新型懸浮填料強化硝化作用試驗研究

黃民生　楊銀川　崔賀　楊樂　何巖　曹承進

摘要：提出了一種包裹沸石粉與硝化細菌的新型懸浮填料，用于城鎮(zhèn)污水廠的強化硝化模擬試驗研究，并根據(jù)有無沸石粉和硝化細菌設(shè)計出3組試驗裝置.通過監(jiān)測3組試驗裝置進出水NH4-N、N02 -N和N03 -N的濃度變化情況評價新型懸浮填料的強化硝化性能，并結(jié)合新型懸浮填料生物膜中的微生物群落多樣性來解析其硝化機理.結(jié)果表明：相比僅包裹沸石粉或硝化細菌的單一懸浮填料，同時包裹沸石粉和硝化細菌的復(fù)合懸浮填料在試驗裝置中對水體中NH4-N的平均去除率最高（68.3%），且N02 -N平均濃度最低（12.62 mg/L）、N03 -N平均濃度最高（7.81 mg/L），表明沸石粉和硝化細菌的組合能夠明顯提升填料的硝化性能，且沸石粉對微生物的硝化過程可能具有促進作用;新型懸浮填料中沸石粉的加入更有利于硝化相關(guān)菌屬的富集和生長，從而造成微生物物種多樣性的降低;用于強化硝化的新型懸浮填料的生物膜中的Nitrosom onas菌屬占絕對優(yōu)勢，從而為體系中NH4-N的轉(zhuǎn)化提供有力保障，而填料中沸石粉的引入能夠進一步伲進Nitrospira菌屬比例的提高，從而減少體系中N02 -N積累的可能性.本研究旨在為該填料的工程化應(yīng)用提供依據(jù)和參數(shù).

關(guān)鍵詞：污水處理廠;懸浮填料;強化硝化;沸石粉

中圖分類號：X522

文獻標志碼：A

DOI： 10.3969/j.issn.1000-5641.2019.06.011

收稿日期：2018-07-18

第一作者：黃民生，男，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向為水環(huán)境治理與修復(fù).

E-mail： mshuang@des.ecnu.edu.cn.

0 引言

城鎮(zhèn)污水處理廠硝化效率的提升是目前研究的熱點問題[1].參與硝化作用的微生物類群f硝化細菌）是一類化能自養(yǎng)型細菌，因其具有能量利用率低、增殖緩慢、生長易受環(huán)境影響等特點導(dǎo)致硝化效率提升難度大[2-3].據(jù)報道，通過對2013年全國II座城市122家污水處理廠尾水監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，約1/6的污水廠尾水氨氮（NH4-N）濃度未能滿足城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準（GB189182002）的一級A排放標準[4].由此可見，亟需強化現(xiàn)有城鎮(zhèn)污水處理廠生物處理工藝的硝化作用.

目前，污水廠強化硝化的主要方式有優(yōu)化反應(yīng)器運行參數(shù)（溶解氧、污泥齡等）、接種更高效的硝化細菌和提高微生物濃度等[5].但相關(guān)研究表明，當反應(yīng)器中溶解氧達到一定濃度后，其提升效果并不明顯[6].增加污泥齡需要增大相應(yīng)構(gòu)筑物的容積，不利于已有污水廠的升級改造[7];而在反應(yīng)器外部單獨培養(yǎng)的硝化細菌并不一定能很快適應(yīng)污水處理系統(tǒng)環(huán)境，所以接種更高效的硝化細菌也不易達到強化硝化的目的[8].相比上述幾種強化硝化方式，在反應(yīng)器中添加填料或其他固定化方式，可以增加硝化細菌的濃度，從而提升污水處理的硝化效率[9].已有研究表明，沸石粉在生物脫氮處理工藝中既可作為生物膜載體，又對水體中的氨氮（NH4-N）有良好的吸附作用[10]，但將沸石粉和懸浮填料、硝化細菌結(jié)合進行強化硝化的研究目前還鮮見報道.

鑒于此，本研究提出了一種包裹沸石粉與硝化細菌的新型懸浮填料，用于城鎮(zhèn)污水廠的強化硝化模擬試驗研究，并根據(jù)填料有無沸石粉和硝化細菌的組合設(shè)計出3組試驗裝置.通過監(jiān)測3組試驗裝置進出水氨氮（NH4-N）、亞硝氮（N02 -N）和硝氮（N03 -N）的濃度變化情況評價新型懸浮填料的強化硝化性能，并結(jié)合新型懸浮填料生物膜中的微生物群落多樣性解析其強化硝化機理，以期為該填料的工程化應(yīng)用提供依據(jù)和參數(shù).

