硫自養(yǎng)/異養(yǎng)協(xié)同反硝化深度脫氮處理三氯蔗糖生產(chǎn)廢水

耿雅雯，劉鋒，2，馮震，陳俊，張雪智

（1 蘇州科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215009；2 城市生活污水資源化利用技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，江蘇 蘇州 215009）

三氯蔗糖主要通過單酯法合成，是一種應(yīng)用廣泛的食品甜味劑[1-2]。其生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廢水（粗品母液、萃取水層和洗滌廢水等）具有高化學(xué)需氧量（COD）、高氨氮（NH+4-N）的特點(diǎn)，可生化性差且處理難度較大[3]。此類人工甜味劑廢水常用處理工藝有“混凝+鐵碳微電解+Fenton+EGSB（膨脹顆粒污泥床）+兩級(jí)A2O”[4]和“微電解+Fenton+混凝+ABR（折流式厭氧反應(yīng)器）+A/O”[5-6]及“MVR（機(jī)械式蒸汽再壓縮技術(shù)）+A2O”等，主要針對(duì)去除COD、氨氮等污染物，但對(duì)總氮的去除效果不佳，普遍存在二沉池出水硝態(tài)氮較高的現(xiàn)象。隨著國家對(duì)工業(yè)廢水總氮排放要求的日益嚴(yán)格，現(xiàn)有工藝普遍不能滿足排放標(biāo)準(zhǔn)，故需要增設(shè)深度脫氮單元。

生物反硝化技術(shù)一直被認(rèn)為是去除廢水中硝態(tài)氮最經(jīng)濟(jì)可行的技術(shù)，分為自養(yǎng)反硝化和異養(yǎng)反硝化兩種[7]。傳統(tǒng)的異養(yǎng)反硝化需外加碳源作為電子供體，易造成二次污染，且污泥產(chǎn)量大，運(yùn)行費(fèi)用高[8]。近年來，硫自養(yǎng)反硝化因其處理效率高、污泥產(chǎn)量少和能耗低等優(yōu)勢(shì)在深度脫氮領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注[9]。但其反應(yīng)過程產(chǎn)生的H+會(huì)導(dǎo)致pH 降低，從而影響脫氮速率，而研究中常用的石灰石等堿性物質(zhì)又會(huì)導(dǎo)致出水硬度增加[10]。因此，為解決單一電子供體的反硝化體系中存在的問題，有研究者采用混合電子供體進(jìn)行協(xié)同反硝化。李祥等[11]通過異養(yǎng)反硝化與硫自養(yǎng)反硝化聯(lián)合，發(fā)現(xiàn)協(xié)同反硝化脫氮不僅能夠?qū)崿F(xiàn)反應(yīng)系統(tǒng)的酸堿平衡，同時(shí)能夠提高自養(yǎng)反硝化的速率，減少污泥產(chǎn)量。而目前此類的研究大多停留在人工配水階段，其能否直接用于化工企業(yè)產(chǎn)生的高濃度硝態(tài)氮廢水的處理還需要進(jìn)一步研究。

S0、Na2S和Na2S2O3是硫自養(yǎng)反硝化中常用的電子供體。S0溶解度較低，在水中的傳質(zhì)速率較慢，影響反應(yīng)器的啟動(dòng)及脫氮速率。Na2S不穩(wěn)定，且其堿度較強(qiáng)，易對(duì)系統(tǒng)的酸堿環(huán)境造成沖擊[12]。故本研究選用溶解度高、pH 穩(wěn)定的Na2S2O3和葡萄糖作為電子供體，考察硫自養(yǎng)/異養(yǎng)協(xié)同反硝化系統(tǒng)對(duì)三氯蔗糖廢水二級(jí)處理出水的可行性及連續(xù)運(yùn)行的效果，并通過高通量測(cè)序分析協(xié)同反硝化污泥的微生物群落結(jié)構(gòu)及多樣性，以期為實(shí)際工藝運(yùn)行提供理論依據(jù)和技術(shù)參數(shù)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置及污水來源

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，采用上流式高效流化床反硝化反應(yīng)器，其主體由亞克力柱組成，反應(yīng)柱高60cm，內(nèi)徑為8cm，有效體積為3L。采用水浴加熱的方式將反應(yīng)溫度控制在(35±1)℃，通過蠕動(dòng)泵將進(jìn)水送入反應(yīng)器。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置

