不同C/N對(duì)高氮廢水高效脫氮處理的影響*

金寶丹 劉 葉 鈕勁濤 程 懇 褚晨晨 賈宇升 杜京京 曹 霞# 戰(zhàn)香玲

(1.鄭州輕工業(yè)大學(xué)材料與化學(xué)工程學(xué)院,河南 鄭州 450001;2.河南恒安環(huán)保科技有限公司,河南 鄭州 450007;3.山東省巨野縣人民醫(yī)院,山東 菏澤 274900)

近年來(lái),伴隨城市高速發(fā)展,工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)增多,對(duì)水環(huán)境的影響增大。《2020年城鄉(xiāng)建設(shè)統(tǒng)計(jì)年鑒》顯示,全國(guó)污水排放量5 713 633.00萬(wàn)m3,主要污染物中,氨氮和總氮年排放量分別為98.40萬(wàn)、322.34萬(wàn)t。含氮污染物(如氨氮、硝酸鹽氮等)是水體黑臭和富營(yíng)養(yǎng)化的重要原因之一,對(duì)水環(huán)境安全具有一定威脅。

高氮廢水如垃圾滲濾液、養(yǎng)殖廢水具有低C/N(質(zhì)量比,0.50～1.50)和高氨氮(500～2 000 mg/L)特點(diǎn)[1]。傳統(tǒng)的硝化和反硝化工藝雖然具有較好的脫氮效果,但是對(duì)于高氮廢水需大量碳源才能實(shí)現(xiàn)高效脫氮,能耗高、副產(chǎn)物多等問(wèn)題限制了它們?cè)诟叩獜U水中的應(yīng)用[2]。與傳統(tǒng)脫氮技術(shù)相比,短程硝化反硝化技術(shù)能夠節(jié)省25%氧氣消耗,減少40%的碳源需求[3]。同步硝化反硝化能夠在低溶解氧狀態(tài)實(shí)現(xiàn)高效脫氮[4],[5]123?？梢?jiàn),基于短程硝化反硝化和同步硝化反硝化技術(shù)的工藝對(duì)于高氮廢水脫氮處理具有較好的效果。但是短程硝化反硝化和同步硝化反硝化過(guò)程受到多種因素影響,如微生物種類(lèi)、pH、C/N等[6]624。C/N是重要的影響因素之一[7]。HAO等[8]和FU等[9]的研究表明:進(jìn)水C/N可直接影響反應(yīng)系統(tǒng)中胞外聚合物(EPS)產(chǎn)生,從而改變反應(yīng)系統(tǒng)的生物結(jié)構(gòu)與形態(tài),進(jìn)而影響污染物的去除;CHEN等[10]研究發(fā)現(xiàn),進(jìn)水C/N對(duì)反應(yīng)系統(tǒng)中微生物群落結(jié)構(gòu)也有顯著影響。目前大部分高氮廢水處理研究中C/N大于1。張淼等[6]624和袁怡等[11]分別研究了C/N在2～5和2.0～3.5條件下常規(guī)含氮廢水的亞硝酸鹽氮積累特性,發(fā)現(xiàn)C/N=2.5條件下能夠?qū)崿F(xiàn)高亞硝酸鹽氮積累。朱坤等[12]探究了在C/N為9.5情況下的脫氮情況,發(fā)現(xiàn)出水中氨氮濃度優(yōu)于《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)中一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)?？梢?jiàn),大部分廢水均在碳源較充足情況下進(jìn)行脫氮處理,但是針對(duì)低C/N典型高氮廢水的脫氮過(guò)程尚未深入研究。

本研究以高氨氮和高硝酸鹽氮混合廢水為研究對(duì)象,對(duì)比不同低C/N(0.03、0.17、0.27、0.33)條件下高氮廢水處理系統(tǒng)的脫氮性能。結(jié)合處理系統(tǒng)中氨氮、硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮、EPS等理化指標(biāo),闡述系統(tǒng)污染物去除性能?；诟咄繙y(cè)序技術(shù)分析微生物群落特征和功能菌屬特點(diǎn),探究高氮廢水處理系統(tǒng)高效脫氮的可行性,為低C/N條件下處理高氮廢水提供參考。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置與接種污泥

