基于城鎮(zhèn)生活污水廠提標(biāo)改造的新型原位強(qiáng)化脫氮裝置試驗(yàn)研究

崔賀 楊銀川 黃民生 楊樂 尹超 何巖 曹承進(jìn)

摘要：為了有效強(qiáng)化城鎮(zhèn)生活污水廠的脫氮效率，研發(fā)了一種新型原位強(qiáng)化脫氮裝置——管式生物凈水裝置fTubular bio-purification device，TBD），分別以絲瓜絡(luò)、棕絲、甘蔗渣和化學(xué)纖維填料等4種固體材料為TBD的填充基質(zhì)，通過對(duì)比不同基質(zhì)類型的TBD的強(qiáng)化脫氮性能，得出TBD的最佳填充基質(zhì)，并結(jié)合基質(zhì)生物膜的高通量測(cè)序結(jié)果解析其脫氮機(jī)理.結(jié)果表明，以甘蔗渣為填充基質(zhì)的TBD對(duì)水體中氮素的去除性能明顯優(yōu)于其他基質(zhì)，其對(duì)NH+4-N、NO-3-N、NO-2-N及TN的平均去除率分別可達(dá)72%、64%、97%和82%，經(jīng)過其凈化的水體NH+4-N及TN濃度均可滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918 2002）規(guī)定的一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)，因此甘蔗渣是TBD的最佳填充基質(zhì);填充甘蔗渣的TBD的微生物物種豐度和多樣性較高，其Chaol指數(shù)為9 743.55、Shannon指數(shù)為6.37，其微生物群落結(jié)構(gòu)中反硝化相關(guān)菌群占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)（23.75%），并含有一定比例的硝化（7.73%）及厭氧氨氧化（2.0%）相關(guān)菌群，表明填充甘蔗渣的TBD內(nèi)部環(huán)境有利于脫氮功能菌群的富集和生長(zhǎng).本研究以期為該裝置服務(wù)于城鎮(zhèn)生活污水廠提標(biāo)改造過程中強(qiáng)化脫氮的工程化應(yīng)用提供依據(jù)和參數(shù).

關(guān)鍵詞：城鎮(zhèn)生活污水廠;提標(biāo)改造;強(qiáng)化脫氮;原位凈化;管式生物凈水裝置

中圖分類號(hào)：X522

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.3969/j.issn.1000—5641.2018.06.002

0引言

氮素在地表水體中的過量積累已造成我國(guó)部分重點(diǎn)保護(hù)湖泊和水庫(kù)的水體富營(yíng)養(yǎng)化而地表水體中氮素積累的重要原因之一是城鎮(zhèn)生活污水廠尾水的過量氮排放為此，《國(guó)務(wù)院關(guān)于印發(fā)水污染防治行動(dòng)計(jì)劃的通知》（國(guó)發(fā)[2015]17號(hào)）要求敏感湖庫(kù)流域的城鎮(zhèn)污水處理設(shè)施應(yīng)于2017年年底前完成提標(biāo)改造，尾水水質(zhì)達(dá)到一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)這無疑對(duì)我國(guó)城鎮(zhèn)污水廠提標(biāo)改造提出了更高要求.據(jù)報(bào)道，通過對(duì)2013年全國(guó)11座城市122家污水廠尾水的NH+4-N和TN濃度監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，約1/3的污水廠尾水TN濃度以及約1/6的污水廠尾水NH+4-N濃度未能滿足一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)污水廠進(jìn)水缺乏碳源造成的反硝化不足以及低溫條件引起的硝化和反硝化效率下降是現(xiàn)有城鎮(zhèn)生活污水廠尾水NH+4-N及TN濃度不達(dá)標(biāo)的主要原因.因此亟需對(duì)我國(guó)城鎮(zhèn)生活污水廠提標(biāo)改造過程中的脫氮效率進(jìn)行強(qiáng)化.

