氧濃度對(duì)調(diào)節(jié)NOx氧化度協(xié)同CABR法脫硝性能及菌群結(jié)構(gòu)的影響

楊景瑞，王瑩，陳虎，呂永康

（1 山西能源學(xué)院資源與環(huán)境工程系，山西 太原 030000；2 太原理工大學(xué)省部共建煤基能源清潔高效利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030024；3 太原理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，山西 太原 030024）

氮氧化物（NOx），特別是一氧化氮（NO）和二氧化氮（NO2）是造成環(huán)境惡劣和人類健康問(wèn)題的主要空氣污染物[1]。防止NOx污染的方法之一是減少火電廠煙氣中NOx的排放，火電廠排放的煙氣是大氣中NOx的主要來(lái)源[2]。由于煙氣中NOx的主要成分NO在水溶液中的溶解度很低，傳統(tǒng)的吸收方法難以去除。大量研究結(jié)果表明，通過(guò)使用某些氧化性物質(zhì)將部分NO 氧化為NO2后可大大提高NOx在堿液中的吸收效率，且NOx氧化度在50%～60%時(shí)吸收效率最高[3-6]。因此，基于氧化吸收理念，調(diào)節(jié)NOx氧化度協(xié)同化學(xué)吸收-生物還原法是一種可靠、經(jīng)濟(jì)可行的煙氣脫硝技術(shù)。該方法首先調(diào)節(jié)煙氣中NOx氧化度為50%，之后氣相中的NOx經(jīng)堿液吸收后在液相中生成含氮化合物，最后通過(guò)好氧反硝化菌作用將液相中的含氮化合物還原為無(wú)毒無(wú)害的N2排出。

由于我國(guó)實(shí)際工業(yè)煙氣中通常含有3%～8%的氧氣[7-8]，以往研究結(jié)果顯示，氧體積分?jǐn)?shù)是影響NOx去除的關(guān)鍵因素之一[9-11]。目前，關(guān)于利用化學(xué)吸收-生物還原（CABR）法脫硝的研究大多是采用絡(luò)合劑Fe(Ⅱ)EDTA 絡(luò)合NO 先形成Fe(Ⅱ)EDTANO 絡(luò)合物，然后再通過(guò)微生物作用將NO 還原為N2[12]。雖然這一方法提高了吸收劑的吸附能力和再生能力，但由于Fe(Ⅱ)易被煙氣中本身含有的氧氣氧化生成Fe(Ⅲ)，從而失去絡(luò)合NO的能力。因此，該方法還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能用于工業(yè)規(guī)模[13]。

本文采用調(diào)節(jié)NOx氧化度協(xié)同化學(xué)吸收-生物還原法去除煙氣中NOx，這一脫硝途徑將氧化吸收與生物還原相結(jié)合，不使用絡(luò)合吸收劑。因此，研究氧體積分?jǐn)?shù)對(duì)這一脫硝過(guò)程脫硝性能的影響至關(guān)重要。為此，本文考察了煙氣中包含氧體積分?jǐn)?shù)在0～10%范圍內(nèi)對(duì)調(diào)節(jié)NOx氧化度協(xié)同化學(xué)吸收-生物還原法去除NOx的影響。此外，研究指出氧氣對(duì)NOx還原和反硝化微生物生長(zhǎng)均有負(fù)面影響[8,14-15]。微生物群落結(jié)構(gòu)會(huì)隨操作條件的改變而發(fā)生變化，菌群結(jié)構(gòu)決定了生物反應(yīng)器的性能[16]。因此，在CABR系統(tǒng)的氧氣關(guān)鍵工況下，分析生物反應(yīng)器內(nèi)微生物群落結(jié)構(gòu)是十分必要的。本文利用高通量測(cè)序技術(shù)分析了不同氧體積分?jǐn)?shù)下生物反應(yīng)器內(nèi)微生物群落結(jié)構(gòu)的變化，同時(shí)考察了不同氧體積分?jǐn)?shù)對(duì)生物反應(yīng)器內(nèi)微生物胞外聚合物的影響。這項(xiàng)研究工作將清楚地說(shuō)明微生物群落對(duì)氧體積分?jǐn)?shù)變化的響應(yīng)及其對(duì)NOx去除性能的影響。本研究也為通過(guò)接種富集培養(yǎng)物強(qiáng)化生物反應(yīng)器提供了有價(jià)值的見解。

1 材料與方法

1.1 化學(xué)試劑及其制備

氣體：NO（4.999%，其余為N2）、NO2（4.999%，其余為N2）、N2（99.999%）、O2（99.999%）和CO2（99.999%）。實(shí)驗(yàn)室所用氣體均由太原安旭鴻運(yùn)科技有限公司提供。

