磁性活性炭強化SBR脫氮除磷及微生物種群分析

楊 豪,信 欣,曹惜霜,文 茜,張馨予,彭 琦,鄂 荻（成都信息工程大學資源環境學院,四川 成都 610225）

傳統的活性污泥法存在沉降性能不佳污泥易膨脹等問題,從而導致處理后出水的氮、磷等指標很難穩定達到國家最新規定的城鎮生活污水出水一級 A 標準[1].因此,有學者利用活性炭（AC）巨大比表面積和強吸附能力等優點,將活性炭運用到活性污泥水處理技術中,發現活性炭能有效改善污泥系統的沉降能力和對氮、磷的去除效果.如常賾等[2]向模擬的市政污水中投加顆粒活性炭,發現活性炭能夠顯著增加污泥的的顆粒化和脫氮效果.馮顯露等[3]向廚余垃圾投加顆粒活性炭,發現活性炭能夠促進微生物的厭氧消化效果.除此之外,潘怡然等[4]也發現顆粒活性炭還能夠在高溫下提高厭氧消化效果.但活性炭在工藝運行中存回收困難及易流失等問題,因此,研究改善活性炭的回收與易流失等問題是目前的當務之急.目前,有關磁效應在污水處理方面的研究已有很多,并取得了不錯的結果.Sakai等[5]發現磁粉能有效抑制污泥膨脹并提高污泥除污性能.Nakamura等[6]研究的超導磁場效應對枯草桿菌的影響,發現磁場可促進細胞的增長與穩定.Yan等[7]發現磁效應能有效降低污水中苯酚的濃度.Yavuz等[8]磁場對生物膜的影響研究發現,磁效應可提高生物膜的除污性能.Mercin等[9]發現磁場有利于活性污泥的硝化作用,但磁場對活性污泥系統中化學需氧量（COD）的去除效果影響不大.趙秋燕等[10]發現在膜生物反應器（MBR）系統中投加適量的磁粉（Fe3O4）不僅能明顯提高了廢水中的污染物去除效率,還能改善了混合液特性.此外,有一些學者研究發現[11-12],在污泥系統中投加磁粉能夠增強污染物的去除能力和污泥的絮凝能力.還有些學者在廢水處理中投加附磁活性炭,其研究結果表明[13-15],附磁不僅能增強了活性炭吸附還能提高活性炭對 COD與總有機炭（TOC）的除污性能.目前,雖然有大量的研究了表明了加載了磁效應的污泥系統各方面性能都有顯著提高,但是鮮有學者系統性對其脫氮除磷性能、微生物種群構成、強化機理進行研究.

因此,本研究主要是在活性污泥中投加粉末磁性活性炭構建 “磁性炭基-活性污泥”污水處理系統,研究該系統脫氮除磷性能及其主要微生物種群結構組成和關鍵脫氮除磷菌群,探討磁性粉末活性炭提高活性污泥脫氮除磷機理,其研究成果為磁性炭基活性污泥法處理污水提供了可靠的實驗和理論依據.

1 材料與方法

1.1 反應裝置及接種污泥

實驗采用兩個完全相同的自制序批式反應器（Sequencing Batch Reactor; SBR）（長×寬×高=10cm×10cm×20cm）,有效容積為 1.80L,一組為不投加磁性材料的活性污泥反應器作為對照組（編號為0#）,另一組為投加1.00g/L磁性活性材料的磁性炭基活性污泥系統（編號為1#）,裝置如圖1.反應器每天運行2個周期,每個周期為 12h,包括進水 0.5h,進水量為 1L.曝氣 8h,曝氣量為控制在 300mL/min左右（溶解氧（DO）約為 4.00mg/L）.沉淀 10min～20min（隨反應器運行逐步降低沉降時間）.排水0.5h,每次排水量為反應器容積的 50%.剩余時間為靜置.反應器溫度保持在（30±0.5）℃.

圖1 實驗裝置示意Fig.1 Experimental device diagram

實驗所用接種污泥取自成都科雅污水處理廠二期曝氣池中的污泥,反應器中的污泥接種量為反應器有效容積的 40%,接種后的污泥濃度（MLSS）為4.52g/L,污泥體積指數（SVI）為186ml/L.

