硫自養反硝化反應器脫氮特性研究

張晨曉，郭延凱，杜海峰，張　超，王思慧，廉　靜，郭建博

(1.河北科技大學環境科學與工程學院，河北石家莊　050018；2.河北省污染防治生物技術實驗室，河北石家莊　050018)

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硫自養反硝化反應器脫氮特性研究

張晨曉1,2，郭延凱1,2，杜海峰1,2，張超1,2，王思慧1,2，廉靜1,2，郭建博1,2

(1.河北科技大學環境科學與工程學院，河北石家莊050018；2.河北省污染防治生物技術實驗室，河北石家莊050018)

摘要：以硫自養反硝化反應器脫氮為研究體系，對其反硝化特性進行研究。結果表明，反應器完成掛膜后，15天可完成對反應器內硫自養菌的馴化，相比于其他的硫自養反硝化反應器，所用時間較短，進水pH值為8，t(HRT)為4.3 h，進水硝酸鹽質量濃度為70 mg/L時，脫氮率可穩定在90%以上，反硝化速率達18.5 mg/(L·h)(以N元素計)；反應器上、中、下部均有脫氮硫桿菌，且中、下部較多。反應器的最佳進水硝酸鹽質量濃度為50 mg/L，最適溫度為30~35 ℃，最佳進水pH值為7~8，硝酸鹽去除率可達90%以上。

關鍵詞：水污染防治工程；硫自養反硝化；馴化；脫氮；溫度；pH值

張晨曉，郭延凱，杜海峰，等.硫自養反硝化反應器脫氮特性研究[J].河北科技大學學報,2016,37(1):96-101.

隨著工農業的快速發展，大量污染物被排放到水體中[1]，其中硝酸鹽作為主要污染物質已經普遍存在，并有逐年加劇的趨勢。廢水中超標的硝酸鹽嚴重影響人體健康[2]，因此如何去除水體中的硝酸鹽成為亟待解決的問題。目前經濟有效的硝酸鹽處理技術之一是生物脫氮技術，分為異養反硝化技術和自養反硝化技術。異養反硝化技術需投加甲醇等有機碳源，存在成本高、后續有二次污染等問題[3-5]，而自養反硝化法可用無機物作為電子供體，不需要外加有機物，因而出水不會殘留有機物[6-8]。

1材料與方法

1.1　實驗裝置

本實驗所用硫自養反硝化反應器為升流式固定床反應器，圖1為實驗裝置圖。反應器內徑為10 cm，有效高度為33 cm，有效容積為1.0 L，材質為有機玻璃。反應器內硫單質和石英砂按體積比為3∶1混合均勻后填裝，硫單質裝填體積為1.2 L。硫顆粒和石英砂粒徑均為2~3 mm。反應器有4個出水口，本實驗測定的出水來自出水口4，掃描電鏡中所取泥樣分別來自出水口1、出水口2、出水口3。

圖1　實驗裝置圖Fig.1　Schematic of the experiment apparatus

1.2　接種污泥

本實驗采用的活性污泥取自石家莊市橋西污水處理廠的二次沉淀池，為縮短反硝化反應器的掛膜和馴化時間，先對污泥進行培養，將1 L污泥放入2 L的錐形瓶，并添加培養液，且定期更換，培養液成分為150 mg/L的硝酸鹽、0.5 g/L的酵母粉和1.5 g/L的胰蛋白胨。考察每次更換新培養液后18 h硝酸鹽的去除率，經3次培養后具有較好的反硝化特性，硝酸鹽的去除率為88.7%。取其中300 mL污泥接種至反應器內(生物量為0.35 g/L，以SS計，下同)。

1.3　實驗用水

本實驗采用人工模擬高濃度硝酸鹽地下水，反應器用水均為自來水，為快速生成生物膜，迅速提高生物量，采用異養反硝化進行掛膜啟動。開始時甲醇和硝酸鹽(以氮計)的質量濃度比(ρ(COD)∶ρ(N))為6∶1，之后逐漸減少甲醇的量直至為0。硝酸鹽的質量濃度為200 mg/L，微量元素的體積分數為2 mL/L，微量元素中各物質組成(以質量濃度計)：EDTA二鈉鹽(63.68 mg/L)，ZnSO4(2.2 mg/L)，CaCl2(5.5 mg/L)，MnSO4(4.32 mg/L)，FeSO4·7H2O(5 mg/L)，Na2MoO4·2H2O(2.11 mg/L)，CuSO4·5H2O(1.57 mg/L)，CoCl2·6H2O(1.61 mg/L)。20天后，硝酸鹽的去除率穩定在90%以上，反應器掛膜成功。掛膜完成后，對硫自養反硝化反應器進行馴化，馴化分為3個階段[9]：高硝酸鹽選擇壓階段(1)，降低硝酸鹽負荷階段一(2)和降低硝酸鹽負荷階段二(3)，3個階段模擬進水條件如表1所示。

