磁場強(qiáng)度對低溫污水生物脫氮過程中N2O產(chǎn)生特征的影響

陳 輝 周慧劍 徐衛(wèi)敏

(浙江華海藥業(yè)股份有限公司，浙江 臺州 317024)

N2O作為一種強(qiáng)溫室氣體，其增溫潛能值是CO2的265倍，且N2O還是一種重要的臭氧消耗氣體，它對全球氣候變化的影響日益顯著[1-2]。污水生物處理過程是N2O重要的人為排放源之一。據(jù)報(bào)道，污水處理過程中N2O的釋放量約為3.0×105～3.0×106t/a，占全球N2O總釋放量的2.5%～25.0%。污水處理過程中，N2O主要來源于生物脫氮工藝的硝化反應(yīng)和反硝化反應(yīng)，包括羥胺的不完全氧化、氨氧化細(xì)菌(AOB)的反硝化和異養(yǎng)菌的反硝化等[3]。因此，污水生物脫氮過程中的N2O減量化控制對于城鎮(zhèn)污水處理廠的低碳綠色運(yùn)行具有重要意義。

低溫是我國冬季北方地區(qū)和南方大部分地區(qū)城鎮(zhèn)污水處理廠運(yùn)行中面臨的重要難題[4]。當(dāng)環(huán)境溫度低于10 ℃時(shí)，微生物的活性和群落結(jié)構(gòu)多樣性將受到嚴(yán)重抑制，進(jìn)而可導(dǎo)致硝化和反硝化過程不完全、脫氮效率下降、N2O產(chǎn)量升高等問題[5]6。VASILAKI等[6]研究發(fā)現(xiàn)，硝化和反硝化過程中，N2O的釋放量隨溫度的降低呈現(xiàn)出升高的趨勢。ADOUANI等[7]研究發(fā)現(xiàn)，在序批式活性污泥反應(yīng)器(SBR)反硝化過程中，隨溫度的降低反硝化酶活性也呈現(xiàn)出降低的現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致N2O產(chǎn)量升高。此外，有報(bào)道指出，N2O還原酶相比于其他反硝化還原酶對于低溫更為敏感，進(jìn)而其活性將受到更大的抑制[8]。因而，尋找低溫下強(qiáng)化微生物活性、削減N2O產(chǎn)生的方法，是當(dāng)前污水生物脫氮工藝運(yùn)行過程中亟需解決的問題。目前，關(guān)于低溫下污水生物脫氮過程中N2O的控制策略，主要集中在溶解氧(DO)濃度、碳氮比(C/N)等影響因素的調(diào)控[9-10]方面，但往往需要較大的投資和運(yùn)行費(fèi)用，且微生物的活性和群落結(jié)構(gòu)難以得到充分保證，導(dǎo)致N2O減排效果欠佳。

近年來，越來越多的研究發(fā)現(xiàn)，低溫下磁場可有效提高活性污泥微生物的活性，提高污水生物處理效率，如促進(jìn)化學(xué)需氧量(COD)和總氮(TN)的去除[11]68等。磁場可通過影響微生物細(xì)胞膜及其運(yùn)輸系統(tǒng)、胞內(nèi)磁力和電流間的相互作用等途徑影響微生物的生命活動(dòng)[12]。NIU等[13]研究發(fā)現(xiàn)，磁場可有效提高活性污泥微生物的適冷性能，低溫下15～40 mT的磁場強(qiáng)度可有效促進(jìn)微生物活性的提高。WANG等[14]研究發(fā)現(xiàn)，48 mT的磁場強(qiáng)度可以增強(qiáng)亞硝酸鹽氧化細(xì)菌(NOB)的活性和生長。此外，磁場可促進(jìn)污水生物脫氮工藝中硝化菌和反硝化菌的富集，提高反硝化功能基因豐度和反硝化酶活性[15-16]。這些微生物功能基因豐度、反硝化酶活性及群落組成的變化，對N2O的產(chǎn)生起著決定性的作用。因此，低溫下污水生物脫氮過程中N2O的產(chǎn)生和排放將很可能受到磁場的影響。然而，目前關(guān)于磁場對低溫污水生物脫氮過程中N2O的產(chǎn)生和排放的影響還鮮有報(bào)道。

為此，本研究在不同磁場強(qiáng)度(0、10、45、75 mT)下低溫(10 ℃)運(yùn)行SBR，考察磁場強(qiáng)度對低溫下污水生物脫氮過程中N2O排放的影響，并從硝化酶及反硝化酶活性、AOB及NOB活性和群落結(jié)構(gòu)的角度，解析磁場影響污水生物脫氮過程中N2O排放的機(jī)制，以期為低溫下污水生物處理過程中N2O的減排提供理論依據(jù)和技術(shù)參考。