1.2 實驗用水

實驗用水為人工配制的模擬生活污水,葡萄糖（C6H12O6）和檸檬酸三鈉（C6H5O7Na3）為炭源,炭酸銨（（NH4）2CO3）為氮源,磷酸二氫（KH2PO4）為磷源,炭酸氫鈉（NaHCO3）補充堿度,氯化鐵（FeCl3）、氯化銅（CuCl2）等提供微量元素.進水總氮（TN）平均濃度45.05mg/L,總磷（TP）平均濃度 4.06mg/L,COD 平均濃度463.68mg/L,氨氮平均濃度42.01mg/L.

1.3 磁性活性炭的制備[16]

活性炭原材料為分析純活性炭顆粒,制備時需先將其進行研磨過篩得到 140目的粉末活性炭,并選用浸漬法制備磁性活性炭材料.首先,在 80℃的條件下,將活性炭在37%的硝酸中攪拌3h.洗滌、過濾后于105℃下干燥12h,得改性活性炭.將改性活性炭于 Fe（NO3）3·9H2O 溶液中進行超聲分散.再將其過濾、干燥后置于600℃管式爐內煅燒1h即可得到磁性活性炭.

1.4 實驗分析項目與方法

分別取兩個SBR反應器運行50d（后期）時且狀態穩定時的污泥樣品在Illumina MiSeq測序平臺分進行生物學信息分析.樣品的形貌和結構采用掃描電子顯微鏡（SEM）進行觀察（Quanta FEG 250）,磁強采用振動樣品磁強計（VSM）在常溫下測定（Lake Shore 7410）,總氮（TN）、氨氮（NH4+-N）、總磷（TP）、化學需氧量（COD）、硝酸鹽氮（NO3--N）、亞硝酸鹽氮（NO2--N）等水質指標以及污泥濃度（MLSS）、污泥體積指數（SVI）等的測定均采用國家標準方法[17].

1.5 相關指標的計算方法

硝化速率（mg/（L·h））=NH4+-N的去除量/反應時間

反硝化速（mg/（L·h））=（NH4+-N 的去除量-末期NOx-N積累量）/反應時間

硝化效率=NH4+-N的去除量/NH4+-N的初始量×100%

同步硝化反硝化效率（SND）=（NH4+-N去除量-末期NOx-N積累量）/NH4+-N去除量×100%.

2 結果與討論

2.1 材料的表征

2.1.1 磁性活性炭的SEM 圖2、3分別為成功制備出沒有負載 Fe3O4的活性炭（AC）和負載了 Fe3O4的磁性活性炭（Fe3O4/AC）的樣品掃描電鏡圖（SEM）.由圖2可以看出,AC表面光滑,沒有附著有其他物質.而從圖 3可以看出,磁性活性炭的表面起伏不平,有大量細小顆粒均勻分散在活性炭的表面.在制備磁性活性炭復合材料時,四氧化三鐵（Fe3O4）促進活性炭孔結構形成過程的反應主要集中在磁性材料顆粒的周圍,四氧化三鐵顆粒由周圍活性炭表面向活性炭內部打洞前進,產生微孔和中孔;產生的這些微孔和中孔使原來分散于活性炭內部的Fe3O4顆粒重新暴露于活性炭表面,繼續對活化反應起到促進作用,從而產生更多中孔[18],從而增強材料的吸附性能.

圖2 活性炭（AC）Fig.2 Activated carbon（AC）

圖3 磁性活性炭（Fe3O4/AC）Fig.3 Magnetic activated carbon（Fe3O4/AC）

2.1.2 磁性活性炭的磁滯回線 圖 4為采用振動樣品磁強計（VSM）測定 Fe3O4和 Fe3O4/AC在室溫下的磁滯回線圖（VSM）.從圖 4可以看出,在室溫下外加磁場強度的范圍為-20000～20000Oe,磁化狀態從 0出發,隨著磁場強度的增加,磁化強度也慢慢增強,即圖4中兩條曲線所示,直至與橫軸平行,此時外加的磁場最大強度為磁飽和強度,當外加磁場達到20000Oe時,產物的磁化強度達到飽和,Fe3O4為66.80emu/g,Fe3O4/AC為 61.50emu/g.由于產物中磁性材料與活性炭的復合以及Fe3O4粒子尺寸都比較小,導致復合材料的飽和磁化強度比單獨的磁性材料的飽和磁化強度要低,但復合材料的磁性還是相對較高,所以當磁性材料與活性炭復合時會繼續保持純磁性材料的特性.由圖中 Fe3O4和 Fe3O4/AC的磁滯回線圖可知,Fe3O4/AC復合材料保留有 Fe3O4的磁性,因此在進行材料回收時,可利用此特性對材料進行有效回收.