1 材料與方法

1.1 試驗裝置及運行參數(shù)

本試驗于2015年7月8日- 8月25日在實驗室進行.試驗裝置（見圖1）均由PVC板焊接而成，尺寸均為80 cm×30 cm×40 cm，前半部分曝氣區(qū)有效容積為50 L，后半部分為沉淀區(qū).試驗采取蠕動泵連續(xù)進水，溢流出水，由加熱棒調(diào)節(jié)反應(yīng)器溫度，由小型曝氣泵維持溶解氧（DO）濃度.根據(jù)新型懸浮填料有無沸石和硝化細菌的組合設(shè)計出3組試驗裝置（見圖1），各裝置均在HRT為12h、曝氣量1.5 L/min（維持DO濃度>2.0 mg/L）和水溫20，-30 ℃的條件下連續(xù)運行.各裝置填料參數(shù)見表1.

本次試驗所用硝化污泥取自上海市天山污水廠二沉池，硝化細菌經(jīng)富集培養(yǎng)（配方見表2）后轉(zhuǎn)移至有效容積為120 L的大型培養(yǎng)裝置內(nèi)擴培[11].本試驗中新型懸浮填料的制作方法為：將大塊無紡布裁剪成6 cmx10 cm的小塊，將小塊無紡布沿窄邊卷起成圓柱狀，用尼龍扎帶兩端扎實形成卷式柱狀填充物.該懸浮填料接種硝化細菌的方法為：以0.5 cm厚無紡布材料為濾布，利用真空抽濾裝置對硝化細菌混合液（加入沸石粉）進行過濾，使富集培養(yǎng)污泥與沸石粉的混合物截留于無紡布中，繼而按照懸浮填料的制作方法完成后續(xù)步驟.在懸浮填料中加入沸石粉（材質(zhì)為天然斜發(fā)沸石粉）的方法為：將一定質(zhì)量的沸石粉均勻拋灑在0.5 cm厚無紡布表面，然后重復(fù)懸浮填料的制作方法完成后續(xù)步驟.

實驗開始階段，分別在各裝置內(nèi)加入2L硝化細菌混合液，加速裝置內(nèi)填料的掛膜.其中硝化細菌混合液MLSS為62.8 mg/L.試驗進水為人工配水，NH4-N濃度為47.20～56.30 mg/L，N03 -N濃度為0.79～1.70 mg/L，N02 -N濃度為0.30～0.93 mg/L.

1.2 指標檢測與數(shù)據(jù)分析

試驗運行期間，對3個裝置的出水進行采樣（采樣周期為24 h），采集水樣（約1L）后，裝入黑色采樣瓶并立即檢測，如需隔夜放置，則應(yīng)放置于4℃冷藏箱.水樣的NH4-N采用納氏試劑分光光度法;N03 -N采用紫外分光光度法;N02 -N采用N-（1-萘基）一乙二胺光度法;具體分析方法參照文獻[12].無特別說明外，所有試劑均為分析純，實驗用水為新鮮去離子水，在測定過程中設(shè)置空白樣與平行樣，保證實驗數(shù)據(jù)的可靠性.

在試驗系統(tǒng)運行結(jié)束后，對裝置1、裝置2和裝置3中的懸浮填料生物膜樣品進行采集和微生物高通量測序.

本研究涉及到的數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2007、SPSS 22和Origin 2016等軟件處理.

2 結(jié)果與討論

2.1 NH4-N去除效果分析

本研究的3組試驗裝置從2015年7月8日運行至8月25日，共計49 d.由圖2可知，各裝置對NH4-N的去除率整體均呈現(xiàn)先增加后趨于平穩(wěn)的趨勢，主要原因是試驗初期硝化細菌處于適應(yīng)階段，生長較緩慢，隨著運行時間的推移，填料生物膜日趨成熟，系統(tǒng)對污水的硝化性能也逐漸趨于穩(wěn)定.運行期間裝置1、裝置2和裝置3的平均NH4-N去除率分別為68.3%，51.1%和55.3%.裝置1對NH4-N的去除率在系統(tǒng)整個運行期間均高于裝置2和3，其原因主要是裝置1的懸浮填料中沸石粉對NH4-N的吸附作用與硝化細菌的硝化作用共同促進了水體中NH4-N的去除及轉(zhuǎn)化[13].裝置2對NH4-N的去除率小于裝置1，推測原因是裝置2的懸浮填料未接種硝化細菌，自然掛膜條件下硝化細菌難以成為微生物群落中優(yōu)勢菌種，繼而限制了該填料對水體中NH4-N的去除性能.裝置3對NH4-N的去除率小于裝置1，推測原因是該裝置的填料中缺乏沸石對NH4-N的吸附，導(dǎo)致硝化反應(yīng)底物不足，反應(yīng)效率未達到最優(yōu)[14].運行前期裝置2對NH4-N的去除效果整體好于裝置3，但是隨著時間的推移（28 d后），裝置3對NH4-N的去除率逐漸高于裝置2，主要原因是裝置2的填料中沸石粉對NH4-N的吸附在試驗后期趨于飽和.裝置3的填料僅接種了硝化細菌，因此其對NH4-N的去除主要依靠硝化細菌對NH4-N的轉(zhuǎn)化作用，隨著運行時間推移，其填料生物膜中的硝化細菌逐漸成為優(yōu)勢菌種，致使其對NH4-N的去除率呈現(xiàn)由小變大且逐步穩(wěn)定的趨勢.