反應(yīng)器為有效容積2 L的有機(jī)玻璃材質(zhì)反應(yīng)器。反應(yīng)溫度為25～30 ℃,pH不進(jìn)行調(diào)控,溶解氧≤0.5 mg/L。每天運(yùn)行兩個(gè)周期,每周期包括厭氧攪拌10 h(750 r/min)、靜置2 h,共運(yùn)行50 d。

接種污泥為城市污水處理廠回流污泥,將污泥用自來(lái)水洗滌3次,去除殘余的有機(jī)質(zhì)和無(wú)機(jī)質(zhì),控制懸浮污泥濃度(MLSS)為4 000～5 000 mg/L。

1.2 實(shí)驗(yàn)條件

1.2.1 不同C/N典型高氮廢水處理實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)用水采用人工配水,初始水質(zhì)指標(biāo)如下:氨氮(氯化銨配制)為(1 000±25) mg/L,硝酸鹽氮(硝酸鈉配制)為(2 000±50) mg/L。以乙酸鈉作為碳源,1～4組反應(yīng)器中的初始化學(xué)需氧量(COD)(乙酸鈉配制)質(zhì)量濃度依次為100、500、800、1 000 mg/L,實(shí)驗(yàn)過(guò)程中視情況投加乙酸鈉,控制C/N分別基本保持在0.03、0.17、0.27、0.33。

1.2.2 微量元素

為了滿足脫氮微生物對(duì)微量元素的需求,向系統(tǒng)中投加微量元素混合試劑,微量元素配方如下:7.60 mg/L CaCl2·H2O、7.00 mg/L FeCl3·6H2O、0.05 mg/L CuSO4·5H2O、0.06 mg/L MnSO4·H2O、0.09 mg/L ZnCl2、0.20 mg/L CoSO4·7H2O和0.05 mg/L Na2MoO4·2H2O。

1.3 水質(zhì)指標(biāo)測(cè)定

氨氮、亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮的測(cè)定分別采用納氏試劑分光光度法、N-(1-萘基)-乙二胺分光光度法、紫外分光光度法,COD采用快速消解分光光度法測(cè)定,MLSS、可揮發(fā)性懸浮污泥濃度(MLVSS)采用重量法測(cè)定[13],EPS采用加熱法提取[14],蛋白質(zhì)(PN)和多糖(PS)分別采用福林酚試劑法[15]和硫酸蒽酮法[16]測(cè)定。

1.4 高通量測(cè)序

在系統(tǒng)運(yùn)行至50 d時(shí),分別從4組反應(yīng)器(C/N分別為0.03、0.17、0.27、0.33)中采集污泥樣本,記為Y1、Y2、Y3、Y4,送至上海某生物醫(yī)藥科技有限公司進(jìn)行高通量測(cè)序。利用引物338F (5’-ACTCCTACGGGAGGCAGCA-3’)和806R(5’-GGACTACHVGGGTWTCTAAT-3’)在ABI GeneAmp?9700PCR 系統(tǒng)上進(jìn)行聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(PCR)擴(kuò)增;隨后將 PCR 產(chǎn)物置于 Illumina MiSeq PE300 平臺(tái)進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同C/N條件下COD去除情況