圖4 Fe3O4和Fe3O4/AC顆粒在室溫下的磁滯回線Fig.4 Hysteresis loops of Fe3O4 and Fe3O4/AC particles at room temperature

2.2 磁性炭基活性污泥系統除污性能

2.2.1 NH4+-N和 COD的去除情況 單獨活性污泥系統（0#）和磁性炭基活性污泥系統（1#）對污水NH4+-N 的去除情況如圖 5（a）所示.進水平均NH4+-N濃度為41.02mg/L,兩系統對NH4+-N的去除效果相差不大,剛開始接種污泥時,活性污泥需要一個適應期,前10d對NH4+-N去除率均為96.00%以上.第30d以后,兩反應器對NH4+-N的去除率逐步趨于穩定,去除率達到99.00%以上.圖5（b）為兩反應器對 COD的去除情況.進水 COD的平均濃度為463.68mg/L,反應初期,磁性炭基活性污泥系統（1#）由于含有Fe3O4/AC材料,具有一定的吸附性能,剛開始1#的COD去除率為95.66%,而0#的COD的去除率為 85.50%.隨著污泥適應新環境且逐步顆粒化,0#的COD去除率慢慢上升,1#由于磁性活性炭達到吸附飽和,去除率有所下降,但由于投加的材料存在磁學效應,1#反應器COD的去除率在96.00%上下波動,甚至高達99.26%.0#COD的去除率在93.00%上下波動,最高可達97.81%.總之,1#COD和NH4+-N的去除率都略高于0#,但是相差不大.

2.2.2 TN的去除情況及出水 NO3--N濃度變化 單獨活性污泥系統（0#）和磁性炭基活性污泥系統（1#）對TN的去除情況和出水NO3--N濃度分別如圖 5（c）、5（d）所示.TN 進水平均濃度為 45.05mg/L,圖5（c）中前10d,1#TN的出水濃度低,其出水平均濃度是 14.72mg/L,這是由于 1#中磁性活性炭起到了良好的吸附作用.相比之下,0#中活性污泥到新環境有一個短暫的適應期,因此,前10d TN出水濃度較高,其出水平均濃度是27.04mg/L.10d后,隨著系統的繼續運行,活性污泥系統慢慢趨于穩定,由于要控制污泥沉降時間、排掉部分老泥以及進水濃度的波動,兩系統的去除率都會有波動,0#TN的去除率有所上升,然后趨于穩定,1#TN 的去除率有所下降.系統運行 30d后,由于投加的磁性活性炭的磁學效應慢慢突出,1#TN的去除率又逐步上升最后穩定在70.00%左右,而 0#TN 的去除率穩定在 50.00%左右.1#運行后期 TN出水濃度低于 15.00mg/L,平均去除率為68.59%,而 0#TN出水濃度在 20.00mg/L上下波動,平均去除率為53.17%,即投加磁性材料后對TN的去除有明顯的促進作用.圖5（d）中0#剛開始硝酸鹽氮出水濃度很高,高達 30.25mg/L.隨著系統逐步運行穩定,其 NO3--N 濃度慢慢降低,最后穩定在20.00mg/L左右.而1#剛開始由于材料的吸附作用,NO3--N出水濃度低,低至10.04mg/L,隨著吸附飽和,NO3--N出水濃度上升,上升到15.61mg/L,10d后由投加材料的磁學效應,濃度又有所下降,最低可達11.28mg/L.為了優化系統縮短污泥沉降時間及排掉部分老泥,系統受到影響,第15d時兩系統中NO3--N出水濃度都開始上升.第 30d后,兩系統運行逐步穩定,0#出水NO3--N濃度穩定在18.00mg/L左右,其出水平均濃度為21.07mg/L.1#出水NO3--N濃度穩定在13.00mg/L左右,出水平均濃度為14.04mg/L.