富集培養(yǎng)基（LB）成分：NaCl，10g；酵母提取物，5g；胰蛋白胨，10g；pH=7.0。

反硝化培養(yǎng)基（DM）成分：檸檬酸鈉，4.20g；NaNO3，0.607g；NaH2PO4·2H2O，0.250g；K2HPO4·3H2O，0.750g；FeSO4·7H2O，0.050g；NaCl，0.120g；MgSO4·7H2O，0.050g；MnSO4·H2O，0.010g；pH=7.0。

循環(huán)吸收營(yíng)養(yǎng)液成分：檸檬酸鈉，4.20g/L；K2HPO4·3H2O，0.750g/L；NaH2PO4·2H2O，0.250g/L；FeSO4·7H2O， 0.050g/L； MnSO4·H2O， 0.010g/L；NaCl，0.120g/L；MgSO4·7H2O，0.050g/L；NaHCO3，1.68g/L。所有化學(xué)品均為分析純級(jí)試劑，無(wú)須進(jìn)一步純化即可直接使用。

1.2 好氧反硝化菌群的富集篩選與保藏

從位于山西省汾陽(yáng)市國(guó)峰污水處理廠收集的廢水中取10mL 泥水混合物，將其添加至含90mL 高壓滅菌LB 培養(yǎng)基的250mL 錐形燒瓶中，用無(wú)菌透氣密封膜密封燒瓶，然后將燒瓶放到30℃、120r/min的搖床中培養(yǎng)，以富集異養(yǎng)好氧細(xì)菌。培養(yǎng)2 天后，將10mL 富集細(xì)胞懸液轉(zhuǎn)移至含90mL 新鮮無(wú)菌LB培養(yǎng)基中，在上述條件下孵育，進(jìn)行二次富集。之后，將1mL 二次富集細(xì)菌懸浮液轉(zhuǎn)移到250mL錐形瓶中，該燒瓶中裝有100mL 分別以檸檬酸鈉和硝酸鈉作為單一碳源與氮源的無(wú)菌DM 培養(yǎng)基，用于選擇性培養(yǎng)好氧反硝化菌群。這一步驟重復(fù)三次，并定期檢測(cè)其好氧反硝化能力。直至確定菌群具有高效好氧反硝化能力后，將目標(biāo)菌群命名為HN-04。富集篩選得到的菌群放在試管固體斜面培養(yǎng)基中進(jìn)行短期保藏，懸浮在25%的甘油溶液中在-80℃進(jìn)行長(zhǎng)期儲(chǔ)存。

1.3 實(shí)驗(yàn)裝置及操作參數(shù)

實(shí)驗(yàn)所用裝置及流程如圖1所示，裝置主體生物滴濾塔是內(nèi)徑為8cm、高度為100cm的有機(jī)玻璃柱。生物滴濾塔內(nèi)填料是邊長(zhǎng)為2cm的立方體，塔內(nèi)填料高度為60cm。含NOx的模擬煙氣由250μL/LNO、250μL/LNO2、5%O2、15%CO2和N2組成，各種氣體組分經(jīng)質(zhì)量流量計(jì)控制流量后在氣體混合室內(nèi)混合，控制模擬煙氣總流量為1L/min。循環(huán)液貯存罐內(nèi)裝有6L微生物營(yíng)養(yǎng)液，營(yíng)養(yǎng)液中添加了0.02mol/L的NaHCO3作為化學(xué)吸收劑。營(yíng)養(yǎng)液貯存罐置于循環(huán)水浴鍋內(nèi)，控制水浴鍋內(nèi)溫度為50℃±0.5℃。吸收營(yíng)養(yǎng)液經(jīng)蠕動(dòng)泵作用控制流量為40L/h，每天更換50%的吸收營(yíng)養(yǎng)液。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置流程

1.4 生物滴濾塔啟動(dòng)與掛膜

生物滴濾塔啟動(dòng)與運(yùn)行一共分為7個(gè)階段，具體實(shí)驗(yàn)設(shè)置如表1所示。階段Ⅰ和Ⅱ是掛膜啟動(dòng)階段，階段Ⅰ每天向DM培養(yǎng)基中接種100mL活化的HN-04 菌體溶液，之后在生物滴濾塔內(nèi)注滿加菌的DM 培養(yǎng)基溶液，使DM 液能充分浸泡填料，以保證微生物有充裕的時(shí)間能附著在填料表面，DM液每天更換。階段Ⅱ開始不再額外添加HN-04 菌液。階段Ⅲ-Ⅵ代表生物滴濾塔內(nèi)微生物對(duì)DM 培養(yǎng)基溶液中包含不同的硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮體積分?jǐn)?shù)的降解情況。階段Ⅰ～Ⅵ運(yùn)行過(guò)程中生物滴濾塔內(nèi)只通入氧氣與氮?dú)獾幕旌蠚怏w，混合氣體流量為1L/min，其中氧氣體積分?jǐn)?shù)為5%，其余為氮?dú)?。階段Ⅶ開始向生物滴濾塔內(nèi)通入NOx氧化度為50%的模擬煙氣，并通入循環(huán)吸收營(yíng)養(yǎng)液。

