HRT 對(duì)硫/菱鐵礦自養(yǎng)反硝化系統(tǒng)運(yùn)行性能的影響

張獻(xiàn)旭，胡曉玲，張 俐，王弘宇

（1.武漢環(huán)投固廢運(yùn)營(yíng)有限公司，湖北 武漢 430014；2.武漢大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，湖北 武漢 430072；3.湖北省工程咨詢股份有限公司，湖北 武漢 430060）

工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展以及化肥的大量施用導(dǎo)致了氮化合物在水體中的不良積累及過(guò)量排放〔1〕，過(guò)量的氮排放將導(dǎo)致水體富營(yíng)養(yǎng)化，并對(duì)人類健康產(chǎn)生潛在危害。通常，水體不發(fā)生富營(yíng)養(yǎng)化的環(huán)境閾值約為0.2 mg/L 的總氮（TN）〔2〕，按我國(guó)《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 18918—2002）一級(jí)A 標(biāo)準(zhǔn)，TN 的最高允許排放質(zhì)量濃度為15 mg/L。因此，滿足一級(jí)A 標(biāo)準(zhǔn)的污水處理廠排出的尾水并不能阻止水體的富營(yíng)養(yǎng)化，并且現(xiàn)在很多污水處理廠都面臨出水TN 不能穩(wěn)定達(dá)標(biāo)的問(wèn)題。因此，尋求進(jìn)一步減少污水處理廠尾水總氮排放的低成本技術(shù)勢(shì)在必行。

由元素硫驅(qū)動(dòng)的自養(yǎng)反硝化技術(shù)是一種相對(duì)高效、經(jīng)濟(jì)、安全的脫氮技術(shù)〔3〕，適用于缺少碳源的污水處理廠尾水的進(jìn)一步處理。但是，硫自養(yǎng)反硝化過(guò)程是產(chǎn)H+并消耗堿度的過(guò)程，而脫氮硫桿菌生長(zhǎng)的最適pH 為7，且硫自養(yǎng)反硝化需要無(wú)機(jī)碳源作為能量來(lái)源。

鐵在自然界中分布廣泛，主要以碳酸鹽、氧化物、硫酸鹽等鐵礦物的形式存在〔4〕。研究發(fā)現(xiàn)，菱鐵礦（主要成分為FeCO3）能驅(qū)動(dòng)硝酸鹽向氮?dú)獾霓D(zhuǎn)化，相應(yīng)的反應(yīng)見(jiàn)式（1）〔5〕。

FeCO3自養(yǎng)反硝化過(guò)程會(huì)產(chǎn)生堿度和碳酸根，能夠緩沖體系pH 的變化，并且可以為系統(tǒng)中的自養(yǎng)微生物提供無(wú)機(jī)碳源，F(xiàn)eCO3也可作為電子供體參與自養(yǎng)反硝化，此外，若將硫自養(yǎng)反硝化與FeCO3自養(yǎng)反硝化耦合，對(duì)于相同的進(jìn)水-N 負(fù)荷還可以減少的生成〔6〕。因此，面對(duì)污水處理廠尾水提質(zhì)增效的實(shí)際需求，開展硫/菱鐵礦自養(yǎng)脫氮工藝的研究具有極大的理論意義和實(shí)際應(yīng)用意義。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置與運(yùn)行條件

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1 所示，采用圓柱形反應(yīng)器，材質(zhì)為有機(jī)玻璃，反應(yīng)器內(nèi)徑為10 cm，高30 cm，反應(yīng)器內(nèi)等體積混合填充粒徑為2～5 mm 的硫顆粒和菱鐵礦顆粒，有效填充高度為25 cm，有效填充體積為1.96 L。反應(yīng)器采用上向流方式連續(xù)進(jìn)水，實(shí)驗(yàn)所用硫顆粒為工業(yè)用硫磺顆粒，S 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為99.9%，所用菱鐵礦購(gòu)自貴州礦山，其主要組分為FeCO3。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中改變反應(yīng)器的HRT 分別為6、12、18 h，探究反應(yīng)器對(duì)污染物的去除效果、FeCO3自養(yǎng)反硝化的脫氮貢獻(xiàn)率及系統(tǒng)的微生物群落變化。

