不同C/N對高氮廢水高效脫氮處理的影響*

金寶丹 劉 葉 鈕勁濤 程 懇 褚晨晨 賈宇升 杜京京 曹 霞# 戰香玲

(1.鄭州輕工業大學材料與化學工程學院,河南 鄭州 450001;2.河南恒安環保科技有限公司,河南 鄭州 450007;3.山東省巨野縣人民醫院,山東 菏澤 274900)

近年來,伴隨城市高速發展,工農業生產活動增多,對水環境的影響增大。《2020年城鄉建設統計年鑒》顯示,全國污水排放量5 713 633.00萬m3,主要污染物中,氨氮和總氮年排放量分別為98.40萬、322.34萬t。含氮污染物(如氨氮、硝酸鹽氮等)是水體黑臭和富營養化的重要原因之一,對水環境安全具有一定威脅。

高氮廢水如垃圾滲濾液、養殖廢水具有低C/N(質量比,0.50～1.50)和高氨氮(500～2 000 mg/L)特點[1]。傳統的硝化和反硝化工藝雖然具有較好的脫氮效果,但是對于高氮廢水需大量碳源才能實現高效脫氮,能耗高、副產物多等問題限制了它們在高氮廢水中的應用[2]。與傳統脫氮技術相比,短程硝化反硝化技術能夠節省25%氧氣消耗,減少40%的碳源需求[3]。同步硝化反硝化能夠在低溶解氧狀態實現高效脫氮[4],[5]123。可見,基于短程硝化反硝化和同步硝化反硝化技術的工藝對于高氮廢水脫氮處理具有較好的效果。但是短程硝化反硝化和同步硝化反硝化過程受到多種因素影響,如微生物種類、pH、C/N等[6]624。C/N是重要的影響因素之一[7]。HAO等[8]和FU等[9]的研究表明:進水C/N可直接影響反應系統中胞外聚合物(EPS)產生,從而改變反應系統的生物結構與形態,進而影響污染物的去除;CHEN等[10]研究發現,進水C/N對反應系統中微生物群落結構也有顯著影響。目前大部分高氮廢水處理研究中C/N大于1。張淼等[6]624和袁怡等[11]分別研究了C/N在2～5和2.0～3.5條件下常規含氮廢水的亞硝酸鹽氮積累特性,發現C/N=2.5條件下能夠實現高亞硝酸鹽氮積累。朱坤等[12]探究了在C/N為9.5情況下的脫氮情況,發現出水中氨氮濃度優于《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)中一級A標準。可見,大部分廢水均在碳源較充足情況下進行脫氮處理,但是針對低C/N典型高氮廢水的脫氮過程尚未深入研究。

本研究以高氨氮和高硝酸鹽氮混合廢水為研究對象,對比不同低C/N(0.03、0.17、0.27、0.33)條件下高氮廢水處理系統的脫氮性能。結合處理系統中氨氮、硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮、EPS等理化指標,闡述系統污染物去除性能。基于高通量測序技術分析微生物群落特征和功能菌屬特點,探究高氮廢水處理系統高效脫氮的可行性,為低C/N條件下處理高氮廢水提供參考。

1 材料與方法

1.1 實驗裝置與接種污泥

反應器為有效容積2 L的有機玻璃材質反應器。反應溫度為25～30 ℃,pH不進行調控,溶解氧≤0.5 mg/L。每天運行兩個周期,每周期包括厭氧攪拌10 h(750 r/min)、靜置2 h,共運行50 d。

接種污泥為城市污水處理廠回流污泥,將污泥用自來水洗滌3次,去除殘余的有機質和無機質,控制懸浮污泥濃度(MLSS)為4 000～5 000 mg/L。

1.2 實驗條件

1.2.1 不同C/N典型高氮廢水處理實驗

實驗用水采用人工配水,初始水質指標如下:氨氮(氯化銨配制)為(1 000±25) mg/L,硝酸鹽氮(硝酸鈉配制)為(2 000±50) mg/L。以乙酸鈉作為碳源,1～4組反應器中的初始化學需氧量(COD)(乙酸鈉配制)質量濃度依次為100、500、800、1 000 mg/L,實驗過程中視情況投加乙酸鈉,控制C/N分別基本保持在0.03、0.17、0.27、0.33。

1.2.2 微量元素

為了滿足脫氮微生物對微量元素的需求,向系統中投加微量元素混合試劑,微量元素配方如下:7.60 mg/L CaCl2·H2O、7.00 mg/L FeCl3·6H2O、0.05 mg/L CuSO4·5H2O、0.06 mg/L MnSO4·H2O、0.09 mg/L ZnCl2、0.20 mg/L CoSO4·7H2O和0.05 mg/L Na2MoO4·2H2O。

1.3 水質指標測定

氨氮、亞硝酸鹽氮和硝酸鹽氮的測定分別采用納氏試劑分光光度法、N-(1-萘基)-乙二胺分光光度法、紫外分光光度法,COD采用快速消解分光光度法測定,MLSS、可揮發性懸浮污泥濃度(MLVSS)采用重量法測定[13],EPS采用加熱法提取[14],蛋白質(PN)和多糖(PS)分別采用福林酚試劑法[15]和硫酸蒽酮法[16]測定。

