硫铁填料和微电流强化再生水脱氮除磷的研究

徐忠强,郝瑞霞,徐鹏程,张 娅 (北京工业大学,北京市水质科学与水环境恢复工程重点实验室,北京 100124)



硫铁填料和微电流强化再生水脱氮除磷的研究

徐忠强,郝瑞霞*,徐鹏程,张 娅 (北京工业大学,北京市水质科学与水环境恢复工程重点实验室,北京 100124)

摘要：为提高再生水质量,在不同C/N和HRT条件下,对比分析硫铁复合填料和微电流作用强化再生水深度脱氮除磷效果.结果表明,硫铁复合填料和微电流作用均能够强化氮、磷的深度去除效果,且二者结合能够使反硝化系统pH值稳定在7.2～8.5之间.系统中TN主要靠异养反硝化、氢自养反硝化和硫自养反硝化作用去除,94.04％的TP是以生成磷酸铁沉淀的形式去除.分别从填料上取生物膜,进行Miseq高通量测序,构建细菌16S rRNA基因克隆文库.结果发现,在仅有海绵铁作用系统中,同时具有异养反硝化和氢自养反硝化功能的细菌所占比例达到29.47％;硫铁复合填料和硫铁微电流作用系统中,具有硫自养反硝化功能的Thiobacillus(硫杆菌属)所占比例分别达到60.47％和40.62％.因此,硫铁复合填料和微电流作用用于强化再生水深度脱氮除磷具有明显的优势.

关键词：硫铁复合填料；微电流；C/N；HRT；深度脱氮除磷；16S rRNA克隆文库

* 责任作者, 教授, haoruixia@bjut.edu.cn

由于受污水处理技术限制,生活污水经二级处理后仍含有较高浓度的氮、磷等植物营养物质,当回用于景观补水和地下水回灌时,会对水环境生态系统构成严重威胁[1].然而,城市污水厂二级出水C/N普遍低于生物反硝化所需的理论值2.86[2-3],存在碳源不足的问题[4];且以往学者对再生水同步脱氮除磷的研究远远少于单一脱氮方面的研究[5-6].因此,研究再生水氮、磷的深度去除原理,开发同步脱氮除磷新工艺,已成为目前迫切需要解决的关键问题.

海绵铁具有比表面积大、表面能高、电化学富集能力强以及水解产物絮凝沉降性能优的特点[7-8].相关研究表明[9-10],海绵铁在腐蚀过程中产生H2,能够促进氢自养菌的反硝化过程.也有研究表明[11],海绵铁腐蚀产生的Fe2+和进一步氧化生成的Fe3+,以及它们的水化物,在沉淀、絮凝、吸附和卷扫等作用下,可以大幅度降低出水中的氮、磷浓度.硫自养反硝化过程是硫细菌利用无机碳(如CO32-、HCO3-)合成细胞,以单质硫或者硫化物作为硝酸盐还原的电子供体,整个反硝化过程无需外加有机碳源.Batchelor等[12]利用富集培养的脱氮硫杆菌,以硫化物和硫代硫酸盐为电子供体进行了自养反硝化实验研究,证实了硫自养反硝化的可行性.Lawrence等[13]进一步研究,认为单质硫做为电子供体时工艺运行效果最佳,并提出了硫自养反硝化是一个产酸的过程.

微电流的刺激作用能够提高微生物的活性[14].在微电流作用的研究中,人们将电化学法与生物膜法相结合,开发出电极-生物膜工艺.有研究显示[14-15],电极生物膜工艺阴极电解产生的H2可以作为氢自养反硝化细菌的电子供体,碳阳极电解产生的CO2可以为这些自养菌提供无机碳源.该方法节省有机碳源的消耗,适宜于低C/N再生水氮、磷的深度去除.

本研究针对目前污水处理厂二级出水C/N低的问题,探究硫铁复合填料和微电流作用强化再生水同步脱氮除磷效果;并通过Miseq高通量测序,构建细菌16S rRNA基因克隆文库,深入分析微生物种群构成及脱氮除磷机理,为城市污水厂尾水深度脱氮除磷提供技术参考.

1 试验装置与方法

1.1 试验装置

本实验采用3组结构相同的生物反硝化脱氮滤柱对比运行,反应器内径25cm,高度0.6m,有效容积8L.反应器的内壁紧贴一层高度为0.45m的内夹聚丙烯晴活性炭纤维的双层泡沫镍,作为阴极;正中央放置石墨棒,作为阳极;阴阳极板间距约10cm,其间按一定比例填充粒径均为5～ 8mm的填料,填充高度45cm.进水采用上向流方式,从进水最下端开始每隔15cm设置一个取生物膜口.反应器填料组成及运行模式见表1,实验装置见图1.