圖1 反應(yīng)裝置示意Fig.1 Schematic diagram of reaction device

1.2 進(jìn)水水質(zhì)與接種污泥

種泥取自實(shí)驗(yàn)室連續(xù)運(yùn)行的自養(yǎng)反硝化反應(yīng)器（該反應(yīng)器的初始接種污泥質(zhì)量濃度為2 040 mg/L）中的硫顆粒及菱鐵礦顆粒上附著的膜狀污泥。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中反應(yīng)器的進(jìn)水為自來(lái)水配制的人工合成廢水-N 在反應(yīng)器中的質(zhì)量濃度為（36.33±0.75）mg/L，廢水中其他添加物質(zhì)為：NaHCO3500 mg/L，KH2PO42.7 mg/L，微量元素1 mL/L。微量元素溶液組 成 為：ZnSO4·7H2O 0.5 g/L，CoCl2·6H2O 0.5 g/L，CuSO4·5H2O 0.1 g/L，CaCl21.0 g/L，MnCl2·4H2O 0.1 g/L，F(xiàn)eCl3·6H2O 0.2 g/L，Na2MoO4·4H2O 0.5 g/L。廢水初始pH=（7.0±0.3）。

1.3 分析項(xiàng)目與方法

實(shí)驗(yàn)所采用的水質(zhì)檢測(cè)方法均參照國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法（第4 版）》。采用紫外分光光度法測(cè)定-N；采用N-（1-萘基）乙二胺分光光度法測(cè)定-N；采用納氏試劑分光光度法測(cè)定-N；采用瑞士萬(wàn)通離子色譜儀882 com?pact IC plus 檢測(cè)濃度；采用梅特勒-托利多FE20K pH 計(jì)測(cè)定pH。

為探究HRT 對(duì)系統(tǒng)生物種群結(jié)構(gòu)及多樣性的影響，在HRT=6、12、18 h 這3 個(gè)工況下系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定時(shí)，分別從反應(yīng)器中部的硫/菱鐵礦顆粒上等量剝落生物膜進(jìn)行Illumina 高通量測(cè)序，取出的生物膜樣品依次編號(hào)為D6（HRT=6 h）、D12（HRT=12 h）、D18（HRT=18 h）。

硫/菱鐵礦自養(yǎng)反硝化系統(tǒng)中FeCO3自養(yǎng)反硝化和硫自養(yǎng)反硝化對(duì)氮脫除的貢獻(xiàn)率的計(jì)算方法見(jiàn)式（2）～式（5）〔8〕。

式中：n1——1 個(gè)-N 被還原為N2需要的電子數(shù)目，取5；

n2——1 個(gè)-N 被還 原 為-N 需 要 的 電子數(shù)目，取2；

n3——1 個(gè)S 被氧化為可提供的電子數(shù)目，取6；

C1——進(jìn)出水-N 差值，g/L；

C2——進(jìn)出水-N 差值，g/L；

C3——進(jìn)出水質(zhì)量濃度差值，g/L；

M1——N 元素的摩爾質(zhì)量，取14 g/mol；

M2——的摩爾質(zhì)量，取96 g/mol；

X——系統(tǒng)中污水被處理所需要的電子濃度，mol/L；

XS——硫自養(yǎng)過(guò)程中單質(zhì)硫提供的電子濃度，mol/L；

NS——硫自養(yǎng)反硝化對(duì)氮脫除的貢獻(xiàn)率，%；

NF——FeCO3自養(yǎng)反硝化對(duì)氮脫除的貢獻(xiàn)率，%。

2 結(jié)果與討論

2.1 HRT 對(duì)系統(tǒng)脫氮性能的影響

HRT=6、12、18 h 時(shí)，反應(yīng)器對(duì)氮素的去除效果見(jiàn)圖2。

圖2 不同HRT 條件下反應(yīng)器內(nèi)氮素的變化Fig.2 Variations of nitrogen under different HRT conditions

