徐忠強(qiáng),郝瑞霞,徐鵬程,張 婭 (北京工業(yè)大學(xué),北京市水質(zhì)科學(xué)與水環(huán)境恢復(fù)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100124)

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硫鐵填料和微電流強(qiáng)化再生水脫氮除磷的研究

徐忠強(qiáng),郝瑞霞*,徐鵬程,張 婭 (北京工業(yè)大學(xué),北京市水質(zhì)科學(xué)與水環(huán)境恢復(fù)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100124)

摘要：為提高再生水質(zhì)量,在不同C/N和HRT條件下,對(duì)比分析硫鐵復(fù)合填料和微電流作用強(qiáng)化再生水深度脫氮除磷效果.結(jié)果表明,硫鐵復(fù)合填料和微電流作用均能夠強(qiáng)化氮、磷的深度去除效果,且二者結(jié)合能夠使反硝化系統(tǒng)pH值穩(wěn)定在7.2～8.5之間.系統(tǒng)中TN主要靠異養(yǎng)反硝化、氫自養(yǎng)反硝化和硫自養(yǎng)反硝化作用去除,94.04％的TP是以生成磷酸鐵沉淀的形式去除.分別從填料上取生物膜,進(jìn)行Miseq高通量測(cè)序,構(gòu)建細(xì)菌16S rRNA基因克隆文庫.結(jié)果發(fā)現(xiàn),在僅有海綿鐵作用系統(tǒng)中,同時(shí)具有異養(yǎng)反硝化和氫自養(yǎng)反硝化功能的細(xì)菌所占比例達(dá)到29.47％;硫鐵復(fù)合填料和硫鐵微電流作用系統(tǒng)中,具有硫自養(yǎng)反硝化功能的Thiobacillus(硫桿菌屬)所占比例分別達(dá)到60.47％和40.62％.因此,硫鐵復(fù)合填料和微電流作用用于強(qiáng)化再生水深度脫氮除磷具有明顯的優(yōu)勢(shì).

關(guān)鍵詞：硫鐵復(fù)合填料；微電流；C/N；HRT；深度脫氮除磷；16S rRNA克隆文庫

* 責(zé)任作者, 教授, haoruixia@bjut.edu.cn

由于受污水處理技術(shù)限制,生活污水經(jīng)二級(jí)處理后仍含有較高濃度的氮、磷等植物營養(yǎng)物質(zhì),當(dāng)回用于景觀補(bǔ)水和地下水回灌時(shí),會(huì)對(duì)水環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成嚴(yán)重威脅[1].然而,城市污水廠二級(jí)出水C/N普遍低于生物反硝化所需的理論值2.86[2-3],存在碳源不足的問題[4];且以往學(xué)者對(duì)再生水同步脫氮除磷的研究遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于單一脫氮方面的研究[5-6].因此,研究再生水氮、磷的深度去除原理,開發(fā)同步脫氮除磷新工藝,已成為目前迫切需要解決的關(guān)鍵問題.

海綿鐵具有比表面積大、表面能高、電化學(xué)富集能力強(qiáng)以及水解產(chǎn)物絮凝沉降性能優(yōu)的特點(diǎn)[7-8].相關(guān)研究表明[9-10],海綿鐵在腐蝕過程中產(chǎn)生H2,能夠促進(jìn)氫自養(yǎng)菌的反硝化過程.也有研究表明[11],海綿鐵腐蝕產(chǎn)生的Fe2+和進(jìn)一步氧化生成的Fe3+,以及它們的水化物,在沉淀、絮凝、吸附和卷掃等作用下,可以大幅度降低出水中的氮、磷濃度.硫自養(yǎng)反硝化過程是硫細(xì)菌利用無機(jī)碳(如CO32-、HCO3-)合成細(xì)胞,以單質(zhì)硫或者硫化物作為硝酸鹽還原的電子供體,整個(gè)反硝化過程無需外加有機(jī)碳源.Batchelor等[12]利用富集培養(yǎng)的脫氮硫桿菌,以硫化物和硫代硫酸鹽為電子供體進(jìn)行了自養(yǎng)反硝化實(shí)驗(yàn)研究,證實(shí)了硫自養(yǎng)反硝化的可行性.Lawrence等[13]進(jìn)一步研究,認(rèn)為單質(zhì)硫做為電子供體時(shí)工藝運(yùn)行效果最佳,并提出了硫自養(yǎng)反硝化是一個(gè)產(chǎn)酸的過程.