表1　反应器填料组成与运行模式Table 1 Fillers and operational modes of three groups of reactors

图1　实验装置示意Fig.1 Schematic layout of experimental installation

1.2 试验水质与分析仪器

表2　分析项目与仪器Table 2 Analysis items and apparatuses

试验用水采用在自来水中加入一定量的CH3COONa、KNO3和KH2PO4模拟污水处理厂二级出水的人工配水.该水质特征为:ρ(TN)= ρ(NO3--N)=30mg/L,ρ(H2PO4--P)=1.5mg/L,pH=7.0～ 7.5.分析仪器见表2.

1.3 试验方法

3组反应器均按照接种、挂膜和驯化的顺序启动,接种污泥取自北京某污水处理厂A2/O工艺的回流污泥,污泥浓度约为5.65g/L,具体参考李素梅等[16]和Hao等[17]提供的反应器启动方法.待出水各污染指标趋于稳定后,启动过程完成.

启动成功后,对比运行3组反应器,分别进行C/N和HRT梯度试验,每天监测3组反应器出水水质变化情况,监测项目包括进出水NO3--N、NO2--N、NH4+-N、SO42-、TN、TP、TFe、COD 和pH值.保证各梯度试验稳定运行时间至少为15d,且每次改变条件都保证稳定5d以上再开始检测.

2 结果与分析

2.1 C/N的影响

反应系统中氮、磷的去除主要是异养反硝化、氢自养反硝化、硫自养反硝化和海绵铁腐蚀凝聚等共同作用的结果[11,18].反硝化细菌首先利用有机碳源进行异养反硝化脱氮,在碳源不足的情况下,利用H2和单质S为无机电子供体进行自养反硝化脱氮[19-20].同时,异养反硝化和氢自养反硝化是产碱的过程,硫自养反硝化是产酸的过程,三者共同作用决定了系统pH值的波动情况[21], 而pH值又是化学法除磷的主要影响因子[22].因此,C/N会直接影响不同类型微生物所占比例和系统pH值,进而影响脱氮除磷效果.

2.1.1 C/N对TN去除率的影响 在HRT=4h、I=150mA条件下,不同C/N对反应器TN去除效果的影响见图2.

由图2可知,在不同C/N条件下,3号脱氮效率一直保持最高,2号次之,1号最差;随着C/N的增大,3组反应器对TN去除率均呈上升趋势,且1号上升趋势明显.在C/N=0时,2号和3号的脱氮效率比1号分别高38.7％和46.9％左右;当C/N增加到3时,2号和3号的TN去除率高达83.2％ 和91.0％左右.由此可见,硫铁复合填料和微电流作用均能够不同程度促进低C/N水的脱氮效果; 且C/N越低,效果越明显.

图2　不同C/N条件下3组工艺TN去除率Fig.2 TN removal rate of three groups of reactors at different C/N

分析其原因,硝氮的去除方式主要有异养反硝化、氢自养反硝化和硫自养反硝化.由于海绵铁的腐蚀相对缓慢,1号中硝氮的去除主要是靠异养反硝化作用,在碳源为零时,异养反硝化作用不明显,故此时1号呈现出较低的脱氮效率;而随着C/N的增大,1号系统中异养反硝化作用得到明显的增强,其脱氮效率也呈现出明显的上升趋势.2号中,硫磺的加入引入了硫自养反硝化脱氮,同时硫自养反硝化过程产生H+,进一步促进了海绵铁的腐蚀[7],故2号在不同C/N条件下均呈现出比1号更高的脱氮效率.3号中,电流的引入能够使系统产生更多的H2,有效促进了氢自养反硝化;而且,电流的刺激作用还能够有效增强反硝化细菌的活性、促进海绵铁的腐蚀[3,14],故3号能够一直保持较高的脱氮效率.

2.1.2 总磷的去除研究 a) C/N对TP去除率的影响

在HRT=4h、I=150mA条件下,不同C/N对反应器TP去除效果的影响见图3.

由图3可知,在不同C/N条件下,2号和3号一直保持较高的除磷效率;随着C/N的增大,3组反应器对TP去除率均呈上升趋势.其中,在C/N=0时,2号和3号的除磷效率分别比1号高25.1％和57.8％左右;当C/N增加到3时,2号和3号除磷效率分别达到94.6％和98.2％左右.可见,硫铁填料和微电流作用均不同程度促进了磷的去除.

