范軍輝1,郝瑞霞1*,LIU2Lei,朱曉霞1,王衛(wèi)東1,萬京京1

(1.北京工業(yè)大學,北京市水質科學與水環(huán)境恢復工程重點實驗室,北京 100124；2.Dalhousie University, Department of Civil and Resource Engineering, Halifax Canada)

為提升再生水品質,以玉米芯耦合硫鐵填料構造出固相纖維素碳源+硫鐵填料復合脫氮除磷系統(tǒng)(簡稱SCSC-S/Fe復合系統(tǒng)),基于填料生物膜Miseq高通量測序構建了16S rRNA基因克隆文庫,結合系統(tǒng)沉積物的X射線衍射(XRD)分析,探討了該系統(tǒng)對模擬城市污水處理廠低C/N比尾水深度脫氮同步除磷特性及作用途徑.結果表明,隨溫度升高,TN去除率逐漸增大,TP去除率增加不明顯,在溫度為30℃和水力停留時間HRT=9h時,NO3--N、TN、TP平均去除率分別為99.86%、92.70%和89.15%.固相纖維素碳源反硝化脫氮單元內具有降解纖維素類和反硝化作用類細菌分別占細菌總數(shù)的41.37%和54.02%,硫鐵復合填料脫氮除磷單元內異養(yǎng)反硝化、硫自養(yǎng)反硝化和氫自養(yǎng)反硝化的細菌占細菌總數(shù)的91.53%;XRD結果表明,水中的PO43-主要以FePO4、Fe3(PO4)2·H2O和Fe3(PO4)3(OH)2等物質形式去除.因此,復合系統(tǒng)脫氮以異養(yǎng)反硝化作用為主,協(xié)同硫自養(yǎng)反硝化和氫自養(yǎng)反硝化作用;復合系統(tǒng)具有“化學+生物”雙重除磷作用,以化學除磷作用為主.SCSC-S/Fe復合系統(tǒng)實現(xiàn)了低C/N比城市污水處理廠尾水深度脫氮同步除磷的目的.

固相纖維素碳源；硫鐵復合填料；深度脫氮除磷；16S rRNA克隆文庫

城市污水處理廠尾水存在C/N比低、脫氮同步除磷困難等問題.固相纖維素碳源具有來源廣泛、價格低廉和脫氮效果好等優(yōu)點,廣泛應用于低C/N比污水及地下水反硝化脫氮過程中[1-3].有研究表明[4-5],與果殼、稻草和棉花等其他纖維素類農作物相比,經堿處理后的玉米芯具有碳源釋放持久、微生物附著性好、反硝化效果好等優(yōu)點,更適合作為反硝化濾池的填料碳源.但碳源釋放量和反硝化脫氮效果隨時間而下降,并且無法達到脫氮同步高效除磷的目的.

硫磺和海綿鐵混合而成的硫鐵復合填料在低C/N比尾水深度脫氮除磷方面具有獨特的優(yōu)勢[6-8].其中,海綿鐵腐蝕產生的H2和Fe2+可以作為反硝化脫氮的電子供體[9-11],協(xié)同作為硫自養(yǎng)反硝化電子供體的硫磺[12],共同彌補低C/N比尾水反硝化脫氮過程中的電子供體不足.此外,海綿鐵腐蝕產生的Fe2+、Fe3+及其水解產物Fe(OH)3、FeOOH對PO43-具有較強的吸附沉淀能力,最終以FePO4、多核羥基磷酸鐵等形式將磷去除[8,13-14].因此,硫鐵復合填料可以實現(xiàn)低C/N比尾水深度除磷同步脫氮的目的.

本研究針對低C/N比尾水深度脫氮除磷問題,將堿處理后的玉米芯與硫鐵復合填料有機結合組成固相纖維素碳源+硫鐵脫氮除磷復合系統(tǒng)(SCSC-S/Fe),分析該系統(tǒng)在不同溫度下強化低C/N比尾水深度脫氮除磷的性能.通過構建細菌16S rRNA基因克隆文庫來分析系統(tǒng)中微生物種群結構特性;并結合X射線衍射(XRD)對反應器中沉積物進行分析,探討了該系統(tǒng)脫氮除磷途徑及作用機制.以期為污水處理廠尾水深度脫氮除磷提供技術參考.