1 材料和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置和運(yùn)行條件

接種污泥為南京市某城鎮(zhèn)污水處理廠曝氣池活性污泥。在低溫培養(yǎng)箱中((10±2) ℃)運(yùn)行4個(gè)有機(jī)玻璃制成的SBR(分別記為R1～R4)，有效體積均為2 L，將長20.0 cm、寬8.0 cm、厚2.5 cm的永磁鐵平行放置在SBR旁提供磁場，通過調(diào)節(jié)永磁鐵磁感應(yīng)強(qiáng)度控制R1、R2、R3、R4中心磁場強(qiáng)度分別為0、10、45、75 mT。SBR每天運(yùn)行5個(gè)周期，每個(gè)周期包括缺氧0.8 h、好氧2.0 h、沉淀1.0 h、排水靜置1.0 h，水力停留時(shí)間設(shè)置為9.6 h，污泥齡約為30 d，反應(yīng)器內(nèi)混合液懸浮固體(MLSS)質(zhì)量濃度控制在3 000 mg/L左右。采用模擬廢水作為進(jìn)水，分別以乙酸鈉、氯化銨、磷酸二氫鉀為碳源、氮源和磷源，調(diào)節(jié)模擬廢水COD、氨氮、總磷(TP)分別為200、20、3 mg/L，用NaHCO3調(diào)節(jié)模擬廢水pH為7.2±0.2，每升進(jìn)水中加入0.6 mL的微量元素溶液，具體組成見文獻(xiàn)[5]。反應(yīng)器頂蓋上的圓孔可插入N2O微電極探頭，用于混合液中溶解態(tài)N2O及氣態(tài)N2O的在線監(jiān)測，SBR裝置見圖1。

圖1 SBR示意圖Fig.1 Schematic diagram of SBR

為了進(jìn)一步深入探究磁場對低溫下SBR釋放N2O的影響，開展了磁場對硝化和反硝化影響的批次試驗(yàn)。分別取4組SBR曝氣結(jié)束前和排水結(jié)束后活性污泥混合液100 mL放入錐形瓶中，調(diào)節(jié)MLSS在3 000 mg/L后，在原有條件下分別進(jìn)行曝氣和攪拌，用N2O微電極探頭在線測定錐形瓶中氣態(tài)N2O濃度變化，分析曝氣硝化和缺氧反硝化過程N(yùn)2O的釋放情況。

1.2 分析項(xiàng)目和方法

1.2.1 水質(zhì)指標(biāo)和N2O的測定

1.2.2 微生物活性指標(biāo)的測定

參考文獻(xiàn)[5]測定活性污泥的比好氧速率(SOUR)；參考文獻(xiàn)[15]測定活性污泥的氨氧化速率(AOR)；分別向SBR內(nèi)投加5 mg/L烯丙基硫脲和20 mmol/L的NaClO3作為AOB、NOB選擇性抑制劑，通過活性污泥SOUR的變化表征AOB和NOB活性；參考文獻(xiàn)[18]進(jìn)行氨單加氧酶(AMO)、硝酸鹽還原酶(NAR)、亞硝酸鹽還原酶(NIR)和N2O還原酶(NOS)活性的測定；參考文獻(xiàn)[19]進(jìn)行羥胺氧化酶(HAO)活性的測定。經(jīng)過3個(gè)污泥停留時(shí)間后，認(rèn)為反應(yīng)器處于穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，取6個(gè)污泥樣品進(jìn)行微生物活性的測定，取平均值。

1.2.3 微生物群落結(jié)構(gòu)分析

活性污泥微生物群落結(jié)構(gòu)采用16S rRNA基因高通量測序進(jìn)行檢測，采用FastDNATMSpin Kit試劑盒提取脫氧核糖核酸(DNA)，提取步驟按照試劑盒說明書進(jìn)行。將提取的DNA稀釋至20 ng/μL，進(jìn)行聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(PCR)擴(kuò)增、純化，純化產(chǎn)物進(jìn)行高通量測序。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

繪圖采用Origin 2015軟件；基因高通量測序數(shù)據(jù)使用Sickle軟件處理，去除低質(zhì)量基因序列，采用Mothur程序?qū)y序數(shù)據(jù)進(jìn)行篩分和降噪處理，并使用RDP classifier對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，經(jīng)深度歸一化處理后得到微生物群落組成；采用SPSS 17.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)顯著性分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 SBR基本運(yùn)行效果