图3　不同C/N条件下3组工艺TP去除率Fig.3 TP removal rate of three groups of reactors at different C/N

磷的去除方法主要包括生物除磷法和化学沉淀法两大类.有研究显示[22],在系统中厌氧区投加葡萄糖,乙酸钠等有机物能提高聚磷菌除磷功能;而在反硝化系统中,分布的主要为反硝化聚磷菌[23].影响化学法除磷的主要因子是pH值,随着pH值增加,磷的去除率上升[22];随着C/N不断增大,出水pH值呈现出一定的上升趋势(图5).故反应器的除磷效率随着C/N增大,整体呈现出上升趋势.而2号中硫自养反硝化过程中产生的H+进一步促进了海绵铁的腐蚀,使系统中产生更多的磷酸盐沉淀,促进了化学除磷过程,从而呈现出比1号更高的除磷效率.3号中,电流的作用在加快海绵铁腐蚀的同时还刺激了反硝化聚磷菌的活性,对系统化学除磷和生物除磷均有不同程度的促进作用;因此,3号的除磷效果最好.

b) TP去除形式的探究

生物法除磷时,聚磷菌以可溶性单磷酸盐的形式将磷排到体外环境中[24].本研究中排出的单磷酸盐极易被系统中产生的Fe(OH)3胶体所吸附,形成所谓的胞外聚合物( EPS),沉积在反应器中,经过充分的超声后能够析出来[25].而化学法除磷是磷酸根和金属离子生成磷酸盐沉淀,超声并不能将其中的磷析出,只有通过酸化作用才能使其转化为可溶性磷.

为进一步确定系统中TP的去除形式,现进行如下实验:取3号反应器中含有大量EPS混合液静置12h→倒出上清液100mL备用,将剩余混合液超声1h→取超声后液体经过滤得100mL备用,在剩余混合液中加入几滴稀盐酸→取酸化后的混合液经过滤得100mL备用→分别测量上清液、超声后液体和酸化后液体中TP和TFe的含量,结果见图4.

图4　不同方式处理后TP和TFe浓度对比Fig.4 Comparison of TP and TFe concentration after different treatment

由图4可知,上清液中TP和TFe浓度分别为0.85mg/L和0.92mg/L,而超声后分别增加到1.40mg/L和1.13mg/L,酸化后则出现明显的上升,分别达到10.08mg/L和15.68mg/L.酸化后TP和TFe质量浓度增加量(Δρ)分别为8.68mg/L和14.55mg/L,故Δρ(TP)/Δρ(TFe)=0.597,与FePO4化学式中P和Fe的相对原子质量比值0.554十分接近.由此可见,本实验中94.04％的TP是以生成磷酸铁沉淀形式的化学法被去除,仅有5.96％可能是被反硝化聚磷菌作用的生物法去除.

2.1.3 C/N对出水pH值的影响 在HRT=4h, I=150mA,C/N=0、1、2、3条件下,反应器进出水pH值波动情况见图5.

由图5可知,在不同C/N条件下,进水维持在7.0～7.5之间时,3组反应器出水pH值随着C/N增加均呈现出上升趋势.其中,3号出水pH值最稳定,维持在7.2～8.5之间.说明硫铁填料和微电流共同作用具有较好缓冲系统pH值的能力.

图5　不同C/N条件下3组工艺进出水pH值Fig.5 pH of three groups of reactors at different C/N

分析其原因,异养反硝化和氢自养反硝化过程中会产生OH-,硫自养反硝化过程中会产生H+,它们共同作用使系统的pH值维持在一定范围内[21].随着C/N不断增加,系统中异养反硝化所占比例逐渐增大,系统中产生的OH-的量也逐渐增多,故3组反应器pH值随着进水C/N不断增大,整体呈现出上升趋势.在3号系统中,电流的作用促进了海绵铁的腐蚀,使系统中产生更多的Fe3+,阴极电解产生H2的同时还产生OH-,大量的OH-和Fe3+结合生成Fe(OH)3胶体;同时,硫自养反硝化作用产生H+会中和掉一部分异养反硝化和氢自养反硝化作用产生的OH-,再加上碳阳极电解产生的CO2对系统pH值也有一定的缓冲作用[21].它们的共同作用使3号系统的pH值稳定在一定范围内,为优势均属生长提供了适宜pH环境[26],这与孟成成[5]的研究结果一致.