表1 生物滴濾塔啟動(dòng)與設(shè)置

1.5 不同氧體積分?jǐn)?shù)下系統(tǒng)脫硝性能測(cè)試

在生物滴濾塔掛膜啟動(dòng)之后，在系統(tǒng)內(nèi)通入NOx氧化度為50%的模擬煙氣。通過(guò)調(diào)節(jié)N2和O2流量來(lái)控制本研究系統(tǒng)內(nèi)氧氣的含量。不同氧氣體積分?jǐn)?shù)下，模擬煙氣中通入的NOx相同，都為500μL/L，其中NO 和NO2體積分?jǐn)?shù)各為250μL/L。在循環(huán)吸收營(yíng)養(yǎng)液中添加檸檬酸鈉為碳源，每天更換的吸收營(yíng)養(yǎng)液中添加的檸檬酸鈉相同，都為4.20g/L，保證每天更換的吸收營(yíng)養(yǎng)液中包含的COD 體積分?jǐn)?shù)相同。測(cè)定氧體積分?jǐn)?shù)在0～10%范圍內(nèi)連續(xù)運(yùn)行過(guò)程中系統(tǒng)出口氣體中包含的NOx體積分?jǐn)?shù)及液相中含氮氧化物的積累量，出口氣體和液相中包含的含氮氧化物越少，說(shuō)明系統(tǒng)的脫硝性能越好。

1.6 樣本采集、DNA提取、PCR擴(kuò)增及測(cè)序

在煙氣中包含氧體積分?jǐn)?shù)為0這一個(gè)運(yùn)行階段末期，從生物滴濾塔內(nèi)上中下三個(gè)部位分別收集一個(gè)生物膜載體合為一個(gè)樣本，并將其命名為S1。之后分別在煙氣中包含氧氣體積分?jǐn)?shù)為3%、5%、8%和10%的運(yùn)行階段末期，按同樣的方法各收集一個(gè)樣本，分別命名為S2、S3、S4 和S5。并委托上海生工公司運(yùn)用高通量測(cè)序技術(shù)對(duì)五個(gè)樣本進(jìn)行了分析和鑒定。

根據(jù)制造商的說(shuō)明，使用EZNA?Soil DNA Kit（OMEGA，USA）分別提取各個(gè)樣本總?cè)郝浠蚪MDNA。使用Qubit 2.0（life，USA）來(lái)測(cè)量DNA體積分?jǐn)?shù)，以確保提取了足夠數(shù)量的高質(zhì)量基因組DNA。利用PCR 擴(kuò)增菌群16S rRNA V3-V4 高變區(qū)，正反引物分別為341F（CCTACGGGNGGCWGCAG）和805R（GACTACHVGGGTATTCTAATCC）?？倲U(kuò)增反應(yīng)混合物為30μL，其中包含15μL的2×Taq master Mix，2μL 的基因組DNA（10ng/μL），10μmol/L 的正反向引物各1μL和高純水。PCR擴(kuò)增的反應(yīng)條件如下：95℃變性3min；接下來(lái)95℃30s、45℃30s、72℃30s 進(jìn)行5 個(gè)循環(huán)；然后95℃30s、55℃30s、72℃30s 進(jìn)行20 個(gè)循環(huán)；最后72℃延伸5min。每個(gè)反應(yīng)混合物的擴(kuò)增子根據(jù)其體積分?jǐn)?shù)以相同的摩爾比合并。然后通過(guò)Illumina MiSeq 平臺(tái)（USA，Illumina MiSeq）按照制造商的說(shuō)明進(jìn)行測(cè)序。

測(cè)序后，數(shù)據(jù)收集如下：①利用PEAR(v0.9.6)軟件根據(jù)重疊部分對(duì)兩個(gè)短的Illumina 讀數(shù)進(jìn)行拼接，對(duì)fastq文件進(jìn)行處理，生成單獨(dú)的fasta和qual文件；②然后將含有不明確堿基且長(zhǎng)度超過(guò)480bp或短于200bp的序列去除；③將所有相同的序列合并為一個(gè)；④根據(jù)定制的參考數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)序列進(jìn)行比對(duì)；⑤檢查索引和接頭的完整性，并刪除所有索引和接頭序列；⑥使用Pre.cluster工具去除干擾信號(hào)。將每個(gè)樣本的有效序列提交給RDP分類器，以識(shí)別古細(xì)菌和細(xì)菌序列。使用mothur 計(jì)算覆蓋率、Chao1、ACE、Simpson 和Shannon 在內(nèi)的物種豐富度和多樣性統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

1.7 分析與檢測(cè)方法

按照Niu等[17]描述的方法提取松散結(jié)合型胞外聚合物（LB-EPS）和緊密結(jié)合型胞外聚合物（TBEPS）。LB-EPS 和TB-EPS 含量通過(guò)蛋白質(zhì)和多糖的加和量來(lái)表示。采用福林-酚法[18]和苯酚-硫酸法[19]利用總有機(jī)碳（TOC）分析儀在700nm和490nm處分別測(cè)定蛋白質(zhì)和多糖含量。

