趙東風(fēng), 李文斐, 馬文娟, 劉春爽, 賈魁莉

(中國石油大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院,山東青島 266580)

NaCl對反硝化脫硫工藝運行效果的影響

趙東風(fēng), 李文斐, 馬文娟, 劉春爽, 賈魁莉

(中國石油大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院,山東青島 266580)

采用UASB反應(yīng)器研究當NaCl質(zhì)量濃度為2～35 g/L時對反硝化脫硫工藝以及微生物群落結(jié)構(gòu)的影響。結(jié)果表明:NaCl從2 g/L增加至35 g/L的過程中,提高S∶C∶N至1∶3∶1可以保持高的單質(zhì)硫產(chǎn)率;反應(yīng)器內(nèi)異養(yǎng)反硝化菌屬所占比例隨NaCl質(zhì)量濃度的增加而減小,而自養(yǎng)反硝化菌屬所占比例卻隨之增加;NaCl存在時,有機物的增加能夠影響亞硝酸鹽還原速率,從而使硫化物氧化停留在單質(zhì)硫階段,且高質(zhì)量濃度NaCl條件下兼性自養(yǎng)反硝化微生物能同時參與硫化物的氧化、硝酸鹽的反硝化和有機物的降解,使反硝化脫硫工藝維持較好的處理效果。

反硝化脫硫 ;氯化鈉; 微生物群落結(jié)構(gòu); 影響機制

1 材料與方法

1.1 試驗裝置

采用改進的UASB反應(yīng)器[9],其反應(yīng)區(qū)內(nèi)徑5 cm,高80 cm,有效容積1.57 L,總?cè)莘e為3 L。進水采用蠕動泵從反應(yīng)器底部入口引入,經(jīng)柱內(nèi)污泥區(qū)生物處理后,產(chǎn)物經(jīng)三相分離器,部分回流,其余自三角堰經(jīng)U形管排出,反應(yīng)器內(nèi)生成的氣體自頂部導(dǎo)氣管流出,經(jīng)吸收瓶吸收后排出。

1.2 試驗用水

反硝化脫硫工藝啟動所用接種污泥來自青島市泥布灣污水處理廠二沉池污泥,初始混合液懸浮物(MLSS)為11.1 g/L,揮發(fā)性懸浮物(MLVSS)為4.9 g/L,接種量為1.5 L。試驗用水采用人工配水,其中進水硫化物、乙酸鹽和硝酸鹽分別通過投加化學(xué)試劑Na2S·9H2O,CH3COONa和KNO3提供,NaHCO3和K2HPO4分別作為無機碳源和磷源,反應(yīng)pH為7.5±0.2,溫度(32±1) ℃,水力停留時間為10 h。

表1 UASB反應(yīng)器各階段運行參數(shù)

注:背景鈉質(zhì)量濃度為985 mg/L。

1.3 分析指標及方法

反應(yīng)器出水經(jīng)0.45 μm濾膜過濾后分別對S2-、NO2--N、NO3--N、SO42-以及CH3COO-進行檢測分析[10],其中S2-采用亞甲基藍分光光度法,NO3--N采用紫外分光光度法,NO2--N采用乙二胺分光光度法,SO42-采用鉻酸鋇分光光度法,CH3COO-采用離子色譜法;通過硫平衡推算法計算理論上單質(zhì)硫產(chǎn)率?；旌弦簯腋∥?MLSS)和揮發(fā)性懸浮物(MLVSS)測定采用標準重量法。

1.4 微生物群落動態(tài)

