王維奇,王秀杰,李 軍,王思宇

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不同馴化方式實(shí)現(xiàn)SBR中部分反硝化的對(duì)比研究

王維奇,王秀杰,李 軍*,王思宇

(北京工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院,北京 100124)

部分反硝化(NO3--N→NO2--N)是一種非常具有前景的硝酸鹽廢水處理方法,其可以結(jié)合厭氧氨氧化實(shí)現(xiàn)低碳源、低能耗脫氮.本文以葡萄糖為碳源,對(duì)比研究3種部分反硝化馴化方式:R1(SBR缺氧)、R2(SBR缺氧-好氧交替運(yùn)行)、R3(SBR缺氧攪拌伴隨低曝氣).經(jīng)過(guò)120d馴化后,對(duì)三種反應(yīng)器污泥進(jìn)行沿程實(shí)驗(yàn),探索3種反硝化規(guī)律.結(jié)果顯示引入溶解氧馴化后的R2、R3污泥相比R1能夠更好地實(shí)現(xiàn)部分反硝化,且R3最佳.采用高通量測(cè)序技術(shù),對(duì)運(yùn)行109d時(shí)R1, R2, R3進(jìn)行微生物群落結(jié)構(gòu)對(duì)比分析.結(jié)果顯示在有溶解氧參與的R2, R3反應(yīng)器中的優(yōu)勢(shì)菌屬為, 相對(duì)豐度分別為45.44%和34.96%, 這是該菌首次作為反硝化污泥優(yōu)勢(shì)菌屬被報(bào)道.另外R1反應(yīng)器中微生物多樣性要遠(yuǎn)大于R2, R3,這也從側(cè)面說(shuō)明R2, R3的反硝化菌更專性.初始pH值對(duì)R3馴化污泥影響的批試實(shí)驗(yàn)表明,初始pH值對(duì)亞硝酸鹽積累有明顯影響,且初始pH值越高,亞硝酸鹽積累越多.

部分反硝化；亞硝酸鹽積累；馴化方式；溶解氧；微生物群落

污水處理過(guò)程中反硝化階段出現(xiàn)中間產(chǎn)物NO2--N積累的現(xiàn)象報(bào)道甚多[1-4],但由于NO2--N對(duì)水生生物及人體健康有嚴(yán)重的危害,城市污水處理過(guò)程會(huì)盡量減少或避免這種現(xiàn)象的發(fā)生．然而當(dāng)前城市生活污水普遍存在碳源不足的問(wèn)題,積累的NO2--N無(wú)法得到有效去除.目前,外加碳源是解決城市污水碳源不足最為成熟和穩(wěn)妥的脫氮辦法[5].但是外加碳源不僅會(huì)使污水處理成本提高,還會(huì)產(chǎn)生二次污染.20世紀(jì)90年代厭氧氨氧化技術(shù)的發(fā)現(xiàn),為反硝化過(guò)程中NO2--N 積累的應(yīng)用帶來(lái)了可能[6-8].目前,厭氧氨氧化所需的NO2--N主要來(lái)自于短程硝化[9],由此開發(fā)了兩相亞硝化-厭氧氨氧化工藝(SHARON- ANAMMOX)以及單相完全自養(yǎng)脫氮工藝(CANON).然而這兩項(xiàng)工藝對(duì)控制的要求都比較嚴(yán)格,極易遭到破壞,且一旦遭到破壞就難以恢復(fù).針對(duì)此問(wèn)題, Kalyuzhnyi等[10]研究提出一種新的脫氮工藝—反硝化氨氧化(DEAMOX),即在單一反應(yīng)器內(nèi),同時(shí)進(jìn)行著厭氧氨氧化反應(yīng)和反硝化反應(yīng),并且厭氧氨氧化反應(yīng)的電子供體來(lái)自于反硝化過(guò)程產(chǎn)生的NO2--N.然而這一工藝的實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵是如何提高NO2--N的積累率以及延長(zhǎng)NO2--N的積累時(shí)間即實(shí)現(xiàn)部分反硝化[11].反硝化過(guò)程是分步進(jìn)行的:NO3-→NO2-→ NO→N2O→N2,涉及到多種細(xì)菌和酶[12-13]:硝酸鹽還原酶(NaR)、亞硝酸鹽還原酶(NiR)、一氧化氮還原酶(NoR)、一氧化二氮還原酶(N2oR)[14].反硝化過(guò)程中出現(xiàn)NO2--N積累的原因主要是NaR的活性大于NoR的活性.影響兩還原酶活性的因素有很多,如碳源種類[15]、碳氮比[16]、溫度[17]、金屬離子[18]、pH值[19-20]、碳源投加方式[21-22]等.然而對(duì)于溶解氧對(duì)部分反硝化即對(duì)兩種還原酶影響的研究較少.因此,本實(shí)驗(yàn)對(duì)比了引入溶解氧的兩者種培養(yǎng)方式:R2、R3,并以普通SBR缺氧工藝(R1)作對(duì)照.并且采用批試實(shí)驗(yàn)研究了不同初始pH對(duì)部分反硝化的影響.