碳源是高氮廢水脫氮的重要影響因素,同時(shí)也是影響環(huán)境安全的污染物之一。COD的去除效果如圖1所示,不同C/N系統(tǒng)中COD總體呈下降趨勢(shì),且去除效果相似。C/N分別為0.03、0.17、0.27、0.33時(shí),反應(yīng)末期COD為29.36、189.05、331.24、526.24 mg/L,去除率分別為95.81%、94.60%、94.09%、92.48%。這是因?yàn)?個(gè)反應(yīng)系統(tǒng)均為低C/N系統(tǒng),系統(tǒng)中可利用碳源較少,造成電子供體不足,但是系統(tǒng)中有豐富的硝酸鹽氮和部分亞硝酸鹽氮的電子受體,使COD在脫氮的過(guò)程中得到有效去除,因此,反應(yīng)末系統(tǒng)中COD去除率相近。鄭淑玲等[17]采用短程硝化反硝化工藝處理養(yǎng)豬場(chǎng)廢水的厭氧消化液,系統(tǒng)對(duì)COD的去除率均值為81%,本實(shí)驗(yàn)結(jié)果較其處理效果更佳,預(yù)示著系統(tǒng)具有較好的脫氮效果。

2.2 不同C/N條件下脫氮情況

由圖2可知,各系統(tǒng)的總氮、氨氮、硝酸鹽氮隨反應(yīng)進(jìn)行逐漸降低,與C/N呈正相關(guān)。由圖2(a)可知,不同C/N條件下總氮去除率具有顯著差別。C/N=0.33時(shí),脫氮效果最好,總氮去除率為83.01%,C/N=0.17時(shí),總氮去除率降至55.97%?？梢?jiàn),進(jìn)水C/N對(duì)高氮廢水脫氮具有較大影響。同時(shí)周倩等[18]也研究發(fā)現(xiàn)C/N對(duì)短程硝化和同步硝化反硝化均具有顯著影響。曾薇等[19]采用A2O工藝處理生活污水,C/N均值為2.34的情況下,總氮的去除率達(dá)到75.40%,張周等[20]采用短程硝化反硝化組合工藝處理餐廚廢水,C/N約為1的情況下,總氮的去除率均值達(dá)到76.00%,與本研究結(jié)果較為接近,這說(shuō)明低C/N條件下也能夠?qū)崿F(xiàn)高效脫氮目的。

圖2 不同C/N條件下氮變化

分析圖2(b)可知,反應(yīng)前期(0～16 d),各系統(tǒng)(C/N分別為0.03、0.17、0.27、0.33)中氨氮去除率較低,這是因?yàn)樵撓到y(tǒng)運(yùn)行初期,大量的氨氮以游離氨形式存在,游離氨最大值分別達(dá)到30.52、147.70、287.36、346.55 mg/L。攪拌過(guò)程中發(fā)生游離氨逃逸,造成反應(yīng)初期氨氮濃度的降低[21]。反應(yīng)末期系統(tǒng)氨氮去除率分別達(dá)到60.80%、61.76%、77.07%、86.64%。這是因?yàn)榈腿芙庋鯘舛炔灰欢〞?huì)抑制硝化過(guò)程,當(dāng)溶解氧為0.5 mg/L時(shí),好氧型細(xì)菌的呼吸速率不會(huì)受到影響,亞硝酸鹽氧化細(xì)菌的生長(zhǎng)速率提高[22],若長(zhǎng)期控制溶解氧低于0.5 mg/L,氨氧化作用并不會(huì)受到明顯的不利影響[23]。推測(cè)反應(yīng)系統(tǒng)中可能含有適應(yīng)低溶解氧條件的氨氧化菌,使氨氮轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽氮,達(dá)到去除氨氮的目的。由圖2(c)可知,硝酸鹽氮去除率隨著C/N的升高而增大,反應(yīng)末期,系統(tǒng)(C/N分別為0.03、0.17、0.27、0.33)中硝酸鹽氮的去除率分別達(dá)到31.70%、58.79%、73.36%、89.98%,可見(jiàn),C/N對(duì)其去除有較大影響。C/N為0.27和0.33時(shí),同步硝化反硝化率分別為10.04%和56.58%。有研究發(fā)現(xiàn),溶解氧為0.35～0.80 mg/L的系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)同步硝化反硝化[5]123。由圖2(c)可知,4個(gè)系統(tǒng)出現(xiàn)明顯的亞硝酸鹽氮積累現(xiàn)象,當(dāng)C/N=0.33時(shí),系統(tǒng)中亞硝酸鹽氮的積累最多(最高為316.09 mg/L)。這與冉競(jìng)龍[24]的研究結(jié)果一致(當(dāng)C/N<0.34時(shí),外加有機(jī)碳源對(duì)亞硝酸鹽的積累有促進(jìn)作用)。在較低C/N(<3.3)條件下,亞硝酸鹽的積累效果與C/N呈正相關(guān)[25]。操沈彬[26]同樣發(fā)現(xiàn),碳源有限條件下,硝酸鹽還原酶與亞硝酸鹽還原酶競(jìng)爭(zhēng)電子,亞硝酸鹽還原酶處于劣勢(shì),造成亞硝酸鹽氮積累。