2.2.3 TP的去除率 單獨活性污泥系統（0#）和磁性炭基活性污泥系統（1#）對TP的去除率如圖5（e）所示.剛開始接種污泥時,0#內 TP的去除率較低,為 28.60%,而 1#內 TP的去除率為 63.17%.在前10d內,兩系統的TP去除率呈上升趨勢,跟其它水質指標規律恰恰相反,這是由于兩系統接種的污泥是在較高磷含量的條件下培養的,即接種時污泥的內部殘余磷含量較高,隨著進水水質改變,系統除磷效率反而提高.這是由于投加磁性材料的良好吸附作用,使得開始 1#的去除率相對較高.第10d時后,隨著 1#的運行,磁性活性炭吸附飽和,出現短暫的除磷效率降低現象,低至 57.89%,后期為縮短污泥沉降時間進行系統排泥,兩系統 TP去除率又繼續下降兩系統.隨著系統的穩定,兩系統TP的去除率都會有所上升,趨于平緩.40d后,由于污泥顆粒化逐步成熟,兩系統對總磷的去除效率都逐步提高.0#TP去除率提高到62.02%,然后趨于穩定,在 60.00%上下波動,最終 0的平均去除率為53.80%.而 1#由于磁性材料的磁學效應,去除率上升,最高可達 94.41%,然后趨于穩定,在 85.00%上下波動,最終平均去除率為 78.25%.從圖 5（e）可以直觀反映出投加磁性材料的優勢,投加磁性活性炭對系統磷的去除有明顯的促進作用.綜上表明本實驗投加的磁性活性炭能提高SBR系統內的除污性能,加強實現系統同步脫氮除磷.

圖5 各指標濃度變化和去除率Fig.5 Concentration changes and removal rates of each indicator

2.3 典型周期內除污性能的研究

單獨活性污泥系統（0#）和磁性炭基活性污泥系統（1#）在典型周期內污泥的脫氮能力如圖 6（a）所示,兩系統進水NH4+-N濃度為47.46mg/L,在系統剛運行前 130min內,兩系統氨氮都迅速降低,但 1#中氨氮下降速率快于 0#.最終 0#反應器中氨氮濃度由47.46mg/L下降到 2.03mg/L,去除率為 95.72%,1#中氨氮濃度由 47.46mg/L下降到 0.58mg/L,去除率為98.78%.此過程中硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮也有所積累,但兩系統中NO2--N濃度都很低（低于1.00mg/L）,在系統運行到190min時,兩系統中的NO2--N濃度為 0.然而 NO3--N的濃度卻隨著系統的運行逐漸上升,由圖 6（b）可知,到 370min 時,0#的 NO3--N濃度達到了 18.03mg/L,而 1#的 NO3--N濃度達到了9.03mg/L,其濃度和上升速率明顯低于 0#,但此時兩系統的 TN的濃度都在下降,亞硝態氮濃度也較低,而兩系統中的氮素主要由氨氮、硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮組成,這說明氨氮轉化生成的硝酸鹽氮被轉化成了其他氮素,兩系統中一定存在反硝化,且 1#的反硝化作用比 0#明顯,進一步剖析原因可知,是反硝化細菌在好氧顆粒污泥的表面進行反硝化轉化了一部分NO3--N,隨后在好氧顆粒污泥的缺氧區,厭氧反硝化菌進行反硝化又消耗掉了一部分 NO3--N,使得反應器中的NO3--N濃度不高,從而達到脫氮的目的.因此 0#的 TN由進水的 49.68mg/L下降到20.04mg/L,去除率為59.66%,而1#的TN由進水的49.68mg/L下降到12.04mg/L,去除率為75.76%.結合圖6（a）、6（b）可以得出出,在脫氮方面,投加材料的1#比于沒有投加材料的0#效率更高.

單獨活性污泥系統（0#）和磁性炭基活性污泥系統（1#）在曝氣階段內COD和TP隨時間的變化趨勢圖如圖 6（c）所示.在系統剛開始運行前 10min兩系統COD的濃度都迅速下降,隨后COD濃度出現了小幅度上升,到反應結束時,0#的 COD 濃度為50.43mg/L,去除率為 89.89%,1#的 COD 濃度為46.67mg/L,去除率為 90.64%.而這些快速分解的有機物主要為微生物后期反硝化脫氮除磷提供能量.兩個反應器進水的TP濃度為4.49mg/L到反應結束時,0#下降到了 1.09mg/L,去除率為 75.72%.1#下降到了 0.43mg/L,去除率為 90.42%.表明在除磷方面,投加材料的 1#也比沒有投加的 0#有明顯的優勢.通過圖6（a）、6（b）、6（c）可以計算出TN和TP的去除率、硝化速率、反硝化速率及同步硝化反硝化（SND）效率等,如表1所示.