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

SBR反應(yīng)器均采用Ф15cm′30cm的圓柱形反應(yīng)器,容積為4L,且底部設(shè)置有排泥口.

R1、R2、R3反應(yīng)器的運(yùn)行方式如表1所示.3種反應(yīng)器的充水比均為1/2,運(yùn)行周期=6h.每天運(yùn)行2個(gè)周期,其余時(shí)間處于閑置期.好氧段采用微孔曝氣頭曝氣,缺氧段采用電動(dòng)攪拌器攪拌,轉(zhuǎn)速控制為90r/min.

反應(yīng)器均控制反應(yīng)溫度為25°C左右.

表1 R1、R2、R3反應(yīng)器運(yùn)行方式

1.2 接種污泥和人工配水

接種污泥都取自北京市城市排水公司高碑店污水處理廠二沉池回流污泥,污水廠工藝為AAO.人工配水:氯化鈣220mg/L,硫酸鎂82mg/L,磷酸二氫鉀0.5mg/L,碳酸氫鈉300mg/L,微量元素1.25ml/L[23].碳源采用葡萄糖,硝酸鹽氮采用硝酸鈉,硝酸鈉和葡萄糖按要求添加.

1.3 水質(zhì)分析方法

NO2--N:N-(1-萘基)-乙二胺分光光度法;NO3－-N:麝香草酚分光光度法;pH值/溫度:WTW/Multi 3420測(cè)定儀.

1.4 反應(yīng)器的運(yùn)行

R1、R2、R3反應(yīng)器都控制進(jìn)水NO3－-N濃度為30mg/L.其中R2、R3反應(yīng)器額外添加少量NH4Cl,使其進(jìn)水NH4+-N濃度為10mg/L.反應(yīng)器運(yùn)行設(shè)定為2個(gè)階段.前10d為反應(yīng)器啟動(dòng)階段,控制C/N比為6,為提高污泥的反硝化性能.第10d以后控制C/N比為3,低C/N比條件下馴化污泥.反應(yīng)器運(yùn)行過(guò)程中間歇排泥,控制污泥濃度(MLSS)約為1500mg/L.

反硝化常用的碳源有乙酸鈉、葡萄糖、甲醇、檸檬酸鹽等,Ge[15]、Yang[24]等在對(duì)比幾種碳源對(duì)亞硝酸鹽積累的影響時(shí)發(fā)現(xiàn),由于葡萄糖相對(duì)其他普通碳源其代謝途徑較為復(fù)雜,故其反硝化速率相對(duì)較低,但隨時(shí)間的延長(zhǎng)亞硝酸鹽的還原相對(duì)也較慢,進(jìn)而使得其亞硝酸鹽積累率最高.因此,本實(shí)驗(yàn)采用葡萄糖為碳源.

