低氮濃度下的硫自養(yǎng)反硝化深度脫氮研究

何雪， 孔韡， 陳明月， 汪炎

（東華工程科技股份有限公司， 合肥 230024）

外源氮營養(yǎng)鹽的輸入， 尤其是污水處理廠尾水的排放， 是引起湖泊氮負荷急劇增加并造成富營養(yǎng)化的主要原因之一［1］。 近年來， 國家對城鎮(zhèn)污水處理廠出水總氮（TN）不斷推出更嚴格的標準， 尤其是水體敏感地區(qū)如太湖流域、 巢湖流域等， 相繼將TN 排放標準調(diào)整至10 mg／L； 昆明市甚至將TN的排放限值定為5 mg／L［2－3］。 污水處理廠深度脫氮一方面可以滿足國家和地方排放標準的提升要求，保障受納水體水環(huán)境功能和水生態(tài)系統(tǒng)安全； 另一方面也是完成區(qū)域、 流域水環(huán)境質(zhì)量提升目標任務和綠水青山生態(tài)環(huán)境建設任務的可行途徑之一［4］。

傳統(tǒng)的異養(yǎng)反硝化脫氮工藝已廣泛應用于污水處理廠深度處理及提標改造， 但有機碳源的投加和較高的污泥產(chǎn)量增加了運行成本和二次污染的風險［5］。 硫自養(yǎng)反硝化作為自養(yǎng)反硝化的代表工藝， 具有無須投加有機碳源、 無二次污染、 產(chǎn)泥量低、 綠色低碳的優(yōu)勢， 從而成為脫氮領域的研究熱點［6－8］。 在已報道的硫自養(yǎng)反硝化脫氮研究中， 為保證提供足夠的氮源給硫自養(yǎng)微生物， 通常試驗進水TN 濃度較高， 停留時間較長。 然而實際市政污水處理廠二級出水的氮濃度普遍較低， 因此， 研究硫自養(yǎng)反硝化脫氮工藝在低濃度含氮進水下的空床停留時間、 脫氮效果及脫氮微生物的生長情況， 對硫自養(yǎng)反硝化工藝在市政污水深度脫氮領域的實際工程應用更具有參考意義。

本研究采用特殊硫自養(yǎng)填料構建硫自養(yǎng)反硝化反應器， 以污水處理廠二級出水為對象， 考察硫自養(yǎng)反硝化工藝對于低濃度含氮污水的適用性， 并以污水處理廠尾水為對象進一步探索硫自養(yǎng)反硝化技術應用在流域治理領域極限脫氮的潛力， 為綠色低碳的深度脫氮技術的實際應用提供技術支持， 并為前瞻性的極限脫氮技術提供新的思路。

1 材料與方法

1.1 試驗裝置

試驗裝置示意如圖1 所示。 試驗裝置主體為亞克力板材圓柱形反應器， 反應器形式為升流式連續(xù)流， 每個反應系統(tǒng)均由進水箱、 進水蠕動泵、 圓柱形反應器、 出水箱組成。 反應器有效容積為150 mL， 直徑為4 cm， 高度為12 cm， 填料填充高度為10 cm， 填充體積約為125 mL。 本試驗共設2 組反應裝置， ECC 組和WS 組的進水分別為污水處理廠二沉池出水和尾水。

圖1 試驗裝置示意Fig.1 Test device

1.2 試驗原水

試驗原水取自合肥市某市政污水處理廠， 主要工藝流程為： 粗格柵→細格柵→A2O 生物反應池→二沉池→高效沉淀池→反硝化濾池→消毒池。 分別取二沉池出水與尾水作為試驗原水， 主要的水質(zhì)指標平均值見表1。

表1 試驗進水水質(zhì)指標Tab.1 Influent water quality of experiment

1.3 試驗材料

試驗所用硫自養(yǎng)填料的主要成分為硫鐵礦、 硫磺、 石灰石、 雞蛋殼和扇貝殼等， 主要組成元素為C、 Ca、 S 和Fe， 相應的占比分別為66.0%、 29.2%、4.0%和0.8%。 接種污泥取自合肥市某市政污水處理廠二沉池污泥， 污泥濃度約為8 000 mg／L。