4個(gè)低溫SBR出水水質(zhì)如圖2所示?？梢钥闯?，微生物活性受到低溫的不利影響，COD、氨氮、TN去除率總體均呈逐漸下降趨勢，到第80天左右達(dá)到低值后稍有上升，這可能是SBR中菌群結(jié)構(gòu)經(jīng)過低溫沖擊導(dǎo)致微生物活性下降，經(jīng)一段時(shí)間的馴化后微生物活性逐漸趨穩(wěn)定所致[11]70。相比而言，磁場作用下的SBR具有更高的COD、TN和氨氮的去除率，具體表現(xiàn)為R3>R4>R2>R1。經(jīng)檢測，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中無顯著的亞硝酸鹽積累，也未觀察到硝酸鹽濃度的異常。綜上可知，低溫下磁場可提高SBR的COD和TN去除率，其中45 mT的磁場強(qiáng)度促進(jìn)效果最為明顯。

圖2 出水水質(zhì)變化Fig.2 Variation of effluent qualities

2.2 N2O產(chǎn)生特征分析

對圖3中溶解態(tài)N2O及氣態(tài)N2O數(shù)據(jù)進(jìn)行顯著性分析，發(fā)現(xiàn)R3中溶解態(tài)N2O及氣態(tài)N2O濃度均顯著低于其他反應(yīng)器(p<0.05)。單個(gè)循環(huán)中R1、R2、R3、R4單位進(jìn)水量的氣態(tài)N2O累積量分別為1.67、1.45、0.55、1.24 mg/L(以氮計(jì)，下同)，該結(jié)果與FENG等[5]5及XU等[23]的研究結(jié)果相似，即磁場可以降低低溫生物脫氮過程中N2O的釋放；R1、R2、R3、R4中TN的N2O轉(zhuǎn)化率分別為13.14%、6.44%、1.80%、4.49%。綜合比較，暴露于45 mT磁場強(qiáng)度的R3釋放的N2O最低，相比于未加磁場的R1降低了67.07%。

圖3 SBR運(yùn)行過程中溶解態(tài)N2O及氣態(tài)N2O變化Fig.3 Variation of dissolved and gaseous N2O during the operation of SBR

為了進(jìn)一步深入探究磁場對低溫下SBR釋放N2O的影響，開展了磁場對曝氣硝化和缺氧反硝化影響的批次試驗(yàn)，試驗(yàn)過程中氣態(tài)N2O的濃度變化見圖4。曝氣硝化過程中，4個(gè)SBR中的氣態(tài)N2O排放量總體均呈現(xiàn)出波動(dòng)下降的變化趨勢，R3的氣態(tài)N2O總排放量為0.19 mg/L，低于其他3個(gè)反應(yīng)器(R1、R2、R4分別為0.79、0.61、0.53 mg/L)。缺氧反硝化過程中，R1、R2、R3、R4的N2O總排放量分別為0.87、0.63、0.48、0.60 mg/L。以上結(jié)果表明，磁場可同時(shí)降低硝化和反硝化過程中N2O的釋放，且45 mT的磁場對低溫SBR中N2O釋放的削減效果更明顯。

圖4 硝化過程及反硝化過程氣態(tài)N2O排放Fig.4 Gaseous N2O emission in nitrification and denitrification process

2.3 活性污泥活性分析

2.3.1 微生物活性

4個(gè)反應(yīng)器中活性污泥的SOUR、AOR及AOB、NOB活性分析結(jié)果見表1。R3中SOUR相對于其他反應(yīng)器最高，且其AOB、NOB活性分別為R1的2.9、14.5倍，同時(shí)其AOR也最高，這與圖2(a)中R3的氨氮去除率最高相吻合。FENG等[5]6發(fā)現(xiàn)，低溫下磁場可提高AOB、NOB的活性，同時(shí)也促進(jìn)了N2O的削減。邢麗貞等[24]認(rèn)為，較高的AOB、NOB活性可抑制好氧反硝化作用，進(jìn)而降低N2O的釋放。綜上可知，45 mT的磁場強(qiáng)度可以更有效地促進(jìn)AOB、NOB活性的增強(qiáng)，進(jìn)而有助于N2O的削減。

