不同填料對硫自養(yǎng)反硝化深度脫氮效能的影響研究

王候兵,馬月華,岳磊,肖楊依,鄭照明,陳剛*,徐浩淇,孫雪原

(1．中城院(北京)環(huán)境科技有限公司,北京 100120;2．北京工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院,北京 100124;3．中國城市建設(shè)研究院有限公司,北京 100120)

餐廚垃圾是世界產(chǎn)生量最多的生物垃圾之一,我國城鎮(zhèn)餐廚垃圾產(chǎn)生量約為9萬～12萬t/d[1]。餐廚垃圾沼液污染物濃度高、成分復(fù)雜、氨氮含量高,屬于處理難度大的高濃度有機廢水,其處理多參考生活垃圾滲瀝液處理技術(shù),多采用“預(yù)處理+生化處理(MBR(膜生物反應(yīng)器))+膜深度處理”組合工藝[2]。但由于污泥本身積累、碳氮比不平衡等問題,MBR出水總氮往往不達標,需在MBR后端加納濾系統(tǒng)。雖然納濾系統(tǒng)出水水質(zhì)較好,但納濾系統(tǒng)費用較高且伴有濃縮液產(chǎn)生[3]。因此,做好餐廚垃圾沼液MBR后端深度脫氮技術(shù)效益非凡。

在深度脫氮工藝中,生物法相比于物化法具有造價、運行管理較低等優(yōu)點,而生物法中的異養(yǎng)反硝化工藝存在處理成本高、產(chǎn)泥量大等弊端[4]。硫自養(yǎng)反硝化是自養(yǎng)反硝化脫氮工藝中的一種,其是在自養(yǎng)反硝化細菌的作用下,利用硫磺或硫化物為電子供體,CO2等作為無機碳源,在缺氧或厭氧的條件下將硝酸鹽還原為氮氣的過程,其反應(yīng)式如式1所示。硫自養(yǎng)反硝化工藝具有脫氮效果好、成本低、不需外加碳源、污泥產(chǎn)生量低等優(yōu)勢[5]。

55S+50NO3-+20CO2+38H2O+4NH4+→4C5H7O2N+25N2+55SO42-+64H+

(式1)

在已報道的硫自養(yǎng)反硝化濾池啟動方式中以污泥接種[6]和投加菌種[7]兩種形式為主,通過連續(xù)進污水自然掛膜的啟動方式鮮有報道。此外,報道中也鮮有探究不同成型方式的硫質(zhì)填料對脫氮效果的影響。本研究針對餐廚垃圾沼液MBR尾水中總氮難以達標排放的問題,通過自然掛膜方式啟動硫自養(yǎng)反硝化濾池,提高餐廚垃圾沼液MBR尾水水質(zhì)。此外,本文還對四種硫質(zhì)濾料的啟動時間、脫氮效能、堿度消耗、降解COD效能、填料強度等要素進行對比,并采用高通量測序檢測各濾池中的優(yōu)勢菌種,最終選擇出適合餐廚垃圾沼液MBR尾水處理的硫自養(yǎng)填料的成型方式。

1 材料與方法

1.1 實驗裝置

本實驗硫自養(yǎng)反硝化工藝流程如圖1所示。硫自養(yǎng)反硝化濾池直徑0.1 m,高1 m,反應(yīng)器采用底部進水。底部設(shè)有鵝卵石,使整個濾床反沖洗氣體和水流分配均勻,鋪設(shè)高度0.05 m,硫質(zhì)填料填充高度0.8 m。

圖1 硫自養(yǎng)反硝化工藝流程

1.2 進水水質(zhì)

實驗原水為北京市某循環(huán)經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)園餐廚沼液的MBR出水,其水質(zhì)指標如下:NH4+-N為20 mg/L,NO2--N為900 mg/L,NO3--N為60 mg/L,COD為1 000 mg/L,有機氮小于2 mg/L。原水稀釋三倍作為本實驗進水。

1.3 硫自養(yǎng)填料

本實驗共設(shè)置4組濾池分別填充1號～4號不同球型硫質(zhì)填料,相關(guān)性能參數(shù)如表1所示。

表1 濾池填料性能參數(shù)

