沈秋实,吉芳英*,魏嘉志,2,姜 蕾,张 倩,毛圆翔,刘草葱

A2O缺氧池添加天然碳源玉米芯的脱氮特征

沈秋实1,吉芳英1*,魏嘉志1,2,姜 蕾1,张 倩1,毛圆翔1,刘草葱1

(1.重庆大学环境与生态学院,重庆 400045；2.中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司,四川 成都 610072)

基于低碳源污水易硝化难反硝化的问题,构建了在A2O缺氧池添加天然碳源玉米芯的中试系统,采用物料衡算、反硝化速率测定和微生物群落分析等方法,研究了该系统的脱氮效能和反硝化体系特征.结果表明,TN去除率提升13%,出水从16.2降至10.0mg/L;同时不会造成出水氨氮和色度超标的风险.物料衡算表明,COD碳源的氧化消耗量和出水排放量降低,更多的碳源用于反硝化和污泥增殖,从而提升了氮素的去除量,其中反硝化的提升贡献更大.缺氧池形成了悬浮污泥加生物膜的复合型脱氮体系:在污水自身碳源存在时,生物膜和悬浮污泥的反硝化速率分别为24.89和32.42mg/(L∙h),可实现快速脱氮;当自身碳源消耗殆尽,二者的反硝化速率分别是4.71和1.73mg/(L×h),单位生物量反硝化速率分别是1.58和59.1mg NO3--N/(g VSS×h),表明玉米芯主要被生物膜利用以维持反硝化进行.该体系的主要反硝化菌属为,此外在生物膜表面还富集了能够附着生长的和,以及能够降解玉米芯木质素的等反硝化菌属.

缺氧池；玉米芯；反硝化；物料衡算；生物群落

外加碳源是强化低碳源城镇污水脱氮的常规选择[1],常用的液体碳源(甲醇、葡萄糖、醋酸钠等)投用量巨大、合成固体碳源(聚己内酯、聚丁二酸丁二醇酯、聚乳酸等)价格高昂[2],对于大规模的城镇污水处理厂,如何降低碳源投加成本是亟需解决的实际问题.天然植物类固体碳源,如玉米芯、秸秆等,廉价易得,是可利用的一类外加碳源.其中玉米芯因有效成分含量高,其释碳供给的反硝化速率快,而受到关注[3].

根据玉米芯添加位置,目前的研究可分为添加在深度处理的生物滤池[4-6]及二级处理SBR生化池这两类[7-10].虽然玉米芯填充在生物滤池中可有效降低出水TN,但碳源过度溶出,尾水仍需经陶粒滤池进一步去除有机物残留.玉米芯添加在SBR反应器中,可借助活性污泥吸附性和曝气氧化过程降低玉米芯溶出有色物质的出水残留,但出水氨氮较投加前升高;此外还有研究[11-12]发现玉米芯全程浸泡于SBR,不仅缺氧搅拌时释碳供给反硝化,还会在曝气、沉淀和出水等阶段释碳,存在COD超标现象.为了降低玉米芯SBR系统的出水COD和氨氮,需要增大曝气的强度和时间才能实现[13],这样虽然弥补了硝化效果,却会加大外碳源的无效氧化及浪费,硝化效果的保障和碳源的有效利用这一矛盾有待解决.

针对低碳源污水处理易硝化的特点,为了克服外碳源对硝化产生不利影响,本研究将天然固体碳源玉米芯添加在A2O缺氧池,期望通过外碳源对反硝化的空间靶向添加,使其与硝化过程时空隔离,从而解决前述研究中的问题,围绕处理效果、物料衡算、速率分析和微生物群落组成,重点研究了该系统的脱氮效能及反硝化体系特征.

1 材料与方法

1.1 实验装置及运行方式

新建一套A2O氧化沟中试系统(图1),其主体由钢板和混凝土浇筑,隔断用PE板材.装置尺寸数据见表1;采用竖流式二沉池,直径0.98m,底部锥角60°,容积1.5m3.

图1 装置及碳源填充位置示意

中试系统污泥直接取自重庆某城镇污水厂A2O生化池,初始浓度MLSS约3500mg/L,装置进水为实际城镇生活污水,主要水质指标见表2.运行时,由阀门开合度控制各回流泵流量和回流比;由电子继电器和电磁流量计控制剩余污泥排放量及SRT;通过气阀开合度控制空压机流量,维持好氧池末端DO.运行控制参数见表1.

