煤气化废水驯化后硝化菌群的脱氨性能及群落分析

2022-11-01方玉美程顺利黄玉喜彭子涵赫玲玲肖进彬

环境科技 2022年5期

方玉美，程顺利，黄玉喜，彭子涵，赫玲玲，肖进彬

（河南省高新技术实业有限公司，河南郑州 450002）

0 引言

煤气化废水是含芳香族化合物和杂环化合物的典型废水，主要来源于煤气发生炉的煤气洗涤、冷凝及净化等过程中。煤气化废水成分复杂，含有残留的焦油、酚和氨等污染物和其他物质，COD 浓度高，一般呈深褐色，有一定粘度，多泡沫，有浓烈的酚、氨臭味[1-3]。我国在“十二五”，“十三五”，“十四五”生态环境保护规划中，明确了NH4+-N，TN 为国家水体污染约束性控制指标，因此煤气化废水的NH4+-N 脱除问题一直是关注的热点。

近年来，相比磷酸铵镁沉淀法、蒸氨法、催化电解法等工艺，生物脱氮法因其操作简便、低成本效益高等优点被广泛应用于废水脱氮处理[4-5]，其中短程硝化反硝化、厌氧氨氧化脱氮工艺已逐渐发展成为一种趋势。但传统硝化细菌生长缓慢，平均代时均在10 h 以上，且受外界环境，如pH 值、温度、微生物种类等影响较大[6-7]，同时煤气化废水作为处理难度较大的工业废水之一，COD 质量浓度在2 000 mg/L 以上，NH4+-N 质量浓度在200 mg/L 以上[1]，若利用一般硝化菌剂处理高浓度NH4+-N 煤气化废水，且考虑废水中有毒有害有机物对微生物菌群的不利影响，出水中NH4+-N 和TN 浓度易出现不达标现象。研究在工业煤气化废水环境中，利用活性污泥曝气驯化硝化菌液，期望获得耐受高浓度NH4+-N 的耐毒硝化菌液[8-9]，进一步为硝化菌剂应用于煤气化废水的工业化处理提供支撑。

1 材料与方法

1.1 试剂、材料和仪器

试剂：（NH4）2SO4，KH2PO4，Na2HPO4，NaHCO3，MgSO4·7H2O，CaCl2·2H2O（NaCO3为分析纯，Fe-EDTA 为化学纯）。

仪器：TU-1810 紫外-可见分光光度计（北京普析通用仪器有限责任公司）；水质指标快速检测仪（郑州沃特测试技术有限公司）；LHZ-111A 全温振荡器（上海程捷仪器设备有限公司）；PHS-3E pH 计和DO-957 溶解氧测定仪（上海雷磁仪器有限公司）。

用于驯化硝化菌液的污泥取自甲胺污水处理厂的活性污泥；煤气化废水取自河南某化工厂煤气洗涤污水。原水水质指标见表1。mg·L-1

表1 煤气化废水原水水质指标

对照组菌剂为市售硝化菌剂（适用于各类含NH4+-N 废水的处理）；实验组菌剂为煤气化废水连续培养装置曝气池中的硝化菌液。

硝化菌培养基和脱氨能力测试培养基：(NH4)2SO4，KH2PO4，Na2HPO4，NaHCO3，MgSO4·7H2O，CaCl2·2H2O，Fe-EDTA 质量浓度分别为2.5，0.7，13.5，0.5，0.1，0.005，0.001 g/L。

pH 值调节液：Na2CO3溶液（质量分数为5%）。

1.2 方法

1.2.1 硝化菌液的驯化与富集

以甲胺污水处理厂的活性污泥为接种物，接种体积分数为30%，在连续培养装置中加入质量分数为10%～15%的煤气化废水曝气驯化培养，使曝气池NH4+-N 质量浓度维持在300 ～500 mg/L，DO 质量浓度维持在2 ～5 mg/L，pH 值为6 ～9，驯化时间6个月。取适量驯化后的废水样品接入到100 mL 硝化菌培养基中进行硝化菌液的富集培养，培养时间15 d，温度30 ℃，转速150 r/min，连续培养3 代后收集菌种。

