硫磺生物繩為填料的自養(yǎng)反硝化污水脫氮處理

時(shí)紹鵬 萬柳楊 廖宏燕 王興祖

摘 要：針對傳統(tǒng)的填充床硫自養(yǎng)反硝化工藝填料用量大、水頭損失嚴(yán)重以及反應(yīng)器易堵塞等問題，采用硫涂層接觸反硝化工藝進(jìn)行模擬污水脫氮研究，主要考察反應(yīng)器內(nèi)部的填料填充比、溫度以及水力停留時(shí)間（HRT）對其脫氮性能的影響。結(jié)果表明：在進(jìn)水NO-3-N濃度為50 mg/L、溫度為（25±1） ℃、HRT=19.5 h時(shí)，將填料填充比由1/10增大到1/5，NO-3-N的去除效果明顯提升，由56.77%提升至78.26%;溫度變化對反應(yīng)器脫氮有很大影響，當(dāng)填料填充比為1/5、HRT=19.5 h時(shí)，在（25±1） ℃和（30±1） ℃條件下，NO-3-N的平均去除率分別為71.05%和98.38%;此外，當(dāng)HRT降低至9.7 h時(shí)，NO-3-N的平均去除率為89.29%。整個(gè)反應(yīng)過程中，出水NO-2-N濃度均很低，保持在0.4 mg/L以內(nèi)，并且反應(yīng)器出水pH值保持在6.8～8.3之間，滿足微生物生長所需的pH條件。硫涂層接觸反硝化系統(tǒng)的硫自養(yǎng)反硝化優(yōu)勢菌屬是Thiothrixs、Thiomonas和Sulfuritalea，其占比分別為2.89%、1.55%和1.35%。微生物功能預(yù)測結(jié)果表明，硫、氮代謝對系統(tǒng)脫氮起著關(guān)鍵作用。

關(guān)鍵詞：硫自養(yǎng)反硝化;硫涂層;生物脫氮;填料填充比;反應(yīng)器堵塞

中圖分類號：X703.1?? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A?? 文章編號：2096-6717（2022）03-0150-10

收稿日期：2021-05-18

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金（52070179）;中國科學(xué)院科技服務(wù)網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃（STS計(jì)劃）區(qū)域重點(diǎn)項(xiàng)目（KFJ-STS-QYZD-162）

作者簡介：時(shí)紹鵬（1996- ），男，主要從事硫自養(yǎng)反硝化污水脫氮處理研究，E-mail： 963941672@qq.com。

王興祖（通信作者），男，研究員，E-mail： wangxingzu@cigit.ac.cn。

Received：2021-05-18

Foundation items：National Natural Science Foundation of China （No. 52070179）; The Science and Technology Service Network Program of Chinese Academy of Sciences （STS Program） （No. KFJ-STS-QYZD-162）

Author brief：SHI Shaopeng （1996- ）， main research interest： nitrogen removal of wastewater by sulfur autotrophic denitrification， E-mail： 963941672@qq.com.

WANG Xingzu （corresponding author）， researcher， E-mail： wangxingzu@cigit.ac.cn.

Nitrogen removal of wastewater by autotrophic denitrification using sulfur and biological rope as fillings

SHI Shaopeng1，2，3， WAN Liuyang2，3， LIAO Hongyan2，3， WANG Xingzu2

（1.College of River and Ocean Engineering， Chongqing Jiaotong University， Chongqing 400074， P. R. China; 2. Research Center for Process and Prevention of Water Pollution， Chongqing Institute of Green and Intelligent Technology， Chinese Academy of Sciences， Chongqing 400714， P. R. China; 3. College of Resource and Environment， University of Chinese Academy of Sciences， Beijing 100049， P. R. China）