1.4　分析方法

表1　馴化階段運行條件

2結果與討論

2.1　反應器的掛膜啟動和硫自養反硝化菌的馴化

反應器掛膜啟動過程中以甲醇為有機碳源，并逐步減少甲醇的投入量直至為0，當硝酸鹽去除率穩定在90%以上，說明反應器掛膜成功，同時可以觀察到反應器內部有棕黑色的生物膜形成。

2.1.1馴化過程中反應器出水變化

反硝化馴化階段保持進水pH值為8，t(HRT)為4.3 h不變，改變進水硝酸鹽的濃度，考察其反硝化效果。反應器馴化期間硝酸鹽去除效果如圖2所示。

圖2　馴化階段進出水濃度變化曲線Fig.2　Concentration curve of influent and effluent in domestication stage

在馴化第1階段硝酸鹽的去除率只有20%左右，同時出水中亞硝酸鹽的質量濃度在21 mg/L左右，反硝化平均速率為10.8 mg/(L·h)(以N元素計，下同)，這是由于硝酸鹽進水負荷過高，同時亞硝酸鹽的積累抑制了反硝化菌的活性；第2階段進水硝酸鹽的質量濃度為100 mg/L，經過2天馴化硝酸鹽的去除率達到了90%左右，出水亞硝酸鹽的質量濃度下降到13 mg/L左右，反應器馴化到第5天后，硝酸鹽的去除率開始降低，第8天時降到50%，之后又逐漸升高，到第9天時為72%，反硝化速率為20.51 mg/(L·h)，推測原因為反應器內異養菌利用殘留有機物及死亡細胞作為營養物質進行異養反硝化，導致反硝化效率迅速提高，而第5天時反應器內有機物被耗盡，致使異養反硝化菌活性降低，反硝化效率逐漸下降，此時反硝化作用逐漸由自養反硝化菌來完成；第3階段進水硝酸鹽的質量濃度調整為70 mg/L，此階段運行6天后硝酸鹽的去除率較為穩定達到90%以上，同時出水基本沒有亞硝酸鹽的積累，反硝化速率約為18.5 mg/(L·h)，此時自養反硝化菌活性逐漸增強，反硝化效率也逐漸提高。隨著反硝化效率的逐漸穩定，表明硫自養反硝化馴化完成。劉佃娜等[16]研究的硫自養反硝化強化垂直流人工濕地脫氮系統中，經過1個多月的馴化，系統的出水效果基本穩定，本實驗中馴化過程約為15天，馴化時間大大縮短。

2.1.2馴化前后SEM分析

硫自養反硝化反應器馴化完成后，對反應器內污泥及反應器剛接種的污泥進行電鏡分析，如圖3所示。

圖3 a)中可以看出，馴化前期污泥為絮體，有少量球菌、桿菌存在；馴化結束時，反應器上部微生物較少，僅有少數的桿菌存在，大部分為絮體狀物質(見圖3 b))；中部存在大量的桿菌，同時還有少量螺旋桿菌(見圖3 c))，形態與文獻[18]中所報道的脫氮硫桿菌(Thiobacillusdenitrificans)和脫氮硫小螺菌(Thiomicrospiradenitrificans)一致；下部微生物量最大，有大量桿狀菌和少量的螺旋狀菌(見圖3d))。反應器內生物量由下而上逐漸減少，原因為進水負荷從下到上逐漸降低，下部負荷最大，電子受體最多，故細菌數量最多。

圖3　污泥掃描電鏡圖Fig.3　SEM of sludge samples

2.2　硫自養反硝化效果的影響因素

2.2.1進水硝酸鹽濃度的影響

當溫度為35 ℃，進水pH值為8，t(HRT)為4.3 h時，改變進水硝酸鹽的濃度，對進、出水硝酸鹽及出水亞硝酸鹽的濃度進行測定，如圖4所示。

圖4　進水硝酸鹽氮濃度對硫自養反硝化的影響Fig.4　Effect of influent concentration of nitrate on sulfur autotrophic denitrification

進水硝酸鹽的質量濃度為50 mg/L左右時，硝酸鹽的去除率在95%以上，同時沒有亞硝酸鹽的生成。運行第4天時，進水硝酸鹽的質量濃度增加到120 mg/L，硝酸鹽的去除率開始下降，之后上升到90%以上，出水基本無亞硝酸鹽，當硝酸鹽的質量濃度提高到300 mg/L左右時，穩定運行10天，硝酸鹽的去除率仍在80%左右，但出水中有5 mg/L左右的亞硝酸鹽，說明達到了硫自養反應器的最大硝酸鹽負荷，去除率下降，因此最適進水硝酸鹽的質量濃度為50 mg/L，高于劉佃娜等[16]的報道值，即在進水硝酸鹽的質量濃度為20 mg/L，t(HRT)為12 h時，硝酸鹽的去除率達到97%。

2.2.2溫度的影響

當進水pH值為8，進水硝酸鹽的質量濃度為50 mg/L，t(HRT)為4.3 h時，改變溫度，對硝酸鹽進、出水及出水亞硝酸鹽濃度進行測定，如圖5所示。

圖5　溫度對硫自養反硝化的影響Fig.5　　Effect of temperature on sulfur autotrophic denitrification