微電流的刺激作用能夠提高微生物的活性[14].在微電流作用的研究中,人們將電化學(xué)法與生物膜法相結(jié)合,開發(fā)出電極-生物膜工藝.有研究顯示[14-15],電極生物膜工藝陰極電解產(chǎn)生的H2可以作為氫自養(yǎng)反硝化細(xì)菌的電子供體,碳陽極電解產(chǎn)生的CO2可以為這些自養(yǎng)菌提供無機(jī)碳源.該方法節(jié)省有機(jī)碳源的消耗,適宜于低C/N再生水氮、磷的深度去除.

本研究針對(duì)目前污水處理廠二級(jí)出水C/N低的問題,探究硫鐵復(fù)合填料和微電流作用強(qiáng)化再生水同步脫氮除磷效果;并通過Miseq高通量測(cè)序,構(gòu)建細(xì)菌16S rRNA基因克隆文庫,深入分析微生物種群構(gòu)成及脫氮除磷機(jī)理,為城市污水廠尾水深度脫氮除磷提供技術(shù)參考.

1 試驗(yàn)裝置與方法

1.1 試驗(yàn)裝置

本實(shí)驗(yàn)采用3組結(jié)構(gòu)相同的生物反硝化脫氮濾柱對(duì)比運(yùn)行,反應(yīng)器內(nèi)徑25cm,高度0.6m,有效容積8L.反應(yīng)器的內(nèi)壁緊貼一層高度為0.45m的內(nèi)夾聚丙烯晴活性炭纖維的雙層泡沫鎳,作為陰極;正中央放置石墨棒,作為陽極;陰陽極板間距約10cm,其間按一定比例填充粒徑均為5～ 8mm的填料,填充高度45cm.進(jìn)水采用上向流方式,從進(jìn)水最下端開始每隔15cm設(shè)置一個(gè)取生物膜口.反應(yīng)器填料組成及運(yùn)行模式見表1,實(shí)驗(yàn)裝置見圖1.

表1　反應(yīng)器填料組成與運(yùn)行模式Table 1 Fillers and operational modes of three groups of reactors

圖1　實(shí)驗(yàn)裝置示意Fig.1 Schematic layout of experimental installation

1.2 試驗(yàn)水質(zhì)與分析儀器

表2　分析項(xiàng)目與儀器Table 2 Analysis items and apparatuses

試驗(yàn)用水采用在自來水中加入一定量的CH3COONa、KNO3和KH2PO4模擬污水處理廠二級(jí)出水的人工配水.該水質(zhì)特征為:ρ(TN)= ρ(NO3--N)=30mg/L,ρ(H2PO4--P)=1.5mg/L,pH=7.0～ 7.5.分析儀器見表2.

1.3 試驗(yàn)方法

3組反應(yīng)器均按照接種、掛膜和馴化的順序啟動(dòng),接種污泥取自北京某污水處理廠A2/O工藝的回流污泥,污泥濃度約為5.65g/L,具體參考李素梅等[16]和Hao等[17]提供的反應(yīng)器啟動(dòng)方法.待出水各污染指標(biāo)趨于穩(wěn)定后,啟動(dòng)過程完成.

啟動(dòng)成功后,對(duì)比運(yùn)行3組反應(yīng)器,分別進(jìn)行C/N和HRT梯度試驗(yàn),每天監(jiān)測(cè)3組反應(yīng)器出水水質(zhì)變化情況,監(jiān)測(cè)項(xiàng)目包括進(jìn)出水NO3--N、NO2--N、NH4+-N、SO42-、TN、TP、TFe、COD 和pH值.保證各梯度試驗(yàn)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)間至少為15d,且每次改變條件都保證穩(wěn)定5d以上再開始檢測(cè).

