胡智豐，鄧時海，張超，李德生，2，彭帥

（1 北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，北京100044； 2 水中典型污染物控制與水質(zhì)保障北京市重點(diǎn)實(shí)驗室，北京100044）

引 言

城鎮(zhèn)污水處理廠達(dá)標(biāo)排放的水質(zhì)與受納水體的《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)相應(yīng)指標(biāo)仍存在較大差距，其中，污水廠處理水中超量的氮是受納水體中氮素污染物的主要來源之一[1]。污水處理廠處理水排入環(huán)境水體(諸如河道、湖泊等)，會導(dǎo)致水體中氮、磷營養(yǎng)鹽類物質(zhì)量增加，造成水體富營養(yǎng)化[1-2]。因此應(yīng)加強(qiáng)對污水處理廠處理水的深度脫氮除磷處理。

污水廠處理水仍存在氮磷濃度偏高、C/N 比低、碳源不足、進(jìn)一步生物降解困難等問題[3-4]。目前污水廠處理水脫氮多采用外加碳源法，以滿足反硝化脫氮電子供體的需求。但外加碳源投加時難以控制投加量，從而影響出水水質(zhì)。目前開發(fā)的短程硝化反硝化、厭氧氨氧化等新型生物脫氮技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用過程中微生物難以穩(wěn)定培養(yǎng)，出水水質(zhì)受水溫、污染物基質(zhì)濃度等因素影響顯著，TN 去除率難以達(dá)到較高水平。而在工程應(yīng)用中，理論上脫氮效果較好的新型生物脫氮工藝（如同步硝化反硝化、短程硝化反硝化、厭氧氨氧化）又存在微生物難以培養(yǎng)，出水水質(zhì)受水溫、污染物基質(zhì)濃度等因素影響顯著等問題，TN去除率難以達(dá)到較高水平。由此可見，研發(fā)一種新型、高效、經(jīng)濟(jì)的污水廠處理水深度脫氮工藝是十分必要的[5]。自養(yǎng)反硝化脫氮工藝是目前應(yīng)用較廣的一種深度脫氮方法，適用于低碳氮比污水的處理。自養(yǎng)反硝化工藝是通過自養(yǎng)反硝化菌利用非碳源如Fe2+、S、H2等提供電子供體，使水中的硝態(tài)氮還原為氮?dú)?。這種方法解決了生物脫氮過程碳源不足的問題[6-7]。

本研究基于自養(yǎng)反硝化理論進(jìn)行創(chuàng)新，采用自主研發(fā)的鐵基質(zhì)生物載體[8]，利用鐵基質(zhì)生物載體催化反應(yīng)產(chǎn)生的H2或[H]，為反硝化菌提供電子供體。同時鐵基質(zhì)生物載體的多孔結(jié)構(gòu)利于微生物的附著生長，形成生物膜，將鐵基質(zhì)生物載體與生物膜耦合，實(shí)現(xiàn)了污水處理廠處理水的深度脫氮[6,9]。本研究對鐵基質(zhì)生物載體與生物膜耦合的脫氮試驗效果和過程機(jī)理進(jìn)行討論，對其過程動力學(xué)進(jìn)行求解，并對形成的微生物群落結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，從而為污水廠處理水的深度脫氮工藝提供技術(shù)支持和理論依據(jù)。

1 試驗方法與原理

1.1 試驗材料與方法

鐵基質(zhì)生物載體的制備原料包括：單質(zhì)鐵、活性炭、復(fù)合金屬催化劑、黏合劑、發(fā)泡劑等，制備工藝流程如圖1所示。

載體中的鐵和活性炭，在金屬催化劑的作用下，產(chǎn)生了從生物膜流向載體的電流，即電子從載體轉(zhuǎn)移向生物膜方向，說明該載體是良好的電子供體，利于自養(yǎng)反硝化菌的選擇、馴化和生長[10]。

