信号分子OHHL对厌氧同步脱氮除硫的影响
2019-06-13徐金兰张苗佳丁可帅张小艳
徐金兰,张苗佳,丁可帅,张小艳
(西安建筑科技大学 环境与市政工程学院,陕西 西安 710055)
硫元素广泛存在于地壳中,很多行业在化工原料生产过程中都会产生硫化物废水,含硫污染物会刺激呼吸道,影响中枢神经系统,长期接触硫化物严重影响人体健康,甚至导致死亡[1].可见,水体中硫化物的危害不容忽视,研究含硫废水的处理工艺具有重要的意义.目前,生物脱氮除硫工艺条件温和、能耗低、投资少,是一种经济性和可行性高的水体脱氮除硫的方法[2-4].但是,其大多数的研究主要集中在N/S、S/Fe、温度、硫化物浓度、进水氨氮、pH及外加碳源等对厌氧脱氮除硫工艺的影响[5].
信号分子是指生物体内的某些化学分子,信号分子浓度影响细胞传递信息[6-7],激发特定基因的表达,调控生物行为.目前,很多对信号分子调控作用的研究集中在调节微生物去除水体生物中的氮磷等物质[8],而关于信号分子对废水厌氧脱氮除硫工艺影响的研究并不多见.由厌氧生物脱氮除硫的主要反应见式(1)、式(2)[9-11]
(1)
(2)
本实验猜想在厌氧脱氮除硫体系中加入信号分子,可以提高功能菌的活性及菌量,加速反应的进行,提高脱氮除硫效率.故本文研究了在两种进水硫化物浓度下,信号分子N-(3-oxohexanoyl)-L-homoserine lactone(OHHL)(图1)浓度对异养反硝化调节废水厌氧脱氮除硫的影响.
图1 OHHL结构图Fig.1 Structure of OHHL
1 实验材料与方法
1.1 实验材料
本实验厌氧活性污泥取自陕西省西安市某啤酒厂污水处理站,脱氮硫杆菌的菌种分离自西安市硫酸厂含硫土壤[20].实验所用的信号分子OHHL购买自美国sigma-aldrich公司.
实验废水制备:将去离子水煮沸并降至室温,在其中加入一定量的Na2S·9H2O和NaNO3人工配制模拟废水,使进水N/S值保持在0.67,同时投加一定量Fe、Co、Ni、Zn等微量元素.
1.2 信号分子对生物脱氮除硫的影响
1.3 电子平衡计算方法
由于硫化物转换成硫酸根时,每mol转移8e-;硫化物转换成单质硫时,每mol转移2e-;硝氮转换成氮气时,每mol转移5e-.
因此, 计算总共失去的电子数=生成的硫酸根摩尔数×8 +生成的单质硫摩尔数×2;
如,当消耗的硫化物mmol=6.19,消耗的硝氮mmol=2.83,生成的硫酸根mmol=0.4,生成的单质硫mmol=1.11时,电子衡算=(0.4×8+1.11×2-2.83×5)÷(6.19×8)=-17.62%.
但应注意,如果有其他中间产物需要将其考虑在内时:电子衡算=(生成的硫酸盐×8 + 生成的单质硫×2 + 生成的硫代硫酸盐×4 - 消耗的硝氮×5)÷(消耗的硫化物×8).
1.4 分析方法
1.5 生物种群分析
采用FISH法测定体系中的细菌含量及分布,样品的制备及测定过程采用Amann[22]的方法.测定总菌探针为EUB 338 (GCTGCCTCCCGTAGGAGT),购买自上海生工.FISH图中细菌菌量的算法采用daime软件计算[23].
2 结果与讨论
2.1 信号分子OHHL浓度对脱氮除硫的影响
当进水硫化物浓度为100 mg/L,反应36 h,投加1.5 μM信号分子的硫化物和硝酸盐的去除量分别高达99.1 mg(99.1%)、38.3 mg(96.5%),远高于未投加信号分子及信号分子投加浓度为1.0 μM、2.0 μM时的相应值(72.4~97.1 mg 和25.9~34.8 mg ),此时,体系中单质硫的产量最高,可达57.0 mg/L (图2).可见,投加信号分子可以促进污染水体中硫化物和硝酸盐的去除,且信号分子投加浓度为1.5 μM时两者的去除量均可达到最高,单质硫产率最佳(50%).这可能是该浓度的信号分子有效提高了细菌数量,从而促进了脱氮除硫过程的进行.Chen等人[16]的研究中,在进水硫化物负荷为2 100 mg S/(L·d)时,单质硫的转化率仅为10%~40%,低于我们的研究.此外,当进水硫化物浓度为200 mg/L,反应进行至36 h,投加1.5 μM信号分子的硫化物去除量可达196 mg (98.0%),而硝酸盐的去除率仅为46.4 mg (66.6%),当水力停留时间延长至72 h,硝酸盐的去除率才可达到63.9 mg (91.7%)(图2).这可能是由于高浓度的进水硫化物浓度对功能菌的脱氮过程有所抑制.此时单质硫产率为40%,略低于进水硫化物为100 mg/L(50%)的体系.