NO 與NO2體積分?jǐn)?shù)采用便攜式煙氣分析儀（KANE, KM-9106）進(jìn)行檢測(cè)。NOx去除效率用如式（1）計(jì)算。

2 結(jié)果與討論

2.1 生物滴濾塔啟動(dòng)期間表現(xiàn)

生物滴濾塔內(nèi)微生物在啟動(dòng)階段表現(xiàn)出的反硝化性能如圖2所示。從圖中可以看出，在接種階段（第Ⅰ階段）除第一天液相中約有25mg/L的硝酸鹽氮?dú)埩敉?，其余時(shí)間出水中基本不含氮氧化物。即使從第Ⅱ階段開始不再向生物滴濾塔內(nèi)額外接種HN-04 活化菌液，生物滴濾塔出水中硝酸鹽氮體積分?jǐn)?shù)依然保持不變，基本為零。因此，在第Ⅱ階段運(yùn)行末期從生物滴濾塔內(nèi)取出一生物膜載體進(jìn)行觀察，結(jié)果表明與原始填料相比，掛膜后在聚氨酯填料表面肉眼可見有大量淺黃色微生物質(zhì)生成，結(jié)合此時(shí)出水中硝酸鹽氮體積分?jǐn)?shù)基本為零，說(shuō)明此時(shí)已掛膜成功。

圖2 生物滴濾塔啟動(dòng)運(yùn)行階段

考慮到煙氣中NOx被循環(huán)液吸收后可能在液相中生成不同體積分?jǐn)?shù)的硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮。因此，在生物滴濾塔掛膜成功后，緊接著研究了營(yíng)養(yǎng)液中包含不同體積分?jǐn)?shù)的硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮對(duì)生物滴濾塔內(nèi)微生物反硝化性能的影響（階段Ⅲ～Ⅵ）。由圖2 可知，當(dāng)營(yíng)養(yǎng)液中存在不同比例的硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮體積分?jǐn)?shù)時(shí)，生物滴濾塔出水中氮氧化物體積分?jǐn)?shù)不變。這說(shuō)明吸收營(yíng)養(yǎng)液中硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮不管以何種比例存在時(shí)，都不會(huì)對(duì)生物滴濾塔內(nèi)微生物的好氧反硝化性能造成影響。

因此，從第Ⅶ階段開始不再向營(yíng)養(yǎng)液中額外添加氮源，開始添加體積分?jǐn)?shù)為0.1mol/L 的NaHCO3作化學(xué)吸收劑形成NOx吸收液。同時(shí)開始向生物滴濾塔內(nèi)通入模擬煙氣，其中包含NO 和NO2體積分?jǐn)?shù)各250μL/L。圖中顯示，在生物滴濾塔內(nèi)初次通入NOx氣體時(shí)，出口氣體中含有約50μL/L的NO氣體，但幾乎不存在NO2氣體。然而隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，尾氣中NO的體積分?jǐn)?shù)在逐漸降低，運(yùn)行4天后檢測(cè)到出口尾氣中NO 含量維持在5μL/L 左右，從而使NOx的去除效率達(dá)到99%左右。這說(shuō)明生物滴濾塔內(nèi)的微生物群落逐漸適應(yīng)了通入模擬煙氣的環(huán)境，可以維持穩(wěn)定運(yùn)行的狀態(tài)。綜上所述，生物滴濾塔在啟動(dòng)階段后運(yùn)行良好，可進(jìn)一步研究。

2.2 氧氣體積分?jǐn)?shù)對(duì)調(diào)節(jié)NOx氧化度協(xié)同CABR法脫硝效率的影響

如圖3 所示，將煙氣中NOx氧化度調(diào)節(jié)為50%后，考察了不同氧氣體積分?jǐn)?shù)對(duì)CABR 系統(tǒng)去除NOx性能的影響。由圖3(a)可知，隨著煙氣中氧氣體積分?jǐn)?shù)從0 增加到8%，系統(tǒng)在連續(xù)運(yùn)行的整個(gè)過(guò)程中脫硝性能穩(wěn)定，對(duì)NO 的去除效率保持在99%以上。這與Fe(Ⅱ)Cit/Fe(Ⅱ)EDTA 系統(tǒng)相比，NO 的去除效率提高了約9%[21]。Li 等[11]采用絡(luò)合吸收耦合生物還原法去除煙氣中的NO，結(jié)果表明該系統(tǒng)中NO的去除效率隨煙氣中氧氣體積分?jǐn)?shù)的增加而逐漸降低，當(dāng)煙氣中氧氣體積分?jǐn)?shù)增加到8%時(shí)，NO去除效率由原來(lái)的93.7%降到70.2%。絡(luò)合吸收劑特別容易被氧氣氧化這一結(jié)論已經(jīng)被許多文獻(xiàn)所證實(shí)，表明氧氣體積分?jǐn)?shù)與NO去除效率密切相關(guān)[22-23]。而在本研究脫硝系統(tǒng)中，將煙氣中氧氣體積分?jǐn)?shù)升高至10%時(shí)，NO 去除效率仍超過(guò)90%，NOx去除效率可達(dá)到94%以上[圖3(c)]。由圖3(b)可知，在氧氣體積分?jǐn)?shù)為0～10%的范圍內(nèi)，系統(tǒng)出口氣體中幾乎不存在NO2氣體。