1.4 高通量測序

在系統運行至50 d時,分別從4組反應器(C/N分別為0.03、0.17、0.27、0.33)中采集污泥樣本,記為Y1、Y2、Y3、Y4,送至上海某生物醫藥科技有限公司進行高通量測序。利用引物338F (5’-ACTCCTACGGGAGGCAGCA-3’)和806R(5’-GGACTACHVGGGTWTCTAAT-3’)在ABI GeneAmp?9700PCR 系統上進行聚合酶鏈式反應(PCR)擴增;隨后將 PCR 產物置于 Illumina MiSeq PE300 平臺進行分析。

2 結果與討論

2.1 不同C/N條件下COD去除情況

碳源是高氮廢水脫氮的重要影響因素,同時也是影響環境安全的污染物之一。COD的去除效果如圖1所示,不同C/N系統中COD總體呈下降趨勢,且去除效果相似。C/N分別為0.03、0.17、0.27、0.33時,反應末期COD為29.36、189.05、331.24、526.24 mg/L,去除率分別為95.81%、94.60%、94.09%、92.48%。這是因為4個反應系統均為低C/N系統,系統中可利用碳源較少,造成電子供體不足,但是系統中有豐富的硝酸鹽氮和部分亞硝酸鹽氮的電子受體,使COD在脫氮的過程中得到有效去除,因此,反應末系統中COD去除率相近。鄭淑玲等[17]采用短程硝化反硝化工藝處理養豬場廢水的厭氧消化液,系統對COD的去除率均值為81%,本實驗結果較其處理效果更佳,預示著系統具有較好的脫氮效果。

2.2 不同C/N條件下脫氮情況

由圖2可知,各系統的總氮、氨氮、硝酸鹽氮隨反應進行逐漸降低,與C/N呈正相關。由圖2(a)可知,不同C/N條件下總氮去除率具有顯著差別。C/N=0.33時,脫氮效果最好,總氮去除率為83.01%,C/N=0.17時,總氮去除率降至55.97%。可見,進水C/N對高氮廢水脫氮具有較大影響。同時周倩等[18]也研究發現C/N對短程硝化和同步硝化反硝化均具有顯著影響。曾薇等[19]采用A2O工藝處理生活污水,C/N均值為2.34的情況下,總氮的去除率達到75.40%,張周等[20]采用短程硝化反硝化組合工藝處理餐廚廢水,C/N約為1的情況下,總氮的去除率均值達到76.00%,與本研究結果較為接近,這說明低C/N條件下也能夠實現高效脫氮目的。

圖2 不同C/N條件下氮變化

分析圖2(b)可知,反應前期(0～16 d),各系統(C/N分別為0.03、0.17、0.27、0.33)中氨氮去除率較低,這是因為該系統運行初期,大量的氨氮以游離氨形式存在,游離氨最大值分別達到30.52、147.70、287.36、346.55 mg/L。攪拌過程中發生游離氨逃逸,造成反應初期氨氮濃度的降低[21]。反應末期系統氨氮去除率分別達到60.80%、61.76%、77.07%、86.64%。這是因為低溶解氧濃度不一定會抑制硝化過程,當溶解氧為0.5 mg/L時,好氧型細菌的呼吸速率不會受到影響,亞硝酸鹽氧化細菌的生長速率提高[22],若長期控制溶解氧低于0.5 mg/L,氨氧化作用并不會受到明顯的不利影響[23]。推測反應系統中可能含有適應低溶解氧條件的氨氧化菌,使氨氮轉化為亞硝酸鹽氮,達到去除氨氮的目的。由圖2(c)可知,硝酸鹽氮去除率隨著C/N的升高而增大,反應末期,系統(C/N分別為0.03、0.17、0.27、0.33)中硝酸鹽氮的去除率分別達到31.70%、58.79%、73.36%、89.98%,可見,C/N對其去除有較大影響。C/N為0.27和0.33時,同步硝化反硝化率分別為10.04%和56.58%。有研究發現,溶解氧為0.35～0.80 mg/L的系統可以實現同步硝化反硝化[5]123。由圖2(c)可知,4個系統出現明顯的亞硝酸鹽氮積累現象,當C/N=0.33時,系統中亞硝酸鹽氮的積累最多(最高為316.09 mg/L)。這與冉競龍[24]的研究結果一致(當C/N<0.34時,外加有機碳源對亞硝酸鹽的積累有促進作用)。在較低C/N(<3.3)條件下,亞硝酸鹽的積累效果與C/N呈正相關[25]。操沈彬[26]同樣發現,碳源有限條件下,硝酸鹽還原酶與亞硝酸鹽還原酶競爭電子,亞硝酸鹽還原酶處于劣勢,造成亞硝酸鹽氮積累。

