基于城镇生活污水厂提标改造的新型原位强化脱氮装置试验研究

崔贺 杨银川 黄民生 杨乐 尹超 何岩 曹承进

摘要：为了有效强化城镇生活污水厂的脱氮效率，研发了一种新型原位强化脱氮装置——管式生物净水装置fTubular bio-purification device，TBD），分别以丝瓜络、棕丝、甘蔗渣和化学纤维填料等4种固体材料为TBD的填充基质，通过对比不同基质类型的TBD的强化脱氮性能，得出TBD的最佳填充基质，并结合基质生物膜的高通量测序结果解析其脱氮机理.结果表明，以甘蔗渣为填充基质的TBD对水体中氮素的去除性能明显优于其他基质，其对NH+4-N、NO-3-N、NO-2-N及TN的平均去除率分别可达72%、64%、97%和82%，经过其净化的水体NH+4-N及TN浓度均可满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918 2002）规定的一级A标准，因此甘蔗渣是TBD的最佳填充基质;填充甘蔗渣的TBD的微生物物种丰度和多样性较高，其Chaol指数为9 743.55、Shannon指数为6.37，其微生物群落结构中反硝化相关菌群占绝对优势（23.75%），并含有一定比例的硝化（7.73%）及厌氧氨氧化（2.0%）相关菌群，表明填充甘蔗渣的TBD内部环境有利于脱氮功能菌群的富集和生长.本研究以期为该装置服务于城镇生活污水厂提标改造过程中强化脱氮的工程化应用提供依据和参数.

关键词：城镇生活污水厂;提标改造;强化脱氮;原位净化;管式生物净水装置

中图分类号：X522

文献标志码：A DOI：10.3969/j.issn.1000—5641.2018.06.002

0引言

氮素在地表水体中的过量积累已造成我国部分重点保护湖泊和水库的水体富营养化而地表水体中氮素积累的重要原因之一是城镇生活污水厂尾水的过量氮排放为此，《国务院关于印发水污染防治行动计划的通知》（国发[2015]17号）要求敏感湖库流域的城镇污水处理设施应于2017年年底前完成提标改造，尾水水质达到一级A排放标准这无疑对我国城镇污水厂提标改造提出了更高要求.据报道，通过对2013年全国11座城市122家污水厂尾水的NH+4-N和TN浓度监测发现，约1/3的污水厂尾水TN浓度以及约1/6的污水厂尾水NH+4-N浓度未能满足一级A排放标准污水厂进水缺乏碳源造成的反硝化不足以及低温条件引起的硝化和反硝化效率下降是现有城镇生活污水厂尾水NH+4-N及TN浓度不达标的主要原因.因此亟需对我国城镇生活污水厂提标改造过程中的脱氮效率进行强化.

为有效解决上述问题，本研究研发了一种新型原位强化脱氮装置——管式生物净水装置（Tubular bio-reactor device，TBD）TBD以现有城镇生活污水厂尾水的受纳水体作为实施空间进行原位净化，并综合利用其内部填充基质的物理过滤、化学吸附和微生物生化作用以及TBD上栽培植物的吸收作用实现污水的强化脱氮.用于城镇生活污水厂提标改造的传统强化脱氮工艺如反硝化生物滤池、人工湿地和生态浮床等）中填充基质的吸附、挂膜及释碳特性对于脱氮效果存在显著影响.丝瓜络可作为生物膜反应器及反硝化生物滤池的填充基质，对污水具有良好的脱氮除磷效果;棕丝作为一种常见天然介质材料，对富营养化水体的净化效果显著;甘蔗渣因其良好的释碳性能，被证明是强化脱氮的理想材料;而化学纤维填料具有较低的液体阻力、较大比表面积和容积负荷，并被实践证实具有良好的促进生物硝化和反硝化的作用.另外，生菜作为常见蔬菜品种因具有营养丰富、用途广泛、产率较高等特点，符合典型生态修复措施中“植物应具有广泛用途或经济价值高”的选择应用原则.

因此，本研究选取丝瓜络、棕丝、甘蔗渣及化学纤维填料等4种固体材料分别作为TBD的填充基质，并选取生菜作为其栽培植物，通过对比不同基质类型的TBD对城镇生活污水厂尾水的强化脱氮性能，得出其最佳填充基质，并结合基质生物膜的高通量测序结果解析其脱氮机理，以期为该装置服务于城镇生活污水厂提标改造的工程化应用提供依据和参数.