圖6 典型周期內各指標濃度變化Fig.6 Concentration standardization diagram of each indicator in a typical perio

表1 脫氮除磷性能對比Table 1 Comparison of nitrogen and phosphorus removal performance

2.4 生物種群結構分析

2.4.1 兩個系統內的污泥樣品多樣性分析 兩個系統內樣品的各類指數如表 2所示.Coverage指數反應測序的覆蓋率,其值越高越能反應樣品中的真實情況.由表2可知,兩個樣品的Coverage指數都為0.99,表明反本次測序結果能夠反應樣品中微生物的真實情況.Shannon、Ace、Chao1、Simpson指數是用來反應樣品中微生物的多樣性和豐富度,Shanno、Ace和Chao1指數越大,Simpson指數越小,則樣品中物種多樣性和豐富度越高.Shannon指數除了能夠評價樣品中生物多樣性外,還能評價其均勻性,其值越大均勻性越好.由表 1結果可知,1#系統內的的生物多樣性和均勻性都要要高于 0#系統.說明由于磁性活性炭的投加能夠提高系統內物種的多樣性和均勻性.

表2 多樣性指數表Table 2 Diversity index table

2.4.2 門水平微生物菌落分布特征 圖 7為兩個系統內污泥樣品生物種群組成（門水平）,由結果可知,共有 7個門類的微生物被檢測出來,其中Saccharibacteria、Actinobacteria、chloroflexl、Proteobacteria、Bacteroidetes都為兩個系統的優勢菌群,Saccharibacteria（38.25%）、Actinobacteria（27.41%）是0#系統的主要菌門,而1#系統的主要菌門則 是 Saccharibacteria（38.74%）、Proteobacteria（22.52%）.

圖7 門水平細菌群落結構及分布Fig.7 Structure and distribution of phylum horizontal bacterial community

加載了磁性活性炭的 1#系統 Proteobacteria菌門比 0#系統的 10.05%多了 12.47%.大量的研究發現[19-21],氨氧化細菌（AOB）中Nitrosomonas、Nitrosococcus和亞硝酸鹽氧化細菌（NOB）中的Nitrobacter、Nitrococcus和 Nitrotoga均屬于Proteobacteria門,而AOB和NOB又是脫氮的主要菌群.Actinobacteria在 1#系統出現了顯著降低,有研究表明[22-23],Actinobacteria菌門是常引發活性污泥系統泥水分離問題和包含了多種與污泥膨脹相關菌屬.說明磁性活性炭的投加能夠促進Proteobacteria菌門和抑制Actinobacteria菌門生長.

2.4.3 屬水平上微生物菌落分布特征 兩個系統內污泥樣品的微生物種群組成及其在每個系統的分布比例（屬水平）見圖8.0#系統的優勢菌屬主要有norank_p_sacchairibacteria（38.25%）、Mycobacterium（13.15%）、norank_o_JG30-KF-CM45（7.70%）、norank_f_cytophagaceae（6.87%）、Micropruina（5.06%）等,而 1#系統內主要的微生物種群則是 norank_p_sacchairibacteria（38.74%）、Micropruina（8.69%）、Shinella（5.01%）、norank_f_Anaerolineaceae（4.72%）、norank_f_Xanthomonadaceae（3.64%）.加載磁性活性炭的1#系統中Micropruina菌屬的相對豐度出現了最顯著的增加.Micropruina菌屬屬于一類耐毒類微生物,能夠在惡劣的條件下積累能量和化合物的能力[24-26].同時,李建婷[27]研究指出 Micropruina菌屬一般存在于好養顆粒污泥中具有很好的從 COD和氨氮去除能力.因此,本研究結果表明,活性污泥系統中磁性活性炭的投加促進了 Micropruina菌屬相對豐度的提高,使得1#污泥系統的抗沖擊負荷、氨氮以及 COD 去除能力同時提高.同時,在 1#系統內屬于Alphaproteobacteria菌綱的 Shinella（5.01%）菌屬也明顯增加;除此之外 norank_f_Anaerolineaceae（4.72%）、norank_f_Xanthomonadaceae（3.64%）也出現了增加.其中,Shinella屬于異養反硝化細菌[28],而norank_f_Anaerolineaceae在廢水厭氧處理系統及顆粒污泥中也經常出現,且具有較好的生物除磷作用,而 norank_f_Xanthomonadaceae（3.64%）屬于常見的反硝化細菌[28-29].由此可見,投加活性炭能夠顯著提升活性污泥系統的與脫氮除磷功能菌群的豐度,從而使得系統脫除磷效果增加.