表1 污水廠處理水水質(zhì)Table 1 Tail water quality of waste water treatment plant/（mg/L）

圖1 鐵基質(zhì)生物載體的制備流程Fig.1 Preparation process of iron matrix biological carrier

試驗裝置采用“集成式污水處理技術(shù)及裝置”[8]，將好氧、厭氧(缺氧)技術(shù)在反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行技術(shù)集成。試驗裝置由有機(jī)玻璃制成，內(nèi)徑100 mm，高1600 mm，總體積8 L，有效體積6 L，每400 mm 設(shè)置一個取樣口，曝氣頭設(shè)置在反應(yīng)器中間部位，如圖2 所示。反應(yīng)器裝填載體如圖3所示。污水由進(jìn)水管經(jīng)蠕動泵進(jìn)入反應(yīng)器頂部的好氧區(qū)，與鐵基質(zhì)生物載體充分接觸，進(jìn)行高效的化學(xué)反應(yīng)和生物降解。隨后進(jìn)入反應(yīng)器底部的缺氧區(qū)，發(fā)生反硝化反應(yīng)，最后由反應(yīng)器最底端的出水口排出。

圖2 試驗裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of test equipment

1.2 試驗原理

鐵基質(zhì)生物載體的脫氮反應(yīng)過程如下[13]

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 HRT對反應(yīng)器脫氮負(fù)荷的影響

圖3 用紗布包裹的自制化學(xué)催化載體Fig.3 Chemical catalytic carrier with gauze

圖4 HRT對一級A處理水脫氮效果影響Fig.4 Effect of HRT on nitrogen removal from primary A

圖5 HRT對一級B處理水脫氮效果影響Fig.5 Effect of HRT on nitrogen removal from primary B

2.2 污染物的沿程變化

圖6 污染物沿程變化Fig.6 Diagram of pollutant evolution along reactor

2.3 反應(yīng)器連續(xù)運(yùn)行脫氮效能

圖7 集成式反應(yīng)器處理一級A處理水穩(wěn)定運(yùn)行效果Fig.7 Stable operation for primary A tail water

圖8 集成式反應(yīng)器處理一級B處理水穩(wěn)定運(yùn)行效果Fig.8 Stable operation for primary B tail water

2.4 反應(yīng)器動力學(xué)模型

2.4.1 假設(shè)條件

（1）假設(shè)一體式反應(yīng)器各區(qū)域均為完全混合型反應(yīng)器[16-17]，即在缺氧區(qū)和好氧區(qū)中，反應(yīng)器內(nèi)各處微生物濃度和基質(zhì)濃度相同[17]，即

式中，X為反應(yīng)器內(nèi)微生物平均濃度，mg/L；S為反應(yīng)器內(nèi)基質(zhì)平均濃度，mg/L。

（2）假設(shè)在整個反應(yīng)時間內(nèi)，反應(yīng)器的缺氧區(qū)和好氧區(qū)均為穩(wěn)定狀態(tài)[17]，即

（3）根據(jù)Atkinson 等[17]的理論分析,忽略生物膜對有機(jī)物的傳質(zhì)阻力[17-18]；

（4）假設(shè)進(jìn)水微生物濃度為0;

（5）設(shè)所降解基質(zhì)為完全溶解狀態(tài);

2.4.2 力學(xué)公式推導(dǎo)過程 反應(yīng)器內(nèi)基質(zhì)變化率=反應(yīng)器內(nèi)基質(zhì)進(jìn)入率-反應(yīng)器內(nèi)基質(zhì)排出率

設(shè)反應(yīng)器內(nèi)生物膜濃度為X(mg/L)，水力停留時間為t(h)，則

式中，q為基質(zhì)的比降解速率，d-1，q可用Monod方程式(14)和式(16)得出

由于微生物的比增長速度與比降解速率存在以下關(guān)系

式中,Y0為表觀產(chǎn)率；q為基質(zhì)的比降解速率，d-1；qmax為基質(zhì)的最大比降解速率，d-1。將式(15)代入式(14)得

將式(16)代入式(13)得

取式(17)的倒數(shù)