為有效解決上述問題，本研究研發(fā)了一種新型原位強(qiáng)化脫氮裝置——管式生物凈水裝置（Tubular bio-reactor device，TBD）TBD以現(xiàn)有城鎮(zhèn)生活污水廠尾水的受納水體作為實(shí)施空間進(jìn)行原位凈化，并綜合利用其內(nèi)部填充基質(zhì)的物理過濾、化學(xué)吸附和微生物生化作用以及TBD上栽培植物的吸收作用實(shí)現(xiàn)污水的強(qiáng)化脫氮.用于城鎮(zhèn)生活污水廠提標(biāo)改造的傳統(tǒng)強(qiáng)化脫氮工藝如反硝化生物濾池、人工濕地和生態(tài)浮床等）中填充基質(zhì)的吸附、掛膜及釋碳特性對(duì)于脫氮效果存在顯著影響.絲瓜絡(luò)可作為生物膜反應(yīng)器及反硝化生物濾池的填充基質(zhì)，對(duì)污水具有良好的脫氮除磷效果;棕絲作為一種常見天然介質(zhì)材料，對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化水體的凈化效果顯著;甘蔗渣因其良好的釋碳性能，被證明是強(qiáng)化脫氮的理想材料;而化學(xué)纖維填料具有較低的液體阻力、較大比表面積和容積負(fù)荷，并被實(shí)踐證實(shí)具有良好的促進(jìn)生物硝化和反硝化的作用.另外，生菜作為常見蔬菜品種因具有營(yíng)養(yǎng)豐富、用途廣泛、產(chǎn)率較高等特點(diǎn)，符合典型生態(tài)修復(fù)措施中“植物應(yīng)具有廣泛用途或經(jīng)濟(jì)價(jià)值高”的選擇應(yīng)用原則.

因此，本研究選取絲瓜絡(luò)、棕絲、甘蔗渣及化學(xué)纖維填料等4種固體材料分別作為TBD的填充基質(zhì)，并選取生菜作為其栽培植物，通過對(duì)比不同基質(zhì)類型的TBD對(duì)城鎮(zhèn)生活污水廠尾水的強(qiáng)化脫氮性能，得出其最佳填充基質(zhì)，并結(jié)合基質(zhì)生物膜的高通量測(cè)序結(jié)果解析其脫氮機(jī)理，以期為該裝置服務(wù)于城鎮(zhèn)生活污水廠提標(biāo)改造的工程化應(yīng)用提供依據(jù)和參數(shù).

1材料與方法

1.I試驗(yàn)裝置與運(yùn)行條件

本試驗(yàn)于2015年5月初開展，試驗(yàn)設(shè)置了4組平行的小試規(guī)模的TBD，其構(gòu)造如圖1所示.4組TBD分別放置于4個(gè)相同的水槽中，水槽中的水體僅為管式生物凈水裝置提供浮力，而與TBD內(nèi)部的水體無交換.每組TBD均由凈水生物盤管、浮體、植物及進(jìn)水口、出水口組成.凈水生物盤管均由長(zhǎng)度12 m、直徑7.6 cm、厚度0.3 mm的PE吹塑軟管和管內(nèi)填充基質(zhì)構(gòu)成，其被盤繞成盤狀（直徑約65cm）并固定于浮體上.在盤繞成型的凈水生物盤管上方均勻分布36個(gè)直徑1cm的植物種植孔，植物選用生菜并通過播種方式將生菜種子種植于凈水生物盤管的基質(zhì)中.TBD的進(jìn)水通過蠕動(dòng)泵勻速泵入凈水生物盤管的進(jìn)水口，出水通過水槽上的出水口排出.4組管式生物凈水裝置的管式生物反應(yīng)器內(nèi)分別填充：絲瓜絡(luò)、棕絲、甘蔗渣和化學(xué)纖維填料，其對(duì)應(yīng)編號(hào)分別為T1、T2、T3、T4.T1-T4所填充填料的填充率均為33%.T1-T4所填充填料的含水率、密度、CODcr及TN成分的溶出速率等基本理化性質(zhì)如表1所示.

依據(jù)上述設(shè)計(jì)及運(yùn)行參數(shù)，TBD擬用于城鎮(zhèn)生活污水廠尾水的原位強(qiáng)化脫氮，其實(shí)際應(yīng)用方法如下.TBD主要由凈水生物盤管、集水槽、浮體及植物組成;TBD設(shè)置于城鎮(zhèn)生物污水廠尾水受納水體中;凈水生物盤管設(shè)置于浮體上，浮體漂浮于水面.將污水廠尾水以“重力自流”的方式收集于TBD的集水槽中，集水槽的水位超出TBD的凈水生物盤管進(jìn)水口標(biāo)高的0.5-1.0m;然后，通過集水槽底部的導(dǎo)流管將上述收集的尾水以“重力自流”的方式導(dǎo)入TBD的凈水生物盤管的進(jìn)水口，使尾水流經(jīng)凈水生物盤管;凈水生物盤管綜合利用管內(nèi)填料的物理過濾、截留作用、填料上富集微生物的轉(zhuǎn)化作用以及填料上所種植物的吸收作用對(duì)流經(jīng)的污水進(jìn)行深度凈化;經(jīng)深度凈化的尾水最終通過凈水生物盤管的出水口排入河道.另外，當(dāng)污水廠尾水排放量不足時(shí)，還可采用“水泵”提升的方式將河道中的水體原位提升至TBD的集水槽，從而實(shí)現(xiàn)TBD對(duì)污水廠尾水受納水體的原位凈化.