Abstract： For the traditional packed bed sulfur autotrophic denitrification process has the problems of large filling dosage， serious head loss， easy blockage of the reactor and so on， the nitrogen removal of simulated wastewater by contact denitrification process with sulfur coating was studied. The effects of filler filling ratio， temperature and hydraulic retention time （HRT） on the denitrification performance of the reactor were investigated. The results showed that when the influent NO-3-N concentration was 50 mg/L， the temperature was （25±1） ℃， and HRT=19.5 h， the NO-3-N removal efficiency was significantly improved with the filler filling ratio increased from 1/10 to 1/5 and the NO-3-N removal rate increased from 56.77% to 78.26%. Temperature has a great influence on the denitrification in the reactor. When the filler filling ratio was 1/5 and HRT=19.5 h， the average NO-3-N removal rates were 71.05% and 98.38% at （25±1） ℃ and （30±1） ℃， respectively. Moreover， when HRT was reduced to 9.7 h， the average NO-3-N removal rate was 89.29%. During the whole reaction process， the effluent NO-2-N concentration was very low， kept within 0.4 mg/L. And the effluent pH value of the reactor was maintained between 6.8 and 8.3， which met the pH conditions required for microbial growth. The sulfur autotrophic denitrification dominant bacteria of sulfur coating contact denitrification system were Thiothrixs、Thiomonas and Sulfuritalea， with the proportions of 2.89%，1.55% and 1.35%， respectively. The result of microbial function prediction showed that sulfur and nitrogen metabolism plays a key role in denitrification of the system.

Keywords： sulfur autotrophic denitrification; sulfur coating; biological nitrogen removal; filler filling ratio; reactor blockage

過量的氮、磷元素會(huì)引發(fā)水體富營養(yǎng)化[1-2]，破壞水域生態(tài)環(huán)境，危害水生生物生存和人體健康[3-4]。自然因素和人類活動(dòng)[5-6]是影響水中氮、磷含量的主要原因。污水中的氮包括有機(jī)氮、氨氮、亞硝酸鹽氮以及硝酸鹽氮4種形式。其中，少量的硝酸鹽雖然不會(huì)對人體造成危害，但通過還原作用會(huì)轉(zhuǎn)換成有毒且具有高度致癌性的亞硝酸鹽[7-8]。因此，需要采用一定的方法將硝酸鹽轉(zhuǎn)化為氮?dú)狻?/p>

雖然傳統(tǒng)去除硝酸鹽的物理化學(xué)方法較多，但運(yùn)行成本高、適用性低等缺點(diǎn)限制了其推廣使用[3， 9]。雖然異養(yǎng)反硝化的脫氮速率較高，但在運(yùn)行過程中需要不斷加入碳源，從而提高了運(yùn)營成本[1]。相比異養(yǎng)反硝化，硫自養(yǎng)反硝化工藝因無需外加碳源、污泥產(chǎn)生量少、低成本、高效率[10-11]等優(yōu)點(diǎn)而被學(xué)者們廣泛應(yīng)用于污水脫氮處理中。它是指硫自養(yǎng)反硝化微生物（如脫氮硫桿菌）以單質(zhì)硫（S0）作為電子供體，硝酸鹽（NO-3-）為電子受體，將硝酸鹽氮轉(zhuǎn)化為氮?dú)獾倪^程[8， 10， 12-13]，從而達(dá)到脫氮以凈化水質(zhì)的目的。反應(yīng)方程式為

1.06NO-3 + 1.11S0 + 0.3HCO-3 + 0.485H2O

0.06C5H7O2N + 0.5N2 + 1.11SO2-4+ 0.86H+（1）

Sierra-Alvarez等[14]采用硫石灰石填充床生物反應(yīng)器進(jìn)行自養(yǎng)反硝化污水脫氮處理，NO-3-N去除率可達(dá)95%以上。同時(shí)，采用硫鐵填充床[15]、硫磺白云石填充床[16]、木屑硫磺填充床[17]以及硫磺硫鐵礦填充床[18]進(jìn)行總氮深度去除，發(fā)現(xiàn)出水中硝酸鹽氮濃度都很低。但是，采用這種填料填充式的方式進(jìn)行污水處理會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)器內(nèi)產(chǎn)生填料堵塞問題，影響脫氮效果。因此，筆者在硫自養(yǎng)反硝化工藝的基礎(chǔ)上，通過自制硫涂層填料和反應(yīng)裝置，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行模擬污水脫氮研究，并從反應(yīng)器的填料填充比、溫度以及水力停留時(shí)間（HRT）3個(gè)方面對反應(yīng)器進(jìn)行運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化。此外，取穩(wěn)定運(yùn)行階段中的反應(yīng)污泥進(jìn)行掃描電鏡觀察、微生物高通量測序分析，以及對污泥中的微生物進(jìn)行功能預(yù)測分析。