2.3 不同C/N條件下污泥性質(zhì)變化

EPS是由微生物分泌于體外的高分子物質(zhì),不僅可以保護(hù)微生物不受惡劣環(huán)境侵害,同時(shí)可以富集環(huán)境中的污染物,通過(guò)胞外酶將大分子污染物降解成小分子后吸附到細(xì)胞內(nèi)。由圖3可知,不同C/N系統(tǒng)中EPS具有一定差別,隨著C/N的增加而降低。C/N為0.03、0.17、0.27、0.33時(shí),其EPS分別為31.22、29.83、27.63、25.47 mg/g。研究發(fā)現(xiàn),EPS具有提供碳源的作用[27],這導(dǎo)致細(xì)胞分泌EPS量隨C/N增加而減少。

圖3 不同C/N條件下EPS變化

2.4 微生物菌群結(jié)構(gòu)分析

2.4.1 微生物菌群多樣性分析

由表1可知,樣品Coverage指數(shù)均在0.99以上,這表明高通量測(cè)序技術(shù)所建立的細(xì)菌文庫(kù)可覆蓋樣品中絕大多數(shù)菌群,它表征了本次測(cè)序的代表性。4組樣品中Sobs、ACE指數(shù)隨著C/N提高而降低,而OTU和Chao1指數(shù)隨著C/N的增加先提高后降低,說(shuō)明碳源濃度對(duì)于體系中的微生物種類(lèi)及豐富度影響明顯。

表1 不同污泥樣品微生物菌群多樣性指標(biāo)

2.4.2 微生物菌群結(jié)構(gòu)及功能分析

不同C/N條件下,反應(yīng)系統(tǒng)的微生物群落組成存在差異,Y1至Y4樣品中門(mén)水平主要微生物菌群包括變形桿菌門(mén)(Proteobacteria,相對(duì)豐度分別為34.21%、41.13%、35.91%、27.33%)、放線菌門(mén)(Actinobacteriota,相對(duì)豐度分別為23.62%、19.46%、15.85%、16.48%)、Deinococcota(相對(duì)豐度分別為2.20%、9.02%、27.44%、31.33%)、擬桿菌門(mén)(Bacteroidota,相對(duì)豐度分別為18.51%、10.06%、8.33%、11.59%)和綠彎菌門(mén)(Chloroflexi,相對(duì)豐度分別為14.54%、12.39%、7.62%、8.75%)。

研究發(fā)現(xiàn),變形桿菌門(mén)能降解多種有機(jī)污染物,且大部分參與脫氮的微生物都屬于變形桿菌門(mén)[28]。變形桿菌門(mén)在4個(gè)系統(tǒng)中均占據(jù)了重要地位,作為優(yōu)勢(shì)菌門(mén)保證了各系統(tǒng)的脫氮性能。研究表明,隸屬于擬桿菌門(mén)的微生物具有較好的反硝化性能[29],Deinococcota也被發(fā)現(xiàn)普遍存在部分反硝化作用,被證明是促進(jìn)反硝化作用的一個(gè)重要因素[30]。Deinococcota作為Y3和Y4樣品所在系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)菌門(mén),是實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)系統(tǒng)短程反硝化的重要保證,也是亞硝酸鹽氮積累的重要因素。部分硝化菌屬于放線菌門(mén)與綠彎菌門(mén)[31],它們可以在低溶解氧條件下生存。綠彎菌門(mén)是常見(jiàn)的兼性厭氧菌,具有較好的硝化性能,4個(gè)系統(tǒng)中較高的豐度保證了系統(tǒng)氨氮的去除和亞硝酸鹽氮的積累。