ESP課程自產(chǎn)生之日起逐漸受到國際語言教育界的重視,并成為應(yīng)用語言學(xué)之下語言教學(xué)的一個學(xué)科分支,見圖1。

從UASB反應(yīng)器中取各階段污泥樣品于-80 ℃下儲存。根據(jù)制造商指令對每個樣品使用細菌基因組DNA提取試劑盒(MO BIO Laboratories公司)提取總基因組DNA,每個樣本2個重復(fù),然后利用1%瓊脂糖凝膠電泳檢測抽提的基因組DNA并用紫外-可見分光光度計(NanoDrop 2000,USA)對其濃度進行測定。以純化后的DNA為模板,采用細菌16SrDNA V3-V4區(qū)PCR擴增引物為通用引物帶338F (5′-ACTCCT ACG GGA GGC AGC AG-3′)和806R (5′-GGACTA CHV GGG TWT CTA AT-3′)對基因進行擴增。20 μL擴增體系主要包含:FastPfu DNA聚合酶(1 U·μL-1) 0.5 μL,5×PCR Buffer 4.0 μL,模板DNA 1 μL,dNTP(2.5 mmol/L)0.5 μL,無菌水14 μL。擴增條件為:95 ℃預(yù)變性2 min,95 ℃變性30 s,55 ℃退火30 s,72 ℃延伸30 s,30個循環(huán),最后72 ℃延伸5 min。通過2.0%瓊脂糖凝膠電泳檢測PCR產(chǎn)物純化效果后采用AxyPrep DNA凝膠萃取設(shè)備收集。將2個樣品16SrRNA 基因的PCR純化產(chǎn)物等摩爾數(shù)混合,利用上海美吉生物醫(yī)藥科技有限公司Illumina Miseq測序平臺進行測序分析。

2 結(jié)果分析

2.1 NaCl對硫化物的去除及其轉(zhuǎn)化產(chǎn)物的影響

不同NaCl質(zhì)量濃度下硫化物去除效果及其轉(zhuǎn)化產(chǎn)物的變化情況如圖1所示。

由圖1可知,反應(yīng)器啟動階段,即NaCl質(zhì)量濃度為0 g/L時,硫化物去除率從第14 d開始增加至100%并保持穩(wěn)定,單質(zhì)硫產(chǎn)率穩(wěn)定在約87%。在NaCl質(zhì)量濃度從2 g/L增加到4 g/L過程中,硫化物去除率一直保持在100%,而出水SO42-的含量從120 mg/L增加至270 mg/L,相對應(yīng)的單質(zhì)硫產(chǎn)率為從88%下降至65%。實驗在Ⅲb和Ⅲc階段將CH3COO--C質(zhì)量濃度增加至150 mg/L和225 mg/L且隨后一直保持S∶C∶N=1∶3∶1后,出水SO42-的含量逐漸降低,且最終與進水SO42-的含量基本相等,單質(zhì)硫產(chǎn)率上升至100%并穩(wěn)定不變。

圖1 NaCl對硫化物的去除及其轉(zhuǎn)化產(chǎn)物的影響Fig.1 Effects of NaCl on sulfide removal and converted products

2.2 NaCl對硝酸鹽和乙酸鹽去除的影響

不同NaCl投加量下硝酸鹽和乙酸鹽的去除效果見圖2。

圖2 NaCl對硝酸鹽和乙酸鹽去除效果Fig.2 Effects of NaCl on removal of nitrate and acetate

由圖2可知,在NaCl質(zhì)量濃度從0 g/L增加至4 g/L的過程中,硝酸鹽和乙酸鹽的去除率下降至約90%,同時出水中有NO2-檢出,約為15 mg/L。在Ⅲb和Ⅲc階段將CH3COO--C質(zhì)量濃度增加至150 mg/L和225 mg/L并保持不變后,出水NO2-消失,NO3-的去除率恢復(fù)至98%以上且隨著NaCl質(zhì)量濃度的增加保持穩(wěn)定,而CH3COO-的去除率下降至約85%,這可能是提高了CH3COO-基質(zhì)濃度所致[11-12]。

2.3 NaCl對反硝化脫硫工藝微生物群落結(jié)構(gòu)的影響

分別對接種污泥以及NaCl質(zhì)量濃度為0、2、10、35 g/L(Ⅰ、Ⅱ、Ⅴ、Ⅶ)4個階段的污泥取樣(標記為樣品1、2、3、4、5)進行高通量測序分析。對細菌16sRNA序列在門水平和屬水平上的系統(tǒng)分類如圖3、4所示。

由圖3可知,樣品1、2、3、4、5中主要有9個細菌門類,其中1、3、4三個群落均表現(xiàn)出了較高的生物多樣性,這五個群落最明顯的差異在于Proteobacteria(變形菌門),Firmicutes(厚壁菌門)和Bacteroidetes(擬桿菌門)分別在各自群落中所占比例的不同。此三個門類的細菌總和分別占菌落總序列數(shù)的84.71%(樣品1),96.21%(樣品2),95.59%(樣品3),97.44%(樣品4)和97.70%(樣品5)。此外,Chloroflexi(綠彎菌門)在樣品“5”中的含量最少(0.44%),在樣品“1”中的含量最高(2.12%)。