1 材料與方法

1.1 接種污泥及模擬污水

實(shí)驗(yàn)反應(yīng)器所用污泥取自重慶市合川區(qū)某污水處理廠A2/O工藝的二沉池新鮮污泥，污泥使用前需稀釋。反應(yīng)裝置啟動(dòng)初期，往裝置內(nèi)添加SS（懸浮物）濃度為7 120 mg/L的活性污泥進(jìn)行微生物培養(yǎng)與馴化。

模擬污水為人工配水，主要化學(xué)成分包括：310 mg/L NaNO3、20 mg/L KH2PO4、800 mg/L NaHCO3以及0.1 mL/L的微量元素。其中，微量元素的組成成分見文獻(xiàn)[19]，配制的模擬污水進(jìn)水NO-3-N濃度為50 mg/L，COD濃度為（6±1） mg/L，且pH值保持在7.5～8.4之間。

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

采用的反應(yīng)器為上流式厭氧反應(yīng)器，其有效體積為2.5 L，直徑為90 mm，有效高度為400 mm，材質(zhì)為有機(jī)玻璃，內(nèi)部設(shè)有固液分離器。反應(yīng)器內(nèi)部掛上自制的硫磺粉涂層填料，實(shí)際填充比（填料體積∶反應(yīng)器有效體積）為1/10～1/5，連續(xù)流運(yùn)行方式為下進(jìn)上出，進(jìn)水流量由蠕動(dòng)泵控制。夏季反應(yīng)器溫度保持在（25±1） ℃，冬季通過水浴加熱的方式使反應(yīng)器溫度控制在（30±1） ℃。為避免光照對硫自養(yǎng)反硝化菌的傷害，反應(yīng)器外部用鋁箔紙包裹避光。實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。

1.3 硫涂層填料的制備

原材料：硫磺粉、生物繩填料和膠黏劑。硫磺粉含量≥99.5%;生物繩填料購于宜興市和盛環(huán)保有限公司，型號為60CS3;膠黏劑為實(shí)驗(yàn)室自制，組成成分為5%的聚乙烯醇。

制備方法：填料制備流程見圖2。根據(jù)反應(yīng)裝置的內(nèi)部尺寸，截取長度為350 mm的生物繩填料，然后按照膠黏劑40 mL+硫磺粉50 g的配比將硫磺粉混勻至黏稠狀，有利于硫磺粉粘附在生物繩填

料上。接著，將混勻的硫磺粉全部涂刷到生物繩填料上，懸掛晾干至重量無變化。負(fù)載到填料上的硫磺粉質(zhì)量M按式（2）計(jì)算。

M=（m2-m1-m0）g（2）

式中：m0為膠黏劑的質(zhì)量;m1為生物繩填料質(zhì)量;m2為晾干后的硫涂層填料質(zhì)量;g為重力加速度。

1.4 實(shí)驗(yàn)方法

采用自制的硫涂層填料和反應(yīng)器在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行連續(xù)運(yùn)行，共運(yùn)行5個(gè)月。反應(yīng)器密封后，通過蠕動(dòng)泵進(jìn)水以灌滿裝置，靜置3 d，主要使裝置內(nèi)活性污泥中的微生物得到培養(yǎng)和馴化。整個(gè)反應(yīng)過程分為6個(gè)階段（見表1），階段Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ主要考察填料填充比和溫度對反應(yīng)器脫氮性能的影響;階段Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ保持填料填充比、反應(yīng)器溫度和進(jìn)水NO-3-N濃度一致，通過縮短HRT對反應(yīng)器進(jìn)行優(yōu)化。其中，階段Ⅱ、Ⅳ、Ⅴ為反應(yīng)器內(nèi)部填料更換階段。待反應(yīng)器穩(wěn)定運(yùn)行后，取穩(wěn)定運(yùn)行階段中的反應(yīng)污泥進(jìn)行掃描電鏡觀察和微生物高通量測序分析。