图2 信号分子对脱氮除硫的影响 (a1,b1,c1) 进水硫化物浓度100 mg/L(a2,b2,c2) 进水硫化物浓度200 mg/LFig. 2 Effect of signal molecule on nitrate and sulfide removal (a1, b1, c1) influent sulfide concentration of 100 mg/L (a2, b2, c2) influent sulfide concentration of 200 mg/L
此外,反应初期(12 h)四组反应器出水硫化物的浓度分别为48.9~49.4 mg/L、109.3~118.8 mg/L,相应的硫化物去除率分别为50.6%~51.0%、40.6%~45.3%.可以看出,投加与未投加信号分子的体系对硫化物的初始去除效果(12 h)差异不大.在反应时间为12 h之后才体现出较为明显的差异,这说明信号分子的作用是在反应进行12 h之后才发挥作用的.李军等人[17]利用厌氧生物滤池进行硫自养反硝化研究,反应30 d时硫化物和硝酸盐的去除率才能达到80%~90%以上,这一结果远低于我们的研究(投加信号分子反应36 h硫化物的去除率接近100%).同时,硫化物浓度为200 mg/L时初始硫化物的去除率比浓度为100 mg/L的体系降低10%.这可能是由于硫化物浓度为100 mg/L时的体系适宜于功能菌的快速繁殖,实验初期快速反应,从而加快硫化物的转化速率.这与郑香凤等人[18]的研究相符,他们的研究表明,硫的去除率随进水硫化物浓度增大而降低.
2.2 信号分子OHHL对硫、氮转化的影响
由图3可见,在进水硫化物浓度为100 mg/L条件下,反应时间为36 h时,投加信号分子浓度为1.5 μM时出水硫酸盐浓度为22 mg/L,远低于未投加信号分子和投加信号分子浓度为1.0 μM和2.0 μM时的相应值(34 mg/L、31 mg/L),此时单质硫的产率最高(57%),亚硝酸几乎不存在(0.1 mg/L).可见,投加1.5 μM信号分子时,可以促进脱氮除硫的进行,产生大量单质硫.延长反应时间至48 h时,硫酸盐浓度得到大幅度提高(提高22 mg/L),单质硫产率快速降低至46%,相应地氮气产量得到明显提高(增加9 mL).这是由于延长反应时间时,体系中生成的单质硫与硝酸盐发生反应,从而使得体系中产生了大量的硫酸盐和氮气.而未加信号分子和投加其他浓度的信号分子条件下,硫酸盐浓度均大量提高(10 ~19 mL),远高于信号分子投加浓度为1.5 μM条件下的相应值,这是由于在36~48 h时,单质硫和硝酸盐发生反应,使得体系中产生的单质硫被大量转化为硫酸盐,同时产生大量氮气(增加9~12 mL).这可能是由于信号分子投加浓度为1.5 μM条件下体系中的细菌数量较高,从而保持较高的硫化物和硝酸盐的去除效果.在进水硫化物浓度为200 mg/L条件下,呈现出相似的规律.但是硫酸盐浓度在反应进行至24 h时达到最低(仅为1.7 mg/L),而后随着水力停留时间的延长,硫酸盐浓度明显增多,这是由于在24 h后促进了单质硫与硝酸盐的反应.但是单质硫的产量依旧在36 h时达到最高,此时的亚硝酸盐浓度较高(12 mg/L),这可能是由于在24~36 h时的脱氮除硫反应的反应速率要高于单质硫与硝酸盐的反应速率,同时体系中发生了硝化反应的原因.
图3 信号分子对氮、硫转化的影响 (a1,b1,c1)进水硫化物浓度100 mg/L (a2,b2,c2)进水硫化物浓度200 mg/LFig.3 Effect of signal molecule on nitrogen and sulfur transformation (a1, b1, c1) influent sulfide concentration of 100 mg/L (a2, b2, c2)influent sulfide concentration of 200 mg/L
2.3 电子平衡及微生物群落分析
表1 电子衡算方程
图4 电子平衡计算结果(36 h)Fig.4 Electronic balance calculation (36 h)
图5 反应36 h时100 mg/L硫化物浓度体系总菌的FISH扫描图(扫描倍数:10×200)Fig.5 Scanning images of the most bacteria after 36 h with 100 mg/L of S2--S (magnification:10×200)
3 结论
(1)投加信号分子OHHL时硫化物和硝酸盐的去除量和单质硫的产量均得到了大幅度提高.
(2)当信号分子OHHL投加浓度为1.5 μM时的去除量最高,可达99.0%和96.1%,单质硫产量高达60 mg/L.
(3)荧光原位杂交技术测定结果表明,投加信号分子主要提高了体系中的总菌数量,进而促进了异养反硝化作用,提高了硫化物和硝酸盐的去除效率.
(4)进水硫化物浓度为200 mg/L时,36 h即可有效去除硫化物,而硝酸盐需要水力停留时间延长至72 h才能达到91.7%的去除效率.