2.2

N02 -N濃度變化情況分析

由圖3可以看出，系統(tǒng)運行前期，N02 -N積累量整體較小，其原因可能是試驗初期亞硝酸菌生長緩慢導(dǎo)致NH4-N轉(zhuǎn)化為N02 -N受阻.運行期間裝置1至3的平均N02 -N濃度分別為12.62 mg/L、17.1 mg/L和16.89 mg/L.運行前期，3個裝置間并無明顯差異，至2ld后裝置1中的N02 -N濃度逐漸低于裝置2和3，表明裝置l更有利于硝化作用的進行，主要原因可能是填料中沸石粉為硝酸細菌提供了有利生長環(huán)境，使填料內(nèi)部硝酸細菌維持較高密度，提高了N02-N轉(zhuǎn)化為N03 -N的能力，降低了該裝置中的N02 -N積累率[15].裝置2中N02N濃度高于裝置1，主要原因是懸浮填料未接種硝化細菌，且填料卷式柱狀結(jié)構(gòu)并不利于硝酸細菌在填料內(nèi)部的遷移，而裝置3中N02 -N濃度高于裝置1，可能是由于該裝置中無沸石粉填料，不利于硝酸細菌附著生長.N02 -N累積情況不同主要由填料結(jié)構(gòu)及其內(nèi)部組成的差異造成，填料組成與結(jié)構(gòu)可以有效地改變亞硝酸細菌和硝酸細菌生長微環(huán)境，進而影響其組成比例，造成裝置間N02 -N濃度的差異.

2.3

N03 -N濃度變化情況分析

從圖4可以看出，裝置1 3的平均N03-N濃度分別為7.81 mg/L、4.82 mg/L、4.80 mg/L，進水平均濃度為1.31 mg/L.總體而言，裝置的進水N03 -N濃度較為穩(wěn)定，3個裝置出水的N03 -N濃度在試驗運行前期及中期波動較大，試驗運行后期均趨于平穩(wěn).試驗運行期間，裝置1、2和3中的N03-N濃度均明顯高于進水，表明3個裝置均發(fā)生了微生物硝化作用.除第4天外，裝置1的N03 -N濃度均高于裝置1和裝置3，說明其硝化效果最佳，可能因為該裝置的填料中沸石對微生物的硝化過程具有促進作用[13]，推測填料中的沸石可以為硝化細菌提供生長場所，而且沸石對NH4-N的吸附可以為硝化反應(yīng)提供充足的底物，導(dǎo)致裝置1中N03 -N濃度高于其他裝置.

綜上所述，裝置1硝化效果最好，其原因可能是采用“沸石粉一硝化細菌”新型懸浮填料對污水進行強化硝化過程中，沸石粉自身吸附NH4-N，并可為硝化相關(guān)菌種提供生長載體，從而更有利于其表面生物膜上硝化反應(yīng)的發(fā)生.以下將通過微生物群落及多樣性解析進一步佐證上述結(jié)果與分析情況.

2.4 微生物群落結(jié)構(gòu)及其多樣性

在實驗系統(tǒng)運行結(jié)束后，對3個裝置中懸浮填料的生物膜樣品進行采集和高通量測序，得出試驗運行后期裝置填料中微生物的群落結(jié)構(gòu)及其多樣性，從而解析填料對污水強化硝化的微生物作用機制.

2.4.1 微生物群落多樣性

對裝置1、裝置2及裝置3中的填料生物膜樣本進行高通量測序，共得到111120條優(yōu)質(zhì)序列，并以97%相似度劃分，共得到11990個OTU分類單元.樣品文庫的覆蓋率（Coverage）大于90%，說明測序結(jié)果能夠較準確地反映樣品生物特性.