1.5 沿程對(duì)比實(shí)驗(yàn)

經(jīng)過(guò)120d的馴化后,對(duì)R1、R2、R3污泥做沿程試驗(yàn),研究其反硝化規(guī)律.試驗(yàn)前,對(duì)活性污泥采用循環(huán)加水-沉淀-排水過(guò)程,將上周期運(yùn)行殘留的COD、NH4+-N、NO2－-N、NO3－-N淘洗干凈,消除其對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響.重新加水配藥后使得初始NO3－-N濃度為30mg/L,C/N比為3;控制初始pH值相同,為7.3左右,污泥濃度(MLSS)均為1500mg/L左右.攪拌速度控制為90r/min.沿程實(shí)驗(yàn)取消對(duì)R2、R3的曝氣,對(duì)比缺氧攪拌條件下三者的反硝化過(guò)程,以便對(duì)比馴化后菌群本身對(duì)反硝化過(guò)程的影響.

1.6 微生物群落結(jié)構(gòu)分析

為了分析不同馴化方式條件下部分反硝化污泥中微生物群落結(jié)構(gòu)特性,分別取反應(yīng)器R1,R2,R3運(yùn)行到第109d的污泥樣品進(jìn)行高通量測(cè)序分析.樣品DNA提取采用E.Z.N.ATMMag-Bind Soil DNA Kit試劑盒(OMEGA).采用通用引物對(duì)341F: CCTACGGGNGGCWGCAG,805R:GACTACHVGG- GTATCYAAYCC對(duì)樣品16S rRNA基因的V3-V4區(qū)進(jìn)行擴(kuò)增. PCR反應(yīng)體系(30μL)如下:15μL 2×Taq master Mix,1μL Bar-PCR primer F(10μM),1μL primer R (10μM),10~20ng DNA,補(bǔ)ddH2O到30μL. PCR反應(yīng)條件:94℃預(yù)變性3min;其次94℃變性30s, 45℃退火20s,65℃延伸30s,5個(gè)循環(huán);之后94℃變性20s,55℃退火20s,72℃延伸30s,20個(gè)循環(huán);最后72℃延伸10min.之后引入Illumina橋式PCR兼容引物對(duì)第一輪獲得的PCR產(chǎn)物進(jìn)行第二輪擴(kuò)增.PCR反應(yīng)體系(30μL)如下: 15μL 2×Taq master Mix,1μL primer F(10μM),1μL primer R (10μM),20ng PCR產(chǎn)物,補(bǔ)ddH2O到30μL.PCR反應(yīng)條件:95℃預(yù)變性3min;其次94℃變性20s,55℃退火20s,72℃延伸30s,5個(gè)循環(huán);最后72℃延伸5min.對(duì)擴(kuò)增后的DNA進(jìn)行回收純化后,利用Qubit3.0DNA檢測(cè)試劑盒對(duì)其進(jìn)行精確定量,最后利用Illumina MiSeq測(cè)序儀進(jìn)行測(cè)序,最終上機(jī)測(cè)序濃度為20pmol.

1.7 不同初始pH值對(duì)NO2－-N積累影響的批試實(shí)驗(yàn)

篩選出部分反硝化最佳方式后,在C/N=3條件下,對(duì)其進(jìn)行不同初始pH值下反硝化對(duì)比實(shí)驗(yàn).污水處理廠運(yùn)行的pH值范圍大致為6.5~8.5,本實(shí)驗(yàn)對(duì)此范圍進(jìn)行相應(yīng)的拓寬,考察初始pH值分別為5.5,6.5,7.3,,8.5,9.5時(shí)NO2－-N積累的情況,并監(jiān)測(cè)反應(yīng)過(guò)程中pH值的變化.批試實(shí)驗(yàn)采用1L的燒杯,水浴控制溫度為25℃,攪拌采用磁力攪拌器,轉(zhuǎn)速同樣控制為90r/min.污泥的前期處理同1.5小節(jié).

pH值為7.3時(shí)反硝化情況同1.5小結(jié)實(shí)驗(yàn).所有實(shí)驗(yàn)均設(shè)置3組相同的平行實(shí)驗(yàn).