圖3 不同氧氣體積分?jǐn)?shù)對(duì)CABR系統(tǒng)去除NOx的影響

氧氣的存在對(duì)液相中NO-3-N 和NO-2-N 的形成至關(guān)重要，NO-3-N 和NO-2-N 在不同氧氣體積分?jǐn)?shù)下的體積分?jǐn)?shù)變化如圖3(d)所示。隨著氧氣體積分?jǐn)?shù)的增加，液相中NO-3-N 體積分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)輕微上升趨勢(shì)，NO-2-N體積分?jǐn)?shù)則保持穩(wěn)定，不存在NO-2-N的積累。在整個(gè)運(yùn)行過(guò)程中，液相中NO-3-N 含量顯著高于NO-2-N，但NO-3-N 積累量未超過(guò)2mg/L。而Li 等[8]的研究報(bào)道指出，采用絡(luò)合吸收劑的CABR系統(tǒng)進(jìn)行煙氣脫硝時(shí)，液相中NO-3-N積累量從氧氣體積分?jǐn)?shù)為0的15mg/L左右增加到了氧氣體積分?jǐn)?shù)為10%的45mg/L。這一結(jié)果表明，絡(luò)合吸收耦合生物還原煙氣脫硝系統(tǒng)在很大程度上是將部分煙氣中的NOx從氣相轉(zhuǎn)移到了液相中，液相中積累的含氮氧化物并沒(méi)有被完全去除。這可能是因?yàn)榻j(luò)合吸收劑對(duì)微生物的生長(zhǎng)和還原有一定的抑制作用。而本研究首先通過(guò)調(diào)節(jié)煙氣中NOx氧化度為50%，然后再利用弱堿液吸收與生物還原相結(jié)合的方法來(lái)進(jìn)行煙氣脫硝。該過(guò)程不使用絡(luò)合吸收劑，煙氣中NOx進(jìn)入生物滴濾塔后經(jīng)堿液作用，將氣相中的NOx轉(zhuǎn)化為液相中的NO-3-N和NO-2-N，然后通過(guò)微生物的反硝化作用幾乎可將液相中的含氮氧化物全部去除，可以實(shí)現(xiàn)煙氣中NOx最終被去除的目的。實(shí)驗(yàn)結(jié)果還表明，隨著氧氣體積分?jǐn)?shù)從0增加到10%，液相中COD 的含量在逐漸降低，由原來(lái)的910mg/L降低至11mg/L。

綜上所述，本研究煙氣脫硝系統(tǒng)在高含氧量條件下仍具備高效脫硝的能力，這一結(jié)果進(jìn)一步體現(xiàn)了本研究脫硝技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。

2.3 氧氣體積分?jǐn)?shù)對(duì)微生物胞外聚合物的影響

微生物聚集體的胞外聚合物（EPS）是一種復(fù)雜的高分子量聚合物，由微生物分泌和細(xì)胞裂解產(chǎn)生，并從廢水中吸附有機(jī)物。EPS對(duì)微生物聚集體的理化性質(zhì)有顯著影響，包括結(jié)構(gòu)、表面電荷、絮凝、沉降、脫水和吸附能力。EPS通過(guò)復(fù)雜的相互作用與細(xì)胞結(jié)合，形成巨大的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，含有大量的水，它們?yōu)榧?xì)胞形成一層保護(hù)層，可以抵御有毒物質(zhì)或者外部惡劣環(huán)境對(duì)細(xì)胞的危害，在營(yíng)養(yǎng)缺乏的條件下，部分EPS 可作為碳源或能源[24]。多糖（PS）和蛋白質(zhì)（PN）通常是EPS 的主要成分[25]。根據(jù)空間位置的不同，EPS可分為松散結(jié)合型EPS（LB-EPS）和緊密結(jié)合型EPS（TB-EPS）[26]。對(duì)EPS的深入研究不僅可提高對(duì)液相中生物脫氮的認(rèn)識(shí)，而且對(duì)通過(guò)優(yōu)化操作參數(shù)來(lái)提高本研究系統(tǒng)煙氣脫硝的效率具有重要意義。