1.2樣品采集與檢測(cè)方法

自2015年6月至2015年12月，逐月對(duì)T1-T4的進(jìn)、出水口進(jìn)行水樣采集與檢測(cè).水樣的pH值使用HANNA HI 98129型pH計(jì)在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定，水樣的NH+4-N、No-3-N、NO-2-N、TN濃度及CODcr測(cè)定于24h內(nèi)在實(shí)驗(yàn)室完成.采樣期間避開降雨，以避免雨水對(duì)該濕地系統(tǒng)進(jìn)、出水水質(zhì)的影響.水樣的指標(biāo)測(cè)定參照《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》（第四版）.無特別說明外，所用試劑均為分析純，實(shí)驗(yàn)用水為新鮮去離子水.在本試驗(yàn)過程中，定期記錄生菜的發(fā)芽率和株高.本試驗(yàn)中，采用HACH HQ30D溶氧儀監(jiān)測(cè)TBD進(jìn)出水及TBD前端（距進(jìn)水口20am）、中間（凈水生物盤管中間）及末端（距出水口20cm）管內(nèi)水體的溶解氧（DO）濃度.

實(shí)驗(yàn)結(jié)束后對(duì)脫氮效果最好的TBD的填料生物膜進(jìn)行樣本采集，取樣位置在該TBD的凈水生物盤管末端（距離出水口20cm處）.生物膜樣品采集及預(yù)處理方法如下：將運(yùn)行中的TBD填料取出，放入自封袋并立即帶回實(shí)驗(yàn)室于4°c冷藏;快速用事先準(zhǔn)備好的錐形瓶裝好適量無菌水與樣品，振蕩，待基質(zhì)表面附著物振蕩脫落，將懸濁液倒入離心管離心，取離心管下部固體物，并于-10°c將其冷凍.以上采樣器材在使用前均經(jīng)過無菌處理，同時(shí)聯(lián)系生工生物工程（上海）股份有限公司盡快取樣并進(jìn)行高通量測(cè)序.

1.3微生物群落多樣性分析

生工生物工程（上海）股份有限公司采用Power Soil DNA分離試劑盒提取樣品中的DNA.采用1%的瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè)提取的細(xì)菌總DNA.對(duì)16S rRNA基因的v3-V4高變區(qū)片段進(jìn)行PCR擴(kuò)增，引物序列為515F（GTGCCAGCMGCCGCGGTAA）和909R（ccccGYcAATTCMTTTRAGT）.隨后在該公司的Ⅲumina MiSeq平臺(tái)上進(jìn)行高通量測(cè)序分析，得到原始圖像數(shù)據(jù)文件經(jīng)CASAVA堿基識(shí)別分析轉(zhuǎn)化為原始測(cè)序序列，結(jié)果以FASTQ文件格式儲(chǔ)存.利用Mothur對(duì)原始序列進(jìn)行校正，去除序列中的嵌合體，得到優(yōu)化序列;在97%的相似性水平上將序列劃分可操作分類單元（operational taxonomic units，OTUs）;采用RDPClassifier貝葉斯算法對(duì)97%相似水平的OTU代表序列進(jìn)行分類分析，繼而計(jì)算樣品文庫(kù)覆蓋率（coverage）、Chaol指數(shù)及Shannon多樣性指數(shù)，并在屬水平上統(tǒng)計(jì)每個(gè)樣品的群落組成.

1.4數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析采用Excel 2016軟件，圖表繪制采用Origin9.1軟件，并用SPSS20.0軟件對(duì)不同基質(zhì)類型的TBD硝化及反硝化性能進(jìn)行ANOVA方差分析.

2結(jié)果與分析

水體中亞硝酸鹽的積累不但對(duì)生物和人體健康造成嚴(yán)重?fù)p害，而且會(huì)對(duì)反硝化菌產(chǎn)生毒害作用，使反硝化過程受到嚴(yán)重抑制.而亞硝酸鹽產(chǎn)生積累意味著微生物對(duì)污水中氮素的硝化及反硝化作用不完全.由此可見，相比其他試驗(yàn)組，T3中微生物的硝化及反硝化作用始終較為完全，表明T3具有良好的強(qiáng)化脫氮性能.相關(guān)研究表明，污水的c/N<3.5時(shí)處理單元就會(huì)產(chǎn)生明顯的亞硝酸鹽積累現(xiàn)象.在4組TBD中，T1、T2、T3和T4的出水c/N分別為1.80、0.70、8.58和0.19，可見只有T3的c/N>3.5，致使其不易產(chǎn)生亞硝酸鹽的積累，從而保證其出水的NO-2-N濃度較低.

