无机-有机基质配置对反硝化生物滤池脱氮除磷效能的影响机制

李亚楠，张 皓，王宇晖，宋新山，许中硕

(东华大学 环境科学与工程学院, 上海 201620)

由于人类日常生活、工业与农业生产过程中大量氮类物质的排放[1],硝态氮已成为水体最普遍的污染因子之一,也是导致水体“N饱和”的最主要因子。据文献[2]报道,我国71条主要河流的7.83%样品中硝酸盐质量浓度均超过了国家饮用水标准,部分河流硝酸盐质量浓度高达90 mg/L,呈现硝酸盐严重污染程度。除此之外,华北平原区域尺度地下水硝酸盐超标率高达39.6%,地下水厚包气带硝酸盐存储总量可到1 854万t[3]。由此可见,我国地表和地下水环境硝态氮污染的形势均较为严峻。过高浓度的硝态氮将会加剧水体富营养化的程度[4],甚至增加饮用水安全隐患,从而威胁人类健康[5]。因此,水体硝态氮污染的控制和治理刻不容缓且具有重要的现实意义。

因此,本文分别以火山岩-PHBV、黄铁矿-PHBV为基质构建生物滤池系统R1和R2,考察不同氮负荷条件下系统间脱氮除磷的效果差异,并进一步探究系统间微生物群落结构特征以揭示基质配置对处理效能的影响机制。本研究旨在为生物滤池填料的优化配置提供新思路,为开发高效同步脱氮除磷的生物滤池系统提供新策略。

1 材料与方法

1.1 反硝化生物滤池构建

1.1.1 材料与装置

有机基质为PHBV圆柱形颗粒,购自宁波天安生物材料有限公司,其物理性质:直径约为8 mm;高度约为2 cm;干质量约为0.92 g/粒;比表面积约为16.4 cm2/g。

无机基质:(1)火山岩,粒径为5～8 mm,孔隙率可达80%左右,含铁、硅、铝等元素;(2)黄铁矿,粒径为5～8 mm,试验所用黄铁矿经X射线衍射(XRD)分析,结果如图1所示。根据XRD特征图谱,确定受试黄铁矿的主要成分是FeS2,并含有SiO2成分。

图1 黄铁矿XRD特征图Fig.1 XRD characteristic map of pyrite

试验用污泥取自上海松江污水处理厂二沉池,初始接种污泥质量浓度为3 500 mg/L。

本研究构建的上流式反硝化生物滤池如图2所示。反应器的柱体材质为硬聚氯乙烯,工作容积为1.54 L(内直径为7 cm,高为40 cm),其中,基质填充高度为34 cm。R1系统中基质填充从上往下依次为5 cm石英砂(直径为2～4 mm)、29 cm PHBV(质量为350 g,直径为7～9 mm)与火山岩(直径为5～8 mm)的混合物,实际有效过水体积约为530 mL。R2系统中基质填充从上往下依次为5 cm石英砂(直径为2～4 mm)、29 cm PHBV(质量为350 g,直径为7～9 mm)与黄铁矿(直径为1～6 mm)的混合物,实际有效过水体积约为480 mL。

图2 反硝化生物滤池示意图Fig.2 Schematic diagram of denitrification biological filter column

1.1.2 运行条件

1.2 磷酸盐去除小试

1.3 测定指标与方法

1.3.1 水质指标的测定

1.3.2 微生物多样性的测定

系统运行末端,在两个反硝化生物滤池中分别取无机基质与有机基质两种微生物样品。其中:在R1系统中取得的火山岩和PHBV样品分别命名为a1和a2;在R2系统中取得的黄铁矿和PHBV样品分别命名为b1和b2。经DNA提取盒操作后,采用NanoDrop 2000型分光光度计测定DNA的浓度和纯度,然后使用338F(5′-ACTCCTACGGGAGGCAGCAG-3′)和806R(5′-GGACTACHVGGGTWTCTAAT-3′)对16 S rRNA基因的V3-V4区进行PCR(polymerase chain reaction)扩增,最后利用Illumina MiSeq PE300完成测序(上海美吉生物医药科技有限公司)。

2 结果与讨论

2.1 生物滤池出水物理指标变化

系统进出水的物理指标如图3所示。由图3(a)可知:在运行过程中,两个反硝化生物滤池进水DO的平均质量浓度为8.39～10.79 mg/L,整体呈逐步下降的趋势,这主要是运行温度影响的结果(见图3(d));两个反硝化生物滤池的阶段Ⅰ与阶段Ⅱ出水DO质量浓度变化趋势基本保持一致,为3.94～8.60 mg/L,但阶段Ⅲ中R1系统出水的DO质量浓度低于R2系统,说明HRT的延长增大了R1系统DO的消耗量。由图3(b)可知:系统进水pH值相对稳定,波动值为7.39～8.52;R1和R2系统在整个试验运行阶段pH值基本一致,出水pH值分别为7.61±0.53和7.54±0.54。Ma等[21]研究表明,反硝化反应最适宜的pH值为6.00～8.00,当pH值处于7.00～7.50时,反硝化脱氮速率最高。由此可知,本文系统pH值适宜反硝化反应的顺利进行。由图3(c)可知,整个运行阶段,进水ORP稍有波动,平均值基本维持在200 mV左右。据Liu等[22]报道,在黄铁矿自养反硝化情况下,黄铁矿转化为生物可利用形式的电化学阈值为200 mV。因此,进水的ORP可以为R2系统发生以黄铁矿为电子供体的自养反硝化反应提供一定有利条件。整体而言,R1与R2系统出水的ORP均明显低于进水,这与Ge等[23]的试验结果一致。据文献[24]报道,影响ORP的因素很多,主要包括DO质量浓度、pH值,有机物、铁的种类和浓度,以及微生物的群落结构/活性等。