對(duì)4個(gè)系統(tǒng)屬水平的功能菌群研究發(fā)現(xiàn),特呂珀菌屬(Truepera)是Deinococcota下的典型菌屬,特呂珀菌屬的相對(duì)豐度與C/N呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系,對(duì)系統(tǒng)短程反硝化效果存在顯著影響,是Y3(相對(duì)豐度27.44%)和Y4(相對(duì)豐度31.33%)樣品所在系統(tǒng)中的主要反硝化菌屬,保證系統(tǒng)高效的脫氮效果。索氏菌屬(Thauera)、砂單胞菌屬(Arenimonas)和叢毛單胞菌屬(Comamonas)是常見(jiàn)的反硝化菌屬,其中,砂單胞菌屬在Y3(相對(duì)豐度6.44%)和Y4(相對(duì)豐度4.72%)樣品所在系統(tǒng)中富集,而叢毛單胞菌屬和索氏菌屬在Y1(相對(duì)豐度8.83%、0.57%)和Y2(相對(duì)豐度0.58%、8.44%)樣品所在系統(tǒng)富集。水微菌屬(Aquamicrobium,Y1至Y4樣品所在系統(tǒng)的相對(duì)豐度分別為0.10%、1.53%、3.33%、6.42%)隸屬于變形桿菌門(mén),各系統(tǒng)中相對(duì)豐度與氨氮去除效果趨勢(shì)相同,楊小龍等[32]研究發(fā)現(xiàn)水微菌屬在系統(tǒng)中發(fā)揮了一定的氨氧化作用從而實(shí)現(xiàn)了氨氮的去除。砂單胞菌屬(Y1至Y4樣品所在系統(tǒng)的相對(duì)豐度分別為0.03%、1.01%、6.44%、4.72%)在系統(tǒng)中的相對(duì)豐度與剩余氨氮濃度呈負(fù)相關(guān),這與王子凌等[33]的發(fā)現(xiàn)相符,高氨氮濃度環(huán)境不利于砂單胞菌屬的有效富集。微絲菌屬(Candidatusmicrothrix,Y1至Y4樣品所在系統(tǒng)的相對(duì)豐度分別為6.50%、9.66%、4.90%、4.09%)隸屬于放線桿菌門(mén),具有反硝化脫氮性能,對(duì)水體中氨氮及硝酸鹽氮具有較好的去除作用。由此可見(jiàn),特呂珀菌屬、索氏菌屬等的富集是保證低C/N高氮廢水高效脫氮的重要原因。

3 結(jié) 論

(1) 超低C/N條件下,典型高氮廢水系統(tǒng)中同時(shí)存在同步硝化反硝化和短程硝化反硝化反應(yīng),可實(shí)現(xiàn)廢水的高效脫氮,當(dāng)C/N為0.33時(shí),總氮去除率達(dá)到83.01%,使超低C/N條件下典型高氮廢水處理成為可能。

(2) 超低C/N典型高氮廢水處理系統(tǒng)大量富集變形桿菌門(mén)、放線菌門(mén)、擬桿菌門(mén)、Deinococcota、和綠彎菌門(mén),使系統(tǒng)具有高效脫氮性能。同時(shí)系統(tǒng)中豐富的反硝化菌屬(特呂珀菌屬等)保證了系統(tǒng)高效的脫氮處理效果。