難降解碳源混合PHBV顆粒強(qiáng)化反硝化性能研究

何云鵬,柴曉利

(同濟(jì)大學(xué) 環(huán)境工程學(xué)院，上海 200082)

當(dāng)今社會(huì)的水污染是人類(lèi)活動(dòng)猖獗和工業(yè)化進(jìn)程加快的結(jié)果。最常見(jiàn)的污染物是水體中氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)超標(biāo)，導(dǎo)致藻類(lèi)等浮游生物過(guò)度生長(zhǎng)，最終成為富營(yíng)養(yǎng)化的重要原因。早期嘗試采用物理和化學(xué)方法去除氮和磷。反滲透[1]、電滲析[2]以及離子交換法[3]等物理方法已經(jīng)被證明是不經(jīng)濟(jì)的或者低效的。而化學(xué)工藝主要有化學(xué)絮凝、沉淀、氧化、絡(luò)合等，操作簡(jiǎn)單、效果快，易造成二次污染，運(yùn)行費(fèi)用高[4]。

生物反硝化是一種可靠、經(jīng)濟(jì)可行的廢水脫硝技術(shù)。也是近年來(lái)最常用的技術(shù)。生物反硝化是在沒(méi)有溶解氧的情況下，將硝酸鹽氮作為電子末端受體，將硝酸鹽還原成氮?dú)獾募夹g(shù)[5]。一般來(lái)說(shuō)，大多數(shù)反硝化細(xì)菌都是異養(yǎng)的，因此需要有機(jī)碳源作為能源和電子供體來(lái)滿(mǎn)足反硝化過(guò)程的進(jìn)行和自身生長(zhǎng)發(fā)育的需要[6]。

反硝化碳源主要分為液體碳源和固體碳源兩種。常用的液體碳源主要有乙醇，甲醇，葡萄糖等[7]。固體碳源主要分為可生物降解高聚物，例如PHBV，PCL，PHA等，和天然有機(jī)物，例如樹(shù)皮，秸稈，棉花，玉米芯等[8]。

在本研究中，選用可生物降解高聚物PHBV和天然纖維素類(lèi)有機(jī)物樹(shù)皮作為反硝化系統(tǒng)的碳源，在不同硝酸根負(fù)荷下進(jìn)行序批實(shí)驗(yàn)探索兩者的脫氮性能以及反應(yīng)器中微生物群落的分析研究。

1 材料與方法

1.1 碳源來(lái)源及預(yù)處理

PHBV顆粒購(gòu)買(mǎi)于寧波天安生物科技有限公司，其形狀為直徑約3 mm，高度約3 mm的圓柱體。樹(shù)皮取至與同濟(jì)大學(xué)校區(qū)內(nèi)的樟樹(shù)皮，取下后進(jìn)行破碎成10mm×10mm的方塊，洗凈烘干處理備用。

1.2 實(shí)驗(yàn)用水

實(shí)驗(yàn)用水采用人工配水，以KNO3為氮源，以KH2PO4為磷源，使得氮磷比為5∶1，并加入CaCl2，MgSO4，F(xiàn)eSO4，MnSO4等無(wú)機(jī)鹽配以自來(lái)水作為實(shí)驗(yàn)用水。

1.3 測(cè)量方法

出水經(jīng)過(guò)0.45μm膜過(guò)濾后利用TOC儀(島津，日本)的燃燒-化學(xué)發(fā)光法測(cè)定,出水COD采用哈希-消解分光法測(cè)定。實(shí)驗(yàn)完成后的反應(yīng)器中附著在PHBV顆粒和樹(shù)皮上的生物膜利用無(wú)菌PBS溶液沖洗，冷凍離心后沉淀由上海美吉生物醫(yī)藥科技有限公司利用Illumina公司的Miseq PE300平臺(tái)進(jìn)行測(cè)序。

1.4 反硝化序批試驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)所用污泥取至上海曲陽(yáng)污水廠的回流污泥，MLSS在4000mg/L左右，并利用葡萄糖作為碳源進(jìn)行反硝化菌培養(yǎng)后，加入30L的反硝化容器中，曝氮?dú)馐笵O在2mg/L以下。實(shí)驗(yàn)組分為3組分別為A,B,C組，各加入660g PHBV顆粒，660g樹(shù)皮，以及330g PHBV顆粒+330g樹(shù)皮。分別在20，30，40，80mg/L的進(jìn)水硝酸根負(fù)荷下運(yùn)行，出水水質(zhì)達(dá)到平衡后去除上清液并重新更換進(jìn)水硝酸根負(fù)荷。