表1 装置尺寸及运行参数

表2 中试装置进水水质

天然碳源玉米芯的填充方式为:先将玉米芯剪切成直径1～2cm,长度4cm的柱状,干燥后装入尼龙网袋内,每袋约3.1kg,共8袋约25kg(缺氧池体积填充比为5%);将装好的网袋浸泡在盛有缺氧池混合液的塑料大桶内挂膜24h,随后绑在缺氧池内的竖直钢架上,使其完全浸没在液面以下.

1.2 实验方法

1.2.1 固体碳源释碳特性 取10g烘干玉米芯破碎成2cm见方的块状并平分为两组,其中一组浸泡在装有缺氧池浓缩液的烧杯内挂膜处理3h;随后两组分别转移至装有500mL去离子水的烧杯内封口静置,每12h取浸出液测定COD、NH4+-N和NO3--N,每24h测试浸出液的色度.

1.2.2 碳源添加对运行效果的影响 以未添加碳源系统的稳定运行阶段作为对照组R1;以添加碳源后系统的稳定运行阶段作为实验组R2. 每日监测进出水COD、TN及氨氮,记录污泥浓度(X和XV)及排泥量(ΔX),取稳定阶段缺氧池玉米芯,超声剥离附着其上的生物膜,以单位质量玉米芯所附着的污泥质量表示生物膜生物量(XC).

1.2.3 污泥反硝化动力学 测定缺氧池生物膜污泥(M)和悬浮污泥(S)的反硝化速率:M组锥形瓶中放入一块干重约为3.35g的挂膜玉米芯,加入实际污水和KNO3溶液定容至500mL;S组锥形瓶中加入缺氧池浓缩污泥、实际污水、KNO3溶液和少量玉米芯浸出液,定容至500mL;两组的初始污泥浓度和碳氮浓度与实际缺氧池相同,C/N约为4、硝酸盐浓度为26mg/L;分别加入几滴丙烯基硫脲(Allylthiourea)抑制硝化反应[14],随后置于25℃恒温摇床中震荡,定时取样过滤测定硝酸盐浓度.

1.3 分析方法

COD:快速消解分光光度法,TN:碱性过硫酸钾消解-紫外分光光度法,氨氮:纳氏试剂分光光度法,污泥浓度和生物量:重量法,色度:稀释倍数法,DO:便携式溶解氧仪.

污泥样本的DNA提取和高通量测序:分别取缺氧池悬浮污泥和挂膜玉米芯上剥离的生物膜污泥样品,在4℃环境下离心弃除上清液,然后保存在-80℃冰箱中备用.使用FastDNA®SPIN Kit for Soil(MP Biomedicals, CA, USA)试剂盒提取样品DNA,采用MiSeq PE300平台对16S rDNA基因序列进行测序,测序引物为338F_806R.群落多样性分析在上海美吉生物i-sanger云平台(上海,中国)进行,通过与MiDAS基因库(http://midasfieldguide.org/guide)对比筛选功能微生物.

1.4 碳氮物料衡算

中试系统COD来源包含进水(Cinf)和玉米芯释放(Ccorn),去向包括出水(Ceff)、剩余污泥有机质中包含的(CS)、反硝化消耗的(CDN)和氧化作用消耗的COD(CO);系统进水的氮(Ninf)一部分随出水流出(Neff),一部分被同化在剩余污泥有机质排除系统(NS),还有一部分被反硝化去除(NDN).剩余污泥有机质以C5H7O2N计,其COD含量为1.487g COD/g VSS, N含量为0.124g N/g VSS.

Cinf+Ccorn=Ceff+CS+CDN+CO(1)

Ninf=Neff+NS+NDN(2)

其中,

CDN+2.86´NDN(3)

CS=1.487´D´(4)

NS=1.124´D´(5)

2 结果与讨论

2.1 挂膜玉米芯的溶释特性

如图2所示,玉米芯挂膜不会改变氮素释放,浸出液中的氮素以NH4+-N为主,NO3--N未检出,且浸出液的NH4+-N浓度在24h内快速升高,随后稳定在4.5mg/L左右;玉米芯挂膜前后浸出液的COD/N分别为133和164,不会增加系统的氮负荷,氨氮浸出量较进水可忽略不计.挂膜前后浸出液的色度值都最终稳定在32,挂膜处理会加快色度值达到峰值.不同的是,挂膜会提高浸出液的COD峰值,挂膜前后的两组玉米芯均在前24h快速释碳,且96h后趋于稳定,峰值分别为603和745mg/L.以挂膜玉米芯的平均释碳速率18.6mg/(g玉米芯·d)和25kg添加量计算,在缺氧池添加玉米芯可补给465g COD/d.