1 實驗裝置與方法

1.1 實驗裝置

實驗裝置如圖1所示.SCSC-S/Fe復合系統(tǒng)由有機玻璃材質串聯(lián)的A、B兩柱組成,柱子內徑19cm,高度100cm,有效容積分別為5L和5.3L.A柱為反硝化脫氮濾柱,填充由尼龍絲網(wǎng)包裹著氫氧化鈉處理過的玉米芯,填充高度為45cm.B柱為硫鐵填料脫氮除磷濾柱,上層裝有高度為50cm質量比為2:3的粒徑為2~3mm硫磺和粒徑3~5mm海綿鐵復合填料;下層用粒徑為5~8mm的石灰石填裝作為過濾層,有效高度為40cm.A柱水流方式采用上向流,B柱水流方式采用下向流.接種污泥來自北京某污水處理廠回流污泥.

1.2 實驗水質與分析方法

表1 分析項目與儀器

實驗用水為在自來水中加入KNO3、KH2PO4模擬城市污水處理廠尾水中的TN和TP含量,并用1mol/L的HCl調節(jié)pH值.該水質特征為:(TN)=(NO3--N)=33~36mg/L,(TP)=1.4~1.6mg/ L,pH=6.8~7.2.分析項目及儀器見表1.

1.3 實驗方法

在15℃條件下啟動反應器,具體參考李素梅等[15]提供的反應器啟動方法.待出水水質各項指標穩(wěn)定后,啟動過程完成.控制水力停留時間HRT=9h不變,設定3個溫度梯度:15,25,30℃.每次變更條件,調整一周后再開始取樣檢測,實驗穩(wěn)定運行4個月.文中圖的時間橫坐標已將變更后調整的一周時間扣除.試驗過程中A柱未添加玉米芯填料,B柱在變更條件后進行一次反沖洗,控制反沖洗流速200mL/min,反沖洗時間2h.當溫度為30℃條件結束后,在反沖洗之前提取反應器中間部分填料表面生物膜.檢測項目包括進出水NO3--N、NO2--N、NH4+-N、SO42-、TN、TP、TFe、COD和pH值.

2 結果與分析

2.1 不同溫度下系統(tǒng)脫氮除磷效果

2.1.1 系統(tǒng)脫氮效果 從圖2可知,該系統(tǒng)TN、NO3--N平均去除率隨溫度升高而升高,在15,25,30℃條件下,系統(tǒng)TN平均去除率分別為78.88%、90.43%和92.70%,NO3--N去除率接近100%,出水TN濃度分別為7,3.5,2.6mg/L左右;A 柱TN平均去除量分別為13.76,19.47,20.73mg/L,而B柱TN去除量分別為14.57,12.54,12.66mg/L.數(shù)據(jù)表明,SCSC-S-Fe系統(tǒng)具有較高的脫氮效率,A、B柱均發(fā)揮脫氮作用,溫度升高時,填充纖維素碳源的A柱脫氮量明顯增加,填充硫鐵填料的B柱脫氮量變化不顯著.

2.1.2 系統(tǒng)除磷效果 從圖3可得,隨溫度升高,復合系統(tǒng)TP平均去除率分別為82.58%、86.98%和89.15%,出水TP、TFe濃度分別維持在0.2, 1.2mg/L左右.A、B柱對系統(tǒng)TP去除比例隨溫度升高幾乎不變,分別保持在10% 和90%左右.表明該系統(tǒng)具有較高的除磷效率,TP主要在B柱內去除,且磷的去除受溫度影響不大.

2.2 復合系統(tǒng)中微生物菌群結構特性分析

復合系統(tǒng)在30℃條件下穩(wěn)定運行一個月后,分別提取反應器中部玉米芯和硫鐵復合填料表面的生物膜,參考Ezup柱式基因組DNA試劑盒(上海生工生物工程股份有限公司)說明書提供的方法提取樣品中的DNA.結合上海美吉生物醫(yī)藥科技有限公司的Miseq高通量測序技術對復合系統(tǒng)內微生物種群結構進行分析.