图3 反硝化生物滤池进出水DO、pH、ORP和温度的变化Fig.3 Changes in DO,pH,ORP and temperature of the inlet and outlet water of denitrification biofilters

2.2 硝酸盐氮去除性能

图4 反硝化生物滤池脱氮性能的差异Fig.4 Differences in nitrogen removal performance of denitrification biofilters

2.3 磷酸盐去除性能

2.3.1 磷酸盐去除效果

图5 反硝化生物滤池除磷性能的差异Fig.5 Differences in phosphorus removal performance of denitrification biofilters

表1 反硝化生物滤池在试验的3个阶段中的去除率

4Fe(OH)3+16H+

(1)

2.3.2 磷酸盐吸附沉淀试验

图6 不同DO质量浓度条件下火山岩和黄铁矿除磷性能的差异Fig.6 Differences in phosphorus removal performance of volcanic rock and pyrite under different DO mass concentrations

3 微生物群落结构特征

两个反硝化生物滤池在门水平和纲水平上的微生物的组成及其相对丰富度,如图7所示。

由图7(a)可知,两反硝化生物滤池的优势门均为Proteobacteria(变形菌门)、Firmicutes(厚壁菌门)和Bacteroidota(拟杆菌门)。其中,样品a1、a2、b1以及b2中优势门的相对丰富度如表2所示。由表2可知,与R1系统相比,R2系统中Proteobacteria和Firmicutes相对丰富度显著增加,但是Bacteroidota的相对丰富度有所减小。文献[32]研究表明,Proteobacteria、Firmicutes和Bacteroidota是PHBV脱氮系统的优势门。其中,Proteobacteria是固相碳源(如PHBV、PCL(聚己内酯)和PBS(聚丁二酸丁二醇酯)等)反硝化脱氮系统中的最优势门,多数反硝化菌属归属于Proteobacteria[33-35],Firmicutes和Bacteroidota则通常与有机物的水解、发酵以及产酸过程有关[36-37]。

进一步地分析,由图7(b)可知,两个反硝化生物滤池在纲水平上主要包括Gammaproteobacteria(γ变形菌纲)、Negativicutes(厚壁菌纲)、Bacteroidia(拟杆菌纲)、Alphaproteobacteria(α变形菌纲)和Clostridia(梭菌纲)。其中,Gammaproteobacteria均为R1与R2系统的最优势纲,其在a1、a2、b1以及b2样品上的相对丰富度分别为37.5%、26.5%、44.2%和45.8%。文献[38]研究表明,Gammaproteobacteria普遍存在于营养受限的异生环境中,并表现出降解和转化可利用有机物的本能,同时,Gammaproteobacteria可分泌胞外聚合物,这使得它比其他细菌更具选择性地黏附在膜表面[39]。然而,据文献[32]报道,PHBV反硝化生物滤池除了含有丰富的Gammaproteobacteria外,其最优势纲一般为Betaproteobacteria,由此说明无机基质改变了系统的微生物群落结构。

两个反硝化生物滤池中属水平上的微生物组成及其相对丰富度如图8所示。Simplicispira和Dechloromonas是生物废水中常见的异养反硝化细菌[40],其中Dechloromonas是PHBV反硝化系统中常见的反硝化菌属之一[16]。Zoogloea是市政污水处理厂活性污泥脱氮系统中最丰富的反硝化菌属之一[41-42];Hydrogenophaga和Flavobacterium可以完成完整的反硝化过程[43];Acidovorax、Lysobacter以及Thermomonas属于典型的异养反硝化菌属[44-45]。由图8可知,4个样品的微生物群落结构特征存在显著差异。其中:a1样品中的反硝化细菌主要包括Simplicispira(6.8%)、Dechloromonas(6.2%)和Acidovorax(3.5%);a2样品中的反硝化细菌主要包括Simplicispira(4.8%)、Dechloromonas(5.0%)、Telmatospirillum(9.0%)和Acidovorax(3.1%);b1样品中的反硝化细菌主要包括Simplicispira(10.3%)、Dechloromonas(7.2%)、Thermomonas(3.4%)、Zoogloea(4.8%)和Hydrogenophaga(1.7%);b2样品中的反硝化细菌主要包括Simplicispira(9.2%)、Dechloromonas(5.5%)、Thermomonas(4.1%)、Zoogloea(3.3%)和Flavobacterium(2.4%)。总体而言,两个反硝化生物滤池中优势反硝化菌属均为Simplicispira和Dechloromonas,且它们在R2系统中的相对丰富度高于R1系统。除此之外,a1、a2、b1以及b2样品中反硝化细菌的相对丰富度之和分别为21.9%、23.2%、30.1%和25.8%,说明黄铁矿可以促进系统反硝化菌属的优势形成。

图7 反硝化生物滤池中门水平和纲水平上微生物的组成及其相对丰富度Fig.7 Composition and relative abundance of microorganisms at the phylum level and the class level in denitrification biofilters

表2 反硝化生物滤池中门水平上优势微生物的相对丰富度

图8 反硝化生物滤池中属水平上微生物的组成及其相对丰富度Fig.8 Composition and relative abundance of microorganisms at the genus level in denitrification biofilters

4 结 论

(3)高通量测序结果表明,两系统的优势菌门和纲均为Proteobacteria和Gammaproteobacteria。优势反硝化菌属均为Simplicispira与Dechloromonas,两者在R2系统中的相对丰富度高于R1系统,说明黄铁矿可以促进系统反硝化菌属的优势形成。