無機-有機基質(zhì)配置對反硝化生物濾池脫氮除磷效能的影響機制

李亞楠，張 皓，王宇暉，宋新山，許中碩

(東華大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院, 上海 201620)

由于人類日常生活、工業(yè)與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中大量氮類物質(zhì)的排放[1],硝態(tài)氮已成為水體最普遍的污染因子之一,也是導(dǎo)致水體“N飽和”的最主要因子。據(jù)文獻[2]報道,我國71條主要河流的7.83%樣品中硝酸鹽質(zhì)量濃度均超過了國家飲用水標準,部分河流硝酸鹽質(zhì)量濃度高達90 mg/L,呈現(xiàn)硝酸鹽嚴重污染程度。除此之外,華北平原區(qū)域尺度地下水硝酸鹽超標率高達39.6%,地下水厚包氣帶硝酸鹽存儲總量可到1 854萬t[3]。由此可見,我國地表和地下水環(huán)境硝態(tài)氮污染的形勢均較為嚴峻。過高濃度的硝態(tài)氮將會加劇水體富營養(yǎng)化的程度[4],甚至增加飲用水安全隱患,從而威脅人類健康[5]。因此,水體硝態(tài)氮污染的控制和治理刻不容緩且具有重要的現(xiàn)實意義。

因此,本文分別以火山巖-PHBV、黃鐵礦-PHBV為基質(zhì)構(gòu)建生物濾池系統(tǒng)R1和R2,考察不同氮負荷條件下系統(tǒng)間脫氮除磷的效果差異,并進一步探究系統(tǒng)間微生物群落結(jié)構(gòu)特征以揭示基質(zhì)配置對處理效能的影響機制。本研究旨在為生物濾池填料的優(yōu)化配置提供新思路,為開發(fā)高效同步脫氮除磷的生物濾池系統(tǒng)提供新策略。

1 材料與方法

1.1 反硝化生物濾池構(gòu)建

1.1.1 材料與裝置

有機基質(zhì)為PHBV圓柱形顆粒,購自寧波天安生物材料有限公司,其物理性質(zhì):直徑約為8 mm;高度約為2 cm;干質(zhì)量約為0.92 g/粒;比表面積約為16.4 cm2/g。

無機基質(zhì):(1)火山巖,粒徑為5～8 mm,孔隙率可達80%左右,含鐵、硅、鋁等元素;(2)黃鐵礦,粒徑為5～8 mm,試驗所用黃鐵礦經(jīng)X射線衍射(XRD)分析,結(jié)果如圖1所示。根據(jù)XRD特征圖譜,確定受試黃鐵礦的主要成分是FeS2,并含有SiO2成分。

圖1 黃鐵礦XRD特征圖Fig.1 XRD characteristic map of pyrite

試驗用污泥取自上海松江污水處理廠二沉池,初始接種污泥質(zhì)量濃度為3 500 mg/L。

本研究構(gòu)建的上流式反硝化生物濾池如圖2所示。反應(yīng)器的柱體材質(zhì)為硬聚氯乙烯,工作容積為1.54 L(內(nèi)直徑為7 cm,高為40 cm),其中,基質(zhì)填充高度為34 cm。R1系統(tǒng)中基質(zhì)填充從上往下依次為5 cm石英砂(直徑為2～4 mm)、29 cm PHBV(質(zhì)量為350 g,直徑為7～9 mm)與火山巖(直徑為5～8 mm)的混合物,實際有效過水體積約為530 mL。R2系統(tǒng)中基質(zhì)填充從上往下依次為5 cm石英砂(直徑為2～4 mm)、29 cm PHBV(質(zhì)量為350 g,直徑為7～9 mm)與黃鐵礦(直徑為1～6 mm)的混合物,實際有效過水體積約為480 mL。

圖2 反硝化生物濾池示意圖Fig.2 Schematic diagram of denitrification biological filter column

1.1.2 運行條件

1.2 磷酸鹽去除小試

1.3 測定指標與方法

1.3.1 水質(zhì)指標的測定

1.3.2 微生物多樣性的測定

系統(tǒng)運行末端,在兩個反硝化生物濾池中分別取無機基質(zhì)與有機基質(zhì)兩種微生物樣品。其中:在R1系統(tǒng)中取得的火山巖和PHBV樣品分別命名為a1和a2;在R2系統(tǒng)中取得的黃鐵礦和PHBV樣品分別命名為b1和b2。經(jīng)DNA提取盒操作后,采用NanoDrop 2000型分光光度計測定DNA的濃度和純度,然后使用338F(5′-ACTCCTACGGGAGGCAGCAG-3′)和806R(5′-GGACTACHVGGGTWTCTAAT-3′)對16 S rRNA基因的V3-V4區(qū)進行PCR(polymerase chain reaction)擴增,最后利用Illumina MiSeq PE300完成測序(上海美吉生物醫(yī)藥科技有限公司)。