2 結(jié)果與分析

2.1 C/N的影響

反應(yīng)系統(tǒng)中氮、磷的去除主要是異養(yǎng)反硝化、氫自養(yǎng)反硝化、硫自養(yǎng)反硝化和海綿鐵腐蝕凝聚等共同作用的結(jié)果[11,18].反硝化細(xì)菌首先利用有機(jī)碳源進(jìn)行異養(yǎng)反硝化脫氮,在碳源不足的情況下,利用H2和單質(zhì)S為無機(jī)電子供體進(jìn)行自養(yǎng)反硝化脫氮[19-20].同時(shí),異養(yǎng)反硝化和氫自養(yǎng)反硝化是產(chǎn)堿的過程,硫自養(yǎng)反硝化是產(chǎn)酸的過程,三者共同作用決定了系統(tǒng)pH值的波動(dòng)情況[21], 而pH值又是化學(xué)法除磷的主要影響因子[22].因此,C/N會(huì)直接影響不同類型微生物所占比例和系統(tǒng)pH值,進(jìn)而影響脫氮除磷效果.

2.1.1 C/N對(duì)TN去除率的影響 在HRT=4h、I=150mA條件下,不同C/N對(duì)反應(yīng)器TN去除效果的影響見圖2.

由圖2可知,在不同C/N條件下,3號(hào)脫氮效率一直保持最高,2號(hào)次之,1號(hào)最差;隨著C/N的增大,3組反應(yīng)器對(duì)TN去除率均呈上升趨勢(shì),且1號(hào)上升趨勢(shì)明顯.在C/N=0時(shí),2號(hào)和3號(hào)的脫氮效率比1號(hào)分別高38.7％和46.9％左右;當(dāng)C/N增加到3時(shí),2號(hào)和3號(hào)的TN去除率高達(dá)83.2％ 和91.0％左右.由此可見,硫鐵復(fù)合填料和微電流作用均能夠不同程度促進(jìn)低C/N水的脫氮效果; 且C/N越低,效果越明顯.

圖2　不同C/N條件下3組工藝TN去除率Fig.2 TN removal rate of three groups of reactors at different C/N

分析其原因,硝氮的去除方式主要有異養(yǎng)反硝化、氫自養(yǎng)反硝化和硫自養(yǎng)反硝化.由于海綿鐵的腐蝕相對(duì)緩慢,1號(hào)中硝氮的去除主要是靠異養(yǎng)反硝化作用,在碳源為零時(shí),異養(yǎng)反硝化作用不明顯,故此時(shí)1號(hào)呈現(xiàn)出較低的脫氮效率;而隨著C/N的增大,1號(hào)系統(tǒng)中異養(yǎng)反硝化作用得到明顯的增強(qiáng),其脫氮效率也呈現(xiàn)出明顯的上升趨勢(shì).2號(hào)中,硫磺的加入引入了硫自養(yǎng)反硝化脫氮,同時(shí)硫自養(yǎng)反硝化過程產(chǎn)生H+,進(jìn)一步促進(jìn)了海綿鐵的腐蝕[7],故2號(hào)在不同C/N條件下均呈現(xiàn)出比1號(hào)更高的脫氮效率.3號(hào)中,電流的引入能夠使系統(tǒng)產(chǎn)生更多的H2,有效促進(jìn)了氫自養(yǎng)反硝化;而且,電流的刺激作用還能夠有效增強(qiáng)反硝化細(xì)菌的活性、促進(jìn)海綿鐵的腐蝕[3,14],故3號(hào)能夠一直保持較高的脫氮效率.

2.1.2 總磷的去除研究 a) C/N對(duì)TP去除率的影響

在HRT=4h、I=150mA條件下,不同C/N對(duì)反應(yīng)器TP去除效果的影響見圖3.

由圖3可知,在不同C/N條件下,2號(hào)和3號(hào)一直保持較高的除磷效率;隨著C/N的增大,3組反應(yīng)器對(duì)TP去除率均呈上升趨勢(shì).其中,在C/N=0時(shí),2號(hào)和3號(hào)的除磷效率分別比1號(hào)高25.1％和57.8％左右;當(dāng)C/N增加到3時(shí),2號(hào)和3號(hào)除磷效率分別達(dá)到94.6％和98.2％左右.可見,硫鐵填料和微電流作用均不同程度促進(jìn)了磷的去除.