2.1.4對(duì)TN的去除性能

試驗(yàn)進(jìn)水的TN濃度變化及T1、T2、T3和T4對(duì)TN的去除率趨勢(shì)如圖2（d）所示.結(jié)果表明，T3對(duì)TN的去除率最高（平均82%），其次是T1（平均42%）、T2（平均14%）和T4（平均13%）.T3出水TN濃度均能達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918～002）規(guī)定的一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)（TN濃度限值為15mg/L），T1出水TN濃度均可滿足一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)（TN濃度限值為20mg/L），而T2和T4出水TN濃度幾乎未達(dá)到一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn).王曼曼等將絲瓜絡(luò)、甘蔗渣等固體材料用于為期50d的水體脫氮批次實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明絲瓜絡(luò)和甘蔗渣均具備良好的脫氮性能，其中絲瓜絡(luò)對(duì)TN的去除率為71%，甘蔗渣對(duì)TN的去除率更佳，為94%，這與本文中T3對(duì)TN的去除率最高的研究結(jié)果一致.反硝化是實(shí)現(xiàn)氮素從水體中脫除的關(guān)鍵步驟.4組管式生物凈水裝置的TN去除率呈現(xiàn)T3>TI>T2>T4的規(guī)律，究其原因，是T3的填充基質(zhì)甘蔗渣的釋碳速率及穩(wěn)定性最好，因而最有利于作為反硝化菌的可利用碳源，促進(jìn)反硝化過程的順利進(jìn)行;而絲瓜絡(luò)的釋碳速率及穩(wěn)定性低于甘蔗渣，棕絲又低于絲瓜絡(luò)，化學(xué)纖維填料則幾乎無釋碳性能.

試驗(yàn)過程中，T3對(duì)TN去除率與T1、T2和T4對(duì)TN的去除率均具有顯著差異（p<0.05），表明T3對(duì)生活污水廠出水中氮素的去除具有明顯優(yōu)勢(shì).傳統(tǒng)的污水廠尾水強(qiáng)化脫氮工藝對(duì)水體中氮素的去除途徑主要包括微生物的硝化、反硝化作用，填充基質(zhì)的截留、吸附作用以及植物根系的吸收作用，其中微生物的硝化和反硝化作用是主要去除途徑.TN填料上的微生物反硝化所需的碳源及缺氧環(huán)境得益于T3中甘蔗渣向水體釋放的有機(jī)物和微生物降解有機(jī)物時(shí)產(chǎn)生的DO消耗，由此在T3的凈水生物盤管中沿水流方向形成了“好氧一缺氧（O-A）”分段，它類似于常規(guī)污水處理廠采用的Anoxic/Oxic工藝（A/O工藝），而A/O生化工藝已被長(zhǎng)期的工程實(shí)踐證明具有良好的氮素去除效率.凈水生物盤管的這種O-A分段是T3具備良好硝化及反硝化性能的主要原因，其微生物作用機(jī)制還需進(jìn)一步通過基質(zhì)生物膜的高通量測(cè)序進(jìn)行解析.

2.2基質(zhì)生物膜高通量測(cè)序分析

2.2.1微生物群落多樣性

為解析TBD對(duì)城鎮(zhèn)生活污水廠強(qiáng)化脫氮的微生物作用機(jī)制，本研究對(duì)脫氮性能最佳的T3中凈水生物盤管末端填料的生物膜樣本進(jìn)行高通量測(cè)序，共得到25908條優(yōu)質(zhì)序列，并以97%相似度劃分，共得到3 947個(gè)OTU分類單元.樣品文庫(kù)的覆蓋率（coverage）為90.90%，說明樣品中基因序列被檢出的概率很高，本次測(cè)序結(jié)果能夠代表基質(zhì)表面微生物群落的真實(shí)情況.