圖3 測序序列在門水平上的分布Fig.3 Distribution of DNA sequence at gate level

由圖4可知,接種污泥(樣品1)群落微生物菌屬種類較豐富,分布較為均勻,主要菌屬有Chitinophagaceae(11.48%)、Xanthomonadales(9.08%)、Thauera(6.39%)和Piscinibacter(7.10%),其中Chitinophagaceae、Xanthomonadales和Thauera為典型的異養(yǎng)反硝化菌屬;Piscinibacter為典型的自養(yǎng)反硝化菌屬。

反應(yīng)器啟動完成后(樣品2,NaCl質(zhì)量濃度為0 g/L),污泥內(nèi)微生物多樣性有所降低,這可能是因為污泥微生物在含S、N、C的特定污染物廢水中馴化的結(jié)果。其中主要的異養(yǎng)反硝化菌屬有Thauera(39.24%)、Thermomonas(22.50%);主要的自養(yǎng)反硝化菌屬有Arenimonas(9.32%)。與接種污泥相比,異養(yǎng)反硝化菌Thauera、Thermomonas所占比例大幅增加。

當NaCl質(zhì)量濃度為2、10和35 g/L時,反硝化脫硫反應(yīng)器內(nèi)微生物類群分別為Thauera、Thermomonas、Arenimonas和Azoarcus;NaCl質(zhì)量濃度從2 g/L增加到10 g/L進而增加到35 g/L的過程中,典型的異養(yǎng)反硝化微生物Thauera和Thermomonas所占比例逐漸降低,分別從30.65%和22.50%降低至15.18%和0%;而典型的自養(yǎng)反硝化微生物Azoarcus所占比例大幅增加,從0%增加至37.13%,Arenimonas所占比例變化不大,穩(wěn)定在約9%。

圖4 測序序列在屬水平上的分布Fig.4 The distribution of DNA sequence at the genus level

2.4NaCl對反硝化脫硫工藝影響的機制

反硝化脫硫(DSR)工藝之所以將硫化物氧化停留在單質(zhì)硫階段,主要因為自養(yǎng)反硝化微生物發(fā)生R1途徑的代謝速率大于乙酸鹽還原硝酸鹽為亞硝酸鹽的速率;而自養(yǎng)反硝化微生物發(fā)生R2途徑的代謝速率卻要小于異養(yǎng)反硝化微生物發(fā)生R3途徑的代謝速率[13-16]。當NaCl質(zhì)量濃度增加到4 g/L(階段Ⅲa)時,雖然體系中硫化物去除率保持100%不變,但硝酸鹽和乙酸鹽去除率下降至90%且有NO2-檢出,同時SO42-的含量從120 mg/L增加至270 mg/L,單質(zhì)硫產(chǎn)率下降至65%,這可能是因為當體系內(nèi)有NaCl存在時,減緩了異養(yǎng)微生物的代謝速率(R2途徑)而使得R3途徑更容易發(fā)生,從而使單質(zhì)硫因進一步被氧化為SO42-而產(chǎn)率降低。在此條件下,進一步增加進水乙酸鹽至225 mg/L (階段Ⅲc)后,硝酸鹽去除率增加至98%以上且不再有NO2-檢出,同時,SO42-的含量降低至80 mg/L,單質(zhì)硫產(chǎn)率上升至100%,這可能是因為乙酸鹽濃度的增加使R2途徑代謝速率變快,從而促進了單質(zhì)硫的積累。

圖5 DSR過程代謝途徑Fig.5 Metabolic pathways of DSR

NaCl質(zhì)量濃度從2 g/L增加到35 g/L過程中,盡管自養(yǎng)反硝化微生物所占比例由13.12%增加到74.70%,異養(yǎng)反硝化微生物所占比例由86.88%降低到25.30%,但反應(yīng)器仍能保持良好的運行效果,硝酸鹽去除率超過90%,乙酸鹽去除率超過85%,硫化物去除率為100%,去除的硫化物主要以單質(zhì)硫形式存在,單質(zhì)硫產(chǎn)率超過65%,這可能是由于反應(yīng)器內(nèi)微生物群落中存在一定的兼性自養(yǎng)反硝化微生物[13],當進水中無NaCl或NaCl質(zhì)量濃度較低時,兼性自養(yǎng)反硝化菌只參與硫化物的氧化和硝酸鹽的反硝化,不參與有機物的降解,此時有機物降解主要由異養(yǎng)反硝化微生物完成;但當NaCl質(zhì)量濃度較高時,兼性自養(yǎng)反硝化菌同時參與硫化物的氧化、硝酸鹽的反硝化和有機物的降解,使得異養(yǎng)反硝化微生物所占比例減少的狀態(tài)下,反硝化脫硫工藝的仍能維持較好的處理效果。