2 結(jié)果與討論

2.1 3種馴化方式的比較 經(jīng)反應(yīng)器R1馴化后的反硝化活性污泥的反硝化規(guī)律如圖1(R1)所示.在0~2.5h, NO3－-N和NO2－-N還原速率分別為6.032mg/(L·h),2.72mg/(L·h);2.5~8h, NO3－-N和NO2－-N還原速率分別減慢為0.52mg/(L·h),0.98mg/(L·h).可知,反應(yīng)初期由于碳源充足,硝酸鹽還原酶的合成速率遠(yuǎn)大于亞硝酸鹽還原酶,致使硝酸鹽還原速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于亞硝酸鹽還原速率,故造成NO2－-N大量積累.當(dāng)反應(yīng)一段時(shí)間后,碳源被大量消耗,導(dǎo)致反應(yīng)后期碳源不足.與亞硝酸鹽還原酶相比,硝酸鹽還原酶活性更容易受碳源數(shù)量影響.故在反應(yīng)后期,亞硝酸鹽還原酶活性大于硝酸鹽還原酶活性,即亞硝酸鹽還原速率大于硝酸鹽還原速率,從而導(dǎo)致NO2－-N積累量下降.這與先前很多研究者的研究結(jié)果一致,即使低C/N條件下(C/N=1~3),反硝化過(guò)程中亞硝酸鹽仍是呈先積累然后迅速降低的趨勢(shì)[25-27].

本研究中引入部分好氧階段的R2,R3馴化污泥亞硝酸鹽積累規(guī)律與R1相比有顯著不同.如圖1所示,當(dāng)C/N=3時(shí), 3種馴化污泥在反硝化過(guò)程中均有一定的亞硝酸鹽積累.R1馴化污泥在=2.5h時(shí)亞硝酸鹽積累量即達(dá)到最大值8.29mg/L,但隨后亞硝酸鹽積累量不斷降低,直至=8h后幾乎為零;R2污泥亞硝酸鹽達(dá)到最大積累量的時(shí)間延長(zhǎng)至5h,且最大值達(dá)到9.94mg/L;而R3污泥亞硝酸鹽積累量不斷增加,在=8h時(shí)達(dá)到最大值11.63mg/L.這表明與其他兩種方式相比,R3延長(zhǎng)了亞硝酸鹽積累時(shí)間并且亞硝酸鹽積累量最大.此外,3種馴化條件下的反硝化污泥的不同還表現(xiàn)在NO3－-N、NO2－-N的還原速率上.=0~0.5h時(shí),初始碳源濃度相同,且碳源相對(duì)充足,三者的NO3－-N還原速率分別為R1[17.24mg/(L·h)]> R2[10.16mg/(L·h)]>R3[7.98mg/(L·h)];NO2－-N還原速率分別為R1[3.38mg/(L·h)]>R2[1.72mg/(L·h)]> R3[0.8mg/(L·h)].但三者的亞硝酸鹽積累率卻表現(xiàn)出與上面不同的大小趨勢(shì),分別為R1(80.41%)

另外,反應(yīng)一段時(shí)間后,=0.5~8h,3種反硝化污泥的NO3－-N平均還原速率分別為R1=1.24mg/ (L·h), R2 =2.05mg/(L·h), R3=2.52mg/(L·h),因?yàn)榇穗A段影響硝酸鹽還原的主要因素不再是馴化后的菌群,而是碳源的量.由于反硝化中碳源降解速率與氮素降解速率成正比,在反應(yīng)初期(0~0.5h)時(shí),由于反硝化速率:R1>R2>R3,故0.5h后碳源濃度: R1

