絲瓜絡耦合硫鐵復合填料強化處理硝酸鹽的特性

黃鳳丹，張立秋,*，李淑更，雷志娟，朱曉輝，邵 兵

(1.廣州大學土木工程學院，廣東廣州 510006；2.廣州大學環境科學與工程學院，廣東廣州 510006；3.珠江三角洲水質安全與保護教育部重點實驗室，廣東廣州 510006)

城市污水處理廠出水再生回用是實現水資源再利用的有效途徑，但污水廠尾水中C/N低、氮和磷濃度較高、進行深度脫氮時存在碳源不足的問題，同步脫氮除磷更是需攻克的難題。異養反硝化和自養反硝化是去除硝酸鹽的有效途徑。其中，異養反硝化需外加碳源，如甲醇、乙酸、乙醇、聚己內酯(PCL)、稻草、玉米芯等，外加液體碳源具有供碳速率快、反硝化效果好等優點，但其投加量不易控制，易造成二次污染，且投加成本高。外加的固體碳源可以為生物膜提供掛膜載體，以天然纖維素材料為固體碳源，具有比表面積大的優點，是理想的生物載體，且廢棄農作物為固體碳源可以廢物利用，成本較低。而自養反硝化菌可利用氫氣、還原態硫和還原態的鐵為電子供體進行反硝化。此工藝具有無需外加碳源、污泥產量少等優點[1-4]，但此工藝受環境條件影響較大。目前，已有研究聯合異養反硝化和自養反硝化去除硝酸鹽，發現可以提高脫氮效率[4-9]。董全宇等[10]利用木屑-硫磺填充床強化硝酸鹽去除效果，穩定運行的木屑-硫磺填充床反硝化生物濾池對TN的去除率約為93%，而傳統異養及自養反硝化濾池對TN的去除率分別為85%、87%，異養聯合自養工藝提高了脫氮性能。范軍輝等[11]將堿處理后的玉米芯與硫鐵復合填料有機結合組成固相纖維素碳源+硫鐵脫氮除磷復合系統深度脫氮除磷，在30 ℃下穩定運行，系統TN去除率約為93%，TP去除率約為90%。其中，異養反硝化產生堿度，硫自養反硝化會產生大量的H+與硫酸鹽，兩者結合可以酸堿中和，并降低硫酸鹽的積累量[12]。海綿鐵腐蝕產生的H2也可為反硝化提供電子供體[13]。絲瓜絡作為農業廢棄物，具有多層纖維構成的網狀結構，利于微生物附著，且碳源緩釋持久，是反硝化固體碳源的良好材料。何培芬等[14]采用絲瓜絡作為固體碳源去除地下水硝酸鹽有良好的效果。目前，已有研究以絲瓜絡為填料去除污水中的污染物[15]，也有將硫鐵復合填料用于污水廠尾水的脫氮除磷[11,19]，但關于絲瓜絡耦合硫鐵填料組成反硝化濾柱的研究未見報道。

本研究以污水廠尾水為研究對象，采用絲瓜絡耦合硫鐵復合材料作為反硝化濾柱的填料，組成異養反硝化聯合自養反硝化系統，研究不同絲瓜絡與硫鐵復合材料的配比、水力停留時間(HRT)對硝酸鹽去除效果的影響，確定系統填料最佳質量配比和最佳運行水力條件，并比較絲瓜絡單一填料和絲瓜絡耦合硫鐵復合填料系統脫氮性能，以期為污水處理廠尾水深度脫氮提供理論參考。

1 試驗裝置與方法

1.1 硫鐵復合填料的制備

硫鐵復合填料的制備方法參考周彥卿等[16]，將硫磺粉末與粒徑為3～5 mm的海綿鐵顆粒按一定比例與定量水泥均勻混合，加入適量的30%濃度的發泡劑，均勻攪拌，制備成粒徑為7～10 mm的顆粒待用。

1.2 試驗裝置

反硝化生物濾柱結構如圖1所示，采用上流式進水。反應器呈圓柱形，材質為有機玻璃，內直徑為15 cm，高度為70 cm。承托層采用粗砂與細砂按體積比為1∶2均勻混合填充15 cm，填料層高度為30 cm，填料層上方有10 cm的沸石填充，用以延長反硝化反應。填料層分別為絲瓜絡單一填料和以絲瓜絡與硫鐵復合填料填充，絲瓜絡與硫鐵復合填料分多層填充，接種污泥取自瀝滘污水處理廠的沉淀池，用一定濃度硝酸鹽氮的人工配水進行富集培養，待硝酸鹽氮去除率穩定在90%以上后加入反應器進行啟動。