1.2.2 硝化菌液氨态氮脱除能力测试

共设3 组处理组：对照组1 和对照组2 分别为不同市售菌剂，试验组为驯化后的硝化菌液。设计NH4+-N 初始质量浓度为450 mg/L，配制脱氨能力测试培养基，按菌数量1.0×106cfu/mL 接种，在30 ℃，摇床转速150 r/min 条件下培养20 d，通过检测NH4+-N 浓度的变化考察硝化菌液脱除能力。

1.2.3 不同pH 值对硝化菌NH4+-N 转化的影响

设计NH4+-N 初始质量浓度为450 mg/L，培养过程中调节pH 值分别为7.0，7.5，8.0，8.5，通过检测NH4+-N，NO2--N，NO3--N 的浓度考察驯化后硝化菌液的适宜NH4+-N 转化的pH 环境及3 种价态氮的转化规律。

1.2.4 处理时间对硝化菌液氨态氮转化的影响

设计NH4+-N 初始质量浓度为450 mg/L，调节培养液pH 值为8.0，通过检测NH4+-N，NO2--N，NO3--N 的浓度考察驯化后硝化菌液的脱除NH4+-N适宜的pH 值及3 种价态氮的转化规律。

1.2.5 温度对硝化菌液氨态氮转化的影响

设计NH4+-N 初始质量浓度为450 mg/L，在25，30，35 ℃温度条件培养，通过检测NH4+-N，NO2--N，NO3--N 的浓度考察驯化后硝化菌液的适宜NH4+-N转化的温度及3 种价态氮的转化规律。

1.2.6 驯化后硝化菌液的微生物多样性分析

取驯化前后的水样作为样品送至戊碳糖生物检测，采用16SrRNA 基因文库高通量测序、alpha 多样性分析驯化后硝化菌液的优势菌属及相对丰度。

1.2.7 水质指标测定方法

NH4+-N 采用HJ 535—2009 纳氏试剂分光光度法；NO3--N 采用GB 7480—87 酚二磺酸分光光度法；NO2--N 采用GB 7493—87 分光光度法；pH 值采用玻璃电极及精密pH 试纸法检测。

1.2.8 数据处理与分析

式中：N0为NH4+-N 初始质量浓度，mg/L；Nx为培养x天后的NH4+-N 质量浓度，mg/L。

式中：B0表示NO2--N 初始质量浓度，mg/L；Bx表示培养x天后的NO2--N 质量浓度，mg/L。

式中：C0表示NO3--N 初始质量浓度，mg/L；Cx表示培养x天后的NO3--N 质量浓度，mg/L。

相关数据分析采用Origin92 软件处理完成。

2 结果与分析

2.1 硝化菌NH4+-N 脱除能力测试

考察驯化后的硝化菌液对NH4+-N 的脱除能力，结果见图1。

图1 不同来源的硝化菌对NH4+-N 的去除效果

由图1 可知，培养20 d 后，对照组1 的NH4+-N质量浓度降至402.65 mg/L，NH4+-N 去除率为9.4%；对照组2 的NH4+-N 质量浓度降至385.21mg/L，NH4+-N 去除率为13.3%；实验组的NH4+-N 质量浓度降至140.96 mg/L，NH4+-N 去除率为68.78%。对比采购的2 种市售菌剂，在NH4+-N 初始质量浓度为450 mg/L 时，驯化后的硝化菌液具有显著优势。