2.2 缺氧池添加玉米芯对污染物去除的影响

A2O缺氧池添加天然碳源玉米芯前后污染物COD、NH4+-N和TN的去除效果如图3所示.

COD去除情况:玉米芯添加前(R1)出水COD浓度为(27.3±1.77)mg/L,平均去除率86.6%;添加后(R2)出水COD为(21.0±1.81)mg/L,平均去除率提高到89.1%;均达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18919-2002)中的一级A标准[15].单因素方差分析结果表明,R1和R2进水COD无显著性差异(>0.05),而R2的出水COD显著低于R1(<0.001),即在A2O缺氧池添加玉米芯不但未造成出水COD提高,还会降低出水COD.

NH4+-N去除情况:添加前(R1)出水NH4+-N浓度为(0.59±0.07)mg/L,平均去除率为98.5%;添加后(R2)出水NH4+-N浓度为(0.62±0.07)mg/L,平均去除率降至98.4%;尽管氨氮去除率略有降低,而数据分析表明,两组出水浓度值并无显著差异(>0.05),这表明在A2O缺氧池添加玉米芯不会显著影响硝化效果.

TN去除效果:添加前(R1)出水TN浓度为(16.2± 0.85)mg/L,平均去除率为65.8%;添加后(R2)出水TN浓度为(9.95±0.56)mg/L,平均去除率提升至78.6%;在A2O缺氧池添加玉米芯对反硝化效果的提升效果显著,实现了出水TN达到GB18919-2002的一级A标准.

表3 玉米芯添加前后(R1和R2)的污泥及其他指标

结合系统运行期间的污泥和其他指标(表3)可知,A2O缺氧池添加玉米芯后,系统的污泥平均浓度从3493提高到3958mg/L,同时污泥比值也从0.52提升至0.55,生物量和污泥活性的提升显然十分有利于提高系统的污染物去除效果.此外,借助活性污泥的吸附性和好氧池的曝气氧化,添加玉米芯后并未出现出水色度超标的现象.对于TN的提升,研究发现除了生物量优势外,添加玉米芯后缺氧池DO较添加前更低,这表明在缺氧池添加玉米芯创造出更优良的反硝化环境.通过核算,Huang等[10]在SBR中每升污水的玉米芯添加量约为1.33g,实现出水TN从16～17mg/L降至10mg/L,而本研究的添加量约为0.52g/L便实现相同的TN提质效果,即说明对缺氧区(段)的靶向添加能够有效提升玉米芯碳源利用率、降低外碳源添加量.

2.3 碳氮物料衡算

添加玉米芯外碳源强化了反硝化脱氮效果,系统的COD和TN变化过程改变.基于前述的运行效果,对系统的碳氮平衡进行了分析,玉米芯添加前后的碳氮物料衡算结果如图4所示.

玉米芯添加前(R1)的进水COD为9843g/d,其中13.1%未被利用随出水流出,21.5%通过微生物同化固定在活性污泥中随剩余污泥排出,33.6%作为反硝化碳源被消耗,其余31.6%被氧化消耗;玉米芯添加后(R2)进水自身COD碳源为9320g/d,玉米芯补充COD碳源465g/d,共计9785g/d,其中10.3%未利用随出水排出,污泥增殖消耗26.3%,反硝化消耗40.0%,其余23.4%被氧化消耗.从COD碳源的消耗比例可以看出,玉米芯的添加有效降低了出水和氧化消耗的排放及无效利用,更大比例的碳源流向反硝化和污泥增殖这两个有助于提升脱氮效果的用途.这些结果与出水COD浓度降低和剩余污泥产量提高的现象一致.

