短程反硝化处理酸性含氮废水及N2O释放特性

2023-09-15孙婷李悦李乐潘永宝姬涛吕永涛

应用化工 2023年8期

关键词：硝化酸性反应器

孙婷,李悦,李乐,潘永宝,姬涛,吕永涛

(1.西安建筑科技大学环境与市政工程学院,陕西西安 710055;2.陕西省现代建筑设计研究院有限公司,陕西西安 710024;3.中国地质调查局西安地质调查中心,陕西西安 710119)

N2O是生物脱氮过程释放的强温室气体[4],当pH低于6.0时,反硝化的主要产物是N2O而非N2[5-6],但以上研究多针对酸性pH的应激影响,对长期运行的酸性反硝化系统中N2O的释放特性尚少有报道。

本文在SBR系统成功实现了短程反硝化稳定运行,在此基础上研究了不同pH对N2O释放特性的影响,并通过系统中微生物群落的变化解析了N2O释放特性,旨在为酸性废水的直接反硝化提供理论依据。

1 实验部分

1.1 实验装置与运行

采用圆柱形SBR反应器,有效容积3 L,排水比0.66。每天运行4个周期,单周期6 h,包括进水5 min、搅拌300 min、静置沉淀30 min、排水5 min、闲置20 min,反应器在室温条件下运行(15～25 ℃)。

1.2 污泥来源和实验用水

污泥取自西安市第四污水处理厂,接种后反应器初始污泥浓度为4 000 mg/L左右,每天排除污泥混合液200 mL,泥龄控制为15 d左右。

1.3 分析方法

1.4 N2O气体分析及计算

反应过程中使用气体采样针从反应器上部集气区抽取50 mL气体,转移至气密性良好的铝箔气体采样袋后,使用PE600气相色谱仪对其中的N2O进行分析,所有气体样品均测定3次,取平均值。N2O的浓度、释放量及释放速率的计算参考文献[9]中的方法。

1.5 微生物群落多样性分析

取少量离心后的污泥采用高通量测序方法分析微生物群落结构,采用反硝化引物cd3aF(5’-GTSAACGTSAAGGARACSGG-3’)和R3cdR(5’-GASTTCGGRTGSGTCTTGA-3’)。PCR产物数据由美吉生物云平台进行分析。

2 结果与讨论

2.1 SBR驯化过程中氮素变化特性

图1 SBR系统启动及酸性条件下C、N的转化特性Fig.1 SBR system start-up and conversion characteristics of C and N under acidic conditions

2.2 不同pH条件下SBR单周期氮素转化特性

图2 不同pH条件下COD和氮素去除及N2O释放特性Fig.2 COD and nitrogen removal and N2O release rate at different pH conditions

2.3 微生物种群变化特性

取接种污泥(1#)和第120 d时已驯化污泥(2#)进行高通量测序。物种丰富度与多样性分析结果见表1,样品在属水平的菌落结构见图3。菌落分布柱状图中,“others”表示基因相对丰度小于1%的菌属。

表1 物种丰富度与多样性分析结果Table 1 Species richness and diversity analysis

图3 污泥样品在属水平的群落结构组成Fig.3 Community structure composition of samples at the genus level

由表1可知,120 d污泥(2#)微生物Sobs指数、Chao指数、Ace指数、Shannon指数较接种污泥(1#)明显下降,表明低pH驯化后,反硝化菌丰富度和多样性均有所降低。

由图3可知,接种污泥(1#)主要菌属为unclassified_k_norank_d_Bacteria(28.05%)、unclassified_p_Proteobacteria(39.06%)、norank_p_environmental_samples(21.30%)、Alicycliphilus(5.43%)、Thauera(2.41%);120 d污泥(2#)unclassified_k_norank_d_Bacteria相对丰度升至65.60%,norank_p_environmental_samples和Alicycliphilus基本消失,Thauera升至20.22%、unclassified_f_Rhodocyclaceae升至9.79%、unclassified_p_Proteobacteria降至3.07%。表明酸性进水条件对反硝化微生物群落的组成影响较大。武晓桐等[14]在研究好氧高温牛粪堆肥中反硝化细菌群落变化中发现,unclassified_p_Proteobacteria和pH之间呈显著正相关,unclassified_k_norank_d_Bacteria与pH之间呈负相关,这说明降低pH条件会使unclassified_p_Proteobacteria相对丰度降低,而使unclassified_k_norank_d_Bacteria的相对丰度增加,这与本研究结果一致(图3)。

此外,系统中微生物种群也影响着N2O的释放量。YUAN等[15]在研究了灌溉和覆膜对土壤N2O排放的影响中发现,N2O累积排放量与unclassified_k_norank_d_Bacteria和unclassified_p_Proteobacteria的相对丰度呈显著负相关[16];仇潇洒[17]在缺氧条件下成功培养出Thauera占主导的反硝化污泥系统,其在微生物总量中的占比由24.03%增至76.4%,N2O的转化率下降了97.5%,表明以上三个属反硝化数量增加均有利于N2O释放量的降低,由图3可知,unclassified_k_norank_d_Bacteria和Thauera均是本研究中反硝化系统的优势微生物,这也是本系统N2O产生率始终保持较低水平的主要原因,表明长期低pH条件培养的优势反硝化菌对控制温室气体N2O排放具有重要意义。