难降解碳源混合PHBV颗粒强化反硝化性能研究

2020-03-30何云鹏柴晓利

山东化工 2020年4期

何云鹏,柴晓利

(同济大学环境工程学院，上海 200082)

当今社会的水污染是人类活动猖獗和工业化进程加快的结果。最常见的污染物是水体中氮、磷等营养物质超标，导致藻类等浮游生物过度生长，最终成为富营养化的重要原因。早期尝试采用物理和化学方法去除氮和磷。反渗透[1]、电渗析[2]以及离子交换法[3]等物理方法已经被证明是不经济的或者低效的。而化学工艺主要有化学絮凝、沉淀、氧化、络合等，操作简单、效果快，易造成二次污染，运行费用高[4]。

生物反硝化是一种可靠、经济可行的废水脱硝技术。也是近年来最常用的技术。生物反硝化是在没有溶解氧的情况下，将硝酸盐氮作为电子末端受体，将硝酸盐还原成氮气的技术[5]。一般来说，大多数反硝化细菌都是异养的，因此需要有机碳源作为能源和电子供体来满足反硝化过程的进行和自身生长发育的需要[6]。

反硝化碳源主要分为液体碳源和固体碳源两种。常用的液体碳源主要有乙醇，甲醇，葡萄糖等[7]。固体碳源主要分为可生物降解高聚物，例如PHBV，PCL，PHA等，和天然有机物，例如树皮，秸秆，棉花，玉米芯等[8]。

在本研究中，选用可生物降解高聚物PHBV和天然纤维素类有机物树皮作为反硝化系统的碳源，在不同硝酸根负荷下进行序批实验探索两者的脱氮性能以及反应器中微生物群落的分析研究。

1 材料与方法

1.1 碳源来源及预处理

PHBV颗粒购买于宁波天安生物科技有限公司，其形状为直径约3 mm，高度约3 mm的圆柱体。树皮取至与同济大学校区内的樟树皮，取下后进行破碎成10mm×10mm的方块，洗净烘干处理备用。

1.2 实验用水

实验用水采用人工配水，以KNO3为氮源，以KH2PO4为磷源，使得氮磷比为5∶1，并加入CaCl2，MgSO4，FeSO4，MnSO4等无机盐配以自来水作为实验用水。

1.3 测量方法

出水经过0.45μm膜过滤后利用TOC仪(岛津，日本)的燃烧-化学发光法测定,出水COD采用哈希-消解分光法测定。实验完成后的反应器中附着在PHBV颗粒和树皮上的生物膜利用无菌PBS溶液冲洗，冷冻离心后沉淀由上海美吉生物医药科技有限公司利用Illumina公司的Miseq PE300平台进行测序。

1.4 反硝化序批试验

实验所用污泥取至上海曲阳污水厂的回流污泥，MLSS在4000mg/L左右，并利用葡萄糖作为碳源进行反硝化菌培养后，加入30L的反硝化容器中，曝氮气使DO在2mg/L以下。实验组分为3组分别为A,B,C组，各加入660g PHBV颗粒，660g树皮，以及330g PHBV颗粒+330g树皮。分别在20，30，40，80mg/L的进水硝酸根负荷下运行，出水水质达到平衡后去除上清液并重新更换进水硝酸根负荷。