1.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

1.2.1 協(xié)同反硝化反應(yīng)器的啟動(dòng)（實(shí)驗(yàn)階段Ⅰ）

1.2.2 協(xié)同反硝化反應(yīng)器的運(yùn)行（實(shí)驗(yàn)階段Ⅱ）

反應(yīng)器各階段運(yùn)行參數(shù)如表1所示。

表1 反應(yīng)器各階段運(yùn)行參數(shù)

1.3 分析方法

微生物菌落測(cè)定：采用MiSeq型高通量測(cè)序儀（美國Illumina 公司）對(duì)接種污泥及協(xié)同反硝化污泥進(jìn)行微生物多樣性測(cè)定及分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 協(xié)同反硝化反應(yīng)器的啟動(dòng)

研究發(fā)現(xiàn)，反硝化菌的最適生長(zhǎng)pH 為6.8～8.2[13]，故在不投加pH 緩沖劑的條件下，向異養(yǎng)反硝化反應(yīng)器中投加Na2S2O3，使得異養(yǎng)反硝化產(chǎn)生的堿度能夠滿足硫自養(yǎng)反硝化菌生長(zhǎng)的需要，并以此來啟動(dòng)硫自養(yǎng)/異養(yǎng)協(xié)同反硝化系統(tǒng)。由圖2 可知，從投加Na2S2O3的第3 天開始，反應(yīng)器出水pH由7.8降低至7.5且基本保持穩(wěn)定，證明在C/N/S 為2.3/1/1.9的條件下，硫自養(yǎng)反硝化菌得到最大限度的生長(zhǎng)，其反應(yīng)產(chǎn)生的H+導(dǎo)致pH降低。國內(nèi)外對(duì)硫自養(yǎng)反硝化的研究大多集中在以單質(zhì)硫?yàn)殡娮庸w，但是單質(zhì)硫不溶于水，其傳質(zhì)效率較低，故反應(yīng)器啟動(dòng)較慢。馬航等[14]發(fā)現(xiàn)，在以單質(zhì)硫?yàn)殡娮庸w的膜生物反應(yīng)器中，需要6～10 天的時(shí)間系統(tǒng)才能穩(wěn)定運(yùn)行。而液態(tài)硫源Na2S2O3的傳質(zhì)速率更快，在反應(yīng)器內(nèi)與污泥充分接觸，從而刺激硫自養(yǎng)反硝化細(xì)菌的生長(zhǎng)，有效提高反應(yīng)器的啟動(dòng)速率。

圖2 反應(yīng)器運(yùn)行過程

2.2 協(xié)同反硝化反應(yīng)器的運(yùn)行

表2 國內(nèi)外硫自養(yǎng)反硝化去除高濃度NON研究成果

表2 國內(nèi)外硫自養(yǎng)反硝化去除高濃度NON研究成果

反應(yīng)器類型填充床［25］CHSAD［26］批次實(shí)驗(yàn)［27］缺氧反應(yīng)器［28］本研究電子供體類型單質(zhì)硫單質(zhì)硫+甲醇硫代硫酸鈉硫代硫酸鈉硫代硫酸鈉+葡萄糖廢水來源人工配水人工配水人工配水廢堿液三氯蔗糖生產(chǎn)廢水二級(jí)處理出水是否需pH緩沖NO-3-N去除負(fù)荷/kg·m-3·d-1是否是否否1.47 2.16 0.20 0.25 3.52

而本研究構(gòu)建的硫自養(yǎng)/異養(yǎng)反硝化具有較高的脫氮水平和脫氮優(yōu)勢(shì)，分析其原因如下：①Na2S2O3易溶于水，其將電子供體向污泥的傳質(zhì)速率更高，滿足硫自養(yǎng)反硝化菌工作的需要，研究表明，相較于單質(zhì)硫和硫化物，以Na2S2O3為電子供體的硫自養(yǎng)反硝化脫氮效果最好[23]；②硫自養(yǎng)反硝化與異養(yǎng)反硝化結(jié)合不僅可以實(shí)現(xiàn)酸堿互補(bǔ)，避免了pH 緩沖劑的投加，減少了藥劑成本，碳源的投加還對(duì)硫自養(yǎng)反硝化有一定的促進(jìn)作用，使運(yùn)行更加穩(wěn)定；③采用上流式流化床高效反硝化反應(yīng)器，可以達(dá)到泥水的完全混合，同時(shí)反應(yīng)產(chǎn)生的氣體對(duì)泥水具有一定的攪動(dòng)作用，促進(jìn)反硝化的進(jìn)行；④根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)方法[24]測(cè)定，1g/L的葡萄糖可提供約1000mg/L 的COD，而1g/L 的Na2S2O3僅提供約250mg/L的COD，故該協(xié)同反硝化系統(tǒng)可有效減緩異養(yǎng)反硝化易造成出水有機(jī)物二次污染的問題。