1.4 試驗方法

將填料與接種污泥按2 ∶1 的體積比混合均勻后加入反應器內(nèi)， 浸泡2 d 后排除浮泥， 注滿50 mg／L 高濃度硝酸鉀溶液， 3 d 后開始連續(xù)進水， 進水為20 mg／L 硝酸鉀溶液， 運行初期空床停留時間（HRT）為2 h， 當TN 去除率超過60%， 同時觀察到填料顆粒表面附著有灰褐色污泥絮體， 并產(chǎn)生許多細小氣泡時， 可以認為反應器掛膜成功。

反應器掛膜成功后開始通入實際污水， 試驗均在常溫下進行， 控制進水DO 的質(zhì)量濃度在0.5 mg／L 以下。 在進水分別為二沉池出水與尾水的情況下， 考察HRT 對2 組反應器脫氮效果的影響，為保證系統(tǒng)穩(wěn)定逐步縮短2 組反應器HRT， 每隔5 d 調(diào)整1 次各反應器HRT， 確定2 組反應器最佳HRT。 試驗期間每隔24 h 取水樣進行檢測分析。

1.5 分析方法

水樣采集后立即用0.22 μm 水系濾膜過濾。TN 采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法測定，采用分光光度法測定， pH 值采用便攜式pH 計測定， DO 采用便攜式溶解氧測定儀測定，TP 采用鉬酸銨分光光度法測定。

微生物群落結(jié)構分析采用16S rRNA 高通量基因測序分子生物學技術進行。 反應器穩(wěn)定運行期間， 從反應器中取一定體積的填料表面生物膜樣品進行MiSeq 高通量測序。

2 結(jié)果與討論

2.1 HRT 對脫氮效果的影響

HRT 是影響反應器脫氮效果的重要因素之一，同時也決定了工藝運行成本的高低， 在保證出水達標的前提下， 縮短HRT 可節(jié)約一定的經(jīng)濟成本［9］。對于市政污水處理廠二沉池出水， 分別考察了HRT為60、 30、 20、 15、 10 min 條件下的脫氮效果，結(jié)果如圖2 所示。

圖2 HRT 對二沉池出水脫氮效果的影響Fig.2 Effect of HRT on nitrogen removal efficiency of secondary sedimentation tank effluent water

從圖2 可以看出， 運行期間進水TN 質(zhì)量濃度在10 mg／L 左右， 當HRT 從60 min 逐漸降至15 min 時， TN 平均去除率在66% 左右， 出水TN 平均質(zhì)量濃度為3.67 mg／L； 當HRT 進一步降低至10 min 時， 出水TN 濃度波動較大， TN 平均去除率降至53% 左右， 主要原因是HRT 的降低導致反硝化過程不徹底， 降低了反硝化效率。 因此， 在HRT 為15 min 的條件下， 出水TN 質(zhì)量濃度穩(wěn)定低于5 mg／L， 達到昆明市地方標準DB5301／T 43—2020 中A 級標準。

對于市政污水處理廠尾水， 分別考察了HRT為60、 30、 20、 15 min 條件下的脫氮效果， 結(jié)果如圖3 所示。 從圖3 可以看出， 運行期間進水TN質(zhì)量濃度在5 mg／L 以上， 當HRT 從60 min 逐漸降至20 min 時， TN 平均去除率為88%， 出水TN平均質(zhì)量濃度為0.78 mg／L； 將HRT 進一步降低至15 min， 出水TN 質(zhì)量濃度明顯升高， TN 平均去除率降至73%。 因此， 在HRT 為20 min 的條件下，出水TN 質(zhì)量濃度穩(wěn)定低于1 mg／L， 達到GB 3838—2002 中Ⅲ類水標準。

圖3 HRT 對尾水脫氮效果的影響Fig.3 Effect of HRT on nitrogen removal efficiency of tail water