在30~35 ℃時，反硝化菌活性較高，出水基本無亞硝酸鹽，硝酸鹽的去除率可達90%，因此最佳溫度范圍為30~35 ℃。李天昕等[19]研究表明，脫氮硫桿菌的最適反硝化溫度為32.8 ℃。本實驗中，在20 ℃時，出水硝酸鹽濃度較高，而在40 ℃時，出水亞硝酸鹽濃度較高，其原因可能是低溫對硝酸鹽還原酶抑制作用較大，而高溫環境對亞硝酸鹽還原酶的抑制作用較大[20-21]。

2.2.3pH值的影響

進水硝酸鹽的質量濃度為50 mg/L，pH值分別設定為5.0，6.0，7.0，8.0，9.0，t(HRT)為4.3 h，對硝酸鹽進、出水及出水亞硝酸鹽濃度進行測定，如圖6所示。

圖6　pH值對硫自養反硝化的影響Fig.6　Effect of pH on sulfur autotrophic denitrification

pH值會改變底物以及微生物酶的帶電狀態，因此會影響微生物對底物的降解以及微生物酶的活性[22]。反應器進水pH值為7~8時，硝酸鹽的去除率最高可達96%。而低于7或高于8均會影響反硝化性能，由圖7可以看出進水pH值在5和9時反應器出水中有亞硝酸鹽，說明反硝化菌受到抑制。DONOVAN等[23]的研究表明，pH值在6.8~7.4時，硫自養反硝化菌的反硝化效果較好。雖然硫自養反硝化過程產酸，但進水pH值為7~8時，反應體系的pH值可保持在硫反硝化菌的適宜范圍內，故硝酸鹽去除率較高。因此，硫自養反硝化反應器進水pH值范圍應為7~8。袁玉玲等[24]的研究也表明，在pH值為7~8時，總氮(TN)的去除率最高達到100%，與本實驗結果相一致。

3結論

1) 在硫自養反硝化菌馴化過程中，經過5天的馴化，硝酸鹽的去除率基本可達70%以上，第2階段完成后，反硝化速率可達20.51mg/(L·h)；15天后馴化基本完成，硝酸鹽的去除率穩定在90%以上，反硝化速率約為18.5mg/(L·h)。

2) 馴化完成后，反應器上、中、下部均有桿菌存在，其中，中、下部較多，有大量桿菌和少量的螺旋狀菌。

3) 當進水硝酸鹽的質量濃度分別為50，120和300mg/L時，硝酸鹽的去除率均在80%以上；20 ℃時，出水硝酸鹽濃度相對較高，而在40 ℃時，出水亞硝酸鹽濃度相對較高，可能原因是低溫對硝酸鹽還原酶抑制作用較大，而高溫環境對亞硝酸鹽還原酶的抑制作用較大；硫自養反硝化pH值適宜范圍為7~8。

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Denitrification characteristics of a sulfur autotrophic denitrification reactor

ZHANG Chenxiao1,2, GUO Yankai1,2, DU Haifeng1,2, ZHANG Chao1,2,

WANG Sihui1,2, LIAN Jing1,2, GUO Jianbo1,2

(1.School of Environmental Science and Engineering, Hebei University of Science and Technology, Shijiazhuang, Hebei 050018, China; 2.Pollution Prevention Biotechnology Laboratory of Hebei Province, Shijiazhuang, Hebei 050018, China)

Abstract:The denitrification characteristics of a sulfur autotrophic denitrification reactor are investigated. The results show that domestication of sulfur autotrophic bacteria is completed within 15 days after biofilm formation in the reactor, which is shorter than other similar researches. The nitrogen removal rate remains over than 90%, and the denitrification rate reaches 18.5 mg N/(L·h) with influent-N of 70 mg/L , influent pH of 8 and HRT of 4.3 h . Thiobacillus denitrificans are observed in the whole reactor when domestication finishes, while it is more abundant in the middle and lower part. The optimal influent-N concentration for the reactor is 50 mg/L, the optimal temperature is 30~35 ℃, the optimal influent pH is 7~8, and the nitrogen removal rate is over than 90%.

Keywords:water pollution control engineering; sulfur autotrophic denitrification; domestication; nitrogen removal; temperature; pH

通訊作者：郭建博教授。E-mail：jianbguo@163.com

作者簡介：張晨曉(1990—)，女，河北邢臺人，碩士研究生，主要從事水污染控制方面的研究。

基金項目：國家自然科學基金(51208170)；河北省杰出青年科學基金(E2012208012)；河北省高校百名優秀創新人才支持計劃(Ⅱ)(BR2-211)；河北省高校重點學科建設項目

收稿日期：2015-03-05；修回日期：2015-05-11；責任編輯：王海云

中圖分類號：X523

文獻標志碼：A

doi:10.7535/hbkd.2016yx01016

文章編號：1008-1542(2016)01-0096-06