硫自養/異養協同反硝化深度脫氮處理三氯蔗糖生產廢水

耿雅雯，劉鋒，2，馮震，陳俊，張雪智

（1 蘇州科技大學環境科學與工程學院，江蘇 蘇州 215009；2 城市生活污水資源化利用技術國家地方聯合工程實驗室，江蘇 蘇州 215009）

三氯蔗糖主要通過單酯法合成，是一種應用廣泛的食品甜味劑[1-2]。其生產過程中產生的廢水（粗品母液、萃取水層和洗滌廢水等）具有高化學需氧量（COD）、高氨氮（NH+4-N）的特點，可生化性差且處理難度較大[3]。此類人工甜味劑廢水常用處理工藝有“混凝+鐵碳微電解+Fenton+EGSB（膨脹顆粒污泥床）+兩級A2O”[4]和“微電解+Fenton+混凝+ABR（折流式厭氧反應器）+A/O”[5-6]及“MVR（機械式蒸汽再壓縮技術）+A2O”等，主要針對去除COD、氨氮等污染物，但對總氮的去除效果不佳，普遍存在二沉池出水硝態氮較高的現象。隨著國家對工業廢水總氮排放要求的日益嚴格，現有工藝普遍不能滿足排放標準，故需要增設深度脫氮單元。

生物反硝化技術一直被認為是去除廢水中硝態氮最經濟可行的技術，分為自養反硝化和異養反硝化兩種[7]。傳統的異養反硝化需外加碳源作為電子供體，易造成二次污染，且污泥產量大，運行費用高[8]。近年來，硫自養反硝化因其處理效率高、污泥產量少和能耗低等優勢在深度脫氮領域受到廣泛關注[9]。但其反應過程產生的H+會導致pH 降低，從而影響脫氮速率，而研究中常用的石灰石等堿性物質又會導致出水硬度增加[10]。因此，為解決單一電子供體的反硝化體系中存在的問題，有研究者采用混合電子供體進行協同反硝化。李祥等[11]通過異養反硝化與硫自養反硝化聯合，發現協同反硝化脫氮不僅能夠實現反應系統的酸堿平衡，同時能夠提高自養反硝化的速率，減少污泥產量。而目前此類的研究大多停留在人工配水階段，其能否直接用于化工企業產生的高濃度硝態氮廢水的處理還需要進一步研究。

S0、Na2S和Na2S2O3是硫自養反硝化中常用的電子供體。S0溶解度較低，在水中的傳質速率較慢，影響反應器的啟動及脫氮速率。Na2S不穩定，且其堿度較強，易對系統的酸堿環境造成沖擊[12]。故本研究選用溶解度高、pH 穩定的Na2S2O3和葡萄糖作為電子供體，考察硫自養/異養協同反硝化系統對三氯蔗糖廢水二級處理出水的可行性及連續運行的效果，并通過高通量測序分析協同反硝化污泥的微生物群落結構及多樣性，以期為實際工藝運行提供理論依據和技術參數。

1 材料與方法

1.1 實驗裝置及污水來源

實驗裝置如圖1所示，采用上流式高效流化床反硝化反應器，其主體由亞克力柱組成，反應柱高60cm，內徑為8cm，有效體積為3L。采用水浴加熱的方式將反應溫度控制在(35±1)℃，通過蠕動泵將進水送入反應器。

圖1 實驗裝置

1.2 實驗內容

1.2.1 協同反硝化反應器的啟動（實驗階段Ⅰ）

1.2.2 協同反硝化反應器的運行（實驗階段Ⅱ）

反應器各階段運行參數如表1所示。

表1 反應器各階段運行參數

1.3 分析方法

微生物菌落測定：采用MiSeq型高通量測序儀（美國Illumina 公司）對接種污泥及協同反硝化污泥進行微生物多樣性測定及分析。

2 結果與討論

2.1 協同反硝化反應器的啟動

研究發現，反硝化菌的最適生長pH 為6.8～8.2[13]，故在不投加pH 緩沖劑的條件下，向異養反硝化反應器中投加Na2S2O3，使得異養反硝化產生的堿度能夠滿足硫自養反硝化菌生長的需要，并以此來啟動硫自養/異養協同反硝化系統。由圖2 可知，從投加Na2S2O3的第3 天開始，反應器出水pH由7.8降低至7.5且基本保持穩定，證明在C/N/S 為2.3/1/1.9的條件下，硫自養反硝化菌得到最大限度的生長，其反應產生的H+導致pH降低。國內外對硫自養反硝化的研究大多集中在以單質硫為電子供體，但是單質硫不溶于水，其傳質效率較低，故反應器啟動較慢。馬航等[14]發現，在以單質硫為電子供體的膜生物反應器中，需要6～10 天的時間系統才能穩定運行。而液態硫源Na2S2O3的傳質速率更快，在反應器內與污泥充分接觸，從而刺激硫自養反硝化細菌的生長，有效提高反應器的啟動速率。