在微生物群里多樣性分析中，通常采用Chaol指數(shù)反映物種豐度，Chaol指數(shù)越高，表示其物種越豐富;采用Shannon指數(shù)反映物種的多樣性，Shannon指數(shù)越高，表示其物種多樣性越高.通過計(jì)算得知，該樣品的Chaol指數(shù)為9743.55，Shannon指數(shù)為6.37，該結(jié)果高于仝欣楠等運(yùn)用傳統(tǒng)工藝進(jìn)行水體強(qiáng)化脫氮研究中生物膜樣品的物種豐度和多樣性，表明T3的凈水生物盤管中微生物物種豐度和多樣性較高，其原因可能是凈水生物盤管的相對(duì)密閉結(jié)構(gòu)以及甘蔗渣的釋碳作用有利于為微生物提供相對(duì)穩(wěn)定且營(yíng)養(yǎng)充足的生長(zhǎng)環(huán)境，從而提高微生物物種豐度及群落結(jié)構(gòu)多樣性.

2.2.2微生物群落結(jié)構(gòu)

為了揭示T3生物膜樣品中的微生物菌群結(jié)構(gòu)，將97%相似水平的OTU代表序列在屬水平上進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)（見圖31.分析發(fā)現(xiàn)在該反應(yīng)器系統(tǒng)中Denitratisoma菌屬為主要優(yōu)勢(shì)菌屬，該菌屬占菌群總體的13.4%;其次為Thauera菌屬和lgnavibacterium菌屬，分別占菌群總體的7.7%和5.7%.Denitratisoma菌屬和Thauera菌屬均是典型的異養(yǎng)兼性厭氧反硝化菌，其廣泛分布于污水廠活性污泥及人工濕地基質(zhì)中.而如navibacterium菌屬通常具備光合作用但不產(chǎn)氧，常存在于光線良好的無氧環(huán)境.如navibacterium菌屬的富集從側(cè)面反映出反應(yīng)器內(nèi)部形成了缺氧環(huán)境.

除上述3種優(yōu)勢(shì)菌屬外，生物膜樣品中具備反硝化功能的菌屬還有Azospira菌屬、Bacillus菌屬、Flavobacterium菌屬、Rhodobacter菌屬及Comamonas菌屬，其所占比例分別為1.74%、0.27%、0.36%、0.15%和0.13%.加上優(yōu)勢(shì)菌屬中的Denitratisoma菌屬和Thauera菌屬，具有反硝化功能的菌屬比例可達(dá)23.75%，表明生物膜樣品中含有較豐富的反硝化相關(guān)菌群.該生物膜樣品中具有硝化功能的菌屬主要包括Nitrobacter菌屬、Nitrosospira菌屬和Nitrosomonas菌屬等，其所占比例分別為0.96%、1.90%和1.43%，表明硝化相關(guān)菌群的比例較少，這可能是由于該生物膜樣品的取樣位置位于管式生物反應(yīng)器的末端，其管內(nèi)水體的缺氧環(huán)境不利于硝化細(xì)菌的生長(zhǎng).另外，生物膜樣品中的Candidatus菌屬為厭氧氨氧化相關(guān)菌屬，其占比合計(jì)2.0%.相關(guān)研究表明，厭氧氨氧化菌和反硝化菌可以共生并通過協(xié)同作用強(qiáng)化對(duì)污水中氮素的去除.

綜上，填充甘蔗渣的TBD內(nèi)部微生物群落結(jié)構(gòu)中反硝化相關(guān)菌屬占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)（23.75%），并含有一定比例的硝化（7.73%）及厭氧氨氧化（2.0%）相關(guān)菌屬，表明填充甘蔗渣的TBD內(nèi)部環(huán)境有利于脫氮功能菌群的富集和生長(zhǎng).

3結(jié)論

（1）以甘蔗渣為填充基質(zhì)的TBD對(duì)污水的脫氮性能明顯優(yōu)于其他基質(zhì)，對(duì)NH+4-N、NO-3-N、NO-2-N及TN的平均去除率分別可達(dá)72%、64%、97%和82%，經(jīng)凈化的水體NH+4-N及TN濃度均可滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918-2002）規(guī)定的一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)，因此甘蔗渣是TBD的最佳填充基質(zhì).

（2）填充甘蔗渣的TBD的微生物物種豐度和多樣性較高（cha01指標(biāo)為9 743.55，Shan-non指標(biāo)為6.37），原因可能是凈水生物盤管的相對(duì)密閉結(jié)構(gòu)以及甘蔗渣的釋碳作用為微生物提供了相對(duì)穩(wěn)定且營(yíng)養(yǎng)充足的生長(zhǎng)環(huán)境.

（3）填充甘蔗渣的TBD內(nèi)部微生物群落結(jié)構(gòu)中反硝化相關(guān)菌群占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)（23.75%），并含有一定比例的硝化（7.73%）及厭氧氨氧化（2.0%）相關(guān)菌屬，表明填充甘蔗渣的TBD內(nèi)部環(huán)境有利于脫氮功能菌群的富集和生長(zhǎng).