2.2 不同馴化方式污泥的微生物多樣性對(duì)比分析

2.2.1 物種多樣性及群落結(jié)構(gòu)分析 為進(jìn)一步探究不同馴化方式的部分反硝化污泥亞硝酸鹽積累機(jī)理以及相應(yīng)的微生物群落變化,利用Illumina MiSeq高通量測(cè)序技術(shù)分別分析反應(yīng)器R1,R2,R3穩(wěn)定期的微生物群落結(jié)構(gòu).通過(guò)測(cè)序分別從R1,R2,R3污泥樣品中獲得63567,51051和64600條優(yōu)質(zhì)序列,3個(gè)樣品的物種豐度和多樣性如表2所示.可知R1,R2, R3的OUT數(shù)分別為5550, 3637, 5128.所有樣品的Coverage值均在90%以上,這表明樣本的文庫(kù)覆蓋率較高,它表征了本次測(cè)序的真實(shí)性.其次,樣品R1的ACE值和Chao值均大于R2,R3這表明R1較R2、R3有更高的物種豐度.Shannon指數(shù)是用來(lái)估算樣品中微生物多樣性指數(shù)之一,該值越大表明群落多樣性越高.由表中數(shù)值可知R1比R2、R3中微生物多樣性要高,換言之,R2、R3中微生物更加專一性,說(shuō)明R2、R3馴化方式對(duì)微生物的淘洗更加徹底,強(qiáng)化了功能細(xì)菌的優(yōu)勢(shì)地位.另外,由OTU樣本分布韋恩圖可知,3個(gè)樣品共有的OTU數(shù)約占總OTU數(shù)的4.74%,這表明不同馴化方式下的部分反硝化污泥的微生物群落結(jié)構(gòu)顯著不同.

表2 微生物豐度和多樣性指數(shù)

由圖2可知,從3個(gè)污泥樣品中分別檢測(cè)出24、22、21個(gè)已知菌門,并且3個(gè)樣品中優(yōu)勢(shì)菌門相似,主要包括變形桿菌門(Proteobacteria),浮霉?fàn)罹T(Planctomycetes),擬桿菌門(Bacteroidetes),酸桿菌門(Acidobacteria),Candidatus Saccharibacteria菌門,藍(lán)細(xì)菌門(Chloroflexi)等6個(gè)菌群,相對(duì)豐度均占總菌群的90%以上.變形菌門在R1,R2,R3樣品中分別占44.57%,14.91%和25.09%.其中,R1樣品中變形菌門的比例與已經(jīng)報(bào)道的活性污泥中的豐度一致[34].另外,浮霉?fàn)罹T在3個(gè)樣品豐度分別為13.71%, 2.02%,4.47%;擬桿菌門豐度分別為13.13%,14.37%, 19.14%;酸桿菌門豐度分別為10.12%,12.94%,7.18%; Candidatus Saccharibacteria菌門豐度分別為5.35%, 45.44%,34.96%;藍(lán)細(xì)菌門豐度分別為4.00%,2.97%, 2.59%.其中,污水處理中常見(jiàn)的反硝化菌屬Pseudomonas,Paracoccus,Comamonas等均屬于變形菌門.此外,Chloroflexi細(xì)菌是一種含有綠色素的兼性厭氧生物,可以分解糖類物質(zhì)并且能夠進(jìn)行反硝化脫氮[35].Bacterodetes不僅能夠代謝糖類和蛋白質(zhì),同時(shí)能夠在缺氧條件下進(jìn)行反硝化[36].由于馴化方式的不同導(dǎo)致Candidatus Saccharibacteria菌門在3個(gè)樣品中的豐度發(fā)生了顯著的變化,其中在R1中占5.35%. Kindaichi等[37]利用熒光原位雜交技術(shù)(FISH)測(cè)定了9種活性污泥中Saccharibacteria的豐度,發(fā)現(xiàn)該菌在不同活性污泥中所占比例為1.3%~7.3%.然而在R2(間歇曝氣,DO=2mg/L)和R3(DO=0.1~ 0.2mg/L)馴化方式的條件下,該菌門的豐度出現(xiàn)顯著增加趨勢(shì),分別達(dá)到了45.44%和34.96%.分析原因是溶解氧的引入促進(jìn)了該細(xì)菌的生長(zhǎng),并且該菌更傾向于好氧環(huán)境生長(zhǎng).