2.2 HRT的影响

HRT的大小在一定程度上直接反映生物处理工艺的运行效率,从经济成本角度考虑,一般希望生物处理工艺在最短水力停留时间内达到理想的处理效果.

2.2.1 HRT对脱氮效果的影响 在C/N=2, I=150mA条件下,不同HRT对反应器NO3--N和TN去除效果的影响见图6.

图6　不同HRT条件下3组工艺NO3--N和TN去除率Fig.6 NO3--N and TN removal rate of three groups of reactors at different HRT

由图6可知,随着HRT增加,3组反应器对NO3--N和TN的去除率均呈现出上升趋势;其中,3号脱氮效率最高,2号次之,1号最差.由于NO3--N在反硝化脱氮时,需要先转化为NO2--N,再转化为N2,整个过程需要一定的时间[16].在HRT=2h时,水力停留时间较短,部分NO3--N来不及完全参与反应,故仅靠异养反硝化作用的1号对NO3--N和TN的去除率明显低于异养反硝化和硫自养反硝化共同作用的2号;3号由于氢自养反硝化作用的引入,使其对NO3--N和TN的去除率比2号又分别提高了11.0％和4.4％左右. 当HRT延长到4h时,同时具备硫铁填料和微电流作用的3号反应器NO3--N和TN去除率已分别达到92.6％和85.6％左右.可见,硫铁填料和微电流共同作用能够实现在较短HRT内达到较高的脱氮效果.

2.2.2 HRT对除磷效果的影响 在C/N=2,I= 150mA条件下,不同HRT对反应器TP去除效果的影响见图7.

由图7可知,随着HRT增加,3组反应器除磷效率均呈现出递增的趋势,其中2号和3号一直保持较高的除磷效率.在HRT=8h时,1号除磷效率只有53.1％左右,2号和3号的除磷效率分别达到94.4％和 99.1％,除磷效率比1号分别提高41.3％和46.0％左右.其中在HRT=4h时,同时具备硫铁填料和微电流作用的3号反应器TP去除率已达97.4％,进一步表明硫铁填料和微电流共同作用能够实现在较短HRT内达到较高的除磷效果.

图7　不同HRT条件下3组工艺TP去除率Fig.7 TP removal rate of three groups of reactors at different HRT

2.3 系统中微生物菌群结构分析

在C/N=2,HRT=4h,I=150mA条件下维持稳定运行一个月后,分别从3组反应器中间位置填料上采集生物膜样品,分别编号为1、2、3,移交北京美吉生物公司进行Miseq高通量测序,并构建细菌16S rRNA基因克隆文库.

2.3.1 16S rRNA基因多样性分析 物种多样性指数是指应用数理统计方法求得表示物种的种类和个体数量的数值.常用Shannon-Weiner指数和Simpson指数反映样本中微生物α多样性;其中,Shannon-Wiener指数反映群落种类丰富度,Simpson指数反映每个种类分布的均匀度[27].

Shannon-Wiener指数(H)计算公式[28]:

式中:ni为第i个种的个体数目;N为群落中所有种的个体总数.

根据经验数据计算的Shannon-Wiener指数(H)一般在1.5～3.5之间,H值越大表明样本中物种量越大[29-30];Simpson指数(D)在0～1之间,D值越大,表明物种种类分布越均匀[30].本研究中1、2 和3号的Shannon-Wiener指数(H)分别为4.426、3.089和3.592,Simpson指数(D)分别为0.025、0.120和0.061,说明本研究样本中1号物种量最大,而2号种类分布最均匀.

2.3.2 菌群结构特征分析 将序列按照彼此的相似性归为操作分类单元(OTU).将每种OTU代表序列与Silva库比对,进行分类学分析,作样本群落结构分析图(见图8),并将主要菌属的功能及其比例列于表3中.

图8　3组样本群落结构分析图(分类到属)Fig.8 Bacterial communities at genera level of sample of three groups of samples

由图8和表3可知,1号样本中群落丰度相对较大的为Rhodocyclaceae和Thauera,分别占10.34％ 和8.00％;其中,Thauera也是Rhodocyclaceae的一个属.Thauera可以以苯酸盐、乙酸盐和乙醇等有机物为电子供体进行反硝化脱氮[17,31];毛跃建[32]还发现Thauera中存在可直接利用H2为电子供体进行反硝化作用的细菌.而且,反硝化聚磷菌也主要分布于Rhodocyclaceae中[33].1号反应器中主要存在异养反硝化和氢自养反硝化两种脱氮形式,因此,系统中同时具有异养反硝化和氢自养反硝化功能的Rhodocyclaceae、Thauera、Comamonadaceae 和Acidororax所占比例之和达到了29.47％.