2.2.1 微生物種群多樣性分析 Miseq高通量測序得到的PE reads利用overlap關系進行拼接,并用illumina基因測序儀對DNA樣品進行檢測,A、B柱經優(yōu)化后分別獲得25963和31272條序列,將優(yōu)化完畢的序列在相似水平為97%以上歸類為一個操作單元(OTU),分別獲376和368個OUTs,然后利用mothur計算不同序列隨機抽樣下的Shannon值,結合R語言工具制作Shannon曲線圖,如圖4所示.Shannon曲線隨測序序列增加趨向平坦,表明本研究中樣品取樣合理.

2.2.2 菌群結構特征分析 為了得到每一個OUT對應菌群的特性信息,將OUT代表序列與庫進行對比,結合RDP classifier貝葉斯算法進行分類學分析,并分別在phylum(門)和genus(屬)分類水平下統(tǒng)計樣品的群落種類構成,結果如圖5所示.

(a)分類到門

(b)分類到屬

圖5 樣本群落結構分析

Fig.5 Bacterial communities groups of samples

從圖5a可知,從門水平進行分析系統(tǒng)識別出6種主要細菌門類,其中A柱比B柱中多了一類Acidobacteria菌門,其相對豐度為4.0%,這類細菌可以將纖維素、半纖維素降解成供微生物利用的有機物,同時降解過程中產生有機酸[16]. Proteobacteria菌門均為A、B柱內最主要的菌門,其相對豐度分別為45.09%和90.33%, Proteobacteria菌門中大部分微生物可以利用氫、氨、甲烷和揮發(fā)性脂肪酸等有機物進行反硝化脫氮過程[17-18];Firmicute菌門中大多數(shù)為球狀或桿狀的革蘭陽性細菌,其相對豐度分別占2.03%和0.06%,可能與污泥反硝化脫氮有關[19].A、B柱內Bacteroidetes菌門相對豐度分別為24.3%和5.75%,Bacteroidetes菌門包括擬桿菌綱、黃桿菌綱和鞘脂桿菌綱,其中鞘脂桿菌綱的重要類群為噬胞菌屬,可以降解纖維素[20];Spirochaetae菌門細菌具有專一降解半纖維素的功能[20].A柱中降解纖維素、半纖維素有關的菌屬和反硝化有關菌屬占已知細菌菌屬的41.37%和54.02%,B柱中與反硝化脫氮有關菌屬占已知細菌菌屬的91.53%.

圖5b為樣本在屬水平群落聚類情況,對豐度相對大于1%的群落進行分析.A柱中群落豐度相對最大的是(17.16%),其具有反硝化聚磷功能[21],屬于異養(yǎng)反硝化細菌,此外(3.12%)、(1.23%)、(1.15%)和(2.64%)也屬于異養(yǎng)反硝化細菌[22-24];(10.78%)、(4.70%)和(1.73%)可以將纖維素、半纖維素降解成可溶性糖類[25-27],為異養(yǎng)反硝化細菌脫氮提供有機碳源.B柱內(25.25%)、(1.20%)和(2.27%)等能以單質硫作為電子供體進行反硝化脫氮[28-29];(10.95%)在異養(yǎng)和自養(yǎng)混合條件下可以利用H2作為電子供體進行自養(yǎng)反硝化脫氮作用[30],此外(1.76%)、、(1.11%)和(3.05%)也能以H2作為電子供體將硝酸鹽還原[31-32];(7.58%)、(1.57%)、(1.95%)、(1.04%)和[20,33]等異養(yǎng)反硝化細菌利用纖維素的降解產物有機碳源進行反硝化脫氮過程;而(2.03%)和(2.22%)可以降解纖維素類有機物;(3.04%)可以氧化鐵單質獲取能量進行反硝化脫氮作用,(1.04%)具有促進金屬腐蝕和硫酸鹽還原的作用[6].可見,A柱中主要是纖維素降解類細菌和異養(yǎng)反硝化細菌,B柱內這兩類細菌和鐵自養(yǎng)反硝化細菌所占比例不高,以具有硫自養(yǎng)反硝化和氫自養(yǎng)反硝化功能的細菌為主.