基于上述研究背景，對(duì)本研究脫硝系統(tǒng)在不同氧氣體積分?jǐn)?shù)（0、3%、5%、8%和10%）下運(yùn)行階段末期微生物產(chǎn)生的LB-EPS 和TB-EPS 含量進(jìn)行了檢測(cè)，結(jié)果如圖4 所示。結(jié)果表明，微生物EPS 含量與煙氣中包含的氧氣體積分?jǐn)?shù)密切相關(guān)，LB-EPS 和TB-EPS 含量隨著氧氣體積分?jǐn)?shù)的增加都呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，且都在氧氣體積分?jǐn)?shù)為5%時(shí)達(dá)到最大值。不同氧氣體積分?jǐn)?shù)下，微生物群落產(chǎn)生的LB-EPS含量普遍高于TB-EPS含量。LB-EPS 具有黏附作用，可以增強(qiáng)細(xì)胞聚集過(guò)程。TB-EPS 具有一定的絮凝作用。微生物產(chǎn)生的EPS組分中LB-EPS占主要部分，這說(shuō)明在外界不斷升高的氧環(huán)境下，微生物細(xì)胞可能是通過(guò)聚集來(lái)抵御外界的惡劣環(huán)境，使細(xì)胞保持活性，進(jìn)而使系統(tǒng)在高氧環(huán)境下繼續(xù)維持高效的脫硝效率。此外，LBEPS含量的增加使細(xì)菌的黏附作用增強(qiáng)，這可能在一定程度上也增強(qiáng)了微生物對(duì)氣相中NOx的吸附作用。圖4(a)顯示，在氧氣體積分?jǐn)?shù)由0 逐漸增加至5%的過(guò)程中，LB-EPS中PN/PS的比值由1.72上升到2.18，表明氧氣體積分?jǐn)?shù)的增加更容易引起LBEPS 中PN 含量的變化，導(dǎo)致PN 的含量顯著增加。造成這一現(xiàn)象的原因可能是因?yàn)槊鎸?duì)氧氣體積分?jǐn)?shù)升高的惡劣環(huán)境，微生物在未適應(yīng)之前，通過(guò)分泌更多的PN 來(lái)提高細(xì)胞的抵抗能力，保護(hù)細(xì)胞免受惡劣環(huán)境的侵害。隨著氧氣體積分?jǐn)?shù)從0 增加至5%，而TB-EPS 中PN/PS 的比值從1.21 降至0.706，這表明氧氣體積分?jǐn)?shù)的增加更容易引起TB-EPS中PS含量的增加[圖4(b)]。PS分子中含有較多的極性基團(tuán)，其與水分子結(jié)合能力較強(qiáng)，PS 含量的增加可以降低細(xì)胞內(nèi)水分的流失，這在一定程度上保護(hù)了細(xì)胞的活性。在氧氣體積分?jǐn)?shù)達(dá)到8%和10%的條件下，LB-EPS 和TB-EPS 含量減少的原因一方面可能是因?yàn)槲⑸镏饾u適應(yīng)了高氧環(huán)境導(dǎo)致自身分泌物減少，另一方面可能是因?yàn)榧?xì)胞的解體減少，因?yàn)榧?xì)胞解體也會(huì)釋放部分PN和PS。

圖4 不同氧氣體積分?jǐn)?shù)運(yùn)行階段末期的LB-EPS和TB-EPS成分含量

綜上所述，微生物分泌物EPS的含量及組分與微生物的活性密切相關(guān)，EPS含量較多時(shí)能較好地保護(hù)細(xì)胞免受惡劣環(huán)境的侵害，使細(xì)胞維持正常的新陳代謝活動(dòng)。而細(xì)胞的正常代謝確保了具有反硝化功能的微生物能夠正常高效地完成脫氮過(guò)程，進(jìn)而保證了煙氣中NOx的高效去除。

2.4 不同氧氣體積分?jǐn)?shù)對(duì)微生物群落結(jié)構(gòu)的影響

2.4.1 微生物群落的多樣性和豐富性

通過(guò)高通量測(cè)序?qū)Σ煌鯕怏w積分?jǐn)?shù)下收集的微生物樣本S1、S2、S3、S4 和S5 的群落結(jié)構(gòu)進(jìn)行評(píng)價(jià)。Alpha多樣性通常使用Chao1、ACE、Shannon和Simpson 指數(shù)計(jì)算。當(dāng)前三項(xiàng)指標(biāo)較大或后一項(xiàng)指標(biāo)較小時(shí)，則認(rèn)為樣本中的物種相對(duì)豐富。其中Chao1 和ACE 指數(shù)用來(lái)估計(jì)微生物群落中包含的OTU數(shù)目，Chao1和ACE指數(shù)值越大，表明微生物群落的豐富度越高。Shannon和Simpson指數(shù)用來(lái)估算樣品中微生物的多樣性，Shannon 指數(shù)值越大或者Simpson指數(shù)值越小，代表物種的多樣性越高。