圖3　不同C/N條件下3組工藝TP去除率Fig.3 TP removal rate of three groups of reactors at different C/N

磷的去除方法主要包括生物除磷法和化學(xué)沉淀法兩大類.有研究顯示[22],在系統(tǒng)中厭氧區(qū)投加葡萄糖,乙酸鈉等有機(jī)物能提高聚磷菌除磷功能;而在反硝化系統(tǒng)中,分布的主要為反硝化聚磷菌[23].影響化學(xué)法除磷的主要因子是pH值,隨著pH值增加,磷的去除率上升[22];隨著C/N不斷增大,出水pH值呈現(xiàn)出一定的上升趨勢(shì)(圖5).故反應(yīng)器的除磷效率隨著C/N增大,整體呈現(xiàn)出上升趨勢(shì).而2號(hào)中硫自養(yǎng)反硝化過程中產(chǎn)生的H+進(jìn)一步促進(jìn)了海綿鐵的腐蝕,使系統(tǒng)中產(chǎn)生更多的磷酸鹽沉淀,促進(jìn)了化學(xué)除磷過程,從而呈現(xiàn)出比1號(hào)更高的除磷效率.3號(hào)中,電流的作用在加快海綿鐵腐蝕的同時(shí)還刺激了反硝化聚磷菌的活性,對(duì)系統(tǒng)化學(xué)除磷和生物除磷均有不同程度的促進(jìn)作用;因此,3號(hào)的除磷效果最好.

b) TP去除形式的探究

生物法除磷時(shí),聚磷菌以可溶性單磷酸鹽的形式將磷排到體外環(huán)境中[24].本研究中排出的單磷酸鹽極易被系統(tǒng)中產(chǎn)生的Fe(OH)3膠體所吸附,形成所謂的胞外聚合物( EPS),沉積在反應(yīng)器中,經(jīng)過充分的超聲后能夠析出來[25].而化學(xué)法除磷是磷酸根和金屬離子生成磷酸鹽沉淀,超聲并不能將其中的磷析出,只有通過酸化作用才能使其轉(zhuǎn)化為可溶性磷.

為進(jìn)一步確定系統(tǒng)中TP的去除形式,現(xiàn)進(jìn)行如下實(shí)驗(yàn):取3號(hào)反應(yīng)器中含有大量EPS混合液靜置12h→倒出上清液100mL備用,將剩余混合液超聲1h→取超聲后液體經(jīng)過濾得100mL備用,在剩余混合液中加入幾滴稀鹽酸→取酸化后的混合液經(jīng)過濾得100mL備用→分別測(cè)量上清液、超聲后液體和酸化后液體中TP和TFe的含量,結(jié)果見圖4.

圖4　不同方式處理后TP和TFe濃度對(duì)比Fig.4 Comparison of TP and TFe concentration after different treatment

由圖4可知,上清液中TP和TFe濃度分別為0.85mg/L和0.92mg/L,而超聲后分別增加到1.40mg/L和1.13mg/L,酸化后則出現(xiàn)明顯的上升,分別達(dá)到10.08mg/L和15.68mg/L.酸化后TP和TFe質(zhì)量濃度增加量(Δρ)分別為8.68mg/L和14.55mg/L,故Δρ(TP)/Δρ(TFe)=0.597,與FePO4化學(xué)式中P和Fe的相對(duì)原子質(zhì)量比值0.554十分接近.由此可見,本實(shí)驗(yàn)中94.04％的TP是以生成磷酸鐵沉淀形式的化學(xué)法被去除,僅有5.96％可能是被反硝化聚磷菌作用的生物法去除.

2.1.3 C/N對(duì)出水pH值的影響 在HRT=4h, I=150mA,C/N=0、1、2、3條件下,反應(yīng)器進(jìn)出水pH值波動(dòng)情況見圖5.

由圖5可知,在不同C/N條件下,進(jìn)水維持在7.0～7.5之間時(shí),3組反應(yīng)器出水pH值隨著C/N增加均呈現(xiàn)出上升趨勢(shì).其中,3號(hào)出水pH值最穩(wěn)定,維持在7.2～8.5之間.說明硫鐵填料和微電流共同作用具有較好緩沖系統(tǒng)pH值的能力.