由圖2 可知，當(dāng)HRT=6、12、18 h 時(shí)，在穩(wěn)定運(yùn)行階段，反應(yīng)器對(duì)-N 均有很好的去除效果，平均去除率分別為99.12%、99.48%、99.93%。HRT=6 h和12 h 時(shí)，反應(yīng)器中存在-N 積累，穩(wěn)定運(yùn)行階段 其 出 水 平 均-N 分 別 為3.098、0.743 mg/L；HRT=18 h 時(shí)，反應(yīng)器內(nèi)幾乎無(wú)-N 的積累。Wei WANG 等〔2〕的研究表明，當(dāng)HRT 偏小（HRT=6 h和12 h）時(shí)，自養(yǎng)反硝化系統(tǒng)的出水中就會(huì)有-N 的積累，與本研究結(jié)果類似。Fangmin CHEN 等〔9〕的研究結(jié)果表明，S0對(duì)-N 的親和力顯著高于對(duì)-N 的親和力，當(dāng)HRT 較低時(shí)，廢水與填料沒(méi)有充足的接觸時(shí)間，導(dǎo)致-N 的還原速率大于-N 的還原速率-N 被還原為-N 后無(wú)法及時(shí)被還原為N2，因而產(chǎn)生了-N 的積累。此外，隨著HRT 的增大，-N 積累量逐漸上升，當(dāng)HRT=6、12、18 h 時(shí)，反應(yīng)器在穩(wěn)定運(yùn)行階段的平均出 水-N 分 別 為0.136、0.625、1.182 mg/L，這是因?yàn)楫?dāng)HRT 增加，HRT 過(guò)長(zhǎng)致使反應(yīng)器中的部分微生物因缺少營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)而死亡，從而釋放出少量N。由圖2 還可以看出，當(dāng)HRT=6、12、18 h 時(shí)，硫/菱鐵礦自養(yǎng)反硝化系統(tǒng)對(duì)總無(wú)機(jī)氮（TIN）的平均去除率分別為90.30%、95.67%、96.60%。綜上，HRT=12 h 時(shí)系統(tǒng)對(duì)TIN 的去除率達(dá)到95%以上，繼續(xù)增大HRT，系統(tǒng)對(duì)TIN 的去除率沒(méi)有明顯的變化，反而會(huì)導(dǎo)致-N 的積累，而當(dāng)HRT=6 h 時(shí)，由于-N的積累也會(huì)使TIN 去除率降低，因此，HRT=12 h 對(duì)于硫/菱鐵礦自養(yǎng)反硝化系統(tǒng)的脫氮較為適宜。

2.2 HRT 對(duì)系統(tǒng)出水濃度 及pH 的 影響

由圖3 可 知，HRT 從6 h 增 加 到12 h 時(shí)，反 應(yīng) 器出水的平均質(zhì)量濃度從193.14 mg/L 降至181.26 mg/L，而HRT 從12 h 增加到18 h 時(shí)，反應(yīng)器出水的平均質(zhì)量濃度略微上升至184.14 mg/L；當(dāng)進(jìn)水pH 穩(wěn)定在7.10 左右時(shí)，HRT 從6 h 增加到12 h時(shí)反應(yīng)器出水pH 從6.18 上升至6.56，HRT 進(jìn)一步增加到18 h 時(shí)，系統(tǒng)出水pH 相對(duì)穩(wěn)定，為6.58。推測(cè)其原因?yàn)椋?dāng)HRT 從6 h 增加到12 h 時(shí)，F(xiàn)eCO3自養(yǎng)脫氮對(duì)氮脫除的貢獻(xiàn)率增加，因此反應(yīng)器出水濃度減少，pH 上升；而當(dāng)HRT 進(jìn)一步增加到18 h 時(shí)，F(xiàn)eCO3自養(yǎng)脫氮對(duì)氮脫除的貢獻(xiàn)率基本不變，因此出水濃度和pH 基本不變。

圖3 不同HRT 條件下反應(yīng)器內(nèi)及pH 的變化Fig.3 Variations of and pH under different HRT conditions

2.3 HRT 對(duì)系統(tǒng)中FeCO3自養(yǎng)脫氮貢獻(xiàn)率的影響

HRT=6、12、18 h 時(shí)，F(xiàn)eCO3自養(yǎng)和硫自養(yǎng)脫氮對(duì)氮脫除的貢獻(xiàn)率見(jiàn)圖4。

圖4 不同HRT 條件下FeCO3自養(yǎng)和硫自養(yǎng)脫氮貢獻(xiàn)率Fig.4 The proportions of FeCO3 and sulfur autotrophic denitrifi?cation under different HRT conditions