1.4 反應(yīng)器啟動

硫自養(yǎng)反硝化濾池的啟動采用連續(xù)進原水自然掛膜的方式:濾池在初始啟動階段采用間斷性連續(xù)進水的運行方式,進水一天,閑置一天,回流比為0.6～0.8,進水流速為0.25 L/h,當(dāng)總氮去除率連續(xù)4 d在40%以上,濾池采用連續(xù)流進水,當(dāng)總氮去除率達到80%時,啟動階段結(jié)束進入運行階段。

1.5 水質(zhì)檢測方法

NH4+-N采用納氏試劑分光光度法測定;NO2--N采用N-(1-萘基)-乙二胺光度法測定;NO3--N采用麝香草酚分光光度法測定;SO42-采用鉻酸鋇光度法測定;COD采用重鉻酸鉀法測定;pH值用WTW/Multi 3420測定儀測定。由于進水水質(zhì)的有機氮在2 mg/L以下,相比于原水中亞氮、硝氮、氨氮的含量其含量可以忽略不計,因而本研究以無機氮(TIN)去除率作為總氮的去除率以評價硫自養(yǎng)反硝化脫氮性能。

1.6 高通量測序

選取生物膜樣本中16S rRNA基因的V3-V4高變區(qū),PCR擴增引物為515F(5′-GTGCCAGCMGCCGCGG-3′)和907R(5′-CCGTCAATTCMTTTRAGTTT-3′),利用Illumina MiSeq系統(tǒng)(Illumina MiSeq,USA)進行測序,獲得相應(yīng)的生物信息,并繪制菌種的分析圖。

2 結(jié)果與討論

2.1 啟動速度與脫氮性能比較

如圖2所示,1號、2號、3號和4號濾池分別在第21,24,31和31 d時總氮去除率達到80%,說明采用自然掛膜的啟動方式是可行的,且硫質(zhì)填料粉末壓制成型的啟動速度優(yōu)于熔融滴制成型的啟動速度。在運行階段,1號、2號、3號和4號硫自養(yǎng)反硝化濾池的平均總氮去除率分別為96.5%,95.8%,89.7%和86.6%,這表明1號～4號濾池中的填料表面形成了良好的生物膜,均具有較為優(yōu)異的脫氮性能,且粉末壓制成型的硫質(zhì)填料脫氮效果優(yōu)于熔融滴制成型的硫質(zhì)填料脫氮效果,這可能是因為粉末壓制成型的硫質(zhì)填料表面比熔融滴制成型的硫質(zhì)填料表面更粗糙,比表面積更大,與微生物結(jié)合位點越多,更有利于微生物的快速富集[8]。

圖2 1號～4號硫自養(yǎng)反硝化濾池脫氮效果圖

2.2 降解有機物能力比較

如圖3所示,1號～4號濾池出水除氮氧化合物指標濃度下降外,COD濃度也有所下降,這說明在各反應(yīng)器中存在自養(yǎng)-異養(yǎng)的協(xié)同脫氮作用。因每消耗1 mg NO2-或NO3-會產(chǎn)生3.94或7.54 mg的SO42-[5],亦可通過對進出水中的SO42-的實際值與理論值的差值對自養(yǎng)-異養(yǎng)協(xié)同脫氮過程進行分析。

圖3 1號～4號硫自養(yǎng)反硝化濾池進出水COD和SO42-隨運行時間變化圖

在濾池啟動階段初期,出水的硫酸根濃度和與理論值基本一致,同時,進出水中COD濃度基本沒有變化,這說明濾池啟動階段初期脫氮主要通過硫自養(yǎng)反硝化反應(yīng);在濾池啟動階段后期,1號～4號濾池SO42-的實際值與理論值的差值逐漸變大,這說明濾池中的異養(yǎng)反硝化菌開始在填料表面形成;在濾池實際運行階段,1號～4號硫自養(yǎng)反硝化濾池SO42-的實際值與理論值的差值趨于穩(wěn)定,說明1號～4號硫自養(yǎng)反硝化濾池均形成了成熟穩(wěn)定的硫自養(yǎng)-異養(yǎng)系統(tǒng)脫氮生物膜。