2.2 pH 值对硝化菌液NH4+-N 转化的影响

不同pH 值条件下NH4+-N，NO2--N，NO3--N 的转化规律见图2。由图2 可知，培养12 d 后，在pH值为7.0 时，NH4+-N 质量浓度降至186.3 mg/L，去除率为58.6%；NO2--N 质量浓度为226.9 mg/L，积累率为50.43%；NO3--N 质量浓度为25.6 mg/L，积累率为5.68%。在pH 值为7.5 时，NH4+-N 质量浓度降至18.9 mg/L，去除率为95.8%；NO2--N 质量浓度为224.0 mg/L，积累率为49.79%，NO3--N 质量浓度为25.1 mg/L，积累率为5.57%。在pH 值为8.0 时，NH4+-N 质量浓度低于检测限（0.1 mg/L）；NO2--N 质量浓度为210.4 mg/L，积累率为46.76%；NO3--N 质量浓度为24.7 mg/L，积累率为5.50%。在pH 值为8.5 时，NH4+-N 浓度降至46.75 mg/L，去除率为89.61%；NO2--N 质量浓度为215.9 mg/L，积累率为47.98%；NO3--N 质量浓度为25.0 mg/L，积累率为5.56%。从实验数据来看，经煤气化废水驯化的硝化菌液在pH 值为7.5 ～8.5 环境下，NH4+-N 去除率均超过80%。

图2 NH4+-N，NO2--N，NO3--N 的质量浓度变化

2.3 处理时间对硝化菌液NH4+-N 转化的影响

考察14 d 内NH4+-N 的转化规律，结果见图3。

图3 NH4+-N，NO2--N，NO3--N 转化曲线

由图3 可知，经煤气化废水驯化的硝化菌液在第2 天开始起效，14 d 内将质量浓度为450 mg/L 的NH4+-N 全部转化。NO2--N 质量浓度在第7 天达到峰值（221.73 mg/L），之后的7 d 内NO2--N 浓度达到动态平衡；NO3--N 质量浓度在第7 天达到峰值25.0 mg/L，之后的7 d 内NO3--N 浓度达到动态平衡。第7天后，NH4+-N 继续减少，但NO2--N 和NO3--N 均未检测到明显增加，分析原因为除部分无机氮被微生物自身生长利用外，可能存在某类好氧反硝化菌，将NO2--N 和NO3--N 还原为N2脱除，维持NO2--N 和NO3--N 的动态平衡。

2.4 温度对硝化菌液NH4+-N 转化的影响

考察不同温度条件下3 种价态氮的转化规律，结果见图4。

图4 不同温度条件下NH4+-N，NO2--N，NO3--N的转化规律

由图4 可知，NH4+-N 在30 ℃环境下脱除效率较高，培养8 d 后，NH4+-N 质量浓度降至10 mg/L 以下；在35 ℃环境下，NH4+-N 的脱除效率优于25℃时的脱除效率，由此可推测，硝化菌液中氨氧化菌的适宜温度为30 ℃左右；在30 和35 ℃环境下，NO2--N的积累量相差不大，25 ℃环境下NO2--N 的积累量稍低，推测亚硝化菌在30 ～35 ℃生长状态良好；由于硝化细菌的代时较长，在培养至14 天时，NO3--N积累量变化仍较小，表明该菌群中硝化细菌生长缓慢，倍增时间长达十几天。

2.5 微生物多样性及群落结构组成分析

通过2 组样品16SrRNA 基因文库高通量测序，经煤气化废水驯化后的样品（NF1）与驯化前的样品（NF2）alpha 多样性指标计算结果见表2。

表2 alpha 多样性指标计算结果

由表2 可知，2 个样品的文库覆盖率均大于0.98，表明测序深度已经基本覆盖样本中的所有物种。NF1 的Chao1和ACE指数均大于NF2，因此，NF1 具有较大的OTU 数，即驯化后的样品物种丰富度大于驯化前的样品，具有较多的物种总数。而NF2的Shannon多样性指数和Simpson多样性指数大于NF1，说明驯化前样品群落多样性高于驯化后的样品。多样性指数较高的原始污泥群落各种之间分配较均匀，而驯化后的样品各种之间生物差异较大，优势种群明显。

群落分部情况见图5，优势菌属中优势菌株的占比见表3。由图5 及表3 可知，驯化前样品菌群分布均匀，稍有优势的前3 类菌群为：甲基菌属（Methylobacillus），申氏菌属（Shinella），短链单胞菌（Brevundimonas）。驯化后的样品中优势菌群明显，前4 类优势菌种为：螺杆菌（Helicobacter），亚硝化单胞菌（Nitrosomonas），硝基黄杆菌（Diaphorobacter），假单胞菌属（Pseudomonas）。检测到的Nitrosomonas菌种主要为欧洲亚硝化单胞菌（Nitrosomonas europaeaATCC 19718），在检测样品的中相对丰度为21.76%；Diaphorobacter属主要为嗜酸菌（Acidovorax ebreus），相对丰度为5.89%，假单胞菌（Pseudomonas）主要为Pseudomonassp.SGb396，相对丰度为4.62%。