2 結(jié)果與討論2.1 反硝化性能對(duì)比

反硝化序批實(shí)驗(yàn)一共進(jìn)行了35天，每天定時(shí)取樣后過(guò)膜進(jìn)行水質(zhì)分析，反硝化出水總氮濃度變化見(jiàn)圖1。在進(jìn)水硝酸根濃度20mg/L時(shí)，A,B,C三個(gè)反應(yīng)器都經(jīng)過(guò)了3～4天的適應(yīng)期后，硝酸根濃度開(kāi)始迅速下降，在一周后達(dá)到最低點(diǎn)，A,B,C三個(gè)反應(yīng)器的出水硝酸根都在1.4mg/L左右。第二階段去除反應(yīng)器上清液后，重新配置進(jìn)水硝酸根濃度為30mg/L的污水進(jìn)行反應(yīng)。A反應(yīng)器的脫氮速率最快，在3天后的出水硝酸根就僅有2.24mg/L，脫氮效率為92.5%，并在小范圍內(nèi)浮動(dòng)。C反應(yīng)器達(dá)到平衡的時(shí)間較長(zhǎng)，需要6天左右，并且出水硝酸根最低僅有1.6mg/L左右，脫氮效率達(dá)到94.7%。而B(niǎo)反應(yīng)器在重新更換上清液配置硝酸根負(fù)荷后，出水一直在28mg/L左右浮動(dòng)，該系統(tǒng)已經(jīng)幾乎喪失了脫氮能力，這說(shuō)明單一的原生樟樹(shù)皮并不能作為反硝化的碳源來(lái)去除硝酸根，階段一的硝酸根去除可能是由于樹(shù)皮本身的吸附能力所造成的，后續(xù)實(shí)驗(yàn)中B反應(yīng)器僅僅取出水，不再重新配置硝酸根負(fù)荷。第三階段驗(yàn)證進(jìn)水硝酸根負(fù)荷40mg/L下的脫氮性能。A,C組分別在第5天和第6天到達(dá)平衡，出水硝酸根濃度分別為3.35mg/L和1.66mg/L。但當(dāng)?shù)谒碾A段硝酸根負(fù)荷增加到80mg/L時(shí)，A，C的出水硝酸根濃度猛然增加到16mg/L和13mg/L，脫氮效率降為80%和83.8%。這是由于進(jìn)水的硝酸鹽負(fù)荷超過(guò)了反應(yīng)器的反硝化能力導(dǎo)致的脫氮效率下降。綜上所述，A系統(tǒng)所達(dá)到的平衡時(shí)間最快,C系統(tǒng)的出水硝酸根濃度更低。

出水COD濃度見(jiàn)圖2，其中A組的COD經(jīng)過(guò)2周的適應(yīng)過(guò)程后開(kāi)始大量釋放，并維持在一個(gè)很高的水平，最高釋放到3000mg/L，而樹(shù)皮組和復(fù)合組的COD釋放一直持續(xù)在低水平，C裝置的最高濃度達(dá)到200mg/L。

圖1 A,B,C反應(yīng)器反硝化性能比較

圖2 A,B,C反應(yīng)器的出水COD

2.2 微生物群落結(jié)構(gòu)分析

在97%的相似度水平上進(jìn)行OTUs聚類(lèi)，得到不同OTUs中所有樣本的豐度信息。圖4是A,B,C個(gè)反應(yīng)器的物種Venn圖，可以看出3個(gè)反應(yīng)器中共有的OUTs為232個(gè)，占各組的比例較大。為了比較不同組之間的多樣性指數(shù)，我們將每個(gè)樣本的序列號(hào)規(guī)范化為34500個(gè)reads(在3個(gè)樣本中最少)利用Shannon指數(shù)繪制Shannon-Wiener曲線，以反映樣品中微生物的豐富度和均勻度(見(jiàn)圖3)，曲線在3900個(gè)reads的時(shí)候達(dá)到平穩(wěn)狀態(tài)。測(cè)序深度為34500的Shannon多樣性指數(shù)值及其Shannon曲線表明，B發(fā)反應(yīng)器中污泥樣本的多樣性最大，其指數(shù)為4.1133，A組其次，其shannon指數(shù)為4.0303，C組的shannon指數(shù)為3.1727,多樣性最小。

圖3 A,B,C的微生物群落shannon曲線

圖4 A,B,C反應(yīng)器的Venn圖以及微生物群落豐度分布

為了更好地了解各反應(yīng)器的微生物群落結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步從門(mén)、綱、科三個(gè)層次分析了三組微生物群落的差異。在"門(mén)"水平上，3個(gè)反應(yīng)器中豐度最高的"門(mén)"主要是Proteobacteria,Actinobacteria,Bacteroidetes,Chloroflexi,Acidobacteria,Saccharibacteria,Chlorob-i,Firmicutes,Verrucomicrobia,Planctomycetes,Gemmatimonadetes等。而最主要的差異則體現(xiàn)在Actinobacteria上，其中A反應(yīng)器中占比16.7%，在C反應(yīng)器中占比49.69%，在B反應(yīng)器中僅占10.15%。

在“綱”水平上，三組反應(yīng)器A,B,C中豐度最大的菌種為Actinobacteria,Alphaproteobacteria,Gammaproterobacteria以及sphingobacteriia等。而Actinobacteria在A,C反應(yīng)器中占比較大分別占比17%和50%,在C反應(yīng)器中僅占比9%。據(jù)報(bào)道[9]，Actinobacteria中的一些成員具有十分突出的有機(jī)物降解能力，和硝酸根還原能力，這能使得反應(yīng)器中的微生物加速利用固體有機(jī)物碳源而降解硝酸鹽。

在“科”水平上進(jìn)行了進(jìn)一步的比較，以此來(lái)揭示更多有關(guān)微生物群落結(jié)構(gòu)的詳細(xì)信息。挑選出每個(gè)樣品豐度比例前30的屬來(lái)進(jìn)行比較。如圖4所示，在C反應(yīng)器中Propionibacteiaceae的豐度最大占比47.8%，其在A反應(yīng)器中也占有15%的比例。Puente-Sanchez[10]等人分離出了Propionibacteriaceae科中的菌種，這種菌種具有較強(qiáng)的耐受惡劣環(huán)境的能力，并且能將硝酸根作為電子受體來(lái)還原硝酸根。

3 結(jié)論

(1)PHBV顆粒與樹(shù)皮混合的反應(yīng)器的出水效果最好，單一PHBV顆粒為碳源的反應(yīng)器達(dá)到平衡的時(shí)間最快。

(2)單一PHBV反應(yīng)器中的出水的COD含量過(guò)高。

(3)A,C表現(xiàn)出較好地脫氮性能的原因，在微生物群落結(jié)構(gòu)上的分析表示，反應(yīng)器中具有降解有機(jī)物和參與反硝化過(guò)程的菌種豐度更高。