2.3 不同C/N條件下污泥性質變化

EPS是由微生物分泌于體外的高分子物質,不僅可以保護微生物不受惡劣環境侵害,同時可以富集環境中的污染物,通過胞外酶將大分子污染物降解成小分子后吸附到細胞內。由圖3可知,不同C/N系統中EPS具有一定差別,隨著C/N的增加而降低。C/N為0.03、0.17、0.27、0.33時,其EPS分別為31.22、29.83、27.63、25.47 mg/g。研究發現,EPS具有提供碳源的作用[27],這導致細胞分泌EPS量隨C/N增加而減少。

圖3 不同C/N條件下EPS變化

2.4 微生物菌群結構分析

2.4.1 微生物菌群多樣性分析

由表1可知,樣品Coverage指數均在0.99以上,這表明高通量測序技術所建立的細菌文庫可覆蓋樣品中絕大多數菌群,它表征了本次測序的代表性。4組樣品中Sobs、ACE指數隨著C/N提高而降低,而OTU和Chao1指數隨著C/N的增加先提高后降低,說明碳源濃度對于體系中的微生物種類及豐富度影響明顯。

表1 不同污泥樣品微生物菌群多樣性指標

2.4.2 微生物菌群結構及功能分析

不同C/N條件下,反應系統的微生物群落組成存在差異,Y1至Y4樣品中門水平主要微生物菌群包括變形桿菌門(Proteobacteria,相對豐度分別為34.21%、41.13%、35.91%、27.33%)、放線菌門(Actinobacteriota,相對豐度分別為23.62%、19.46%、15.85%、16.48%)、Deinococcota(相對豐度分別為2.20%、9.02%、27.44%、31.33%)、擬桿菌門(Bacteroidota,相對豐度分別為18.51%、10.06%、8.33%、11.59%)和綠彎菌門(Chloroflexi,相對豐度分別為14.54%、12.39%、7.62%、8.75%)。

研究發現,變形桿菌門能降解多種有機污染物,且大部分參與脫氮的微生物都屬于變形桿菌門[28]。變形桿菌門在4個系統中均占據了重要地位,作為優勢菌門保證了各系統的脫氮性能。研究表明,隸屬于擬桿菌門的微生物具有較好的反硝化性能[29],Deinococcota也被發現普遍存在部分反硝化作用,被證明是促進反硝化作用的一個重要因素[30]。Deinococcota作為Y3和Y4樣品所在系統的優勢菌門,是實現這兩個系統短程反硝化的重要保證,也是亞硝酸鹽氮積累的重要因素。部分硝化菌屬于放線菌門與綠彎菌門[31],它們可以在低溶解氧條件下生存。綠彎菌門是常見的兼性厭氧菌,具有較好的硝化性能,4個系統中較高的豐度保證了系統氨氮的去除和亞硝酸鹽氮的積累。

對4個系統屬水平的功能菌群研究發現,特呂珀菌屬(Truepera)是Deinococcota下的典型菌屬,特呂珀菌屬的相對豐度與C/N呈現正相關關系,對系統短程反硝化效果存在顯著影響,是Y3(相對豐度27.44%)和Y4(相對豐度31.33%)樣品所在系統中的主要反硝化菌屬,保證系統高效的脫氮效果。索氏菌屬(Thauera)、砂單胞菌屬(Arenimonas)和叢毛單胞菌屬(Comamonas)是常見的反硝化菌屬,其中,砂單胞菌屬在Y3(相對豐度6.44%)和Y4(相對豐度4.72%)樣品所在系統中富集,而叢毛單胞菌屬和索氏菌屬在Y1(相對豐度8.83%、0.57%)和Y2(相對豐度0.58%、8.44%)樣品所在系統富集。水微菌屬(Aquamicrobium,Y1至Y4樣品所在系統的相對豐度分別為0.10%、1.53%、3.33%、6.42%)隸屬于變形桿菌門,各系統中相對豐度與氨氮去除效果趨勢相同,楊小龍等[32]研究發現水微菌屬在系統中發揮了一定的氨氧化作用從而實現了氨氮的去除。砂單胞菌屬(Y1至Y4樣品所在系統的相對豐度分別為0.03%、1.01%、6.44%、4.72%)在系統中的相對豐度與剩余氨氮濃度呈負相關,這與王子凌等[33]的發現相符,高氨氮濃度環境不利于砂單胞菌屬的有效富集。微絲菌屬(Candidatusmicrothrix,Y1至Y4樣品所在系統的相對豐度分別為6.50%、9.66%、4.90%、4.09%)隸屬于放線桿菌門,具有反硝化脫氮性能,對水體中氨氮及硝酸鹽氮具有較好的去除作用。由此可見,特呂珀菌屬、索氏菌屬等的富集是保證低C/N高氮廢水高效脫氮的重要原因。

3 結 論

(1) 超低C/N條件下,典型高氮廢水系統中同時存在同步硝化反硝化和短程硝化反硝化反應,可實現廢水的高效脫氮,當C/N為0.33時,總氮去除率達到83.01%,使超低C/N條件下典型高氮廢水處理成為可能。

(2) 超低C/N典型高氮廢水處理系統大量富集變形桿菌門、放線菌門、擬桿菌門、Deinococcota、和綠彎菌門,使系統具有高效脫氮性能。同時系統中豐富的反硝化菌屬(特呂珀菌屬等)保證了系統高效的脫氮處理效果。