图5 样品在属层次的群落结构（前10 种）

表3 优势菌属中优势菌株的占比

3 讨论

试验结果初步表明，驯化后的硝化菌液在pH值为8.0，温度为30 ℃条件下，具有较强的氨氧化能力，这与报道文献中氨氧化细菌的较适pH 值、温度条件一致[10-11]。目前已报道的氨氧化菌的较适pH 值多数为偏碱性，当pH 值降低时，NH3将转化为NH4+，影响氨氧化菌（AOB）底物NH3的获得，从而影响氨氧化细菌丰度甚至种类[12]。在氧化脱氨过程中需补加碱液维持pH 环境，提高菌群的氨氧化速率和脱氨效率。从3 种价态氮的转化规律来看，驯化后硝化菌液中氨氧化能力较强，硝化能力偏弱，具有短程硝化的应用潜能。

在污水处理中硝化细菌作为功能菌群，其种类和数量决定了污水中NH4+-N 及其它污染物的降解程度。受处理水质的影响，驯化前活性污泥样品中Methylobacillus，Shinella，Brevundimonas3 种菌属相对丰度较大，其中Shinella具有脱除NH4+-N、降解酚类的功能[13-15]。驯化后样品中优势菌群与驯化前相差较大，前4 类优势菌种为螺杆菌（Helicobacter），亚硝化单胞菌属（Nitrosomonas），硝基黄杆菌（Diaphorobacter）和假单胞菌属（Pseudomonas）。其中螺杆菌属是污水中常见菌群[16]；亚硝化单胞菌属的菌种主要是欧洲亚硝化单胞菌（Nitrosomonas europaea ATCC19718），是一种自养氨氧化菌，具有将NH4+-N 转化成NO2--N 的功能[17]，是短程硝化的主要菌种；硝基黄杆菌属中优势菌种为Acidovoraxebreus，张念鑫等[18]研究发现嗜酸菌（Acidovoraxebreus）既可利用有机氮又可利用无机氮；硝基黄杆菌属具有异养反硝化、降解酚和烃的功能，寇悦等[19]将Diaphorobacter称为酚降解菌，RITIGALA 等[21]检测到Diaphorobacter属在反硝化中占优势[20-21]，WANG P 等[22]检测到Diaphorobacter以多环芳烃为唯一碳源，具有多环芳烃生物修复作用，刘攀龙[23]检测到Diaphorobacter nitroreducens有氨态氮脱除功能；假单胞菌是一种常见的反硝化细菌，同时还具有有氧反硝化以及反硝化吸磷的功能，假单胞菌中有关Pseudomonas sp.SGb396 菌种的报道较少，但其同类菌株有研究报道，ZHANG D 等[24]研究发现假单胞菌属Pseudomonas sp.Y39-6 具有好氧-异氧反硝化功能，HENTATI 等[25]检测到铜绿假单胞菌NAPH6具有降解萘，脂肪烃等功能。综上所述，经过煤气化废水驯化后，一些适应该废水水质的微生物被富集，氨氧化菌、酚烃类降解的菌成为优势菌群。异养反硝化菌的存在更好地解释了结果2.3 中存在的氮素部分消失现象。

对于较高NH4+-N 浓度的废水，尤其是工业废水，由于污水中毒害物质对微生物的抑制作用，加上硝化菌群的繁殖代时长，硝化菌剂直接加入污水处理系统，往往存在起效慢，效果不理想的情况。经实际废水驯化培养后，优势菌群的相对丰度会有所改变，耐受性强的适应水质的微生物菌群得到富集成为优势菌群，再作为菌种加入相应的污水处理系统中能够较快适应水质，获得较理想的效果。