由圖4 可知，HRT=6、12、18 h 時(shí)，穩(wěn)定運(yùn)行階段FeCO3自養(yǎng)脫氮對(duì)氮脫除的貢獻(xiàn)率分別為13.64%、20.49%、20.78%。有研究表明，硫自養(yǎng)反硝化產(chǎn)生的H+可能會(huì)促進(jìn)FeCO3中Fe2+的溶出，將微生物在菱鐵礦上（固相）的反應(yīng)擴(kuò)大至固液兩相〔10〕，當(dāng)HRT從6 h 增加到12 h 時(shí)，鐵自養(yǎng)反硝化微生物有足夠的停 留 時(shí) 間 利 用 溶 出 的Fe2+將-N 還 原，因 而FeCO3參與反硝化脫氮對(duì)氮脫除的貢獻(xiàn)率增加。當(dāng)HRT 繼續(xù)增加到18 h 時(shí)，F(xiàn)eCO3自養(yǎng)脫氮對(duì)氮脫除的貢獻(xiàn)率基本不變，說(shuō)明進(jìn)一步增加HRT 對(duì)FeCO3自養(yǎng)脫氮貢獻(xiàn)率的提升沒(méi)有幫助。FeCO3自養(yǎng)脫氮對(duì)氮脫除貢獻(xiàn)率的變化規(guī)律與2.2 節(jié)所探討的系統(tǒng)出水濃度及pH 的變化相一致，即當(dāng)FeCO3自養(yǎng)脫氮對(duì)氮脫除的貢獻(xiàn)率增加時(shí)，出水濃度減少，pH 上升。

2.4 HRT 對(duì)系統(tǒng)微生物群落的影響

2.4.1 微生物α多樣性分析

樣品D6、D12、D18 的微生物物種豐富度及多樣性指數(shù)見(jiàn)表1。

表1 不同HRT 條件下微生物物種豐富度及多樣性指數(shù)Table 1 Species richness and diversity estimators of microbial populations under different HRT conditions

由表1 可知，HRT=12 h 時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)Ace 和Chao 指數(shù)最大，此時(shí)系統(tǒng)內(nèi)物種豐度最高，此外其Shannon 指數(shù)最大，Simpson 指數(shù)較小，說(shuō)明微生物多樣性也較高，這可能源于適宜的HRT 使得系統(tǒng)中的微生物有較充足的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。

樣品D6、D12、D18 的韋恩圖見(jiàn)圖5。

圖5 韋恩圖Fig.5 Venn diagram

由圖5 可知，3 個(gè)樣本獲得的OTU 總數(shù)為440，其中，共同所有的OTU 數(shù)目為104，占3 個(gè)樣本總OTU 數(shù)目的23.6%，這說(shuō)明3 個(gè)樣本的生物多樣性存在較大差異，不同HRT 條件下的硫/菱鐵礦自養(yǎng)反硝化系統(tǒng)在菌群結(jié)構(gòu)上發(fā)生了明顯的演替和變化，HRT 的改變對(duì)硫/菱鐵礦自養(yǎng)反硝化系統(tǒng)的生物多樣性有顯著影響。

2.4.2 微生物群落結(jié)構(gòu)分析

圖6 為樣品D6、D12、D18 中微生物組成的門水平分布。

由圖6 可知，硫/菱鐵礦自養(yǎng)反硝化系統(tǒng)中最主要的菌門為變形菌門（Proteobacteria）、彎曲桿菌門（Campilobacterota）、酸桿菌門（Acidobacteriota）。隨著HRT 的增加，Proteobacteria 的相對(duì)豐度逐漸增加，在3個(gè)樣本中分別為85.87%、96.36%、98.73%；而Campi?lobacterota 和Acidobacteriota 的相對(duì)豐度隨著HRT 的增加逐漸降低。Proteobacteria中存在很多典型的硝酸鹽還原菌和鐵氧化菌〔11〕，系統(tǒng)中Proteobacteria 的相對(duì)豐度遠(yuǎn)大于其他菌門，說(shuō)明功能菌在系統(tǒng)中逐漸富集。

圖6 微生物組成結(jié)構(gòu)的門水平分布Fig.6 Distribution of microbial composition structure at phylum level

圖7 為3 個(gè)樣本D6、D12、D18 在屬分類水平下的熱圖。

圖7 微生物屬水平熱圖Fig.7 Heatmap of microbial compositions at genus level

由圖7 可知，樣品D6 中的主要菌屬有Thiobacil?lus、Sulfurimonas、Ferritrophicum、Comamonas、unclassi?fied_o_Burkholderiales和Geothrix，各菌屬相對(duì)豐度分別為74.46%、11.19%、3.12%、1.93%、1.30%、1.12%。樣品D12 中的主要菌屬有Thiobacillus、Comamonas、Thiomonas、Ferritrophicum、Thermomonas，各菌屬相對(duì)豐度分別為82.35%、3.94%、1.62%、1.14%、1.12%。樣品D18 中的主要 菌屬有Thiobacillus、Comamonas，相對(duì)豐度分別為93.70%、1.68%。