1.5 分析方法

水質(zhì)指標(biāo)檢測方法為：NO-3-N采用紫外分光光度法、NO-2-N采用N-（1-萘基）-乙二胺分光光度法、NH+4-N采用納氏試劑分光光度法、COD采用硫酸亞鐵銨滴定法[20];SO2-4采用離子色譜儀（ICS-1100，Dionex，中國）測定、pH值采用奧克斯ST300便攜式pH計(jì)測定。

采用熱場發(fā)射掃描電鏡（JSM-7800F，JEOL，日本）對污泥進(jìn)行形貌表征分析，掃描電鏡樣品前期處理參照文獻(xiàn)[21]。將污泥樣品送往上海美吉生物醫(yī)藥科技有限公司，采用Illumina Miseq 測序技術(shù)進(jìn)行微生物多樣性分析，主要通過PCR儀對細(xì)菌16S rRNA基因進(jìn)行PCR擴(kuò)增，引物序列為515F（5′-GTGCCAGCMGCCGCGG-3′）和907R （5′-CGTCAATTCMTTTRAGTTT-3′）[22]。此外，微生物功能預(yù)測分析主要運(yùn)用FAPROTAX（Functional Annotation of Prokaryotic Taxa）軟件和R語言3.5.3進(jìn)行結(jié)果運(yùn)行以及繪圖分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 NO-3-N的去除及出水NO-2-N、NH+4-N的積累

2.1.1 NO-3-N的去除

待裝置靜置3 d后，打開蠕動(dòng)泵連續(xù)進(jìn)水，之后開始每天測定出水NO-3-N含量。如圖3所示，反應(yīng)前期（階段Ⅰ），即填料填充比為1/10，HRT=19.5 h，T=（25±1） ℃時(shí)，系統(tǒng)NO-3-N的去除率并不高，平均只有66.78%。隨著反應(yīng)的不斷進(jìn)行，NO-3-N的去除率逐漸降低，且在該反應(yīng)階段末期，反應(yīng)器的脫氮率趨于平穩(wěn)，保持在55%～60%，這可能與裝置內(nèi)的填料被消耗有關(guān)。另一種解釋認(rèn)為，可能是因?yàn)殡A段Ⅰ的水力停留時(shí)間較長，微生物會(huì)慢慢附著在填料表面增殖和生長，溶液體系中NO-3-N與填料表面的單質(zhì)硫接觸受阻[23]。為了提高反應(yīng)器的脫氮效果，將填料的填充比由階段Ⅰ的1∶10提高到1∶5。相比之下，當(dāng)填料填充比為1/5，HRT=19.5 h，T=（25±1） ℃時(shí)（階段Ⅱ），NO-3-N的平均去除率為71.05%，說明增加反應(yīng)器內(nèi)部的填料填充比可有效提高NO-3-N的去除率，且沒有出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象。Flere等[24]采用硫石灰石自養(yǎng)反硝化工藝（SLAD）進(jìn)行脫氮效果評估，NO-3-N的最大去除率可達(dá)95%，但污泥淤積造成堵塞，降低了硝酸鹽氮的去除率。Han等[25]對硫石灰多孔陶瓷載體在填充床生物反應(yīng)器中的脫氮性能進(jìn)行了評價(jià)，結(jié)果表明：NO-3-N的最大去除率可達(dá)99.5%;同樣，污泥淤積造成的反應(yīng)器堵塞限制了其反硝化能力。實(shí)驗(yàn)采用的硫生物繩填料懸掛式反應(yīng)器與目前的硫石灰石填充式生物反應(yīng)器相比[14， 26-27]，其主要特點(diǎn)是填料在反應(yīng)器內(nèi)的形式為懸掛式，污泥可直接附著生長在填料上，避免沉積到反應(yīng)器底部造成淤積，且自制的硫涂層填料孔隙度較大，填料填充比由以往SLAD工藝的1/3～1/2縮減到1/5（表2），有效防止了反應(yīng)器堵塞問題。