2.3 復合系統(tǒng)脫氮除磷作用途徑

2.3.1 復合系統(tǒng)反硝化脫氮途徑 結合上文微生物種群結構可知,A柱內玉米芯表面同時存在纖維素類降解菌和反硝化細菌,纖維素降解菌將纖維素、半纖維素降解成有機物,為體系內異養(yǎng)反硝化細菌生命活動提供了有機碳源,同時該過程產生的有機酸和CO2促使體系pH值降低[34],如圖6所示,其中A柱出水COD 即為B柱進水.隨溫度升高,反應器內微生物數(shù)量、胞內酶活性和細胞膜的流動性均逐漸增強[35],纖維素降解速率和反硝化脫氮速率均加快,A柱出水COD濃度和脫氮效率逐漸增加.B柱內異養(yǎng)反硝化細菌、硫自養(yǎng)反硝化細菌和氫自養(yǎng)反硝化細菌的存在,為復合系統(tǒng)存在多種反硝化脫氮作用提供了佐證.有研究表明[12,36],在反硝化系統(tǒng)中,有機物的消耗量(△COD)和SO42-濃度增加量(△SO42-)分別可以表征異養(yǎng)反硝化作用和硫自養(yǎng)反硝化作用大小,如圖7所示.并結合圖2中A、B柱TN去除量可以發(fā)現(xiàn),在進水NO3--N濃度不變的情況下,A柱TN去除量隨溫度升高而增加,B柱進水NO3--N濃度隨溫度升高而降低,使得B柱TN去除量隨溫度變化不明顯;體系內異養(yǎng)反硝化作用隨溫度升高逐漸增強,而硫自養(yǎng)反硝化作用相對減弱,表明復合系統(tǒng)脫氮以異養(yǎng)反硝化作用為主,協(xié)同自養(yǎng)反硝化作用共同將氮素去除.此外,復合系統(tǒng)的△COD/△TN值小于微生物異養(yǎng)反硝化所需的理論值2.86[36],表明復合系統(tǒng)以“異養(yǎng)+多種自養(yǎng)”反硝化作用實現(xiàn)了低C/N比尾水深度脫氮的目的.

2.3.2 復合系統(tǒng)除磷途徑 復合系統(tǒng)中的生物除磷作用包括微生物生長代謝吸收磷和的反硝化聚磷作用,其中A柱內PO43-是以生物除磷作用去除的.結合圖5b可知,在A、B柱內的相對豐度分別為17.16%和1.57%,A柱的相對豐度是B柱的10.93倍,推測A柱中生物除磷作用大約是B柱的10倍.從圖3 中可知,A柱中生物除磷作用對系統(tǒng)TP去除比例為10%左右,B柱內生物除磷作用所占的比例在1%左右,進一步推測硫鐵填料的化學除磷作用去除比例89%左右.可見,復合系統(tǒng)除磷以化學除磷作用為主,生物除磷作用為輔.

為進一步分析系統(tǒng)除磷途徑,在25℃條件下,取反應器中部硫鐵填料單元表面沉積物進行XRD分析,結果如圖8所示.從圖8可得,反應器中沉積物主要有FeS、FeOOH、Fe3O4、Fe4(OH)12(CO3)、FePO4、Fe3(PO4)2·H2O和Fe3(PO4)3(OH)2等物質.其中,FeS、FeOOH、Fe3O4、Fe4(OH)12(CO3)是海綿鐵腐蝕產物,水中的PO43-主要以FePO4、Fe3(PO4)2·H2O和Fe3(PO4)3(OH)2等物質形式去除.

海綿鐵腐蝕產生的Fe2+及其氧化產物Fe3+與PO43-作用生成Fe3(PO4)2·H2O和FePO4沉淀;同時,Fe3+的水解產物FeOOH將PO43-吸附表面形成Fe3(PO4)3(OH)2沉淀[37-38];此外,硫磺和海綿鐵作用生成的FeS(sp= 6.3×10-18)將PO43-吸附在表面并轉化為更難溶的FePO4(sp=1.3×10-22)沉淀[8].