1材料与方法

1.I试验装置与运行条件

本试验于2015年5月初开展，试验设置了4组平行的小试规模的TBD，其构造如图1所示.4组TBD分别放置于4个相同的水槽中，水槽中的水体仅为管式生物净水装置提供浮力，而与TBD内部的水体无交换.每组TBD均由净水生物盘管、浮体、植物及进水口、出水口组成.净水生物盘管均由长度12 m、直径7.6 cm、厚度0.3 mm的PE吹塑软管和管内填充基质构成，其被盘绕成盘状（直径约65cm）并固定于浮体上.在盘绕成型的净水生物盘管上方均匀分布36个直径1cm的植物种植孔，植物选用生菜并通过播种方式将生菜种子种植于净水生物盘管的基质中.TBD的进水通过蠕动泵匀速泵入净水生物盘管的进水口，出水通过水槽上的出水口排出.4组管式生物净水装置的管式生物反应器内分别填充：丝瓜络、棕丝、甘蔗渣和化学纤维填料，其对应编号分别为T1、T2、T3、T4.T1-T4所填充填料的填充率均为33%.T1-T4所填充填料的含水率、密度、CODcr及TN成分的溶出速率等基本理化性质如表1所示.

依据上述设计及运行参数，TBD拟用于城镇生活污水厂尾水的原位强化脱氮，其实际应用方法如下.TBD主要由净水生物盘管、集水槽、浮体及植物组成;TBD设置于城镇生物污水厂尾水受纳水体中;净水生物盘管设置于浮体上，浮体漂浮于水面.将污水厂尾水以“重力自流”的方式收集于TBD的集水槽中，集水槽的水位超出TBD的净水生物盘管进水口标高的0.5-1.0m;然后，通過集水槽底部的导流管将上述收集的尾水以“重力自流”的方式导入TBD的净水生物盘管的进水口，使尾水流经净水生物盘管;净水生物盘管综合利用管内填料的物理过滤、截留作用、填料上富集微生物的转化作用以及填料上所种植物的吸收作用对流经的污水进行深度净化;经深度净化的尾水最终通过净水生物盘管的出水口排入河道.另外，当污水厂尾水排放量不足时，还可采用“水泵”提升的方式将河道中的水体原位提升至TBD的集水槽，从而实现TBD对污水厂尾水受纳水体的原位净化.

1.2样品采集与检测方法

自2015年6月至2015年12月，逐月对T1-T4的进、出水口进行水样采集与检测.水样的pH值使用HANNA HI 98129型pH计在现场测定，水样的NH+4-N、No-3-N、NO-2-N、TN浓度及CODcr测定于24h内在实验室完成.采样期间避开降雨，以避免雨水对该湿地系统进、出水水质的影响.水样的指标测定参照《水和废水监测分析方法》（第四版）.无特别说明外，所用试剂均为分析纯，实验用水为新鲜去离子水.在本试验过程中，定期记录生菜的发芽率和株高.本试验中，采用HACH HQ30D溶氧仪监测TBD进出水及TBD前端（距进水口20am）、中间（净水生物盘管中间）及末端（距出水口20cm）管内水体的溶解氧（DO）浓度.

实验结束后对脱氮效果最好的TBD的填料生物膜进行样本采集，取样位置在该TBD的净水生物盘管末端（距离出水口20cm处）.生物膜样品采集及预处理方法如下：将运行中的TBD填料取出，放入自封袋并立即带回实验室于4°c冷藏;快速用事先准备好的锥形瓶装好适量无菌水与样品，振荡，待基质表面附着物振荡脱落，将悬浊液倒入离心管离心，取离心管下部固体物，并于-10°c将其冷冻.以上采样器材在使用前均经过无菌处理，同时联系生工生物工程（上海）股份有限公司尽快取样并进行高通量测序.