表2 中Coverage 指數(shù)表明，5 個(gè)樣本的細(xì)菌基因庫(kù)覆蓋率均為100%，說(shuō)明各個(gè)樣本中大部分微生物都已被檢測(cè)到，測(cè)序結(jié)果具有較高的可信度。隨著氧氣體積分?jǐn)?shù)的升高，樣本表面微生物的Chao1 和ACE 指數(shù)逐漸升高（即S5>S4>S3>S2>S1）。這說(shuō)明隨著氧氣體積分?jǐn)?shù)的升高，物種的豐富度也逐漸升高。根據(jù)表2中Shannon和Simpson指數(shù)值變化趨勢(shì)可知，在氧氣體積分?jǐn)?shù)逐漸增加到8%的過(guò)程中，微生物多樣性呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，表明適應(yīng)高氧環(huán)境的微生物種類逐漸增多。此外，韋恩圖分析表明S1～S5樣本中產(chǎn)生的OTU數(shù)量為227～630，在氧氣體積分?jǐn)?shù)為10%的樣本中包含的OTU 數(shù)最多。而且S1～S5 樣本間有57 個(gè)OTU數(shù)是共享的，說(shuō)明不同氧氣體積分?jǐn)?shù)樣本的微生物群落結(jié)構(gòu)具有顯著的相似性。

表2 S1、S2、S3、S4和S5樣本的Alpha多樣性指數(shù)

2.4.2 微生物群落的組成和變化

圖5顯示了不同氧氣體積分?jǐn)?shù)樣本中微生物群落結(jié)構(gòu)在門、類和屬水平的相對(duì)豐度分布情況。在門水平上[圖5(a)]，Proteobacteria是所有樣本中最豐富的門（55.0%～85.7%），其次是Firmicutes（1.57%～33.0%）和Bacteroidetes（2.14%～11.0%）。這些優(yōu)勢(shì)菌門被發(fā)現(xiàn)有助于去除污染物，特別是在廢水處理中[27-31]。但這些優(yōu)勢(shì)菌門的豐度隨氧氣體積分?jǐn)?shù)的升高變化明顯，優(yōu)勢(shì)Proteobacteria菌門豐度隨氧氣體積分?jǐn)?shù)的升高呈現(xiàn)先增后減的趨勢(shì)，這種變化趨勢(shì)與Sun 等[32]的研究結(jié)果相一致。而隨著煙氣中氧氣體積分?jǐn)?shù)的升高，F(xiàn)irmicutes豐度則逐漸減小，這可能與Firmicutes菌是典型的厭氧反硝化細(xì)菌相關(guān)，F(xiàn)irmicutes菌普遍存在于厭氧反硝化系統(tǒng)中[33-34]。當(dāng)氧氣體積分?jǐn)?shù)升高至10%時(shí)，S5樣本中優(yōu)勢(shì)菌門Bacteroidetes的豐度顯著增加。換句話說(shuō)，在本研究脫硝系統(tǒng)中，升高煙氣中氧氣體積分?jǐn)?shù)會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)優(yōu)勢(shì)菌門發(fā)生變化。

圖5 S1～S5 樣本中細(xì)菌在門、類和屬水平的分布情況的比較

在類水平上[圖5(b)]，Bacilli是S1 樣本中最占優(yōu)勢(shì)的菌類，其相對(duì)豐度達(dá)到31.4%。而在S2～S5樣本中，該菌類的相對(duì)豐度逐漸降低，最終降為S5 樣本中的1.38%。Verbaendert 等[35]的研究結(jié)果已指出Bacilli是具有反硝化能力的菌株。其次，Betaproteobacteria為S1 樣本中的第二優(yōu)勢(shì)菌類，其相對(duì)豐度為12.1%。該菌類的相對(duì)豐度在樣本中的變化趨勢(shì)與Bacilli相同，都是隨著氧氣體積分?jǐn)?shù)的升高其相對(duì)豐度呈下降趨勢(shì)。而Alphaproteobacteria的豐度則隨著氧氣體積分?jǐn)?shù)的升高呈現(xiàn)先升后降的趨勢(shì)，在氧氣體積分?jǐn)?shù)為8%的樣本（S4）中其相對(duì)豐度達(dá)到最大值42.0%，在氧氣體積分?jǐn)?shù)10%時(shí)，其相對(duì)豐度又降為17.4%。此外，Gammaproteobacteria也是S1～S5五個(gè)樣本中的主要優(yōu)勢(shì)菌類之一，其相對(duì)豐度為8.73%～19.7%。有研究報(bào)道稱，Alphaproteoba cteria和Gammaproteobacteria都屬于sub-Proteobacteria菌，都具備高效的脫氮能力[36]。五個(gè)樣本在類水平上的優(yōu)勢(shì)物種基本一致，但它們的相對(duì)豐度受氧氣體積分?jǐn)?shù)影響會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化。這種變化趨勢(shì)與之前的一項(xiàng)研究結(jié)果相似[37]，因?yàn)檠鯕怏w積分?jǐn)?shù)的變化會(huì)影響微生物的群落結(jié)構(gòu)。Zhang 等[37]研究結(jié)果表明，隨著生物濾池內(nèi)溶解氧氣體積分?jǐn)?shù)的升高，對(duì)生物濾池內(nèi)微生物的種類并未造成顯著影響，但對(duì)細(xì)菌的相對(duì)豐度有明顯的影響。