Thiobacillus和Sulfurimonas屬 于Proteobacteria 菌門，是典型的硫自養(yǎng)反硝化細(xì)菌〔1，12〕。研究發(fā)現(xiàn)，某些種類的Thiobacillus也可以使用Fe（Ⅱ）作為電子供體〔13〕，因此可以利用硫和Fe（Ⅱ）的Thiobacillus可能在系統(tǒng)脫氮中發(fā)揮重要作用。作為硫/菱鐵礦自養(yǎng)反硝化系統(tǒng)中相對(duì)豐度最大的菌屬，隨著HRT的增加，Thiobacillus的相對(duì)豐度從74.46%逐漸增加至93.7%，表明HRT 的增加有利于其生長(zhǎng)繁殖；與此相反，隨著HRT 的增加，Sulfurimonas的相對(duì)豐度降低，說(shuō)明Thiobacillus比Sulfurimonas更容易利用硫和FeCO3作為電子供體，相同的現(xiàn)象在Ruihua LI 等〔14〕對(duì)磁黃鐵礦-硫-石灰石自養(yǎng)反硝化生物濾池的研究中也被發(fā)現(xiàn)。Thiomonas是一種在很多硫自養(yǎng)反硝化系統(tǒng)中被檢測(cè)到的自養(yǎng)硫化物氧化細(xì)菌〔15〕。Ferritrophicum也屬于Proteobacteria 菌門，是一種可以利用硝酸鹽作為電子受體氧化Fe（Ⅱ）和硫化物的細(xì)菌〔16-17〕。Thermomonas是一種異養(yǎng)反硝化細(xì)菌，在進(jìn)水沒(méi)有有機(jī)物的情況下，可以利用細(xì)菌分泌和死亡后釋放的有機(jī)物〔18〕作為碳源，其同時(shí)也被報(bào)道是一種自養(yǎng)反硝化細(xì)菌，能夠在缺乏有機(jī)物條件下利用無(wú)機(jī)碳源將硝酸鹽還原為氮?dú)狻?9〕。Comamonas經(jīng)常在氧化Fe（Ⅱ）還原硝酸鹽的環(huán)境中被檢測(cè)到〔20-21〕。HRT=18 h 時(shí)，還存在內(nèi)源反硝化細(xì)菌unclassified_f_Coma?monadaceae〔22〕，進(jìn)一步證明過(guò)長(zhǎng)的HRT 使得系統(tǒng)中的微生物缺乏營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。綜上，同時(shí)存在的自養(yǎng)、異養(yǎng)和內(nèi)源脫氮細(xì)菌保證了系統(tǒng)高效穩(wěn)定的脫氮性能，另外，系統(tǒng)中存在的鐵還原菌Geothrix對(duì)Fe（Ⅱ）和Fe（Ⅲ）的循環(huán)也起到了重要作用〔13〕。

3 結(jié)論

（1）改變硫/菱鐵礦自養(yǎng)反硝化組合系統(tǒng)的HRT，探究HRT 對(duì)硫/菱鐵礦自養(yǎng)反硝化系統(tǒng)運(yùn)行性能的影響，結(jié)果表明，在進(jìn)水-N 為36 mg/L 時(shí)，當(dāng)HRT 由6 h 增加到12 h，系統(tǒng)的TIN 去除率從90.30%增加到95.67%，F(xiàn)eCO3自養(yǎng)反硝化脫氮對(duì)氮脫除的貢獻(xiàn)率由13.64%增加至20.49%，出水質(zhì) 量 濃 度 從193.14 mg/L 降 至181.26 mg/L，pH 從6.18 上升至6.56；當(dāng)HRT 進(jìn)一步增加到18 h 時(shí)，系統(tǒng)脫氮效果及FeCO3自養(yǎng)脫氮貢獻(xiàn)率受到的影響較小，反而會(huì)導(dǎo)致-N 的積累。因此，HRT=12 h 對(duì)于硫/菱鐵礦自養(yǎng)反硝化系統(tǒng)較為適宜。

（2）Proteobacteria 菌門的Thiobacillus菌屬是系統(tǒng)中占據(jù)絕對(duì)優(yōu)勢(shì)的自養(yǎng)反硝化細(xì)菌，同時(shí)還存在Sulfurimonas、Ferritrophicum、Thermomonas、Geothrix等功能細(xì)菌保證了系統(tǒng)的脫氮性能與Fe 的循環(huán)。