圖2 不同馴化方式部分反硝化污泥的微生物群落結(jié)構(gòu)對(duì)比(門層面)

2.2.2 不同部分反硝化污泥中功能細(xì)菌多樣性分析 反硝化菌屬種類繁多,迄今為止已報(bào)道的反硝化細(xì)菌大約有50多個(gè)屬,130多個(gè)種.本研究中,在R1,R2,R3活性污泥樣品中檢測(cè)到的在屬層面上與反硝化功能相關(guān)菌屬如圖3所示.本研究主要的反硝化菌屬有,,,,,等.其中,菌株分離自非洲土壤樣品,通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)該菌除了能夠利用氨基酸,多糖有機(jī)酸以外,還能夠在缺氧條件下以硝酸鹽為電子受體進(jìn)行反硝化[38].而是污水處理中較為常見(jiàn)的反硝化菌屬,但在R1和R2中比例占1.26%和0.78%.而也被證明具有反硝化作用.Lv等[39]分別從北京市某河流的沉積物、生物膜和水樣中分離出116種反硝化菌株,其中包括,,等菌屬.Li等[40]研究發(fā)現(xiàn)菌株strain PXL1能夠以硝酸鹽為電子受體同步去除地下水中的砷.

表3 在R1,R2,R3中檢測(cè)到的反硝化脫氮菌屬及豐度

表中僅列出了相對(duì)豐度>0.1%的菌屬.

值得注意的是,Du等[41]在對(duì)2種不同碳源條件下的部分反硝化耦合厭氧氨氧化工藝的群落特性進(jìn)行分析時(shí)發(fā)現(xiàn),污泥樣品中的反硝化菌屬比例分別占61.63%和45.17%,是部分反硝化工藝中的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)菌屬.而在本研究中菌屬在反應(yīng)器R2和R3的相對(duì)豐度僅為0.5%和1.28%.菌屬代替菌屬成為了優(yōu)勢(shì)菌屬(如圖3).分析出現(xiàn)這一結(jié)果的原因,一是兩者接種污泥不同;二是兩者采用的碳源不同.Du接種的反硝化污泥為已馴化成功且具有穩(wěn)定亞硝酸鹽積累的反硝化污泥,并且其菌為優(yōu)勢(shì)菌,而本實(shí)驗(yàn)接種污泥來(lái)自于污水處理廠普通的二沉池污泥.在Du的研究中采用了乙酸鹽和乙醇作為碳源,而有學(xué)者對(duì)活性污泥中的菌屬進(jìn)行研究后發(fā)現(xiàn)該菌不能攝取乙酸鹽和乙醇[37].菌屬在R1反應(yīng)器中的豐度(5.35%)并未像在R2,R3(45.44%, 34.96%)反應(yīng)器中那樣發(fā)展為絕對(duì)優(yōu)勢(shì)菌屬的原因是由于溶解氧的限制. Starr等[42]研究發(fā)現(xiàn), 與厭氧環(huán)境相比更傾向于低溶解氧或者好氧環(huán)境.到目前為止,在污水處理中所表現(xiàn)的特性報(bào)道較少,但是已有越來(lái)越多的學(xué)者表明能夠在多種污水處理工藝中發(fā)展成為優(yōu)勢(shì)菌屬.如處理垃圾滲濾液的膜生物反應(yīng)器[43],處理對(duì)氯苯酚廢水的SBR反應(yīng)器[44]等.以為優(yōu)勢(shì)菌屬的反硝化處理工藝還未見(jiàn)報(bào)道.同時(shí), Kindaichi[37]在研究其特性時(shí)指出,能夠在好氧條件下利用有機(jī)物和糖類物質(zhì),同時(shí)能夠在缺氧條件下進(jìn)行硝酸鹽還原,從而印證了其反硝化脫氮功能.

圖3 不同馴化方式部分反硝化污泥的微生物群落結(jié)構(gòu)對(duì)比(屬層面)

2.3 不同初始pH值條件下亞硝酸鹽的積累規(guī)律

探索C/N為3條件下,不同初始pH值對(duì)R3馴化污泥的反硝化過(guò)程的影響.