在填料填充比為1/5、HRT=19.5 h、T=（30±1） ℃條件下（階段Ⅲ），NO-3-N平均去除率為94.69%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于第Ⅱ階段的脫氮效果，這主要與反應(yīng)器的溫度有關(guān)，研究表明[26]，硫自養(yǎng)反硝化菌的最佳生長溫度在30 ℃左右。因此，在第39 d，將反應(yīng)器的溫度升高至（30±1） ℃，顯然，反應(yīng)器的脫氮率提升迅速，由原來的70.50%提升到94.50%，最高達(dá)到99.60%（階段Ⅲ）。不過，該過程中NO-3-N的去除率逐漸下降，由最高的99.60%降低到87.15%，這主要是因?yàn)樘盍仙系幕|(zhì)（單質(zhì)硫）釋放有限。

除了填料填充比和溫度會(huì)對反應(yīng)器的脫氮效果產(chǎn)生影響外，HRT也是評估反應(yīng)器脫氮效率的一個(gè)重要指標(biāo)。保持反應(yīng)器內(nèi)部的填料填充比和溫度不變，逐漸縮短水力停留時(shí)間，觀察反應(yīng)器的脫氮效果。圖3表明，隨著HRT的減小，各個(gè)階段的脫氮效果也逐漸降低，階段Ⅳ（HRT=14.7）、階段Ⅴ（HRT=12.6）以及階段Ⅵ（HRT=9.7）的NO-3-N平均去除率分別為96.77%、93.61%、89.29%;對應(yīng)反應(yīng)器體積負(fù)荷分別為0.08、0.10、0.12 kg/（m3·d）。說明通過對反應(yīng)器的反應(yīng)條件進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，縮短HRT也能達(dá)到較高的脫氮率，且出水NO-3-N含量均低于10 mg/L。值得注意的是，階段Ⅳ、Ⅴ和Ⅵ的初期NO-3-N去除率有所下降，可能是由于各階段運(yùn)行初期進(jìn)水負(fù)荷突然提升，系統(tǒng)中微生物還未能適應(yīng)環(huán)境。與其他文獻(xiàn)中的硫自養(yǎng)反硝化工藝相比（見表2），實(shí)驗(yàn)在保證較好脫氮效果的條件下，減少了硫磺的使用量，提高了利用率。但是，實(shí)驗(yàn)也存在缺點(diǎn)，比如硫涂層填料制作耗時(shí)以及水力停留時(shí)間并沒有達(dá)到最優(yōu)，后期可考慮繼續(xù)增加填料填充比來進(jìn)一步優(yōu)化HRT。

2.1.2 出水NO-2-N和NH+4-N的積累

對出水NO-2-N含量進(jìn)行檢測，發(fā)現(xiàn)各個(gè)反應(yīng)階段的NO-2-N濃度均很低，其中濃度最高為0.41 mg/L（圖4（a）），遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于中國城鎮(zhèn)污水排放標(biāo)準(zhǔn)限值。這表明在反應(yīng)器脫氮過程中，NO-3-N主要還原成N2，因此，出水中只有極少量的NO-2-N積累。其中，在填料填充比為1/10，HRT=19.5 h，T=（25±1） ℃條件下（階段Ⅰ），NO-2-N平均積累量高于其他反應(yīng)階段，這可能是因?yàn)樘盍仙仙锬さ姆e累阻礙了傳質(zhì)，降低了NO-3-N的處理效果[29]。此外，出水氨氮含量均低于1 mg/L（圖4（b）），說明在脫氮過程中整個(gè)反應(yīng)器硝酸鹽氮基本完全轉(zhuǎn)化成了氮?dú)狻?/p>