2 结果与讨论2.1 反硝化性能对比

反硝化序批实验一共进行了35天，每天定时取样后过膜进行水质分析，反硝化出水总氮浓度变化见图1。在进水硝酸根浓度20mg/L时，A,B,C三个反应器都经过了3～4天的适应期后，硝酸根浓度开始迅速下降，在一周后达到最低点，A,B,C三个反应器的出水硝酸根都在1.4mg/L左右。第二阶段去除反应器上清液后，重新配置进水硝酸根浓度为30mg/L的污水进行反应。A反应器的脱氮速率最快，在3天后的出水硝酸根就仅有2.24mg/L，脱氮效率为92.5%，并在小范围内浮动。C反应器达到平衡的时间较长，需要6天左右，并且出水硝酸根最低仅有1.6mg/L左右，脱氮效率达到94.7%。而B反应器在重新更换上清液配置硝酸根负荷后，出水一直在28mg/L左右浮动，该系统已经几乎丧失了脱氮能力，这说明单一的原生樟树皮并不能作为反硝化的碳源来去除硝酸根，阶段一的硝酸根去除可能是由于树皮本身的吸附能力所造成的，后续实验中B反应器仅仅取出水，不再重新配置硝酸根负荷。第三阶段验证进水硝酸根负荷40mg/L下的脱氮性能。A,C组分别在第5天和第6天到达平衡，出水硝酸根浓度分别为3.35mg/L和1.66mg/L。但当第四阶段硝酸根负荷增加到80mg/L时，A，C的出水硝酸根浓度猛然增加到16mg/L和13mg/L，脱氮效率降为80%和83.8%。这是由于进水的硝酸盐负荷超过了反应器的反硝化能力导致的脱氮效率下降。综上所述，A系统所达到的平衡时间最快,C系统的出水硝酸根浓度更低。

出水COD浓度见图2，其中A组的COD经过2周的适应过程后开始大量释放，并维持在一个很高的水平，最高释放到3000mg/L，而树皮组和复合组的COD释放一直持续在低水平，C装置的最高浓度达到200mg/L。

图1 A,B,C反应器反硝化性能比较

图2 A,B,C反应器的出水COD

2.2 微生物群落结构分析

在97%的相似度水平上进行OTUs聚类，得到不同OTUs中所有样本的丰度信息。图4是A,B,C个反应器的物种Venn图，可以看出3个反应器中共有的OUTs为232个，占各组的比例较大。为了比较不同组之间的多样性指数，我们将每个样本的序列号规范化为34500个reads(在3个样本中最少)利用Shannon指数绘制Shannon-Wiener曲线，以反映样品中微生物的丰富度和均匀度(见图3)，曲线在3900个reads的时候达到平稳状态。测序深度为34500的Shannon多样性指数值及其Shannon曲线表明，B发反应器中污泥样本的多样性最大，其指数为4.1133，A组其次，其shannon指数为4.0303，C组的shannon指数为3.1727,多样性最小。

图3 A,B,C的微生物群落shannon曲线

图4 A,B,C反应器的Venn图以及微生物群落丰度分布

为了更好地了解各反应器的微生物群落结构，进一步从门、纲、科三个层次分析了三组微生物群落的差异。在"门"水平上，3个反应器中丰度最高的"门"主要是Proteobacteria,Actinobacteria,Bacteroidetes,Chloroflexi,Acidobacteria,Saccharibacteria,Chlorob-i,Firmicutes,Verrucomicrobia,Planctomycetes,Gemmatimonadetes等。而最主要的差异则体现在Actinobacteria上，其中A反应器中占比16.7%，在C反应器中占比49.69%，在B反应器中仅占10.15%。

在“纲”水平上，三组反应器A,B,C中丰度最大的菌种为Actinobacteria,Alphaproteobacteria,Gammaproterobacteria以及sphingobacteriia等。而Actinobacteria在A,C反应器中占比较大分别占比17%和50%,在C反应器中仅占比9%。据报道[9]，Actinobacteria中的一些成员具有十分突出的有机物降解能力，和硝酸根还原能力，这能使得反应器中的微生物加速利用固体有机物碳源而降解硝酸盐。

在“科”水平上进行了进一步的比较，以此来揭示更多有关微生物群落结构的详细信息。挑选出每个样品丰度比例前30的属来进行比较。如图4所示，在C反应器中Propionibacteiaceae的丰度最大占比47.8%，其在A反应器中也占有15%的比例。Puente-Sanchez[10]等人分离出了Propionibacteriaceae科中的菌种，这种菌种具有较强的耐受恶劣环境的能力，并且能将硝酸根作为电子受体来还原硝酸根。