圖2 反應器運行過程

2.2 協同反硝化反應器的運行

表2 國內外硫自養反硝化去除高濃度NON研究成果

表2 國內外硫自養反硝化去除高濃度NON研究成果

反應器類型填充床［25］CHSAD［26］批次實驗［27］缺氧反應器［28］本研究電子供體類型單質硫單質硫+甲醇硫代硫酸鈉硫代硫酸鈉硫代硫酸鈉+葡萄糖廢水來源人工配水人工配水人工配水廢堿液三氯蔗糖生產廢水二級處理出水是否需pH緩沖NO-3-N去除負荷/kg·m-3·d-1是否是否否1.47 2.16 0.20 0.25 3.52

而本研究構建的硫自養/異養反硝化具有較高的脫氮水平和脫氮優勢，分析其原因如下：①Na2S2O3易溶于水，其將電子供體向污泥的傳質速率更高，滿足硫自養反硝化菌工作的需要，研究表明，相較于單質硫和硫化物，以Na2S2O3為電子供體的硫自養反硝化脫氮效果最好[23]；②硫自養反硝化與異養反硝化結合不僅可以實現酸堿互補，避免了pH 緩沖劑的投加，減少了藥劑成本，碳源的投加還對硫自養反硝化有一定的促進作用，使運行更加穩定；③采用上流式流化床高效反硝化反應器，可以達到泥水的完全混合，同時反應產生的氣體對泥水具有一定的攪動作用，促進反硝化的進行；④根據國家標準方法[24]測定，1g/L的葡萄糖可提供約1000mg/L 的COD，而1g/L 的Na2S2O3僅提供約250mg/L的COD，故該協同反硝化系統可有效減緩異養反硝化易造成出水有機物二次污染的問題。

2.3 微生物群落分析

2.3.1 微生物群落的豐富性及多樣性分析

表3 污泥樣品中的生物多樣性指數

2.3.2 微生物在不同物種水平上的分析

為了證明微生物菌群的變化，對微生物在不同物種分類學水平上進行分析。圖3(a)反應了馴化前后污泥中微生物菌群在門水平上的變化，接種污泥的微生物門種類多而分散，其中Proteobacteria、Spirochaetes、Chloroflexi、Zixibacteria 為 接 種 污 泥中豐度較高的門，其占比分別為27.44%、14.40%、13.70%和9.74%。而馴化后的污泥以Proteobacteria為主，其占比為89.65%，其余菌門單獨所占的比例均不超過2%。雖然接種污泥和馴化后的污泥中的優勢菌門均為Proteobacteria，但其相對豐度存在明顯的差異，證明在該協同反硝化系統中，Proteobacteria 中含有大量與反硝化相關的微生物，其豐度大幅度增加增強了脫氮的效果。且在Proteobacteria下屬的綱級別微生物菌群仍為樣品中的優勢菌群，如圖3(b)所示，Gammaproteobacteria為主要的變形菌綱，其占比為81.60%，是協同反硝化污泥的優勢菌綱。Han等[30]在混養反硝化中發現，Gammaproteobacteria 為優勢菌綱，其中大多為反硝化菌種。

圖3 微生物菌落在門、綱水平分布

為了更深入地了解硫自養/異養協同反硝化污泥的功能菌群和優勢菌種，對污泥中微生物的屬分類進行分析，結果如圖4所示。接種污泥和馴化后的污泥在屬水平上具有明顯的差異，其共有的菌屬較少。馴化后的污泥以反硝化菌為主，其中自養反硝化菌和兼養反硝化菌占比較高，分別為45.69%和25.38%，異養反硝化菌占比較少，為8.16%。這也說明在該協同反硝化系統中，硫自養反硝化占據更大的比例，投加的碳源只有部分用于異養反硝化。推測在C/N/S 為1.3/1/1.9 的混養條件下，硫源的投加對異養反硝化菌有一定的抑制作用，而在適量碳源存在的條件下，硫自養反硝化菌仍可以選擇性富集，使反應系統保持較好的脫氮效果，故認為協同反硝化可以作為有效的生物脫氮途徑來減緩異養反硝化過程中需要大量投加碳源和pH緩沖劑的問題。

圖4 微生物菌落在屬水平分布

3 結論

（1）在硫自養/異養協同反硝化反應器中，將C/N/S 控制在1.3/1/1.9，在無需pH 緩沖劑的條件下，自養反硝化和異養反硝化能夠實現酸堿互補，且達到電子供體的全部利用，出水無有機物的二次污染。