優(yōu)化后反硝化系統(tǒng)在高及環(huán)境下脫氮及N2O釋放特征

趙紅梅，仇瀟灑，薛曉燕，張莉平

(1.長安大學(xué) 建筑工程學(xué)院，陜西 西安 710061；2.住房與城鄉(xiāng)建設(shè)部 給水排水重點實驗室，陜西 西安710061；3.長安大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安710054；)

N2O作為一種能引起溫室效應(yīng)、臭氧層空洞和酸雨等問題的氣體物質(zhì)[1-2]，其產(chǎn)生和排放得到了眾多關(guān)注.在污水生物脫氮過程中有0.05%～25%的含氮化合物會轉(zhuǎn)化為N2O釋放到大氣中[3]，且生物脫氮的硝化和反硝化過程均會產(chǎn)生N2O[4].現(xiàn)有對硝化和反硝化過程中N2O產(chǎn)生機制的研究結(jié)果顯示，硝化過程N2O的產(chǎn)生機制較反硝化過程復(fù)雜，主要與不穩(wěn)定中間物(NH2OH、NOH)的化學(xué)氧化和分解以及自養(yǎng)菌的反硝化作用等有關(guān)[8].而反硝化過程N2O的生成量可占總生成量的20%[5]，也不容忽視.

1 材料與方法

1.1 試驗裝置

缺氧反硝化污泥的培養(yǎng)采用SBR反應(yīng)器，試驗裝置圖見圖1(a).反應(yīng)器有效容積為6 L，高35 cm，內(nèi)徑20 cm，采用水浴加熱，溫度維持在26±2℃.每周期進水2L，進出水量和進出水時間由液位繼電器和時控裝置控制，反應(yīng)階段采用JJ-1型電動攪拌器進行攪拌，轉(zhuǎn)速為110 rpm.SBR反應(yīng)器每周期3 h，其中進水2 min，攪拌反應(yīng)140 min，沉淀30 min時間，排水3 min，靜置5 min.批式試驗采用容積為3 L的圓柱形反應(yīng)器，攪拌轉(zhuǎn)速為110 rpm，試驗溫度為26±2℃.試驗裝置圖見圖1(b).

圖1 試驗裝置圖Fig.1 Schematic diagrams of experimental systems

1.2 試驗污泥

反應(yīng)器接種污泥取自西安市第四污水處理廠A2/O工藝系統(tǒng)，初始污泥濃度為5 200 mg/L，SV30為33%，SVI為63.81，反應(yīng)器穩(wěn)定后污泥濃度為5 300 mg/L，SV30為40%，SVI為78.4.

表1 人工配制廢水組分及濃度

1.3 批式試驗及方法

1.4 分析項目與測定方法

溶解態(tài)N2O采用丹麥Unisence微電極系統(tǒng)測定，微電極系統(tǒng)矯正完畢后，將電極探頭插入待測溶液中，連接微電極電腦顯示同時刻水中溶解態(tài)N2O電壓數(shù)值.溶解態(tài)N2O 濃度和 N2O釋放速率的關(guān)系可通過線性方程式表示：

re=-KCN2O

式中：re為N2O釋放速率[mg/(L·min)]；K為N2O傳質(zhì)系數(shù),1/min；CN2O為溶解態(tài)N2O濃度,mg/L.

因污泥混合液中微生物活性高，會發(fā)生N2O的產(chǎn)生和消耗反應(yīng)，故污泥混合液中N2O傳質(zhì)系數(shù)不易測算，可用蒸餾水中傳質(zhì)系數(shù)近似代替[17].本試驗測得傳質(zhì)系數(shù)K為0.001/min.單位體積任意時段內(nèi)N2O釋放量等于相同時段內(nèi)N2O釋放速率積分，N2O釋放量可用下式計算：

式中：Q為t1～t2時間段反應(yīng)器內(nèi)的 N2O 釋放量,mg/L；V為反應(yīng)器有效容積,L；re為N2O釋放速率.