不同初始pH值對(duì)R3馴化污泥反硝化過(guò)程N(yùn)O2--N積累具有顯著影響, 當(dāng)初始為酸性條件時(shí),NO2--N積累呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì);堿性條件下, NO2--N積累呈現(xiàn)出不斷增長(zhǎng)的趨勢(shì).由圖4可知,初始pH值為5.5時(shí), NO2--N積累量在=3h達(dá)到最大值(10.00mg/L),之后緩慢下降,反應(yīng)10h后NO2--N積累量剩余3.13mg/L;而初始pH值為6.5時(shí), NO2--N積累量在=4h達(dá)到峰值12.65mg/L,反應(yīng)10h后NO2--N積累量剩余4.40mg/L.由此可以看出,在酸性條件下,初始pH值越低,亞硝酸鹽峰值出現(xiàn)時(shí)間越早,最大積累量越低,且反應(yīng)結(jié)束后NO2--N積累剩余量越少.在弱堿性或堿性條件下,當(dāng)初始pH值分別為7.3,8.5,9.5時(shí),10h后NO2--N積累量分別達(dá)到11.65, 14.01,18.72mg/L, NO2--N積累率分別為50.8%,52.5%, 55.4%,均高于曹相生等[45]以甲醇為碳源,當(dāng)進(jìn)水C/N比為2.4~3.2時(shí),獲得的NO2--N積累率約為25%.可以看出,弱堿性或者堿性條件下,C/N比為3時(shí)都具有較高的NO2--N積累率(350%),且初始pH值越高,亞硝酸鹽積累率越高,越有利于部分反硝化的實(shí)現(xiàn).李思倩等[46]研究低溫條件下pH值對(duì)亞硝酸鹽積累的影響,發(fā)現(xiàn)在C/N比為3的情況下,初始pH值為6,7下NO2--N積累量較低;當(dāng)初始pH值為7,8,9時(shí)NO2--N積累量較大,與本實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果一致.

圖4 不同初始pH值下NO3－-N、NO2－-N濃度以及pH值隨時(shí)間的變化

5種不同初始pH值條件下,=0~3h時(shí)硝酸鹽還原速率與NO2－-N積累速率受初始pH值影響較小(表3),但=3h后表現(xiàn)出較大差別.在酸性條件下,當(dāng)初始pH值為5.5時(shí),反硝化過(guò)程中的NO3－-N在=3h以后已基本不再下降;初始pH值為6.5時(shí)的反硝化過(guò)程N(yùn)O3－-N還原速率也在=3h后逐漸放緩,且硝酸鹽濃度在=5h后基本不再下降,=3~5h硝酸鹽平均還原速率僅有2.85mg/(L·h).兩者硝酸鹽濃度在后期甚至出現(xiàn)了回彈現(xiàn)象.在弱堿性或堿性的條件下,當(dāng)初始pH值為7.3, 8.5, 9.5時(shí),硝酸鹽不斷被還原,但還原速率仍有所差別,在=3~10h平均還原速率分別為1.21mg/(L·h),1.96mg/(L·h),2.77mg/(L·h),可見(jiàn)初始pH值越高,此階段硝酸鹽還原速率越快.但硝酸鹽還原快慢并不是由pH值直接影響,而是由于在硝酸鹽還原過(guò)程中,理論上將1gNO3－-N還原為N2需2.86gBOD5,而還原1gNO3－-N為NO2－-N僅需BOD51.14g.且初始pH值越高,NO2－-N積累率越高,因此直接還原成N2的NO3－-N比例越小,所消耗的碳源也越少,碳源剩余濃度在同一時(shí)刻相比越多,因此NO3－-N還原速率越高.而初始pH值越高, NO2－-N的積累率越大的原因,一是亞硝酸鹽還原酶活性受高pH值的影響相比于硝酸鹽還原酶更大[47],另一個(gè)是反硝化產(chǎn)堿度發(fā)生在NO2－-N還原為N2這一步,而較高的pH值下OH-濃度相對(duì)較高,使得NO2－-N還原為N2的過(guò)程減緩[47].因此pH值較高,亞硝酸鹽積累量較多,本實(shí)驗(yàn)的研究結(jié)果跟Glass等研究一致[19].