生物膜濃度可看作不變。以tX/(Si-Se)為縱坐標(biāo)，以1/S為橫坐標(biāo),將所得到的各組數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，該直線的斜率為Ks/qmax，在縱坐標(biāo)上的截距為1/qmax,從而可求得反應(yīng)動力學(xué)常數(shù)Ks和qmax。

yA=784.68xA+669.39,RA2=0.9692;

yB=902.83xB+1246.06,RB2=0.9453

根據(jù)斜率和截距計算得

KaA=1.17,qmaxA=0.0015;KaB=0.72,qmaxB=0.0008

yA=840.56xA+956.74,RA2=0.9434;

yB=882.27xB+1323.10,RB2=0.9248

根據(jù)斜率和截距計算得

圖9 硝化、反硝化過程中NH4+-N、NO3--N飽和常數(shù)Fig.9 Saturated constant of NH4+-N,NO3--N

KaA=0.87,qmaxA=0.0010;KaB=0.67,qmaxB=0.0008

2.5 總氮去除物料平衡

該系統(tǒng)對一級A 處理水和一級B 處理水的TN去除率分別達(dá)到95.41%和92.55%，TN 去除負(fù)荷分別為0.48 kg TN/(m3·d)和0.58 kg TN/(m3·d)。

根據(jù)McCarty[20]基于甲醇的反硝化過程建議反硝化所需的甲醇/總氮的比值遵循以下方程

2.6 微生物群落分析

2.6.1 微生物群落多樣性分析 在反應(yīng)器最佳運(yùn)行條件下，取反應(yīng)器不同位置的污泥樣品，進(jìn)行高通量測序分析，研究微生物群落結(jié)構(gòu)特征。反應(yīng)器頂部污泥、中部污泥、底部污泥依次編號為TCS、MCS、BCS。

本研究中的3個污泥樣品分別取自反應(yīng)器的好氧、低氧和缺氧區(qū)域的生物載體上。由于反應(yīng)器曝氣裝置設(shè)置在反應(yīng)器中部，導(dǎo)致反應(yīng)器內(nèi)上、中部為好氧環(huán)境(DO=1.5～2.0 mg/L)，中下部為低氧環(huán)境(DO=0.5～0.8 mg/L)，底部為缺氧環(huán)境(DO=0～0.1 mg/L)，因而表現(xiàn)出不同的微生物群落結(jié)構(gòu)特征，反應(yīng)器上部以硝化菌菌屬最優(yōu)，反應(yīng)器底部以反硝化菌菌屬最優(yōu)。為深入解析微生物菌群與工藝處理效果之間的聯(lián)系，本研究對污泥樣品的群落結(jié)構(gòu)在屬分類水平上進(jìn)行分析,結(jié)果如圖10所示。

圖10 物種相對豐度的柱狀直方圖Fig.10 Column histogram of species relative abundance

從圖10 中可以明顯看出，在屬分類水平上，不同區(qū)域的污泥樣品中的微生物群落結(jié)構(gòu)存在著明顯 差 異。 從TBC 到MBS，再 到BCS，樣 本 中Maritimimonas菌屬的相對含量隨DO 濃度的降低逐漸增加，在缺氧條件下成為絕對優(yōu)勢菌屬。已有研究證明，Maritimimonas在缺氧環(huán)境下，對脫氮過程有著重要作用[21-22]。Maritimimonas是黃桿菌科的一個新物種,其在電化學(xué)生物陰極上為主要優(yōu)勢細(xì)菌[23]，這充分說明鐵基質(zhì)生物載體在脫氮系統(tǒng)中發(fā)揮了重要作用。由于反應(yīng)器底部以還原NO3--N 為主，所需電子供體較多，因此Maritimimonas成為BCS的優(yōu)勢菌屬。

Rhodobacter在眾多的污水處理過程中都存在并發(fā)揮脫氮作用[24]，且Rhodobacter能通過光合作用獲得能量，進(jìn)行自養(yǎng)或異養(yǎng)生長，具有顯著的代謝多樣性。Sphaerotilus(球衣均屬)為好氧菌，具有固定金屬元素的作用，能夠在有O2的條件下，吸收Fe2+，并氧化為Fe3+，同時還原NO3--N。且Sphaerotilus在TCS 樣本中具有更高的比例，所占比例為11.1%，證實(shí)Sphaerotilus具有好氧反硝化功能[7]。

