硫磺生物绳为填料的自养反硝化污水脱氮处理

2022-02-24时绍鹏万柳杨廖宏燕王兴祖

土木与环境工程学报 2022年3期

时绍鹏，万柳杨，廖宏燕，王兴祖

(1.重庆交通大学河海学院，重庆 400074；2.中国科学院重庆绿色智能技术研究院水污染过程与防治研究中心，重庆 400714；3.中国科学院大学资源与环境学院，北京 100049)

过量的氮、磷元素会引发水体富营养化[1-2]，破坏水域生态环境，危害水生生物生存和人体健康[3-4]。自然因素和人类活动[5-6]是影响水中氮、磷含量的主要原因。污水中的氮包括有机氮、氨氮、亚硝酸盐氮以及硝酸盐氮4种形式。其中，少量的硝酸盐虽然不会对人体造成危害，但通过还原作用会转换成有毒且具有高度致癌性的亚硝酸盐[7-8]。因此，需要采用一定的方法将硝酸盐转化为氮气。

(1)

1 材料与方法

1.1 接种污泥及模拟污水

实验反应器所用污泥取自重庆市合川区某污水处理厂A2/O工艺的二沉池新鲜污泥，污泥使用前需稀释。反应装置启动初期，往装置内添加SS(悬浮物)浓度为7 120 mg/L的活性污泥进行微生物培养与驯化。

1.2 实验装置

采用的反应器为上流式厌氧反应器，其有效体积为2.5 L，直径为90 mm，有效高度为400 mm，材质为有机玻璃，内部设有固液分离器。反应器内部挂上自制的硫磺粉涂层填料，实际填充比(填料体积∶反应器有效体积)为1/10～1/5，连续流运行方式为下进上出，进水流量由蠕动泵控制。夏季反应器温度保持在(25±1) ℃，冬季通过水浴加热的方式使反应器温度控制在(30±1) ℃。为避免光照对硫自养反硝化菌的伤害，反应器外部用铝箔纸包裹避光。实验装置如图1所示。

图1 连续流装置示意图

1.3 硫涂层填料的制备

原材料：硫磺粉、生物绳填料和胶黏剂。硫磺粉含量≥99.5%；生物绳填料购于宜兴市和盛环保有限公司，型号为60CS3；胶黏剂为实验室自制，组成成分为5%的聚乙烯醇。

制备方法：填料制备流程见图2。根据反应装置的内部尺寸，截取长度为350 mm的生物绳填料，然后按照胶黏剂40 mL+硫磺粉50 g的配比将硫磺粉混匀至黏稠状，有利于硫磺粉粘附在生物绳填料上。接着，将混匀的硫磺粉全部涂刷到生物绳填料上，悬挂晾干至重量无变化。负载到填料上的硫磺粉质量M按式(2)计算。

图2 填料制备流程图

M=(m2-m1-m0)g

(2)

式中：m0为胶黏剂的质量；m1为生物绳填料质量；m2为晾干后的硫涂层填料质量；g为重力加速度。

1.4 实验方法

表1 反应器各个阶段运行条件

1.5 分析方法

采用热场发射扫描电镜(JSM-7800F，JEOL，日本)对污泥进行形貌表征分析，扫描电镜样品前期处理参照文献[21]。将污泥样品送往上海美吉生物医药科技有限公司，采用Illumina Miseq 测序技术进行微生物多样性分析，主要通过PCR仪对细菌16S rRNA基因进行PCR扩增，引物序列为515F(5′-GTGCCAGCMGCCGCGG-3′)和907R (5′-CGTCAATTCMTTTRAGTTT-3′)[22]。此外，微生物功能预测分析主要运用FAPROTAX(Functional Annotation of Prokaryotic Taxa)软件和R语言3.5.3进行结果运行以及绘图分析。

2 结果与讨论

图3 进出水浓度及去除率

表2 单质硫自养反硝化

图4 出水和浓度

2.2 pH值的变化及出水的浓度

图5 进出水pH值的变化和出水COD浓度

通过检测发现，整个阶段的出水COD含量均较低，保持在40 mg/L以内(图5(b))，远远低于中国城镇污水处理厂出水COD一级A标准(50 mg/L)。说明实验所用的胶黏剂在单位时间内释放的有机物含量较少，具有良好的粘附性和不溶性，且经过处理后的出水不会带来二次有机污染。

图6 出水浓度

2.3 污泥SEM图片分析

取初始污泥和反应器稳定运行后阶段Ⅲ中的污泥进行SEM微生物形态观察分析。如图7(a)所示，初始污泥形状均不规则，且疏松多孔，表面粗糙，这为微生物的附着生长提供了场所。待反应器成功启动且稳定运行后，取阶段Ⅲ的反应污泥进行SEM微生物形态观察，结果见图7(b)，发现污泥表面附着有明显且形状规则的杆状微生物，这与实验在电子显微镜下观察到的硫自养反硝化微生物形态一致。马潇然等[36]通过对硫自养反硝化系统稳定运行时期的污泥进行扫描电镜观察，结果表明，污泥中存在一些短杆菌和球状菌。此外，赵晴等[37]研究指出，以硫化物为电子供体的自养反硝化污泥中细菌形态主要为球状和短杆状。

图7 污泥SEM图像

2.4 微生物群落多样性分析

为了研究硫自养反硝化系统中的微生物种类及其相对丰度，取初始污泥和反应器稳定运行后阶段Ⅲ中的底泥，采用高通量测序技术进行微生物多样性分析。

图8 微生物在属水平的相对丰度

2.5 FAPROTAX功能预测分析

采用FAPROTAX方法对脱氮系统中的微生物群落功能表型进行预测，以及对系统中的碳、氢、氮、磷和硫的循环功能进行分析[19]。如图9所示，主要有7个硫循环相关以及13个氮循环相关的功能注释，分别包括dark_sulfide_oxidation、dark_oxidation_of_Sulfur_compounds、respiration_of_sulfur_compounds等和nitrate_respiration、nitrate_reduction、nitrogen_respiration等。

与初始污泥的微生物功能预测结果相比，反应后各阶段中与硫循环和氮循环相关的功能注释强度均有所增加。其中，初始污泥以及反应阶段Ⅲ、Ⅳ、Ⅵ中的dark_sulfide_oxidation强度分别为0、472、1 527和1 807，nitrate_reduction强度分别为34、537、314和586，说明在整个脱氮系统中，微生物主要进行的是硫代谢和氮代谢，且随着反应的进行，二者代谢强度有所增强。根据聚类分析关系可知，nitrate_respiration、nitrate_reductio和nitrogen_respiration联系紧密；dark_Sulfide_oxidation、dark_sulfur_oxidation、dark_thiosulfate_oxidation和dark_oxidation_of_Sulfur_compounds联系紧密，这也说明了体系中硫、氮代谢对脱氮起着关键作用。此外，各阶段功能预测中均存在一定强度的异养反硝化作用，说明脱氮体系中有部分异养反硝化作用参与，进而推断本系统中主要进行硫自养反硝化作用和部分异养反硝化作用。