2.2 pH值的變化及出水COD、SO2-4的濃度

實(shí)驗(yàn)測試了反應(yīng)器進(jìn)出水pH值和出水COD濃度的變化。圖5（a）表明，每個(gè)階段的出水pH值均低于進(jìn)水，這主要與硫自養(yǎng)反硝化過程產(chǎn)生H+有關(guān)。其中，當(dāng)填料填充比為1/10、HRT=19.5 h、T=（25±1） ℃時(shí)（階段Ⅰ），出水pH值波動(dòng)較小，保持在6.8～7.8之間。而增加填料填充比至1/5時(shí)（階段Ⅱ～Ⅲ），出水pH值隨著反應(yīng)的進(jìn)行呈逐漸下降的趨勢，這主要與每個(gè)階段的脫氮效果有關(guān)。相比階段Ⅱ、Ⅲ，階段Ⅰ的脫氮率較低（圖3），在相同條件下，產(chǎn)生的H+較少，基本上能被進(jìn)水中的HCO-3中和;相反，當(dāng)填料填充比提升至1/5后，反應(yīng)器在單位時(shí)間內(nèi)還原的NO-3-N較多，對應(yīng)產(chǎn)生的H+也較多，換句話說，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，產(chǎn)生H+的能力大于進(jìn)水堿度中和H+的能力。因此，階段Ⅱ和Ⅲ出水pH值趨于下降。在隨后的HRT調(diào)控反應(yīng)階段，pH值變化情況與階段Ⅱ、Ⅲ相似，也呈逐漸降低的趨勢?？傮w來說，出水pH值在6.8～8.3之間，均趨于中性或弱堿性，不會(huì)引起出水pH值超標(biāo)。

通過檢測發(fā)現(xiàn)，整個(gè)階段的出水COD含量均較低，保持在40 mg/L以內(nèi)（圖5（b）），遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于中國城鎮(zhèn)污水處理廠出水COD一級A標(biāo)準(zhǔn)（50 mg/L）。說明實(shí)驗(yàn)所用的膠黏劑在單位時(shí)間內(nèi)釋放的有機(jī)物含量較少，具有良好的粘附性和不溶性，且經(jīng)過處理后的出水不會(huì)帶來二次有機(jī)污染。

SO2-4是研究過程中單質(zhì)硫氧化檢測的唯一產(chǎn)物，圖6為整個(gè)反應(yīng)階段出水SO2-4的濃度。反應(yīng)初期，出水SO2-4濃度高于理論值，除了硫自養(yǎng)反硝化外，可能還存在人工配水（無機(jī)廢水）中源源不斷的DO輸入，形成好氧硫氧化[30]。到了第45天，出水SO2-4濃度達(dá)到最高，為486.32? mg/L;在第67～149天，出水SO2-4濃度基本穩(wěn)定在（400±50） mg/L左右。總之，在0～38、39～66和67～149天，出水SO2-4濃度平均分別為350.33、463.56、417.91 mg/L。出水SO2-4濃度與NO-3-N的去除量有關(guān)，且在第39～149天，生成的SO2-4含量與理論計(jì)算值相差不大，這與Sahinkaya等[31]的研究結(jié)果基本一致，推測可能與反應(yīng)器內(nèi)發(fā)生部分異養(yǎng)反硝化有關(guān)。Sun等[30]分別以硫代硫酸鈉、硫代硫酸鈉聯(lián)合乙酸鈉為電子供體進(jìn)行自養(yǎng)反硝化和自養(yǎng)異養(yǎng)耦合反硝化二級出水脫氮研究，結(jié)果表明，自養(yǎng)異養(yǎng)耦合反硝化工藝的脫氮效果最佳，且有效降低了出水SO2-4濃度。He等[32]研發(fā)了一種新型循環(huán)反硝化過濾器，并以白松和單質(zhì)硫顆粒為填料進(jìn)行含鹽廢水處理，實(shí)現(xiàn)了較高的脫氮率，降低了SO2-4的積累。此外，Sahinkaya等[33]和Liu等[34]利用異養(yǎng)和硫自養(yǎng)反硝化進(jìn)行飲用水處理，可有效控制出水SO2-4濃度，且出水SO2-4濃度均低于中國生活飲用水最低標(biāo)準(zhǔn)250 mg/L。故與現(xiàn)階段已有研究相比[12， 35]，實(shí)驗(yàn)可能是由于進(jìn)水中少量有機(jī)物或者填料上的部分有機(jī)物被異養(yǎng)反硝化菌利用，進(jìn)行部分異養(yǎng)反硝化作用，從而減少了SO2-4的產(chǎn)生。