2.2 進出水pH 值變化

研究表明， 脫氮硫桿菌的適宜pH 值范圍為6 ～9， 當進水pH 值過高或過低時， 脫氮硫桿菌的活性均會受到抑制［10］。 而硫自養(yǎng)反硝化過程是一個消耗堿度的反應過程， 可能會導致出水pH 值降低［11］。分別監(jiān)測ECC 組和WS 組反應器穩(wěn)定運行期間的進出水pH 值， 結(jié)果如圖4 所示。 從圖4 可以看出， 出水pH 值均在6.5 ～8.5 之間， 沒有明顯降低， 說明在該脫氮負荷下， 試驗所用填料中含有的堿性成分可以有效中和硫自養(yǎng)反硝化過程產(chǎn)生的酸， 從而有助于維持反應體系酸堿度的穩(wěn)定。

圖4 反應器進出水pH 值變化Fig.4 Variation of influent and effluent pH value along with time

圖5 出水 積累量Fig.5 Accumulation of in effluent water

2.4 反沖洗恢復時間

反應器運行一段時間后， 填料上附著的生物膜不斷增加并在脫落后滯留在填料層中導致出現(xiàn)短流， 從而降低反應器處理效率， 因此需要及時進行反沖洗以維持反應器的正常運行［13］。 反應器穩(wěn)定運行階段每7 ～10 d 進行1 次反沖洗， 試驗中采用水反沖洗， 沖洗強度為5 L／（m2·s）， 反沖洗時間為8 min。 2 組反應器反沖洗后的恢復情況如圖6 所示。

圖6 2 組反應器反沖洗后的恢復情況Fig.6 Recovery situation of two reactors after backwash

由圖6（a）可知， ECC 組反應器正常運行的TN去除率在66% 左右， 系統(tǒng)運行一段時間后， 反沖洗前TN 去除率約為49%， 反沖洗4 h 后反應器即可恢復至反沖洗前的脫氮效果， TN 去除率穩(wěn)定在68%左右， 相比于反沖洗前提升了約40%。

由圖6（b）可知， WS 組反應器正常運行的TN去除率在85% 左右， 系統(tǒng)運行一段時間后， 反沖洗前TN 去除率約為82%， 反沖洗24 h 后反應器即可恢復至反沖洗前的脫氮效果， TN 去除率穩(wěn)定在85%以上， 相比于反沖洗前也有小幅提升。

反沖洗后初期TN 去除率先有所降低， 然后逐漸回升， 主要原因是高速水流反沖洗將填料表面部分自養(yǎng)反硝化微生物帶走， 系統(tǒng)內(nèi)生物量減少， 同時自養(yǎng)反硝化微生物生長繁殖速度較為緩慢， 因此， 系統(tǒng)需要一定的時間恢復正常脫氮水平［14］。 總體而言， 本試驗中系統(tǒng)在反沖后能于較短時間內(nèi)恢復脫氮性能。 劉寶峰等［15］采用氣水聯(lián)合反洗方式對硫自養(yǎng)反硝化濾池進行反沖洗， 結(jié)果表明反沖洗后需要1 ～2 d 才能恢復至反沖洗前的脫氮效果。

2.5 微生物群落結(jié)構分析

填料表面微生物在門水平上相對豐度最高的前5 種微生物如圖7 所示。 從圖7 可以看出， 2 組反應器中的微生物在門水平上占比較多的均為變形菌門（Proteobacteria）、 擬桿菌門（Bacteroidota）、 彎曲桿菌門（Campylobacterota）、 脫硫桿菌門（Desulfobacterota）、綠彎菌門（Chloroflexi）等， 其中ECC 組的相對豐度分別為62.7%、 13.3%、 10.8%、 8.1% 和3.1%， WS組的相對豐度分別為59.3%、 8.0%、 6.3%、 23.1%和0.1%。 2 組反應器中微生物均以Proteobacteria 為主，研究表明， 變形菌門是反硝化系統(tǒng)中最常見的菌門， 其中大部分微生物具有反硝化作用， 這也解釋了系統(tǒng)能夠高效脫氮的原因［16］。 另外， 占比較高的Bacteroidota 中部分微生物具有降解高分子化合物（纖維素、 蛋白質(zhì)和脂類等）為簡單有機物， 以及還原的能力， 說明反應器中可能存在異養(yǎng)反硝化菌利用污泥中的內(nèi)碳源進行協(xié)同反硝化［17］。