表3 不同pH值條件下硝酸鹽還原特性參數(shù)

3 結(jié)論

3.1 R1,R2,R3三種部分反硝化馴化方式中,由于溶解氧對(duì)硝酸鹽還原酶和亞硝酸鹽還原酶抑制程度不同,使得添加曝氣引入了溶解氧的馴化后的R2, R3污泥相比于R1能夠更好的實(shí)現(xiàn)部分反硝化.其中,R3馴化后污泥亞硝酸鹽積累濃度直至反應(yīng)結(jié)束不斷上升,部分反硝化更完全.

3.2 高通量測(cè)序結(jié)果顯示,是R2、R3中的優(yōu)勢(shì)菌屬,這是該菌首次作為反硝化污泥中的優(yōu)勢(shì)菌屬被報(bào)道.此菌在厭氧/缺氧/好氧菌能夠利用葡萄糖,并且在缺氧條件下能夠還原硝酸鹽,但其更傾向于好氧環(huán)境.在缺氧攪拌的R1反應(yīng)器中比例僅占5.35%,而在低溶解氧反應(yīng)器R3中達(dá)到了34.96%,在間歇曝氣的好氧反應(yīng)器R2中比例更是高達(dá)45.44%.

3.3 pH值對(duì)R3馴化污泥亞硝酸鹽積累率有較大影響.在酸性條件下,亞硝酸鹽在達(dá)到最大積累量后繼續(xù)被降解而緩慢下降,不利于部分反硝化的實(shí)現(xiàn);在弱堿性及堿性條件下,亞硝酸鹽的積累量呈現(xiàn)一直不斷上升的趨勢(shì),且初始pH值越高,亞硝鹽氮積累率越高,部分反硝化越完全.

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Comparative study on achieving partial denitrification in a SBR by different acclimation methods.

WANG Wei-qi, WANG Xiu-jie, LI Jun*, WANG Si-yu

(The College of Architecture and Civil Engineering, Bejing University of Technology, Beijing 100124, China)., 2018,38(11)：4085~4093

The partial denitrification (NO3--N→NO2--N), a promising way for nitrate wastewater treatment, could combine with ANAMMOX technology to achieve nitrogen removal with low concentration of carbon source and poor energy. Three different domestication pattern, R1 (SBR under anoxic condition), R2 (SBR under anoxia-aerobic alternating condition) and R3 (SBR under anoxic condition with low-intensity aeration), were conducted using glucose as electron donor to find out the rule of nitrite accumulation in denitrification process. These three reactors achieved steady nitrite accumulation after 120-days run, and the sludge were taken, respectively, to explore the denitrification pattern of these three acclimatizing ways. The findings revealed that, compared with R1, the R2 and R3 sludge could better achieve partial denitrification due to the involving of dissolved oxygen. And R3 was the best way. The microbial community structure of R1, R2 and R3 sludges on the 109th day were analyzed and compared by high throughput sequencing. The results showed that the dominant bacteria werein both R2 and R3 reactor, which were with the participation of dissolved oxygen, and the relative abundance was 45.44% and 34.96%, respectively. This was the first time that thewas reported as the dominant bacteria in the denitrifying sludge. Besides, the microbial diversity of R1reactor was much larger than that of R2 and R3, which indicated that the denitrifying bacteria in R2 and R3 reactors were more exclusive. The batch experiments showed that the initial pH had a significant effect on the accumulation of nitrite. The higher the pH indicated the higher accumulation rate of nitrite.

partial denitrification；nitrite accumulation；acclimation mode；dissolved oxygen；microbial community

X703.5

A

1000-6923(2018)11-4085-09

王維奇(1993-),男,江蘇鹽城人,碩士研究生,主要從事污水處理與資源化方面的研究.

2018-04-18

水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)(2015ZX07202-013);北京市基金面上項(xiàng)目(8172012)

* 責(zé)任作者, 教授, 18811715723@163.com