時紹鵬，萬柳楊，廖宏燕，王興祖

(1.重慶交通大學 河海學院，重慶 400074；2.中國科學院重慶綠色智能技術(shù)研究院 水污染過程與防治研究中心，重慶 400714；3.中國科學院大學 資源與環(huán)境學院，北京 100049)

過量的氮、磷元素會引發(fā)水體富營養(yǎng)化[1-2]，破壞水域生態(tài)環(huán)境，危害水生生物生存和人體健康[3-4]。自然因素和人類活動[5-6]是影響水中氮、磷含量的主要原因。污水中的氮包括有機氮、氨氮、亞硝酸鹽氮以及硝酸鹽氮4種形式。其中，少量的硝酸鹽雖然不會對人體造成危害，但通過還原作用會轉(zhuǎn)換成有毒且具有高度致癌性的亞硝酸鹽[7-8]。因此，需要采用一定的方法將硝酸鹽轉(zhuǎn)化為氮氣。

(1)

1 材料與方法

1.1 接種污泥及模擬污水

實驗反應(yīng)器所用污泥取自重慶市合川區(qū)某污水處理廠A2/O工藝的二沉池新鮮污泥，污泥使用前需稀釋。反應(yīng)裝置啟動初期，往裝置內(nèi)添加SS(懸浮物)濃度為7 120 mg/L的活性污泥進行微生物培養(yǎng)與馴化。

1.2 實驗裝置

采用的反應(yīng)器為上流式厭氧反應(yīng)器，其有效體積為2.5 L，直徑為90 mm，有效高度為400 mm，材質(zhì)為有機玻璃，內(nèi)部設(shè)有固液分離器。反應(yīng)器內(nèi)部掛上自制的硫磺粉涂層填料，實際填充比(填料體積∶反應(yīng)器有效體積)為1/10～1/5，連續(xù)流運行方式為下進上出，進水流量由蠕動泵控制。夏季反應(yīng)器溫度保持在(25±1) ℃，冬季通過水浴加熱的方式使反應(yīng)器溫度控制在(30±1) ℃。為避免光照對硫自養(yǎng)反硝化菌的傷害，反應(yīng)器外部用鋁箔紙包裹避光。實驗裝置如圖1所示。

圖1 連續(xù)流裝置示意圖

1.3 硫涂層填料的制備

原材料：硫磺粉、生物繩填料和膠黏劑。硫磺粉含量≥99.5%；生物繩填料購于宜興市和盛環(huán)保有限公司，型號為60CS3；膠黏劑為實驗室自制，組成成分為5%的聚乙烯醇。

制備方法：填料制備流程見圖2。根據(jù)反應(yīng)裝置的內(nèi)部尺寸，截取長度為350 mm的生物繩填料，然后按照膠黏劑40 mL+硫磺粉50 g的配比將硫磺粉混勻至黏稠狀，有利于硫磺粉粘附在生物繩填料上。接著，將混勻的硫磺粉全部涂刷到生物繩填料上，懸掛晾干至重量無變化。負載到填料上的硫磺粉質(zhì)量M按式(2)計算。

圖2 填料制備流程圖

M=(m2-m1-m0)g

(2)

式中：m0為膠黏劑的質(zhì)量；m1為生物繩填料質(zhì)量；m2為晾干后的硫涂層填料質(zhì)量；g為重力加速度。

1.4 實驗方法

表1 反應(yīng)器各個階段運行條件

1.5 分析方法

采用熱場發(fā)射掃描電鏡(JSM-7800F，JEOL，日本)對污泥進行形貌表征分析，掃描電鏡樣品前期處理參照文獻[21]。將污泥樣品送往上海美吉生物醫(yī)藥科技有限公司，采用Illumina Miseq 測序技術(shù)進行微生物多樣性分析，主要通過PCR儀對細菌16S rRNA基因進行PCR擴增，引物序列為515F(5′-GTGCCAGCMGCCGCGG-3′)和907R (5′-CGTCAATTCMTTTRAGTTT-3′)[22]。此外，微生物功能預(yù)測分析主要運用FAPROTAX(Functional Annotation of Prokaryotic Taxa)軟件和R語言3.5.3進行結(jié)果運行以及繪圖分析。

2 結(jié)果與討論

圖3 進出水濃度及去除率

表2 單質(zhì)硫自養(yǎng)反硝化

圖4 出水和濃度

2.2 pH值的變化及出水的濃度

圖5 進出水pH值的變化和出水COD濃度

通過檢測發(fā)現(xiàn)，整個階段的出水COD含量均較低，保持在40 mg/L以內(nèi)(圖5(b))，遠遠低于中國城鎮(zhèn)污水處理廠出水COD一級A標準(50 mg/L)。說明實驗所用的膠黏劑在單位時間內(nèi)釋放的有機物含量較少，具有良好的粘附性和不溶性，且經(jīng)過處理后的出水不會帶來二次有機污染。