2 結(jié)果與討論

2.1 生物濾池出水物理指標變化

系統(tǒng)進出水的物理指標如圖3所示。由圖3(a)可知:在運行過程中,兩個反硝化生物濾池進水DO的平均質(zhì)量濃度為8.39～10.79 mg/L,整體呈逐步下降的趨勢,這主要是運行溫度影響的結(jié)果(見圖3(d));兩個反硝化生物濾池的階段Ⅰ與階段Ⅱ出水DO質(zhì)量濃度變化趨勢基本保持一致,為3.94～8.60 mg/L,但階段Ⅲ中R1系統(tǒng)出水的DO質(zhì)量濃度低于R2系統(tǒng),說明HRT的延長增大了R1系統(tǒng)DO的消耗量。由圖3(b)可知:系統(tǒng)進水pH值相對穩(wěn)定,波動值為7.39～8.52;R1和R2系統(tǒng)在整個試驗運行階段pH值基本一致,出水pH值分別為7.61±0.53和7.54±0.54。Ma等[21]研究表明,反硝化反應(yīng)最適宜的pH值為6.00～8.00,當(dāng)pH值處于7.00～7.50時,反硝化脫氮速率最高。由此可知,本文系統(tǒng)pH值適宜反硝化反應(yīng)的順利進行。由圖3(c)可知,整個運行階段,進水ORP稍有波動,平均值基本維持在200 mV左右。據(jù)Liu等[22]報道,在黃鐵礦自養(yǎng)反硝化情況下,黃鐵礦轉(zhuǎn)化為生物可利用形式的電化學(xué)閾值為200 mV。因此,進水的ORP可以為R2系統(tǒng)發(fā)生以黃鐵礦為電子供體的自養(yǎng)反硝化反應(yīng)提供一定有利條件。整體而言,R1與R2系統(tǒng)出水的ORP均明顯低于進水,這與Ge等[23]的試驗結(jié)果一致。據(jù)文獻[24]報道,影響ORP的因素很多,主要包括DO質(zhì)量濃度、pH值,有機物、鐵的種類和濃度,以及微生物的群落結(jié)構(gòu)/活性等。

圖3 反硝化生物濾池進出水DO、pH、ORP和溫度的變化Fig.3 Changes in DO,pH,ORP and temperature of the inlet and outlet water of denitrification biofilters

2.2 硝酸鹽氮去除性能

圖4 反硝化生物濾池脫氮性能的差異Fig.4 Differences in nitrogen removal performance of denitrification biofilters

2.3 磷酸鹽去除性能

2.3.1 磷酸鹽去除效果

圖5 反硝化生物濾池除磷性能的差異Fig.5 Differences in phosphorus removal performance of denitrification biofilters

表1 反硝化生物濾池在試驗的3個階段中的去除率

4Fe(OH)3+16H+

(1)

2.3.2 磷酸鹽吸附沉淀試驗

圖6 不同DO質(zhì)量濃度條件下火山巖和黃鐵礦除磷性能的差異Fig.6 Differences in phosphorus removal performance of volcanic rock and pyrite under different DO mass concentrations

3 微生物群落結(jié)構(gòu)特征

兩個反硝化生物濾池在門水平和綱水平上的微生物的組成及其相對豐富度,如圖7所示。

由圖7(a)可知,兩反硝化生物濾池的優(yōu)勢門均為Proteobacteria(變形菌門)、Firmicutes(厚壁菌門)和Bacteroidota(擬桿菌門)。其中,樣品a1、a2、b1以及b2中優(yōu)勢門的相對豐富度如表2所示。由表2可知,與R1系統(tǒng)相比,R2系統(tǒng)中Proteobacteria和Firmicutes相對豐富度顯著增加,但是Bacteroidota的相對豐富度有所減小。文獻[32]研究表明,Proteobacteria、Firmicutes和Bacteroidota是PHBV脫氮系統(tǒng)的優(yōu)勢門。其中,Proteobacteria是固相碳源(如PHBV、PCL(聚己內(nèi)酯)和PBS(聚丁二酸丁二醇酯)等)反硝化脫氮系統(tǒng)中的最優(yōu)勢門,多數(shù)反硝化菌屬歸屬于Proteobacteria[33-35],Firmicutes和Bacteroidota則通常與有機物的水解、發(fā)酵以及產(chǎn)酸過程有關(guān)[36-37]。