2.3 污泥SEM圖片分析

取初始污泥和反應(yīng)器穩(wěn)定運(yùn)行后階段Ⅲ中的污泥進(jìn)行SEM微生物形態(tài)觀察分析。如圖7（a）所示，初始污泥形狀均不規(guī)則，且疏松多孔，表面粗糙，這為微生物的附著生長提供了場所。待反應(yīng)器成功啟動(dòng)且穩(wěn)定運(yùn)行后，取階段Ⅲ的反應(yīng)污泥進(jìn)行SEM微生物形態(tài)觀察，結(jié)果見圖7（b），發(fā)現(xiàn)污泥表面附著有明顯且形狀規(guī)則的桿狀微生物，這與實(shí)驗(yàn)在電子顯微鏡下觀察到的硫自養(yǎng)反硝化微生物形態(tài)一致。馬瀟然等[36]通過對硫自養(yǎng)反硝化系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)期的污泥進(jìn)行掃描電鏡觀察，結(jié)果表明，污泥中存在一些短桿菌和球狀菌。此外，趙晴等[37]研究指出，以硫化物為電子供體的自養(yǎng)反硝化污泥中細(xì)菌形態(tài)主要為球狀和短桿狀。

2.4 微生物群落多樣性分析

為了研究硫自養(yǎng)反硝化系統(tǒng)中的微生物種類及其相對豐度，取初始污泥和反應(yīng)器穩(wěn)定運(yùn)行后階段Ⅲ中的底泥，采用高通量測序技術(shù)進(jìn)行微生物多樣性分析。

如圖8（a）所示，初始污泥中微生物多樣性豐富，相對豐度排名前7位的屬分別是：norank_f—Gemmataceae（7.48%）、norank_f—Caldilineaceae

（6.28%）、norank_f—Pirellulaceae

（4.48%）、norank_f—A4b（3.99%）、Dechloromonas

（3.28%）、norank_f—SC-I-84（2.89%）和Ferritrophicum（2.49%）。其中，Dechloromonas是一種可利用有機(jī)碳源為電子供體、NO-3-N為電子受體進(jìn)行反硝化的異養(yǎng)反硝化菌[1， 38];有研究表明[2]，F(xiàn)erritrophicum是一種嗜中性且微好氧的鐵氧化菌，在低氧條件下富集，可將Fe2+還原成Fe3+。因此，反應(yīng)器啟動(dòng)初期，初始污泥中的異養(yǎng)反硝化菌可以利用水中少量有機(jī)物或者填料上的有機(jī)物作為電子供體進(jìn)行反硝化。但是，在反應(yīng)后污泥中（圖8（b）），Metallibacterium、norank_f—Caldilineaceae、Denitratisoma、norank_f—Gemmatimonadaceae和Thiothrix是主要優(yōu)勢菌屬，其占比分別為18.87%、3.35%、2.99%、2.92%和2.89%。Denitratisoma是一種典型的可利用NO-3-N為電子受體的異養(yǎng)反硝化菌，具有去除氮和其他化合物的能力[1， 28];Thiothrixs是一種硫自養(yǎng)反硝化菌，在厭氧條件下，可以將NO-3-N還原為N2，從而達(dá)到脫氮的目的[30]。此外，系統(tǒng)中與硫自養(yǎng)反硝化相關(guān)的菌屬還有Thiomonas[2]和Sulfuritalea[30]，其相對豐度分別為1.55%和1.35%。綜合以上數(shù)據(jù)，推斷出實(shí)驗(yàn)中主要進(jìn)行硫自養(yǎng)反硝化和部分異養(yǎng)反硝化作用。