进水TN通过污泥增殖和反硝化作用去除,相应的除去出水所占的比例,即为TN的去除率.结果表明,添加玉米芯前,TN去除率为65.8%,其中污泥增殖去除TN的比例为15.0%,反硝化去除TN占50.8%;添加后TN去除率为78.6%,污泥增殖和反硝化对去除TN的贡献分别为17.4%和61.2%.在缺氧池添加玉米芯后,污泥增殖和反硝化的脱氮比例均有提高,其中反硝化作用的提升更大.

2.4 缺氧池污泥的反硝化速率

如图5所示,无论是悬浮污泥还是生物膜的反硝化速率均呈现两个阶段,且第一阶段比第二阶段快.第一阶段悬浮污泥和生物膜的反硝化速率分别为32.42和24.89mg/(L×h),此阶段进水碳源充足,两种污泥均能够进行快速的反硝化;而污水自身碳源消耗殆尽后,仅有代谢较慢的纤维素碳源可供利用,导致第二阶段两者的反硝化速率降至1.73和4.71mg/(L×h).根据表3可知,烧杯中悬浮污泥和生物膜生物量分别为1091.5和79.73mg VSS,悬浮污泥远远大于生物膜,而反硝化速率在同一数量级,因而生物膜具有更大的单位生物量反硝化速率(比速率),这可能是因为生物膜具有更高比例的反硝化微生物;对于第二阶段,悬浮污泥和生物膜仅利用玉米芯碳源时的比速率(单位生物量的反硝化速率)分别为1.58和59.1mg NO3--N/(g VSS×h),这表明悬浮污泥不能有效利用玉米芯,而生物膜可能富集了降解玉米芯的微生物使其能够持续反硝化.

图5 不同污泥的反硝化速率

Fig.5 Denitrification rates of different sludge

与合成碳源相比,玉米芯生物膜的反硝化速率略低于聚己内酯(PCL)的7.7和聚丁二酸丁二醇酯(PBS)的9.3mg/(L×h)[16],然而合成碳源多密集堆积在滤池中使用,其单位质量碳源反硝化速率仅为0.03～0.24mg/(g PCL×h)和0.0098～0.058mg/(g PBS×h)[17],远低于玉米芯的0.71mg/(g·h).这便是利用二级缺氧池的生物量优势弥补了天然碳源反硝化速率较低的不足.综上,将玉米芯添加在A2O缺氧池形成了能够快速持续反硝化的复合型污泥体系.

2.5 生物群落分析

图6和7分别为悬浮污泥(S)、生物膜污泥(M)在门和属两个水平的微生物群落相对丰度. Proteobacteria(变形菌门)、Chloroflexi(绿弯菌门)和Bacteroidota(拟杆菌门)是优势菌门.其中,变形菌门含有多个反硝化菌属[18],在两组样品中的丰度分别是28.5%和37.0%;拟杆菌门一般与有机物降解相关[19],在S和M中的丰度分别为7.9%和14.4%;这两个菌门都在生物膜中更高,一定程度上验证了前面关于生物膜具有更高丰度的反硝化细菌和玉米芯降解细菌的猜想.另外,绿弯菌门在S和M中的丰度分别为21.6%和38.9%;属水平的属于该菌门,且在S和M中的丰度,分别为10.6%和5.2%,它是一种丝状菌,通常在长污泥龄、低污泥负荷条件下大量增殖[20].因此绿弯菌门和的富集可能与系统的低有机负荷有关.有文献指出[21],在丝状菌含量增多时可能出现水质变好的现象,本研究处理效果良好也可能与此类微生物含量高有关.

图6 门水平群落组成

生物硝化是氨氧化细菌(AOB)和亚硝酸盐氧化细菌(NOB)依次进行氨氧化和亚硝酸盐氧化的过程.由图7可知,该系统的AOB为,在悬浮污泥中的丰度(0.242%)高于生物膜(0.183%),这是因为悬浮污泥能够在系统中循环并在好氧池获得溶解氧,因而在悬浮污泥中含量更高.NOB只有一种,它同时也具有反硝化功能,其丰度在生物膜(0.340%)中高于悬浮污泥(0.217%),虽然亚硝酸盐氧化是需氧的,但该菌属细胞表面具有疏水性,利于附着生长[22],因而在生物膜中丰度更高.