圖5　不同C/N條件下3組工藝進(jìn)出水pH值Fig.5 pH of three groups of reactors at different C/N

分析其原因,異養(yǎng)反硝化和氫自養(yǎng)反硝化過程中會(huì)產(chǎn)生OH-,硫自養(yǎng)反硝化過程中會(huì)產(chǎn)生H+,它們共同作用使系統(tǒng)的pH值維持在一定范圍內(nèi)[21].隨著C/N不斷增加,系統(tǒng)中異養(yǎng)反硝化所占比例逐漸增大,系統(tǒng)中產(chǎn)生的OH-的量也逐漸增多,故3組反應(yīng)器pH值隨著進(jìn)水C/N不斷增大,整體呈現(xiàn)出上升趨勢(shì).在3號(hào)系統(tǒng)中,電流的作用促進(jìn)了海綿鐵的腐蝕,使系統(tǒng)中產(chǎn)生更多的Fe3+,陰極電解產(chǎn)生H2的同時(shí)還產(chǎn)生OH-,大量的OH-和Fe3+結(jié)合生成Fe(OH)3膠體;同時(shí),硫自養(yǎng)反硝化作用產(chǎn)生H+會(huì)中和掉一部分異養(yǎng)反硝化和氫自養(yǎng)反硝化作用產(chǎn)生的OH-,再加上碳陽極電解產(chǎn)生的CO2對(duì)系統(tǒng)pH值也有一定的緩沖作用[21].它們的共同作用使3號(hào)系統(tǒng)的pH值穩(wěn)定在一定范圍內(nèi),為優(yōu)勢(shì)均屬生長提供了適宜pH環(huán)境[26],這與孟成成[5]的研究結(jié)果一致.

2.2 HRT的影響

HRT的大小在一定程度上直接反映生物處理工藝的運(yùn)行效率,從經(jīng)濟(jì)成本角度考慮,一般希望生物處理工藝在最短水力停留時(shí)間內(nèi)達(dá)到理想的處理效果.

2.2.1 HRT對(duì)脫氮效果的影響 在C/N=2, I=150mA條件下,不同HRT對(duì)反應(yīng)器NO3--N和TN去除效果的影響見圖6.

圖6　不同HRT條件下3組工藝NO3--N和TN去除率Fig.6 NO3--N and TN removal rate of three groups of reactors at different HRT

由圖6可知,隨著HRT增加,3組反應(yīng)器對(duì)NO3--N和TN的去除率均呈現(xiàn)出上升趨勢(shì);其中,3號(hào)脫氮效率最高,2號(hào)次之,1號(hào)最差.由于NO3--N在反硝化脫氮時(shí),需要先轉(zhuǎn)化為NO2--N,再轉(zhuǎn)化為N2,整個(gè)過程需要一定的時(shí)間[16].在HRT=2h時(shí),水力停留時(shí)間較短,部分NO3--N來不及完全參與反應(yīng),故僅靠異養(yǎng)反硝化作用的1號(hào)對(duì)NO3--N和TN的去除率明顯低于異養(yǎng)反硝化和硫自養(yǎng)反硝化共同作用的2號(hào);3號(hào)由于氫自養(yǎng)反硝化作用的引入,使其對(duì)NO3--N和TN的去除率比2號(hào)又分別提高了11.0％和4.4％左右. 當(dāng)HRT延長到4h時(shí),同時(shí)具備硫鐵填料和微電流作用的3號(hào)反應(yīng)器NO3--N和TN去除率已分別達(dá)到92.6％和85.6％左右.可見,硫鐵填料和微電流共同作用能夠?qū)崿F(xiàn)在較短HRT內(nèi)達(dá)到較高的脫氮效果.

2.2.2 HRT對(duì)除磷效果的影響 在C/N=2,I= 150mA條件下,不同HRT對(duì)反應(yīng)器TP去除效果的影響見圖7.

由圖7可知,隨著HRT增加,3組反應(yīng)器除磷效率均呈現(xiàn)出遞增的趨勢(shì),其中2號(hào)和3號(hào)一直保持較高的除磷效率.在HRT=8h時(shí),1號(hào)除磷效率只有53.1％左右,2號(hào)和3號(hào)的除磷效率分別達(dá)到94.4％和 99.1％,除磷效率比1號(hào)分別提高41.3％和46.0％左右.其中在HRT=4h時(shí),同時(shí)具備硫鐵填料和微電流作用的3號(hào)反應(yīng)器TP去除率已達(dá)97.4％,進(jìn)一步表明硫鐵填料和微電流共同作用能夠?qū)崿F(xiàn)在較短HRT內(nèi)達(dá)到較高的除磷效果.