2.3 微生物群落分析

2.3.1 微生物群落的豐富性及多樣性分析

表3 污泥樣品中的生物多樣性指數(shù)

2.3.2 微生物在不同物種水平上的分析

為了證明微生物菌群的變化，對(duì)微生物在不同物種分類學(xué)水平上進(jìn)行分析。圖3(a)反應(yīng)了馴化前后污泥中微生物菌群在門水平上的變化，接種污泥的微生物門種類多而分散，其中Proteobacteria、Spirochaetes、Chloroflexi、Zixibacteria 為 接 種 污 泥中豐度較高的門，其占比分別為27.44%、14.40%、13.70%和9.74%。而馴化后的污泥以Proteobacteria為主，其占比為89.65%，其余菌門單獨(dú)所占的比例均不超過2%。雖然接種污泥和馴化后的污泥中的優(yōu)勢(shì)菌門均為Proteobacteria，但其相對(duì)豐度存在明顯的差異，證明在該協(xié)同反硝化系統(tǒng)中，Proteobacteria 中含有大量與反硝化相關(guān)的微生物，其豐度大幅度增加增強(qiáng)了脫氮的效果。且在Proteobacteria下屬的綱級(jí)別微生物菌群仍為樣品中的優(yōu)勢(shì)菌群，如圖3(b)所示，Gammaproteobacteria為主要的變形菌綱，其占比為81.60%，是協(xié)同反硝化污泥的優(yōu)勢(shì)菌綱。Han等[30]在混養(yǎng)反硝化中發(fā)現(xiàn)，Gammaproteobacteria 為優(yōu)勢(shì)菌綱，其中大多為反硝化菌種。

圖3 微生物菌落在門、綱水平分布

為了更深入地了解硫自養(yǎng)/異養(yǎng)協(xié)同反硝化污泥的功能菌群和優(yōu)勢(shì)菌種，對(duì)污泥中微生物的屬分類進(jìn)行分析，結(jié)果如圖4所示。接種污泥和馴化后的污泥在屬水平上具有明顯的差異，其共有的菌屬較少。馴化后的污泥以反硝化菌為主，其中自養(yǎng)反硝化菌和兼養(yǎng)反硝化菌占比較高，分別為45.69%和25.38%，異養(yǎng)反硝化菌占比較少，為8.16%。這也說明在該協(xié)同反硝化系統(tǒng)中，硫自養(yǎng)反硝化占據(jù)更大的比例，投加的碳源只有部分用于異養(yǎng)反硝化。推測(cè)在C/N/S 為1.3/1/1.9 的混養(yǎng)條件下，硫源的投加對(duì)異養(yǎng)反硝化菌有一定的抑制作用，而在適量碳源存在的條件下，硫自養(yǎng)反硝化菌仍可以選擇性富集，使反應(yīng)系統(tǒng)保持較好的脫氮效果，故認(rèn)為協(xié)同反硝化可以作為有效的生物脫氮途徑來減緩異養(yǎng)反硝化過程中需要大量投加碳源和pH緩沖劑的問題。

圖4 微生物菌落在屬水平分布

3 結(jié)論

（1）在硫自養(yǎng)/異養(yǎng)協(xié)同反硝化反應(yīng)器中，將C/N/S 控制在1.3/1/1.9，在無需pH 緩沖劑的條件下，自養(yǎng)反硝化和異養(yǎng)反硝化能夠?qū)崿F(xiàn)酸堿互補(bǔ)，且達(dá)到電子供體的全部利用，出水無有機(jī)物的二次污染。