2号和3号样本中群落丰度最大的为Thiobacillus,分别占60.47％和40.62％; Thiobacillus是Hydrogenophilaceae的一个属,为专性自养、兼性厌氧的革兰氏阴性菌,在厌氧条件下可以以单质硫或硫化物为电子供体,以硝酸盐为电子受体进行反硝化脱氮[34-36].由于2号和3号系统中引入了单质硫,故其填料上生长了大量的Thiobacillus,从而大大增强了系统硫自养反硝化的能力.同时,硫磺的引入也使2号和3号系统中Sulfurimonas占有一定的比例,分别为3.07％和8.46％; Sulfurimonas是一种兼性厌氧,专门利用氢气、硫及硫化物为能源,以CO2为碳源,以硝酸盐或铵为氮源的化能自养菌[21].Sulfurimonas的引入在增强硫自养反硝化的同时,还增强了系统氢自养反硝化的能力;从而,能够在碳源不足的条件下,使2号和3号的脱氮效果明显优于1号.

表3　样本中主要菌属的功能及其比例Table 3 Function and proportion of the main genus in sample

3 结论

3.1 硫铁复合填料和微电流作用均能够不同程度促进低C/N再生水深度脱氮除磷效果.

3.2 系统中94.04％的总磷是以生成磷酸铁沉淀的化学法去除.

3.3 硫铁复合填料和微电流共同作用具有较好缓冲pH值的能力,能够保证系统pH值维持在7.2～8.5之间.

3.4 硫铁复合填料和微电流共同作用,能够实现在较短HRT内达到较高深度脱氮除磷效果; 在C/N=2、I=150mA、HRT=4h条件下,二者共同作用使TN和TP去除率分别达到85.6％和97.4％左右.

3.5 在仅有海绵铁作用系统中,同时具有异养反硝化和氢自养反硝化功能的Rhodocyclaceae、Thauera、Comamonadaceae和Acidororax所占比例之和达到29.47％;硫铁复合填料和硫铁微电流作用系统中,具有硫自养反硝化功能的Thiobacillus所占比例分别达到60.47％和40.62％.

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Research on enhanced denitrification and phosphorus removal from reclaimed water by useing sponge iron/sulfur composite fillers and low electrical current.

XU Zhong-qiang, HAO Rui-xia*, XU Peng-cheng, ZHANG Ya (KeyLaboratory of Beijing for Water Quality Science and Water Environmental Recovery Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China). China Environmental Science, 2016,36(2)：406～413

Abstract：In order to improve the quality of reclaimed water, a comparative study was conducted under different C/N and HRT conditions to examine the effect on advanced nitrogen and phosphorus removal by using sponge iron/sulfur composite fillers and low electrical current. The results indicated that both the sponge iron/sulfur composite fillers and low electrical current treatment can strengthen the removal efficiency of nitrogen and phosphorus, and their combination can further stabilize the pH value of 7.2～8.5 in the denitrification system. It was found that the removal of total nitrogen (TN) was mainly depended on the process of heterotrophic denitrification, hydrogen autotrophic denitrification and sulfur autotrophic denitrification, while 94.04％ of the total phosphorus (TP) were removed in the form of iron-phosphate precipitation. Furthermore, biofilm was taken from the fillers to build the bacterial 16S rRNA gene clone library by adopting the high-throughput sequencing technologies. The results showed that the bacteria which can use both organic carbon and elemental hydrogen as its electron donor for denitrification accounted for 29.47％ of the bacterial community in the sponge iron fillers system. The proportion of Thiobacillus bacteria which can use elemental sulfur as its electron donor reached 60.47％ and 40.62％ of the bacterial community in the system of sponge iron/sulfur composite fillers and the combined system of composite fillers with low electrical current, respectively.Therefore, there are obvious advantages of employing sponge iron/sulfur composite fillers and low electrical current to enhance the effect of advanced nitrogen and phosphorus removal from reclaimed water.

Key words：sponge iron/sulfur composite fillers；low electrical current；C/N；HRT；advanced nitrogen and phosphorus removal；16S rRNA gene clone library

作者简介：徐忠强 (1988-),男,河南驻马店人,北京工业大学硕士研究生,主要研究方向为污水资源化利用.

基金项目：国家自然科学基金项目(51378028)

收稿日期：2015-08-08

中图分类号：X703.1

文献标识码：A

文章编号：1000-6923(2016)02-0406-08