在屬水平上[圖5(c)]，S1～S5五個(gè)樣本中共檢測(cè)到48個(gè)菌屬。Chelatococcus是五個(gè)樣本間共有的優(yōu)勢(shì)菌屬，其相對(duì)豐度為4.36%～17.6%。Chelatococcus菌屬在高溫50°C 環(huán)境中仍可保持活性且具有高效的好氧反硝化能力已被廣泛報(bào)道[38-39]，并已將其應(yīng)用于煙氣脫硝研究。S1 與S2 樣本中優(yōu)勢(shì)菌屬種類沒(méi)有太大差別，主要包括Azoarcus、Taibaiella和Chelatococcus。與S1相比，S2和S3樣本中Oxalophagus菌屬的相對(duì)豐度顯著增加，由S1中的0.2%增加為S2 和S3 中的3.49%和16.3%，成為S3 樣本中最豐富的菌屬。然而，在S4和S5樣本中，Oxalophagus菌屬已基本滅絕。S4 樣本中Pannonibacter菌屬出現(xiàn)明顯積累，是該樣本中的第二優(yōu)勢(shì)菌屬，相對(duì)豐度達(dá)到12.6%。Craurococcus是第三豐富的菌屬，相對(duì)豐度為10.2%。Chelatococcus、Oxalophagus和Craurococcus菌屬的總豐度高達(dá)40.4%，除未歸類的菌屬外，它們是S4樣本中的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)菌屬。與S4相比，S5樣本中這三種菌屬的豐度明顯降低。S5 樣本中的第二優(yōu)勢(shì)菌屬變?yōu)門aibaiella，相對(duì)豐度為7.52%。在屬水平上微生物群落結(jié)構(gòu)的差異進(jìn)一步表明了氧氣體積分?jǐn)?shù)的影響。此外，不同氧氣體積分?jǐn)?shù)下微生物在屬水平的物種豐富度矩陣圖進(jìn)一步表明S1～S5五個(gè)樣本中的優(yōu)勢(shì)菌屬主要包括為Chelatococcus、Taibaiella、Craurococcus和Azomonas（圖6）。這與在屬水平上檢測(cè)到的五個(gè)樣本中包含的優(yōu)勢(shì)菌屬種類相同。

圖6 不同氧氣體積分?jǐn)?shù)下微生物在屬水平的物種豐富度矩陣

氧氣體積分?jǐn)?shù)作為影響絡(luò)合吸收耦合生物還原系統(tǒng)煙氣脫硝效果的負(fù)面因素之一已被廣泛報(bào)道[40]。而在本研究中，通過(guò)調(diào)節(jié)煙氣中NOx氧化度為50%后協(xié)同堿液吸收與生物還原作用建立了CABR煙氣脫硝系統(tǒng)。本研究脫硝系統(tǒng)建立的微生物群落結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，導(dǎo)致微生物群落具備更強(qiáng)的抗沖擊能力。因此，當(dāng)煙氣中氧氣體積分?jǐn)?shù)高達(dá)8%時(shí)，該系統(tǒng)的脫硝效率仍不受影響。而且在不同氧氣體積分?jǐn)?shù)下系統(tǒng)內(nèi)的優(yōu)勢(shì)菌屬均具備反硝化能力，本研究脫硝系統(tǒng)內(nèi)豐富的微生物群落結(jié)構(gòu)，尤其是高豐度的反硝化菌屬確保了NOx的高效去除。

3 結(jié)論

（1）本文研究了煙氣中不同氧氣體積分?jǐn)?shù)對(duì)調(diào)節(jié)NOx氧化度協(xié)同CABR 法脫硝效率及微生物群落結(jié)構(gòu)的影響。結(jié)果表明，煙氣中氧氣體積分?jǐn)?shù)為0～8%時(shí)，CABR 系統(tǒng)對(duì)NOx的去除效率保持恒定，達(dá)到99%以上。且在氧氣體積分?jǐn)?shù)增加的整個(gè)過(guò)程中，液相中不存在氮氧化物的積累。

（2）生物滴濾塔內(nèi)微生物EPS含量隨氧氣體積分?jǐn)?shù)的增加呈現(xiàn)先增后減的趨勢(shì)，在氧氣體積分?jǐn)?shù)為5%時(shí)EPS 含量最高。這是由于EPS 含量與微生物對(duì)外界惡劣環(huán)境的抵抗力密切相關(guān)。

（3）高通量測(cè)序結(jié)果表明，在不同氧氣體積分?jǐn)?shù)下Proteobacteria是系統(tǒng)內(nèi)的優(yōu)勢(shì)菌門，Chelatococcus是主要的優(yōu)勢(shì)菌屬，系統(tǒng)內(nèi)優(yōu)勢(shì)菌均為好氧反硝化菌。菌群豐度決定了系統(tǒng)的脫硝效率。