圖7　不同HRT條件下3組工藝TP去除率Fig.7 TP removal rate of three groups of reactors at different HRT

2.3 系統(tǒng)中微生物菌群結(jié)構(gòu)分析

在C/N=2,HRT=4h,I=150mA條件下維持穩(wěn)定運(yùn)行一個(gè)月后,分別從3組反應(yīng)器中間位置填料上采集生物膜樣品,分別編號(hào)為1、2、3,移交北京美吉生物公司進(jìn)行Miseq高通量測(cè)序,并構(gòu)建細(xì)菌16S rRNA基因克隆文庫.

2.3.1 16S rRNA基因多樣性分析 物種多樣性指數(shù)是指應(yīng)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法求得表示物種的種類和個(gè)體數(shù)量的數(shù)值.常用Shannon-Weiner指數(shù)和Simpson指數(shù)反映樣本中微生物α多樣性;其中,Shannon-Wiener指數(shù)反映群落種類豐富度,Simpson指數(shù)反映每個(gè)種類分布的均勻度[27].

Shannon-Wiener指數(shù)(H)計(jì)算公式[28]:

式中:ni為第i個(gè)種的個(gè)體數(shù)目;N為群落中所有種的個(gè)體總數(shù).

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算的Shannon-Wiener指數(shù)(H)一般在1.5～3.5之間,H值越大表明樣本中物種量越大[29-30];Simpson指數(shù)(D)在0～1之間,D值越大,表明物種種類分布越均勻[30].本研究中1、2 和3號(hào)的Shannon-Wiener指數(shù)(H)分別為4.426、3.089和3.592,Simpson指數(shù)(D)分別為0.025、0.120和0.061,說明本研究樣本中1號(hào)物種量最大,而2號(hào)種類分布最均勻.

2.3.2 菌群結(jié)構(gòu)特征分析 將序列按照彼此的相似性歸為操作分類單元(OTU).將每種OTU代表序列與Silva庫比對(duì),進(jìn)行分類學(xué)分析,作樣本群落結(jié)構(gòu)分析圖(見圖8),并將主要菌屬的功能及其比例列于表3中.

圖8　3組樣本群落結(jié)構(gòu)分析圖(分類到屬)Fig.8 Bacterial communities at genera level of sample of three groups of samples

由圖8和表3可知,1號(hào)樣本中群落豐度相對(duì)較大的為Rhodocyclaceae和Thauera,分別占10.34％ 和8.00％;其中,Thauera也是Rhodocyclaceae的一個(gè)屬.Thauera可以以苯酸鹽、乙酸鹽和乙醇等有機(jī)物為電子供體進(jìn)行反硝化脫氮[17,31];毛躍建[32]還發(fā)現(xiàn)Thauera中存在可直接利用H2為電子供體進(jìn)行反硝化作用的細(xì)菌.而且,反硝化聚磷菌也主要分布于Rhodocyclaceae中[33].1號(hào)反應(yīng)器中主要存在異養(yǎng)反硝化和氫自養(yǎng)反硝化兩種脫氮形式,因此,系統(tǒng)中同時(shí)具有異養(yǎng)反硝化和氫自養(yǎng)反硝化功能的Rhodocyclaceae、Thauera、Comamonadaceae 和Acidororax所占比例之和達(dá)到了29.47％.

2號(hào)和3號(hào)樣本中群落豐度最大的為Thiobacillus,分別占60.47％和40.62％; Thiobacillus是Hydrogenophilaceae的一個(gè)屬,為專性自養(yǎng)、兼性厭氧的革蘭氏陰性菌,在厭氧條件下可以以單質(zhì)硫或硫化物為電子供體,以硝酸鹽為電子受體進(jìn)行反硝化脫氮[34-36].由于2號(hào)和3號(hào)系統(tǒng)中引入了單質(zhì)硫,故其填料上生長了大量的Thiobacillus,從而大大增強(qiáng)了系統(tǒng)硫自養(yǎng)反硝化的能力.同時(shí),硫磺的引入也使2號(hào)和3號(hào)系統(tǒng)中Sulfurimonas占有一定的比例,分別為3.07％和8.46％; Sulfurimonas是一種兼性厭氧,專門利用氫氣、硫及硫化物為能源,以CO2為碳源,以硝酸鹽或銨為氮源的化能自養(yǎng)菌[21].Sulfurimonas的引入在增強(qiáng)硫自養(yǎng)反硝化的同時(shí),還增強(qiáng)了系統(tǒng)氫自養(yǎng)反硝化的能力;從而,能夠在碳源不足的條件下,使2號(hào)和3號(hào)的脫氮效果明顯優(yōu)于1號(hào).