2 結(jié)果與分析

2.1 SBR反硝化污泥系統(tǒng)的優(yōu)化

反硝化污泥系統(tǒng)共運行110 d，運行30 d后污泥系統(tǒng)達到穩(wěn)定.優(yōu)化過程中脫氮性能變化如表2所示，活性污泥微生物菌群分布變化情況如圖2所示.

表2 反硝化系統(tǒng)優(yōu)化過程脫氮效率變化

從圖2可以看出，活性污泥優(yōu)化過程中變形菌門(Proteobacteria)均占微生物總量的70%及以上，運行到第35 d增加了22.4%，達到92.5%.而開始占比達12.8%的綠彎菌門(Chloroflexi)在運行過程中逐漸被淘汰，擬桿菌門(Bacteroidetes)也由5.7%降至3.2%.研究顯示Proteobacteria普遍存在于污水處理系統(tǒng)中，對污水脫氮除磷具有重要作用[29].肖慧慧等[30]研究了14個污水處理廠活性污泥細菌種群結(jié)構(gòu)組成同樣發(fā)現(xiàn)，活性污泥系統(tǒng)中占比最多的為變形菌門和擬桿菌門，比例分別為40%～70%和36%～65%.而本研究中擬桿菌門占比較少，微生物群落主要以Proteobacteria為主.

圖2 反硝化污泥系統(tǒng)優(yōu)化過程中微生物群落結(jié)構(gòu)：分布圖的里、外圈分別表示門和屬組成結(jié)構(gòu)Fig.2 Community structure of sludge microorganisms during denitrification system optimization：The inner and outer circles of the distribution map representing the structure of the gate and the genus

在微生物屬水平上，Thauera的變化最為顯著，所占比例由23.5%升至76.4%，成為反硝化系統(tǒng)的優(yōu)勢菌群.Liang等[31]研究顯示，Thauera屬于β-變形菌綱，而β-變形菌綱是變形菌門中的主要菌群，可直接影響生物脫氮效率.大量研究表明，陶厄氏菌屬中多種菌株具有卓越的反硝化能力，對系統(tǒng)反硝化脫氮能力有較大貢獻[7].楊華等[11]對Thauera中某種細菌的脫氮功能基因進行檢測，發(fā)現(xiàn)其含有nirS、nosZ基因序列.Pishgar等[32]培養(yǎng)的好氧顆粒污泥中陶厄氏菌占到了34～42%的比例.Kinh等[33]培養(yǎng)的生物膜系統(tǒng)和Yang等[34]研究的空氣單室生物原電池(AC-SCMFC)脫氮系統(tǒng)中，陶厄氏菌比例分別最高可達42.2%和74%.本研究中Thauera占比可達76.4%，使反硝化脫氮系統(tǒng)被優(yōu)化.

2.2 優(yōu)化后污泥在高初始濃度下脫氮及N2O產(chǎn)生情況

表3 不同初始濃度對比試驗數(shù)據(jù)

圖為300 mg/L時和N2O的變化Fig.3 Variations of and N2O

2.3 優(yōu)化后污泥在高及初始濃度下脫氮及N2O產(chǎn)生情況對比

表4 不同電子受體情況下反硝化系統(tǒng)中各參數(shù)變化

圖4 不同電子受體時和N2O的變化情況Fig.4 Changes of COD, and N2O in different electron acceptors

3 結(jié)論

(1)反硝化SBR反應(yīng)器優(yōu)化后NOx--N去除率可達到100%，比反硝化速率提高了1.29倍，脫氮效率有較大提升.活性污泥微生物群落結(jié)構(gòu)主要由變形菌門(Proteobacteria)組成，所占比例從70.1%增加到92.5%，Thauera占微生物總量比例從23.5%增加到76.4%，使反硝化系統(tǒng)被優(yōu)化.