2.5 FAPROTAX功能預(yù)測分析

采用FAPROTAX方法對脫氮系統(tǒng)中的微生物群落功能表型進(jìn)行預(yù)測，以及對系統(tǒng)中的碳、氫、氮、磷和硫的循環(huán)功能進(jìn)行分析[19]。如圖9所示，主要有7個(gè)硫循環(huán)相關(guān)以及13個(gè)氮循環(huán)相關(guān)的功能注釋，分別包括dark_sulfide_oxidation、dark_oxidation_of_Sulfur_compounds、respiration_of_sulfur_compounds等和nitrate_respiration、nitrate_reduction、nitrogen_respiration等。

與初始污泥的微生物功能預(yù)測結(jié)果相比，反應(yīng)后各階段中與硫循環(huán)和氮循環(huán)相關(guān)的功能注釋強(qiáng)度均有所增加。其中，初始污泥以及反應(yīng)階段Ⅲ、Ⅳ、Ⅵ中的dark_sulfide_oxidation強(qiáng)度分別為0、472、1 527和1 807，nitrate_reduction強(qiáng)度分別為34、537、314和586，說明在整個(gè)脫氮系統(tǒng)中，微生物主要進(jìn)行的是硫代謝和氮代謝，且隨著反應(yīng)的進(jìn)行，二者代謝強(qiáng)度有所增強(qiáng)。根據(jù)聚類分析關(guān)系可知，nitrate_respiration、nitrate_reductio和nitrogen_respiration聯(lián)系緊密;dark_Sulfide_oxidation、dark_sulfur_oxidation、dark_thiosulfate_oxidation和dark_oxidation_of_Sulfur_compounds聯(lián)系緊密，這也說明了體系中硫、氮代謝對脫氮起著關(guān)鍵作用。此外，各階段功能預(yù)測中均存在一定強(qiáng)度的異養(yǎng)反硝化作用，說明脫氮體系中有部分異養(yǎng)反硝化作用參與，進(jìn)而推斷本系統(tǒng)中主要進(jìn)行硫自養(yǎng)反硝化作用和部分異養(yǎng)反硝化作用。

3 結(jié)論

1）采用自制硫涂層填料進(jìn)行自養(yǎng)反硝化污水脫氮研究，應(yīng)用性能良好，且反應(yīng)器并未出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象。出水COD含量均低于40 mg/L，說明膠黏劑的粘附效果較好，不會(huì)帶來二次有機(jī)污染。

2）NO-3-N的去除率與反應(yīng)器的填料填充比和溫度有關(guān)。增大裝置的填料填充比，NO-3-N的去除率明顯提升，最高達(dá)到99.92%;此外，當(dāng)溫度由（25±1） ℃調(diào)至（30±1） ℃時(shí)，NO-3-N的去除率由70.50%提升至94.50%。

3）整個(gè)反應(yīng)過程中，出水NO-2-N和NH+4-N濃度均很低，分別保持在0.4、1 mg/L以內(nèi);且反應(yīng)器出水pH值相對穩(wěn)定，基本保持在6.8～8.3之間，符合硫自養(yǎng)反硝化微生物生長的pH條件。

4）反應(yīng)器內(nèi)硫自養(yǎng)反硝化菌是Thiothrixs、Thiomonas和Sulfuritalea，其所占比例分別為2.89%、1.55%和1.35%，此外，還存在部分異養(yǎng)反硝化菌Denitratisoma，其占比為2.99%。

5）FAPROTAX功能預(yù)測結(jié)果表明，脫氮系統(tǒng)中微生物主要進(jìn)行硫代謝和氮代謝，硫、氮代謝對脫氮起著關(guān)鍵作用。參考文獻(xiàn)：

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（編輯 黃廷）