圖1 試驗裝置示意Fig.1 Schematic Layout of Experimental Installation

1.3 試驗水質與分析方法

1.4 試驗設計

表 1 試驗分組及運行條件Tab.1 Experimental Grouping List and Operation Conditions

2 結果與討論

2.1 不同質量配比對脫氮性能的影響

圖3 不同HRT條件下的去除率和出水及的變化情況 Removal Rate and CODCr, Concentrations under Different HRT

2.2 不同HRT對脫氮性能的影響

2.3 添加硫鐵填料的影響

2.3.1 添加硫鐵填料對硝酸鹽去除的影響

圖4 2個反應器及TN去除率和出水及的變化情況Fig.4 TN and Removal Rate and CODCr, Concentrations in Two Reactors

2.3.2 添加硫鐵填料對TN去除的影響

2.3.3 硫酸鹽的積累

2.3.4 反硝化生物菌群結構特性分析

對各樣本進行PCoA分析，如圖5(a)所示。整體上，SG濾柱中R1a和R1b的微生物群落聚類，表明在SG濾柱中，前后期菌群差異性較小；而SG-S/Fe濾柱中R2a和R2b相似性較低，表明在SG-S/Fe濾柱中，前后期菌群結構變化較大，且2個反應器中，前后期的微生物相似性低，表明添加硫鐵復合填料使反應器之間的菌群有了明顯的差異性。

如圖5(b)所示，2個反應器的優勢菌門主要有放線菌門(Actinobacteria)、綠彎菌門(Chloroflexi)、變形菌門(Proteobacteria)、髕骨桿菌(Patescibacteria)、厚壁菌門(Firmicutes)和擬桿菌門(Bacteroidetes)，這些菌的總相對豐度分別為R1a(93.79%)、R1b(94.25%)、R2a(93.62%)和R2b(93.06%)。

圖5 樣本微生物群落結構分析圖Fig.5 Structure of Bacterial Communities of Samples

如表2所示，屬水平上，在4個樣品中共檢測出19個與反硝化相關的菌屬。其中，系統中存在的硫自養反硝化菌有硫單胞菌屬(Sulfurimonas)、硫桿菌屬(Thiobacillus)、嗜氫菌科(Hydrogenophaga)，這些菌能利用還原態硫為電子供體還原硝酸鹽。由表2可知，這些菌屬在SG-S/Fe濾柱中的相對豐度均有增長趨勢，各樣本中關于硫自養反硝化菌屬的總相對豐度分別為R1a(0.033 2%)、R1b(0.068 5%)、R2a(0.160 9%)、R2b(0.42 5%)。其中，R2a>R1a，R2b>R1b。SG-S/Fe濾柱中，硫自養反硝化菌豐度始終大于SG濾柱，表明添加硫鐵復合填料促進了硫自養反硝化菌豐度的增長。自養反硝化菌屬在各樣本中的總相對豐度為R1a(0.171 8%)、R1d(0.151 7%)、R2a(0.232 7%)、R2b(0.742 8%)。其中，R2a>R1a，R2b>R1b，自養反硝化菌在SG-S/Fe濾柱中的總相對豐度增長219.2%，而在SG濾柱中的總相對豐度降低了11.7%。20 d時，自養反硝化菌在SG-S/Fe濾柱中比SG濾柱中多35.4%；40 d時，SG-S/Fe濾柱中比SG濾柱中多389.7%。異養反硝化菌(Dechloromonas)在各樣本中的相對豐度為R1a(0.489 9%)、R1b(0.275 2%)、R2a(0.137 6%)、R2b(1.263%)。該菌20 d時在SG-S/Fe濾柱中比SG濾柱中少71.9%，但40 d時SG-S/Fe濾柱中比SG濾柱中多358.9%。2個反應器中，異養反硝化菌總相對豐度在SG-S/Fe濾柱中增長，而在SG濾柱中降低，這是后期SG-S/Fe濾柱脫氮效率高于SG濾柱的原因，可見添加硫鐵復合填料促進了異養反硝化菌的增長。因此，添加硫鐵復合填料有利于富集自養反硝化菌，強化異養聯合自養反硝化作用，提高脫氮效能。

3 結論

表2 生物樣品中的反硝化菌豐度Tab.2 Abundance of Denitrifying Bacteria in the Samples

(2)絲瓜絡耦合硫鐵復合填料比單純絲瓜絡脫氮性能更好，更耐沖擊負荷，添加硫鐵復合填料能提高脫氮性能，延長絲瓜絡的使用壽命。

(3)絲瓜絡耦合硫鐵復合填料反硝化濾柱中自養反硝化菌增長了219.2%，異養反硝化菌增長了33%，添加硫鐵復合填料有利于富集自養反硝化菌，強化異養聯合自養反硝化作用，提高脫氮效能。