圖6 出水濃度

2.3 污泥SEM圖片分析

取初始污泥和反應(yīng)器穩(wěn)定運行后階段Ⅲ中的污泥進行SEM微生物形態(tài)觀察分析。如圖7(a)所示，初始污泥形狀均不規(guī)則，且疏松多孔，表面粗糙，這為微生物的附著生長提供了場所。待反應(yīng)器成功啟動且穩(wěn)定運行后，取階段Ⅲ的反應(yīng)污泥進行SEM微生物形態(tài)觀察，結(jié)果見圖7(b)，發(fā)現(xiàn)污泥表面附著有明顯且形狀規(guī)則的桿狀微生物，這與實驗在電子顯微鏡下觀察到的硫自養(yǎng)反硝化微生物形態(tài)一致。馬瀟然等[36]通過對硫自養(yǎng)反硝化系統(tǒng)穩(wěn)定運行時期的污泥進行掃描電鏡觀察，結(jié)果表明，污泥中存在一些短桿菌和球狀菌。此外，趙晴等[37]研究指出，以硫化物為電子供體的自養(yǎng)反硝化污泥中細菌形態(tài)主要為球狀和短桿狀。

圖7 污泥SEM圖像

2.4 微生物群落多樣性分析

為了研究硫自養(yǎng)反硝化系統(tǒng)中的微生物種類及其相對豐度，取初始污泥和反應(yīng)器穩(wěn)定運行后階段Ⅲ中的底泥，采用高通量測序技術(shù)進行微生物多樣性分析。

圖8 微生物在屬水平的相對豐度

2.5 FAPROTAX功能預(yù)測分析

采用FAPROTAX方法對脫氮系統(tǒng)中的微生物群落功能表型進行預(yù)測，以及對系統(tǒng)中的碳、氫、氮、磷和硫的循環(huán)功能進行分析[19]。如圖9所示，主要有7個硫循環(huán)相關(guān)以及13個氮循環(huán)相關(guān)的功能注釋，分別包括dark_sulfide_oxidation、dark_oxidation_of_Sulfur_compounds、respiration_of_sulfur_compounds等和nitrate_respiration、nitrate_reduction、nitrogen_respiration等。

與初始污泥的微生物功能預(yù)測結(jié)果相比，反應(yīng)后各階段中與硫循環(huán)和氮循環(huán)相關(guān)的功能注釋強度均有所增加。其中，初始污泥以及反應(yīng)階段Ⅲ、Ⅳ、Ⅵ中的dark_sulfide_oxidation強度分別為0、472、1 527和1 807，nitrate_reduction強度分別為34、537、314和586，說明在整個脫氮系統(tǒng)中，微生物主要進行的是硫代謝和氮代謝，且隨著反應(yīng)的進行，二者代謝強度有所增強。根據(jù)聚類分析關(guān)系可知，nitrate_respiration、nitrate_reductio和nitrogen_respiration聯(lián)系緊密；dark_Sulfide_oxidation、dark_sulfur_oxidation、dark_thiosulfate_oxidation和dark_oxidation_of_Sulfur_compounds聯(lián)系緊密，這也說明了體系中硫、氮代謝對脫氮起著關(guān)鍵作用。此外，各階段功能預(yù)測中均存在一定強度的異養(yǎng)反硝化作用，說明脫氮體系中有部分異養(yǎng)反硝化作用參與，進而推斷本系統(tǒng)中主要進行硫自養(yǎng)反硝化作用和部分異養(yǎng)反硝化作用。

3 結(jié)論

1)采用自制硫涂層填料進行自養(yǎng)反硝化污水脫氮研究，應(yīng)用性能良好，且反應(yīng)器并未出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象。出水COD含量均低于40 mg/L，說明膠黏劑的粘附效果較好，不會帶來二次有機污染。

4)反應(yīng)器內(nèi)硫自養(yǎng)反硝化菌是Thiothrixs、Thiomonas和Sulfuritalea，其所占比例分別為2.89%、1.55%和1.35%，此外，還存在部分異養(yǎng)反硝化菌Denitratisoma，其占比為2.99%。

5)FAPROTAX功能預(yù)測結(jié)果表明，脫氮系統(tǒng)中微生物主要進行硫代謝和氮代謝，硫、氮代謝對脫氮起著關(guān)鍵作用。