進一步地分析,由圖7(b)可知,兩個反硝化生物濾池在綱水平上主要包括Gammaproteobacteria(γ變形菌綱)、Negativicutes(厚壁菌綱)、Bacteroidia(擬桿菌綱)、Alphaproteobacteria(α變形菌綱)和Clostridia(梭菌綱)。其中,Gammaproteobacteria均為R1與R2系統(tǒng)的最優(yōu)勢綱,其在a1、a2、b1以及b2樣品上的相對豐富度分別為37.5%、26.5%、44.2%和45.8%。文獻[38]研究表明,Gammaproteobacteria普遍存在于營養(yǎng)受限的異生環(huán)境中,并表現(xiàn)出降解和轉(zhuǎn)化可利用有機物的本能,同時,Gammaproteobacteria可分泌胞外聚合物,這使得它比其他細菌更具選擇性地黏附在膜表面[39]。然而,據(jù)文獻[32]報道,PHBV反硝化生物濾池除了含有豐富的Gammaproteobacteria外,其最優(yōu)勢綱一般為Betaproteobacteria,由此說明無機基質(zhì)改變了系統(tǒng)的微生物群落結(jié)構(gòu)。

兩個反硝化生物濾池中屬水平上的微生物組成及其相對豐富度如圖8所示。Simplicispira和Dechloromonas是生物廢水中常見的異養(yǎng)反硝化細菌[40],其中Dechloromonas是PHBV反硝化系統(tǒng)中常見的反硝化菌屬之一[16]。Zoogloea是市政污水處理廠活性污泥脫氮系統(tǒng)中最豐富的反硝化菌屬之一[41-42];Hydrogenophaga和Flavobacterium可以完成完整的反硝化過程[43];Acidovorax、Lysobacter以及Thermomonas屬于典型的異養(yǎng)反硝化菌屬[44-45]。由圖8可知,4個樣品的微生物群落結(jié)構(gòu)特征存在顯著差異。其中:a1樣品中的反硝化細菌主要包括Simplicispira(6.8%)、Dechloromonas(6.2%)和Acidovorax(3.5%);a2樣品中的反硝化細菌主要包括Simplicispira(4.8%)、Dechloromonas(5.0%)、Telmatospirillum(9.0%)和Acidovorax(3.1%);b1樣品中的反硝化細菌主要包括Simplicispira(10.3%)、Dechloromonas(7.2%)、Thermomonas(3.4%)、Zoogloea(4.8%)和Hydrogenophaga(1.7%);b2樣品中的反硝化細菌主要包括Simplicispira(9.2%)、Dechloromonas(5.5%)、Thermomonas(4.1%)、Zoogloea(3.3%)和Flavobacterium(2.4%)?？傮w而言,兩個反硝化生物濾池中優(yōu)勢反硝化菌屬均為Simplicispira和Dechloromonas,且它們在R2系統(tǒng)中的相對豐富度高于R1系統(tǒng)。除此之外,a1、a2、b1以及b2樣品中反硝化細菌的相對豐富度之和分別為21.9%、23.2%、30.1%和25.8%,說明黃鐵礦可以促進系統(tǒng)反硝化菌屬的優(yōu)勢形成。

圖7 反硝化生物濾池中門水平和綱水平上微生物的組成及其相對豐富度Fig.7 Composition and relative abundance of microorganisms at the phylum level and the class level in denitrification biofilters

表2 反硝化生物濾池中門水平上優(yōu)勢微生物的相對豐富度

圖8 反硝化生物濾池中屬水平上微生物的組成及其相對豐富度Fig.8 Composition and relative abundance of microorganisms at the genus level in denitrification biofilters

4 結(jié) 論

(3)高通量測序結(jié)果表明,兩系統(tǒng)的優(yōu)勢菌門和綱均為Proteobacteria和Gammaproteobacteria。優(yōu)勢反硝化菌屬均為Simplicispira與Dechloromonas,兩者在R2系統(tǒng)中的相對豐富度高于R1系統(tǒng),說明黃鐵礦可以促進系統(tǒng)反硝化菌屬的優(yōu)勢形成。