1.3微生物群落多样性分析

生工生物工程（上海）股份有限公司采用Power Soil DNA分离试剂盒提取样品中的DNA.采用1%的琼脂糖凝胶电泳检测提取的细菌总DNA.对16S rRNA基因的v3-V4高变区片段進行PCR扩增，引物序列为515F（GTGCCAGCMGCCGCGGTAA）和909R（ccccGYcAATTCMTTTRAGT）.随后在该公司的Ⅲumina MiSeq平台上进行高通量测序分析，得到原始图像数据文件经CASAVA碱基识别分析转化为原始测序序列，结果以FASTQ文件格式储存.利用Mothur对原始序列进行校正，去除序列中的嵌合体，得到优化序列;在97%的相似性水平上将序列划分可操作分类单元（operational taxonomic units，OTUs）;采用RDPClassifier贝叶斯算法对97%相似水平的OTU代表序列进行分类分析，继而计算样品文库覆盖率（coverage）、Chaol指数及Shannon多样性指数，并在属水平上统计每个样品的群落组成.

1.4数据处理

数据统计分析采用Excel 2016软件，图表绘制采用Origin9.1软件，并用SPSS20.0软件对不同基质类型的TBD硝化及反硝化性能进行ANOVA方差分析.

2结果与分析

水体中亚硝酸盐的积累不但对生物和人体健康造成严重损害，而且会对反硝化菌产生毒害作用，使反硝化过程受到严重抑制.而亚硝酸盐产生积累意味着微生物对污水中氮素的硝化及反硝化作用不完全.由此可见，相比其他试验组，T3中微生物的硝化及反硝化作用始终较为完全，表明T3具有良好的强化脱氮性能.相关研究表明，污水的c/N<3.5时处理单元就会产生明显的亚硝酸盐积累现象.在4组TBD中，T1、T2、T3和T4的出水c/N分别为1.80、0.70、8.58和0.19，可见只有T3的c/N>3.5，致使其不易产生亚硝酸盐的积累，从而保证其出水的NO-2-N浓度较低.

2.1.4对TN的去除性能

试验进水的TN浓度变化及T1、T2、T3和T4对TN的去除率趋势如图2（d）所示.结果表明，T3对TN的去除率最高（平均82%），其次是T1（平均42%）、T2（平均14%）和T4（平均13%）.T3出水TN浓度均能达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918～002）规定的一级A标准（TN浓度限值为15mg/L），T1出水TN浓度均可满足一级B标准（TN浓度限值为20mg/L），而T2和T4出水TN浓度几乎未达到一级B标准.王曼曼等将丝瓜络、甘蔗渣等固体材料用于为期50d的水体脱氮批次实验，结果表明丝瓜络和甘蔗渣均具备良好的脱氮性能，其中丝瓜络对TN的去除率为71%，甘蔗渣对TN的去除率更佳，为94%，这与本文中T3对TN的去除率最高的研究结果一致.反硝化是实现氮素从水体中脱除的关键步骤.4组管式生物净水装置的TN去除率呈现T3>TI>T2>T4的规律，究其原因，是T3的填充基质甘蔗渣的释碳速率及稳定性最好，因而最有利于作为反硝化菌的可利用碳源，促进反硝化过程的顺利进行;而丝瓜络的释碳速率及稳定性低于甘蔗渣，棕丝又低于丝瓜络，化学纤维填料则几乎无释碳性能.

试验过程中，T3对TN去除率与T1、T2和T4对TN的去除率均具有显著差异（p<0.05），表明T3对生活污水厂出水中氮素的去除具有明显优势.传统的污水厂尾水强化脱氮工艺对水体中氮素的去除途径主要包括微生物的硝化、反硝化作用，填充基质的截留、吸附作用以及植物根系的吸收作用，其中微生物的硝化和反硝化作用是主要去除途径.TN填料上的微生物反硝化所需的碳源及缺氧环境得益于T3中甘蔗渣向水体释放的有机物和微生物降解有机物时产生的DO消耗，由此在T3的净水生物盘管中沿水流方向形成了“好氧一缺氧（O-A）”分段，它类似于常规污水处理厂采用的Anoxic/Oxic工艺（A/O工艺），而A/O生化工艺已被长期的工程实践证明具有良好的氮素去除效率.净水生物盘管的这种O-A分段是T3具备良好硝化及反硝化性能的主要原因，其微生物作用机制还需进一步通过基质生物膜的高通量测序进行解析.