图7 属水平群落组成(前50)

前50个已知菌属中共有8种反硝化细菌,它们总的含量在生物膜(5.53%)中远大于悬浮污泥(2.33%),这与生物膜反硝化比速率较快的结果一致.反硝化菌属中在生物膜中占比2.88%,高于悬浮污泥中的0.085%;其余7种里,、、和的丰度在悬浮污泥中更高,它们均为好氧微生物[23-26],在悬浮污泥中更便于从循环过程获得氧气;、和在生物膜中丰度较高,前二者的富集是由于细胞表面的疏水性造成的[21,26],而具有降解玉米心中木质素等芳香族化合物的功能[28],在生物膜中更利于获得碳源物质.此外,和等菌属都被证明能够水解甲壳质、果胶、纤维素等多糖[29-30],这两种菌属都在生物膜上具有更高的丰度,使生物膜能够有效水解利用玉米芯.

3 结论

3.1 将天然碳源玉米芯靶向添加在A2O缺氧池,缺氧池体积填充率为5%时,TN去除率显著提升13%,同时避免了外碳源对硝化效果的影响,出水氨氮低于1mg/L.

3.2 玉米芯添加后出水COD平均浓度从27.3降至21.0mg/L,碳源的氧化消耗和出水排放量占比减少11%,用于反硝化和污泥增殖的比例提高,反硝化脱氮量占总氮去除量的比重提高10.4%.

3.3 缺氧池形成了悬浮污泥和生物膜的复合型污泥体系,以玉米芯为碳源时二者的反硝化速率分别是1.58和59.1mg NO3--N/(g VSS×h),生物膜有效保障了原水碳源不足时系统的脱氮效果.

3.4 高通量测序结果表明,反硝化相关的Proteobacteria菌门在悬浮污泥和生物膜中占比最高,分别为28.5%和37.0%.是主要的反硝化菌属,其丰度在生物膜(2.88%)中高于悬浮污泥(0.085%).此外生物膜中还富集了可降解植物多糖的(0.594%)、(0.593%)和(0.683%)等菌属.

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Nitrogen removal characteristic of A2O system with natural corncob supplemented into anoxic zone as carbon source.

SHEN Qiu-shi1, JI Fang-ying1*, WEI Jia-Zhi1,2, JIANG Lei1, ZHANG Qian1, MAO Yuan-xiang1, LIU Cao-cong1

(1.College of Environment and Ecology, Chongqing University, Chongqing 400045, China；2.POWERCHINA Chengdu Engineering Corporation Limited, Chengdu 610072, China)., 2022,42(4)：1635～1642

Given that low carbon source sewage has advantage of nitrification rather than denitrification, natural carbon source corncob was added into anoxic zone of a pilot A2O to explore the denitrification potency and characteristics, by means of mass balance, denitrification rate and microbial community analysis. The results showed that TN removal efficiency increased by 13%, and effluent TN decreased from 16.2 to 10.0mg/L. Meanwhile, there was no exceeding risk of ammonia nitrogen and chroma in effluent. Mass balance demonstrated that the consumption amount of oxidation and effluent residual of COD both decreased, while its utilization rates for denitrification and sludge proliferation increased, which stimulated nitrogen removal amount. Therein, nitrogen removal was mainly contributed by denitrification. An integrated denitrification system was established in this reactor: the denitrification rates of newly formed biofilm and suspended sludge were 24.89 and 32.42mg/(L×h) separately in the presence of influent carbon source, which achieved this system with rapid denitrification; while influent carbon source was depleted, the denitrification rates were 4.71 and 1.73mg/(L×h) respectively, and their denitrification rates per biomass amount were 1.58 and 59.1mg NO3--N/(g VSS×h) accordingly, which indicated that corncob was primarily used by biofilm for maintaining denitrification process.The most dominant denitrifier in this system was. Morover, denitrifiers likeand, capable of adhering to growth, enriched on the biofilm, and, which could degrade corncob’s lignin, assembled on the biofilm as well.

anoxic zone；corncob；denitrification；mass balance；microbial community

X703

A

1000-6923(2022)04-1635-08

沈秋实(1993-),男,河南郑州人,重庆大学博士研究生,主要从事水污染控制研究.发表论文3篇.

2021-09-06

国家重点研发计划(2018YFD1100501);重庆市科委项目(cstc2017shmsA20007)

*责任作者, 教授, jfy@cqu.edu.cn