表1 活性污泥的微生物活性Table 1 Microbial activity of active sludge

2.3.2 硝化和反硝化酶活性

表2 硝化和反硝化酶活性Table 2 Nitrification and denitrification enzyme activity

2.4 微生物群落結(jié)構(gòu)分析

SBR內(nèi)微生物群落主要由變形菌門(Proteobacteria)、硝化螺旋菌門(Nitrospira)、擬桿菌門(Bacteroidetes)、綠菌門(Chlorobi)和放線菌門(Actinobacteria)等組成。由圖5可見，隨磁場強(qiáng)度從0 mT升高至45 mT再升高至75 mT，變形菌門的豐度先增加后減少。R1中變形菌門豐度在第1天為77.37%，到第100天時(shí)降至59.61%，而R3中變形菌門豐度卻從85.91%增加至89.58%。在第100天時(shí)，外加磁場的R2、R3、R4中變形菌門豐度皆高于無外加磁場的R1。LIU等[27]認(rèn)為，磁場可促進(jìn)變形菌門微生物的富集。變形菌門微生物包含許多與脫氮相關(guān)的微生物，如β變形菌綱(Betaproteobacteria)、亞硝化單胞菌屬(Nitrosomonas)和具有異養(yǎng)短程反硝化功能的陶厄氏菌屬(Thauera)，其富集可提高污泥的硝化反硝化性能進(jìn)而有利于N2O的削減。4個(gè)SBR在第100天時(shí)，R3的硝化螺旋菌門豐度最高，為0.82%。低溫下，硝化螺旋菌門被證明是主要的NOB[28]，該結(jié)果與R3中NOB活性最高相吻合。然而，對4個(gè)SBR擬桿菌門的豐度進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，擬桿菌門的分布情況與變形菌門相反，第100天時(shí)，R1中擬桿菌門豐度比R3高29.39百分點(diǎn)。

圖5 門水平上微生物群落結(jié)構(gòu)分布Fig.5 Microbial community structure at phylum level

在屬水平上，主要的微生物有絲硫細(xì)菌屬(Thiothrix)、動(dòng)膠菌屬(Zoogloea)、黃桿菌屬(Flavobacterium)、氫噬胞菌屬(Hydrogenophaga)、脫氯單胞菌屬(Dechloromonas)和不動(dòng)桿菌屬(Acinetobacter)等。由圖6可見,絲硫細(xì)菌屬在初始階段未被檢測到，到第100天時(shí)，它在R3中的豐度增加至53.22%，R1、R4、R2中的豐度分別為46.88%、24.56%、3.79%，這表明絲硫細(xì)菌屬可適應(yīng)低溫環(huán)境進(jìn)而增長為優(yōu)勢菌，且45 mT磁場強(qiáng)度可有效提高其豐度。前人的研究[29]指出，絲硫細(xì)菌屬可能同時(shí)具備自養(yǎng)和異養(yǎng)反硝化的能力，且在生物反硝化過程中扮演著重要的角色，其豐度的升高有利于反硝化的進(jìn)行和N2O削減。第100天時(shí)，能夠反硝化還原N2O的動(dòng)膠菌屬在R1中的豐度為2.46%，而在R2、R3、R4中的豐度分別為29.56%、6.61%、4.80%。黃桿菌屬和氫噬胞菌屬也具有N2O還原功能，其分布特征與動(dòng)膠菌屬類似。然而，磁場作用下一些反硝化細(xì)菌的豐度也出現(xiàn)了降低，R1中的脫氯單胞菌屬豐度為20.38%，而R3中的豐度僅為3.99%。以上結(jié)果表明，磁場可能主要促進(jìn)了絲硫細(xì)菌屬、動(dòng)膠菌屬、黃桿菌屬和氫噬胞菌屬豐度的增加，進(jìn)而提高TN去除率和降低N2O的產(chǎn)生。

圖6 屬水平上微生物群落結(jié)構(gòu)分布Fig.6 Microbial community structure at genus level

3 結(jié) 論

(1) 磁場可有效削減低溫SBR反應(yīng)器硝化和反硝化過程中N2O的產(chǎn)生和釋放，并提高COD、TN和氨氮的去除率，特別是45 mT磁場強(qiáng)度下的R3，其N2O釋放量最低，比未加磁場的R1減少了67.07%。

(2) 外加磁場可有效促進(jìn)低溫下微生物SOUR、AOR的升高，提升AOB和NOB活性，有助于低溫下N2O的削減。同時(shí)，磁場也有效增強(qiáng)了低溫下各種硝化反硝化酶的活性，進(jìn)而促進(jìn)了TN和氨氮的去除。

(3) 微生物群落結(jié)構(gòu)分析表明，磁場促進(jìn)了具有反硝化和N2O還原功能菌群豐度的增加，進(jìn)而促進(jìn)了低溫下N2O的削減和TN去除率的升高。