2.2基质生物膜高通量测序分析

2.2.1微生物群落多样性

为解析TBD对城镇生活污水厂强化脱氮的微生物作用机制，本研究对脱氮性能最佳的T3中净水生物盘管末端填料的生物膜样本进行高通量测序，共得到25908条优质序列，并以97%相似度划分，共得到3 947个OTU分类单元.样品文库的覆盖率（coverage）为90.90%，说明样品中基因序列被检出的概率很高，本次测序结果能够代表基质表面微生物群落的真实情况.

在微生物群里多样性分析中，通常采用Chaol指数反映物种丰度，Chaol指数越高，表示其物种越丰富;采用Shannon指数反映物种的多样性，Shannon指数越高，表示其物种多样性越高.通过计算得知，该样品的Chaol指数为9743.55，Shannon指数为6.37，该结果高于仝欣楠等运用传统工艺进行水体强化脱氮研究中生物膜样品的物种丰度和多样性，表明T3的净水生物盘管中微生物物种丰度和多样性较高，其原因可能是净水生物盘管的相对密闭结构以及甘蔗渣的释碳作用有利于为微生物提供相对稳定且营养充足的生长环境，从而提高微生物物种丰度及群落结构多样性.

2.2.2微生物群落结构

为了揭示T3生物膜样品中的微生物菌群结构，将97%相似水平的OTU代表序列在属水平上进行分类统计（见图31.分析发现在该反应器系统中Denitratisoma菌属为主要优势菌属，该菌属占菌群总体的13.4%;其次为Thauera菌属和lgnavibacterium菌屬，分别占菌群总体的7.7%和5.7%.Denitratisoma菌属和Thauera菌属均是典型的异养兼性厌氧反硝化菌，其广泛分布于污水厂活性污泥及人工湿地基质中.而如navibacterium菌属通常具备光合作用但不产氧，常存在于光线良好的无氧环境.如navibacterium菌属的富集从侧面反映出反应器内部形成了缺氧环境.

除上述3种优势菌属外，生物膜样品中具备反硝化功能的菌属还有Azospira菌属、Bacillus菌属、Flavobacterium菌属、Rhodobacter菌属及Comamonas菌属，其所占比例分别为1.74%、0.27%、0.36%、0.15%和0.13%.加上优势菌属中的Denitratisoma菌属和Thauera菌属，具有反硝化功能的菌属比例可达23.75%，表明生物膜样品中含有较丰富的反硝化相关菌群.该生物膜样品中具有硝化功能的菌属主要包括Nitrobacter菌属、Nitrosospira菌属和Nitrosomonas菌属等，其所占比例分别为0.96%、1.90%和1.43%，表明硝化相关菌群的比例较少，这可能是由于该生物膜样品的取样位置位于管式生物反应器的末端，其管内水体的缺氧环境不利于硝化细菌的生长.另外，生物膜样品中的Candidatus菌属为厌氧氨氧化相关菌属，其占比合计2.0%.相关研究表明，厌氧氨氧化菌和反硝化菌可以共生并通过协同作用强化对污水中氮素的去除.

综上，填充甘蔗渣的TBD内部微生物群落结构中反硝化相关菌属占绝对优势（23.75%），并含有一定比例的硝化（7.73%）及厌氧氨氧化（2.0%）相关菌属，表明填充甘蔗渣的TBD内部环境有利于脱氮功能菌群的富集和生长.

3结论

（1）以甘蔗渣为填充基质的TBD对污水的脱氮性能明显优于其他基质，对NH+4-N、NO-3-N、NO-2-N及TN的平均去除率分别可达72%、64%、97%和82%，经净化的水体NH+4-N及TN浓度均可满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918-2002）规定的一级A标准，因此甘蔗渣是TBD的最佳填充基质.

（2）填充甘蔗渣的TBD的微生物物种丰度和多样性较高（cha01指标为9 743.55，Shan-non指标为6.37），原因可能是净水生物盘管的相对密闭结构以及甘蔗渣的释碳作用为微生物提供了相对稳定且营养充足的生长环境.

（3）填充甘蔗渣的TBD内部微生物群落结构中反硝化相关菌群占绝对优势（23.75%），并含有一定比例的硝化（7.73%）及厌氧氨氧化（2.0%）相关菌属，表明填充甘蔗渣的TBD内部环境有利于脱氮功能菌群的富集和生长.