Shannon和Simpson指數(shù)用來反應(yīng)物種的多樣性，Shannon指數(shù)越高，Simpson指數(shù)越小表示其物種越豐富，ACE和Chaol指數(shù)用來反應(yīng)物種豐度，也是用來估計OTUs數(shù)目的指數(shù)[16].結(jié)果表明，3個生物膜樣品中的Shannon指數(shù)大小排序為樣品2<樣品1<樣品3，對應(yīng)地，Simpson指數(shù)大小排序為樣品2>樣品1>樣品3.說明，樣品3的微生物多樣性最高，其次是樣品2，樣品1最低.原因可能是裝置1的填料中沸石粉的加入更有利于個別單一菌屬的富集和生長，從而造成微生物物種多樣性的降低[17].樣品2的填料只加入了沸石粉，而沒有接種硝化細菌菌液，所以其物種多樣性較小的原因可能是自然掛膜條件下填料生物膜生長緩慢，不利于微生物的富集和生長所致.而裝置3的填料只接種了菌液，未加入沸石粉，該環(huán)境可能更加有利于多種微生物的生長，從而導(dǎo)致其微生物多樣性的提高.生物膜樣品的ACE和Chaol指數(shù)大小排序為樣品2<樣品1<樣品3，與Shannon指數(shù)的大小排序一致，表明本研究的強化硝化系統(tǒng)中微生物的物種多樣性與物種豐度呈大小一致的趨勢.通常，對于相似體系的微生物群落而言其物種多樣性與物種豐度成正比.

2.4.2 微生物群落結(jié)構(gòu)

為了揭示試驗裝置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行分類統(tǒng)計（見圖5）.分析發(fā)現(xiàn)在該反應(yīng)器系統(tǒng)中Nitrosomonas菌屬（亞硝化單胞菌屬）、Candidatus_Brocadia菌屬以及Nitrospira菌屬（硝化螺旋菌屬）為主要優(yōu)勢菌屬.Nitrosomonas菌屬f亞硝化單胞菌屬）在裝置1 3中所占的比例分別為13.2%、4.1%和21.9%，該菌屬可在好氧條件下將水體中的NH4-N轉(zhuǎn)化為N02 _N[18].Candidatus_Brocadia菌屬在裝置1 3中的占比分別為6.3%、4.O%和7.9%，該菌屬是浮霉菌目下屬的一個菌屬，浮霉菌目下屬的細菌一般都是專性好氧菌[19]，這從側(cè)面反映出填料上的微生物均處于有利于硝化作用的好氧環(huán)境中.Nitrospira菌屬（硝化螺旋菌屬）在裝置1 3中的占比分別為16.3%、1.7%和3.5%，該菌屬可在好氧條件下將水體中的N02 -N轉(zhuǎn)化為N03 _N[20].

以上結(jié)果表明，裝置l的填料中沸石粉的引入促進了生物膜中Nitrospira菌屬的比例，Ni-trospira菌屬能夠?qū)⑺w中Nitrosomonas菌屬代謝生成的N02 -N及時轉(zhuǎn)化為N03-N，因而裝置1中N02 -N的積累率最低.裝置2因在試驗啟動時未在填料中接種硝化細菌菌液，因而其填料生物膜中的Nitrospira菌屬及Nitrosomonas菌屬的比例均較少，這也是裝置2的N03 -N濃度較低的原因.裝置3的填料中硝化相關(guān)菌屬主要是Nitrosomonas菌屬，而Nitrospira菌屬的比例較少，因而該填料中的微生物將水體中的NH4-N轉(zhuǎn)化為N02 -N之后，難以將N02 -N進一步轉(zhuǎn)化為N03-N，這也解釋了為何裝置3在N02 -N積累率高于裝置1.

綜上，用于強化脫氮的新型懸浮填料在接種硝化細菌菌液后，填料生物膜中的Nitrosomonas菌屬占優(yōu)勢，從而為體系中NH4-N的轉(zhuǎn)化提供有力保障，而填料中沸石粉的引入能夠進一步促進Nitrospira菌屬比例的提高，從而減少體系中N02 -N積累的可能性.

3 結(jié)論

（1）通過監(jiān)測3組試驗裝置進出水NHt-N、N02 -N和N03-N的濃度變化情況可知，相比僅包裹沸石粉或硝化細菌的單一懸浮填料，包裹了沸石粉和硝化細菌的復(fù)合懸浮填料在試驗裝置中對水體中NHI-N的去除率最高（平均68.3%），N02 -N濃度最低（平均12.62 mg/L）、N03 -N濃度最高（平均7.81 mg/L），表明沸石粉和硝化細菌的組合能夠明顯提升新型懸浮填料的硝化性能，且沸石粉對微生物的硝化過程可能具有促進作用.

（2）通過對填料生物膜樣品的微生物群落多樣性分析可知，新型懸浮填料中沸石粉的加入更有利于硝化相關(guān)菌屬的富集和生長，從而造成微生物物種多樣性的降低，至于其形成機理還有待于進一步研究.

（3）用于強化硝化的新型懸浮填料的生物膜中的Nitrosomonas菌屬占絕對優(yōu)勢，從而為體系中NH4-N的轉(zhuǎn)化提供有力保障;而填料中沸石粉的引入能夠進一步促進Nitrospira菌屬比例的提高，從而減少體系中N02 -N積累的可能性.

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（責任編輯：張晶）