3 結論

3.1 SCSC-S/Fe復合系統(tǒng)實現(xiàn)了低C/N比尾水深度脫氮同步除磷的目的.在溫度為30℃和HRT=9h條件下,系統(tǒng)NO3--N、TN、TP平均去除率分別為99.86%、92.70%和89.15%.復合系統(tǒng)以異養(yǎng)反硝化脫氮作用為主,協(xié)同硫自養(yǎng)反硝化和海綿鐵的脫氮作用;以化學除磷作用為主,生物除磷作用為輔.

3.2 SCSC-S/Fe復合系統(tǒng)中大約89%的PO43-以Fe3(PO4)2·H2O、FePO4和Fe3(PO4)3(OH)2沉淀形式去除的.

3.3 在該系統(tǒng)已知的6個菌門中,具有反硝化脫氮功能的Proteobacteria菌門均為A、B柱內最主要的菌門,其相對豐度分別為45.09%和90.33%;與纖維素降解有關的Bacteroidetes菌門次之,其相對豐度分別為24.3%和5.75%.微生物屬水平分析結果表明,A柱以異養(yǎng)反硝化細菌(17.16%)和纖維素類降解細菌(10.78%)為主,B柱以硫自養(yǎng)反硝化細菌(25.25%)和氫自養(yǎng)反硝化細菌(10.93%)為主.

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Way of nitrogen and phosphorus removal and microbial community characteristics for SCSC-S/Fe.

FAN Jun-hui1, HAO Rui-xia1*, LIU Lei2, ZHU Xiao-xia1, WANG Wei-dong1, WAN Jing-jing1

(1.Key Laboratory of Beijing for Water Quality Science and Water Environmental Recovery Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China；2.Department of Civil and Resource Engineering, Dalhousie University, Halifax, Canada).

In order to improve the quality of reclaimed water, a coupling process with solid carbon source of corncob cellulose and sulfur/sponge iron composite fillers was integrated for the further deep removal of nitrogen and phosphorus for municipal wastewater treatment plant (WWTP) effluent that usually contains little organic carbon for heterotrophic denitrifying bacteria to utilize. Based on the bacteria 16S rRNA gene clone library analysis by adopting the high-throughput sequencing technologies, both the effect and mechanism of the system (abbreviated as SCSC-S/Fe) on nitrogen (N) and phosphorus (P) simultaneous removal from simulated WWTP effluent were investigated. The results indicated that the TN removal efficiency of the system increased gradually with the increase of temperature, but the removal rate of TP did not raised obviously. Under the condition of 30℃temperature and 9h HRT, the average removal rates of NO3--N, TN and TP were 99.86%, 92.70% and 89.15%, respectively. There were two main classes of bacteria including cellulose degradation and denitrification bacteria with the total bacteria of 41.37% and 54.02% separately in the solid carbon source of corncob cellulose unit. And there were simultaneous existence of heterotrophic, hydrogen and sulfur autotrophic denitrifying bacteria accounted for 91.53% of the total number of bacteria in the sulfur/sponge iron composite fillers unit. X-ray diffraction (XRD) analysis showed that PO43 –was removed mainly by the form of FePO4, Fe3(PO4)2·H2O and Fe3(PO4)3(OH)2. In the system, the nitrogen was removed mainly by heterotrophic denitrification with auxiliary hydrogen and sulfur autotrophic denitrification, and the phosphorus was removed by main chemical reaction and a little biological uptake of phosphate. SCSC-S/Fe system represents a promising method for simultaneous and improved N and P removal from WWTP effluent.

solid carbon source of corncob cellulose；sulfur/sponge iron composite fillers；deep removal of nitrogen and phosphorus；16srRNA gene clone library

X703.5

A

1000-6923(2017)04-1358-08

2016-08-02

國家自然科學基金資助項目(51378028)

范軍輝(1990-),男,河北邢臺人,北京工業(yè)大學碩士研究生,主要研究方向為污水資源化利用.

* 責任作者, 教授, haoruixia@bjut.edu.cn

, 2017,37(4)：1358~1365