Flavobacterium是與有機(jī)物降解相關(guān)的菌屬。反應(yīng)器上部好氧區(qū)域有機(jī)物濃度高、營養(yǎng)物質(zhì)豐富，有利于Flavobacterium生長。且Flavobacterium在TCS 樣本中所占比例為8.3%，豐度較高，這與上述結(jié)論中反應(yīng)器上部COD去除率較高相照應(yīng)。

此外，在系統(tǒng)中參與脫氮過程的Simplicispira、Silanimonas、Thiobacillus 和Rivibacter也 均 被 發(fā)現(xiàn)[25-26]。總體看來，由于反應(yīng)器不同位置污染物濃度、DO 等環(huán)境因素不同，使得微生物群落結(jié)構(gòu)也呈現(xiàn)不同的分布情況，且這種分布變化具有一定的規(guī)律性。

2.6.2 系統(tǒng)發(fā)育樹分析 對污泥樣品中相對豐度大于2%的27 個優(yōu)勢OTUs 進(jìn)行聚類分析，將OTUs與NCBI 數(shù)據(jù)庫進(jìn)行比對，繪制系統(tǒng)發(fā)育樹，如圖11所示。Beta Proteobacteria和Bacteroidetes是反應(yīng)器體系中占比最大的微生物。目前發(fā)現(xiàn)的鐵自養(yǎng)反硝化微生物大多屬于Proteobacteria。 其中OTU2157、OTU159 和 OTU1040 均 與 菌 屬Simplicispirasp.相似度達(dá)到99%，而Simplicispira在BCS 中相對含量較高，推測其可能為兼性反硝化細(xì)菌。OTU1011 與菌屬Sphaerotilus montanusstrain KMKE 具有99%的同源性，其相對豐度達(dá)到7.50%，是TCS 中占比最高的菌屬。在好氧條件下，Sphaerotilus以[H]/H2和Fe2+作為電子供體進(jìn)行脫氮[27]，這在好氧生化處理中具有重要作用。總體看來，除Simplicispira和Rhodobacter菌屬中含有3 個或以上OTUs，其余菌屬均含有唯一OUT，說明不同的微生物在此脫氮系統(tǒng)中具有特定的脫氮性能。

3 結(jié) 論

（1）鐵基質(zhì)生物載體與生物膜耦合可實(shí)現(xiàn)自養(yǎng)反硝化高效脫氮。脫氮效果受HRT 影響顯著，當(dāng)HRT 為8 h 時，一級A 和一級B 處理水的TN 去除率分別達(dá)到95.41%和92.55%，TN 去除負(fù)荷分別為0.48 kg TN/(m3·d)和0.58 kg TN/(m3·d)，高于其他低C/N 比污水處理技術(shù)。系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行，一級A 處理水處理出水可達(dá)到地表水Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，一級B 處理水處理出水達(dá)到地表水Ⅴ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

（2）鐵基質(zhì)生物載體所產(chǎn)生的H2或[H]，為反硝化菌提供電子供體。同時，鐵基質(zhì)載體具有多孔結(jié)構(gòu)，有利于微生物的附著生長和形成生物膜，使系統(tǒng)的脫氮效率大大提升，實(shí)現(xiàn)了低C/N 比污水處理廠處理水的深度脫氮。

圖11 系統(tǒng)發(fā)育樹和相關(guān)豐度Fig.11 Phylogenetic tree and relative abundance

（3）鐵基質(zhì)生物載體反應(yīng)器中，對一級A和一級B 處理水，硝化過程中NH4+-N 飽和常數(shù)分別為1.17 mg/L 和0.72 mg/L，反硝化過程中NO3--N 的飽和常數(shù)分別為0.87 mg/L和0.67 mg/L，均較普通活性污泥法高。

（4）脫氮系統(tǒng)中，屬水平上的優(yōu)勢菌種為Maritimimonas、Rhodobacter和Sphaerotilus，其與自養(yǎng)反硝化脫氮密切相關(guān)，證實(shí)了鐵基質(zhì)生物載體和生物膜的耦合可以實(shí)現(xiàn)低C/N 比污水廠處理水的深度自養(yǎng)反硝化脫氮，并提高其脫氮效率，為污水廠處理水深度脫氮提供技術(shù)支持和理論依據(jù)。