在運行階段,1號～4號濾池對COD平均降解率分別為43.5%,47.5%,37.1%和41.7%。此外,通過理論生成SO42-與實際生成SO42-比值分別計算了1號～4號硫自養(yǎng)反硝化濾池對總氮去除的貢獻率分別為75.1%,76.2%,80.2%和85.7%,說明雖然異養(yǎng)反硝化對總氮去除有一定的貢獻,但系統(tǒng)脫氮的主要途徑是通過硫自養(yǎng)反硝化反應(yīng)。綜上分析,粉末壓制成型的硫質(zhì)填料相較于熔融滴制成型的硫質(zhì)填料更有利于異養(yǎng)硝化菌的形成,且異養(yǎng)硝化菌和自養(yǎng)硝化菌的競爭能夠?qū)崿F(xiàn)碳氮的同時去除[9]。

2.3 堿度消耗量比較

硫自養(yǎng)反硝化是一個消耗堿度的一個過程,研究表明去除1 mg NO3--N將會消耗4.54 mg的堿度[5]。因此,本文對1號～4號硫自養(yǎng)反硝化濾池進出水的pH值進行測定,實驗結(jié)果如圖4所示。1號～4號硫自養(yǎng)反硝化濾池pH值均隨著運行時間的增加而下降,這是因為隨著氮氧化合物的轉(zhuǎn)化,消耗的堿度增加,導(dǎo)致出水pH值持續(xù)降低。此外,出水pH值1號>2號>3號>4號,這是因為1號和2號異養(yǎng)反硝化反應(yīng)占比高于3號和4號,所以1號和2號堿度消耗小于3號和4號。綜上,粉末壓制成型的硫質(zhì)填料相較于熔融滴制成型的硫質(zhì)填料消耗的堿度更少,運行過程中需要補充的堿度也更少。

圖4 1號～4號硫自養(yǎng)反硝化濾池進出水pH值隨運行時間變化圖

2.4 強度比較

填料強度是評價其能否工程化的一項重要指標,因此本實驗對四種填料的強度進行了檢驗。首先,通過顆粒強度測定儀對4種硫質(zhì)填料的強度進行測定,1號～4號硫質(zhì)填料強度的平均值分別為20.3,35.1,39.8和40.2 N。此外,濾池運行兩個月后1號和2號填料比3號和4號填料粉化現(xiàn)象更明顯,因而粉末壓制成型的硫質(zhì)填料強度低于熔融滴制成型的硫質(zhì)填料。同時,1號濾池中出現(xiàn)了板結(jié)和短流的現(xiàn)象,因而不適合工程化應(yīng)用。但2號濾池中未出現(xiàn)板結(jié)和短流的現(xiàn)象,不影響其工程化應(yīng)用,且些許粉化的硫質(zhì)填料比表面積更大,從而實現(xiàn)更好的脫氮效果[8]。因此,若使用粉末壓制成型的硫質(zhì)填料用于餐廚垃圾沼液MBR尾水處理,其強度應(yīng)大于35 N。

2.5 不同硫顆粒濾池細菌群落的組成和多樣性

為進一步揭示硫自養(yǎng)反硝化濾池中為自養(yǎng)-異養(yǎng)微生物耦合協(xié)同參與反硝化脫氮的原因,本實驗對不同硫顆粒濾池細菌群落進行了測定,因1號填料粉化嚴重?zé)o法工程化應(yīng)用,因而本部分研究只對2號～4號硫自養(yǎng)反硝化濾池中生物膜樣品進行高通量測序技術(shù)分析,分析結(jié)果如表2所示。其中,Coverage是指每個樣品測序中的覆蓋率,其數(shù)值越高表示樣本中序列沒有被測出的概率越低,該指數(shù)也反映了本次測序結(jié)果是否代表樣本的真實情況,3個樣品的Coverage均達到了1,表明此次測序能夠反映樣品的真實情況。Shannon和Simpson是反應(yīng)物種多樣性的主要指數(shù),Shannon指數(shù)值越大,則物種多樣性越高,而Simpson指數(shù)值越小,則物種多樣性越高[10]。如表2所示,2號和3號濾池的物種多樣性要高于4號的物種多樣性。