圖8 屬水平細菌群落結構及分布Fig.8 Structure and distribution of horizontal bacterial community of genus

2.5 活性污泥系統加載磁性活性炭強化脫氮除磷性能的機理討論

磁性活性炭本身表面粗糙多孔且具有較大的比表面積,具有較強的吸附能力,使得大分子有機污染物能夠很好被其吸附在表面;同時,磁性活性炭作為良好的生物載體,有利于生長速率較慢的脫氮除磷菌群的富集,而吸附在其表面的有機污染物也能夠為微生物生長提供營養物質,從而提高了微生物的富集速度.同時,本課題組前期研究表明[30],當活性污泥系統中加載 140目時,伴隨著大量微生物的富集和系統運行過程中的曝氣氣流、水力剪切力等外力作用,活性污泥很容易以磁性活性炭作為成核載體快速形成好氧顆粒污泥,并且形成的顆粒污泥結構緊密,沉降速率快.并且,磁材的投加所產生的磁效應不僅能提高水中溶解氧濃度和滲透壓使得水中物質傳遞和擴散速度加快,還能促進微生物的代謝功能和生物酶活性的提升從而加快污染物處理效率[31-32].還有研究發現[33-34],磁場的作用既能夠有利于破壞有機物共價鍵,有機物分子又能能夠吸收磁場的能量,使其由穩定態轉變為易于發生反應的激發態,增加化學反應機會,提高化學反應速率.綜上,活性污泥系統加載磁性活性炭的脫氮除磷性能機理主要有以下三個方面:①磁性活性炭能夠為污泥系統中的微生物提供一個更有利于其生長的環境,這樣就能使得整個系統的微生物密度更高,還能使以磁性活性炭為芯的顆粒污泥更容易形成,從而使得整個系統具有更好的沉降性和抗負荷沖擊性;②投加了磁性活性炭的系統更有可能形成了粒徑和密度更加大的顆粒狀污泥,在顆粒狀污泥周圍會形成內部缺氧外部好氧的微環境,這種微環境更有利于脫氮除磷菌的生長;③活性污泥系統中加載定量磁性活性炭后具有良好的磁學效應,從而抑制了引起污泥膨脹的 Actinobacteria菌門中的部分微生物的生長;同時通過提高物質傳遞速率和生物活性,從而使得整個反應系統的脫氮除磷及除污性能增加.

3 結論

3.1 相對于單獨的活性污泥系統（0#）,加載磁性活性炭的系統（1#）有更高的脫氮除磷去除效果.其對污水TN和TP的平均去除率分別高了15.42 %和21.15%,而出水NO3--N濃度平均降低了7.03mg/L.

3.2 典型工況內,0#系統反硝化速率為4.44mg/（L·h）,同步硝化反硝化效率為 60.31%,TP去除率為65.72%,TN的去除率 59.66%;1#系統反硝化速率為6.13mg/（L·h）,同步硝化反硝化效率為 80.74%,TP去除率為90.42%,TN去除率為75.76%.

3.3 1#系統的微生物多樣性高于 0#系統,能夠引起污泥膨脹的 Actinobacteria菌門相對豐度出現了下降,增強了系統抗沖擊負荷能力,而與脫氮除磷功能密切相關的菌屬 Micropruina、Shinella、norank_f_Anaerolineaceae、norank_f_Xanthomonadaceae的相對豐度都出現了顯著增加.

3.4 SBR系統中加載一定量的磁性活性炭既能抑制引起污泥膨脹微生物的生長,又利于提高系統脫氮除磷性能.