圖7 門水平微生物群落結(jié)構Fig.7 Microbial community structure at phylum level

進一步在屬水平上對各樣品中相對豐度排名前5 的微生物群落進行分類， 結(jié)果如圖8 所示。 從圖8 可以看出， 2 組反應器中的主要共性菌屬包括脫氮硫桿菌（Thiobacillus）、 硫單胞菌（Sulfurimonas）、硫針菌（Sulfuritalea）、 脫硫菌（Desulfocapsa）、 克勞斯氏菌（Cloacibacterium）等， 其中ECC 組的相對豐度分別為10.2%、 9.7%、 7.9%、 7.4% 和7.1%， WS組的相對豐度分別為5.3%、 5.4%、 6.3%、 21.5%和3.2%。 具有反硝化功能的優(yōu)勢細菌有Thiobacillus和Sulfurimonas 等， Thiobacillus 屬于專性化能自養(yǎng)菌， 在厭氧環(huán)境中， 它們可以使用S0、 S2－、等多種還原性硫化物作為電子供體， 將還原為N2， 是具有代表性的硫自養(yǎng)反硝化菌屬［18－19］；Sulfurimonas 是和Thiobacillus 類似的常見的具有反硝化功能的化能自養(yǎng)菌， 可以利用硫作為電子供體、作為電子受體進行反硝化［20］。 除了硫自養(yǎng)反硝化菌之外， 2 組反應器中Desulfocapsa 的相對豐度也相當高， 可以利用CO2等無機物作為碳源將還原成硫化物， 在一定程度上降低出水中的濃度［21］。

圖8 屬水平微生物群落結(jié)構Fig.8 Microbial community structure at genus level

從圖8 可以發(fā)現(xiàn)， WS 組反應器中硫自養(yǎng)反硝化菌屬的相對豐度低于ECC 組， 分析其原因是尾水中TN 濃度比二沉池出水更低， 無法給這些反硝化功能菌提供足夠的營養(yǎng)， 說明在低濃度含氮進水下由于營養(yǎng)不足反硝化功能菌難以成為絕對優(yōu)勢菌屬。 值得注意的是， WS 組反應器中Desulfocapsa相對豐度更高， 說明該系統(tǒng)硫酸鹽還原反應更明顯。 有研究表明，既可以通過硫還原菌直接還原為HS－， 又可以先轉(zhuǎn)化為有機硫化合物， 再被其他厭氧微生物降解為HS－［22］， 因此， 需要考慮低濃度含氮進水下硫自養(yǎng)系統(tǒng)的H2S 尾氣處理。

3 結(jié)論

（1） 對于市政污水處理廠的二沉池出水， 在硫自養(yǎng)反硝化反應器HRT 為15 min， DO 質(zhì)量濃度小于0.5 mg／L 的運行條件下， TN 濃度可由10 mg／L 左右穩(wěn)定降至5 mg／L 以下， 出水TN 濃度可以達到昆明市地方標準DB5301／T 43—2020 中A 級標準。

（2） 對于市政污水處理廠的尾水， 在硫自養(yǎng)反硝化反應器HRT 為20 min， DO 質(zhì)量濃度小于0.5 mg／L 的運行條件下， TN 質(zhì)量濃度可由6 mg／L 左右穩(wěn)定降至1 mg／L 以下， 出水TN 濃度可達到GB 3838—2002 中Ⅲ類水標準。

（3） 硫自養(yǎng)反應器中的微生物在門水平下的優(yōu)勢菌種為Proteobacteria（變形菌門）， 在屬水平下具有反硝化功能的優(yōu)勢菌種為Thiobacillus（脫氮硫桿菌）和Sulfurimonas（硫單胞菌）； 二沉池出水硫自養(yǎng)反硝化反應系統(tǒng)中的硫自養(yǎng)反硝化菌的相對豐度高于尾水硫自養(yǎng)反硝化反應系統(tǒng)。