3 結(jié) 論

(1)NaCl質(zhì)量濃度從2 g/L增加至35 g/L的過程中,對反應(yīng)器中硫化物的去除率無明顯影響,但當NaCl質(zhì)量濃度增加至4 g/L,體系中S∶C∶N=1∶1∶1時,單質(zhì)硫產(chǎn)率下降至65%,硝酸鹽和乙酸鹽的去除率下降至約90%;提高進水乙酸鹽的濃度至S∶C∶N=1∶3∶1后,隨著NaCl質(zhì)量濃度增加,硝酸鹽去除率恢復(fù)至98%以上,單質(zhì)硫產(chǎn)率提高至100%,而高濃度的乙酸鹽使得乙酸鹽去除率降低至85%。

(2)反硝化脫硫工藝污泥中主要的自養(yǎng)反硝化微生物有Piscinibacter、Arenimonas、Azoarcus,主要的異養(yǎng)微生物有Thauera、Xanthomonadales、Chitinophagaceae和Thermomonas,當NaCl質(zhì)量濃度由2 g/L增加到35 g/L時,異養(yǎng)微生物所占比例由86.88%下降至25.30%,而自養(yǎng)微生物所占比例由13.12%增加到74.70%。

(3)當體系中S∶C∶N=1∶1∶1時,由于NaCl質(zhì)量濃度的增加減緩了異養(yǎng)微生物的代謝速率而使得自養(yǎng)反硝化代謝途徑更容易發(fā)生,因此導(dǎo)致單質(zhì)硫進一步被氧化為SO42-而產(chǎn)率降低,提高S∶C∶N=1∶3∶1,可以加快異養(yǎng)微生物的代謝速率,維持高的單質(zhì)硫產(chǎn)率。

(4)反應(yīng)器內(nèi)微生物群落中存在一定的兼性自養(yǎng)反硝化微生物,使得隨著NaCl質(zhì)量濃度的增加,異養(yǎng)反硝化微生物所占比例減少的狀態(tài)下,這些兼性自養(yǎng)反硝化微生物能同時參與硫化物的氧化、硝酸鹽的反硝化和有機物的降解,從而使反硝化脫硫工藝維持較好的處理效果。

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(編輯 劉為清)

EffectofNaClondenitrifyingsulfideremovalprocess

ZHAO Dongfeng, LI Wenfei, MA Wenjuan, LIU Chunshuang, JIA Kuili

(CollegeofChemicalEngineeringinChinaUniversityofPetroleum,Qingdao266580,China)

The UASB reactor was used to investigate the effects of NaCl on denitrifying sulfide removal process performance and microbial community structure when concentration of NaCl ranges from 2 g/L to 35 g/L in this study. The results show that high production rate of S in the process could be maintained by increasing the ratio of S∶C∶N up to 1∶3∶1 when concentration of NaCl is increased from 2 g/L to 35 g/L. It is also found that with the increase of NaCl concentration, the proportion of heterotrophic denitrification bacteria decreases instead of the proportion of autotrophic denitrification bacteria increases. When there is NaCl, the increase of organic compounds could influence the reduction rate of nitrite, which keeps the sulfide oxidation at the elemental sulfur stage. Also, the autotrophic denitrification microorganism can simultaneously participate in the sulphide oxidization, denitrification of nitrate, and degradation of organic compounds at high NaCl concentration, which lead to the good results of the denitrifying sulfide removal process.

denitrifying sulfide removal; NaCl; microbial community structure; influencing mechanism

2016-09-13

國家自然科學(xué)基金項目(21307160)；山東省自然科學(xué)基金項目(ZR2013EEQ030)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項(16CX02040A)

趙東風(fēng)(1968-)，男，教授，博士，博士生導(dǎo)師，研究方向為安全與環(huán)保節(jié)能。E-mail: zhaodf@vip.sina.com。

1673-5005(2017)05-0176-05

10.3969/j.issn.1673-5005.2017.05.022

X 703.1

A

趙東風(fēng),李文斐,馬文娟,等.NaCl對反硝化脫硫工藝運行效果的影響[J].中國石油大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2017,41(5):176-180.

ZHAO Dongfeng, LI Wenfei, MA Wenjuan, et al. Effect of NaCl on denitrifying sulfide removal process[J].Journal of China University of Petroleum (Edition of Natural Science),2017,41(5):176-180.