表2 生物樣品物種多樣性和豐度的相關(guān)指數(shù)

另外,從門水平和屬水平兩個等級分析2號～4號硫自養(yǎng)反硝化濾池中微生物種群的變化。如圖5(a)所示,2號～4號濾池生物膜樣品中豐度最高的是Proteobacteria和Bacteroidetes,Proteobacteria包含了多種自養(yǎng)反硝化菌種,而Bacteroidetes包含了多種異養(yǎng)反硝化菌屬。此外,還存在Actinobacteria,其是在單質(zhì)硫自養(yǎng)反硝化工藝中比較常見的菌屬。綜上分析,2號～4號硫自養(yǎng)反硝化濾池中均為自養(yǎng)-異養(yǎng)微生物耦合協(xié)同參與反硝化脫氮過程,且以硫自養(yǎng)反硝化為主。不僅如此,采用自然掛膜的啟動方式使得反硝化菌門占比達到了95%左右,比接種活性啟動的硫自養(yǎng)反硝化濾池中含有更多的功能菌種,且該種啟動方式含有較少的非功能菌種。

圖5 2號～4號硫自養(yǎng)反硝化濾池物種多樣性分析

為了進一步揭示各濾池間菌落差異,對3個樣本中豐度較高的14個主要功能菌屬的熱圖進行分析。圖5(b)中顯示2號～4號濾池中Thiobacillus都是優(yōu)勢菌屬,Thiobacillus屬于Proteobacteria門,是具有NO3--N和NO2--N還原酶的菌屬,是以硫單質(zhì)為電子供體的自養(yǎng)反硝化中最常見的菌屬之一[11]。此外,在2號～4號濾池中還檢測出Sulfurimonas菌屬,其也是典型的以硫單質(zhì)為電子供體的菌屬。因此,硫自養(yǎng)反硝化生物濾池啟動完成后,內(nèi)部微生物群落主要以硫單質(zhì)為硫源的反硝化功能菌屬,這說明2號～4號硫自養(yǎng)反硝化濾池硫自養(yǎng)脫氮主要的硫源物質(zhì)是硫單質(zhì)。2號濾池中還存在Flavobacterium菌株,其是異養(yǎng)反硝化菌屬,這說明粉末壓制成型的硫質(zhì)填料更有利于異養(yǎng)硝化菌的形成[12]。

3 結(jié)論

1)粉末壓制成型的硫質(zhì)填料相較于熔融滴制成型的硫質(zhì)填料,其啟動速度更快、脫氮和降解COD效能更高、消耗的堿度更少,更適合應(yīng)用于硫自養(yǎng)反硝化濾池處理餐廚垃圾沼液MBR尾水深度脫氮處理中。

2)粉末壓制成型的硫質(zhì)填料雖強度低于熔融滴制成型的硫質(zhì)填料,但若其強度大于35 N,粉化程度不會影響其工程化應(yīng)用,且粉末壓制成型的硫質(zhì)填料其表面更粗糙,比表面積更大,更有利于微生物的快速富集,脫氮效果更佳。

3)用于處理餐廚垃圾沼液MBR尾水的硫自養(yǎng)反硝化濾池中均為自養(yǎng)-異養(yǎng)微生物耦合協(xié)同脫氮,并以硫自養(yǎng)反硝化脫氮為主,且粉末壓制成型的硫質(zhì)填料更有利于異養(yǎng)硝化菌的形成,實現(xiàn)碳氮的同時去除。

4)采用自然掛膜方式啟動硫自養(yǎng)反硝化濾池的時間為一個月左右,該啟動方式使得反硝化菌門占比達到了95%左右,比接種活性啟動的硫自養(yǎng)反硝化濾池中含有更多的功能菌種,自養(yǎng)反硝化菌Thiobacillus和Sulfurimonas為濾池中的優(yōu)勢菌。