表3　樣本中主要菌屬的功能及其比例Table 3 Function and proportion of the main genus in sample

3 結(jié)論

3.1 硫鐵復(fù)合填料和微電流作用均能夠不同程度促進(jìn)低C/N再生水深度脫氮除磷效果.

3.2 系統(tǒng)中94.04％的總磷是以生成磷酸鐵沉淀的化學(xué)法去除.

3.3 硫鐵復(fù)合填料和微電流共同作用具有較好緩沖pH值的能力,能夠保證系統(tǒng)pH值維持在7.2～8.5之間.

3.4 硫鐵復(fù)合填料和微電流共同作用,能夠?qū)崿F(xiàn)在較短HRT內(nèi)達(dá)到較高深度脫氮除磷效果; 在C/N=2、I=150mA、HRT=4h條件下,二者共同作用使TN和TP去除率分別達(dá)到85.6％和97.4％左右.

3.5 在僅有海綿鐵作用系統(tǒng)中,同時(shí)具有異養(yǎng)反硝化和氫自養(yǎng)反硝化功能的Rhodocyclaceae、Thauera、Comamonadaceae和Acidororax所占比例之和達(dá)到29.47％;硫鐵復(fù)合填料和硫鐵微電流作用系統(tǒng)中,具有硫自養(yǎng)反硝化功能的Thiobacillus所占比例分別達(dá)到60.47％和40.62％.

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Research on enhanced denitrification and phosphorus removal from reclaimed water by useing sponge iron/sulfur composite fillers and low electrical current.

XU Zhong-qiang, HAO Rui-xia*, XU Peng-cheng, ZHANG Ya (KeyLaboratory of Beijing for Water Quality Science and Water Environmental Recovery Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China). China Environmental Science, 2016,36(2)：406～413

Abstract：In order to improve the quality of reclaimed water, a comparative study was conducted under different C/N and HRT conditions to examine the effect on advanced nitrogen and phosphorus removal by using sponge iron/sulfur composite fillers and low electrical current. The results indicated that both the sponge iron/sulfur composite fillers and low electrical current treatment can strengthen the removal efficiency of nitrogen and phosphorus, and their combination can further stabilize the pH value of 7.2～8.5 in the denitrification system. It was found that the removal of total nitrogen (TN) was mainly depended on the process of heterotrophic denitrification, hydrogen autotrophic denitrification and sulfur autotrophic denitrification, while 94.04％ of the total phosphorus (TP) were removed in the form of iron-phosphate precipitation. Furthermore, biofilm was taken from the fillers to build the bacterial 16S rRNA gene clone library by adopting the high-throughput sequencing technologies. The results showed that the bacteria which can use both organic carbon and elemental hydrogen as its electron donor for denitrification accounted for 29.47％ of the bacterial community in the sponge iron fillers system. The proportion of Thiobacillus bacteria which can use elemental sulfur as its electron donor reached 60.47％ and 40.62％ of the bacterial community in the system of sponge iron/sulfur composite fillers and the combined system of composite fillers with low electrical current, respectively.Therefore, there are obvious advantages of employing sponge iron/sulfur composite fillers and low electrical current to enhance the effect of advanced nitrogen and phosphorus removal from reclaimed water.

Key words：sponge iron/sulfur composite fillers；low electrical current；C/N；HRT；advanced nitrogen and phosphorus removal；16S rRNA gene clone library

作者簡介：徐忠強(qiáng) (1988-),男,河南駐馬店人,北京工業(yè)大學(xué)碩士研究生,主要研究方向?yàn)槲鬯Y源化利用.

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51378028)

收稿日期：2015-08-08

中圖分類號(hào)：X703.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1000-6923(2016)02-0406-08