丝瓜络耦合硫铁复合填料强化处理硝酸盐的特性

2021-01-20黄凤丹张立秋李淑更雷志娟朱晓辉

净水技术 2021年1期

黄凤丹，张立秋,*，李淑更，雷志娟，朱晓辉，邵兵

(1.广州大学土木工程学院，广东广州 510006；2.广州大学环境科学与工程学院，广东广州 510006；3.珠江三角洲水质安全与保护教育部重点实验室，广东广州 510006)

城市污水处理厂出水再生回用是实现水资源再利用的有效途径，但污水厂尾水中C/N低、氮和磷浓度较高、进行深度脱氮时存在碳源不足的问题，同步脱氮除磷更是需攻克的难题。异养反硝化和自养反硝化是去除硝酸盐的有效途径。其中，异养反硝化需外加碳源，如甲醇、乙酸、乙醇、聚己内酯(PCL)、稻草、玉米芯等，外加液体碳源具有供碳速率快、反硝化效果好等优点，但其投加量不易控制，易造成二次污染，且投加成本高。外加的固体碳源可以为生物膜提供挂膜载体，以天然纤维素材料为固体碳源，具有比表面积大的优点，是理想的生物载体，且废弃农作物为固体碳源可以废物利用，成本较低。而自养反硝化菌可利用氢气、还原态硫和还原态的铁为电子供体进行反硝化。此工艺具有无需外加碳源、污泥产量少等优点[1-4]，但此工艺受环境条件影响较大。目前，已有研究联合异养反硝化和自养反硝化去除硝酸盐，发现可以提高脱氮效率[4-9]。董全宇等[10]利用木屑-硫磺填充床强化硝酸盐去除效果，稳定运行的木屑-硫磺填充床反硝化生物滤池对TN的去除率约为93%，而传统异养及自养反硝化滤池对TN的去除率分别为85%、87%，异养联合自养工艺提高了脱氮性能。范军辉等[11]将碱处理后的玉米芯与硫铁复合填料有机结合组成固相纤维素碳源+硫铁脱氮除磷复合系统深度脱氮除磷，在30 ℃下稳定运行，系统TN去除率约为93%，TP去除率约为90%。其中，异养反硝化产生碱度，硫自养反硝化会产生大量的H+与硫酸盐，两者结合可以酸碱中和，并降低硫酸盐的积累量[12]。海绵铁腐蚀产生的H2也可为反硝化提供电子供体[13]。丝瓜络作为农业废弃物，具有多层纤维构成的网状结构，利于微生物附着，且碳源缓释持久，是反硝化固体碳源的良好材料。何培芬等[14]采用丝瓜络作为固体碳源去除地下水硝酸盐有良好的效果。目前，已有研究以丝瓜络为填料去除污水中的污染物[15]，也有将硫铁复合填料用于污水厂尾水的脱氮除磷[11,19]，但关于丝瓜络耦合硫铁填料组成反硝化滤柱的研究未见报道。

本研究以污水厂尾水为研究对象，采用丝瓜络耦合硫铁复合材料作为反硝化滤柱的填料，组成异养反硝化联合自养反硝化系统，研究不同丝瓜络与硫铁复合材料的配比、水力停留时间(HRT)对硝酸盐去除效果的影响，确定系统填料最佳质量配比和最佳运行水力条件，并比较丝瓜络单一填料和丝瓜络耦合硫铁复合填料系统脱氮性能，以期为污水处理厂尾水深度脱氮提供理论参考。

1 试验装置与方法

1.1 硫铁复合填料的制备

硫铁复合填料的制备方法参考周彦卿等[16]，将硫磺粉末与粒径为3～5 mm的海绵铁颗粒按一定比例与定量水泥均匀混合，加入适量的30%浓度的发泡剂，均匀搅拌，制备成粒径为7～10 mm的颗粒待用。

1.2 试验装置

反硝化生物滤柱结构如图1所示，采用上流式进水。反应器呈圆柱形，材质为有机玻璃，内直径为15 cm，高度为70 cm。承托层采用粗砂与细砂按体积比为1∶2均匀混合填充15 cm，填料层高度为30 cm，填料层上方有10 cm的沸石填充，用以延长反硝化反应。填料层分别为丝瓜络单一填料和以丝瓜络与硫铁复合填料填充，丝瓜络与硫铁复合填料分多层填充，接种污泥取自沥滘污水处理厂的沉淀池，用一定浓度硝酸盐氮的人工配水进行富集培养，待硝酸盐氮去除率稳定在90%以上后加入反应器进行启动。

图1 试验装置示意Fig.1 Schematic Layout of Experimental Installation

1.3 试验水质与分析方法

1.4 试验设计

表 1 试验分组及运行条件Tab.1 Experimental Grouping List and Operation Conditions

2 结果与讨论

2.1 不同质量配比对脱氮性能的影响

图3 不同HRT条件下的去除率和出水及的变化情况 Removal Rate and CODCr, Concentrations under Different HRT

2.2 不同HRT对脱氮性能的影响

2.3 添加硫铁填料的影响

2.3.1 添加硫铁填料对硝酸盐去除的影响

图4 2个反应器及TN去除率和出水及的变化情况Fig.4 TN and Removal Rate and CODCr, Concentrations in Two Reactors

2.3.2 添加硫铁填料对TN去除的影响

2.3.3 硫酸盐的积累

2.3.4 反硝化生物菌群结构特性分析

对各样本进行PCoA分析，如图5(a)所示。整体上，SG滤柱中R1a和R1b的微生物群落聚类，表明在SG滤柱中，前后期菌群差异性较小；而SG-S/Fe滤柱中R2a和R2b相似性较低，表明在SG-S/Fe滤柱中，前后期菌群结构变化较大，且2个反应器中，前后期的微生物相似性低，表明添加硫铁复合填料使反应器之间的菌群有了明显的差异性。

如图5(b)所示，2个反应器的优势菌门主要有放线菌门(Actinobacteria)、绿弯菌门(Chloroflexi)、变形菌门(Proteobacteria)、髌骨杆菌(Patescibacteria)、厚壁菌门(Firmicutes)和拟杆菌门(Bacteroidetes)，这些菌的总相对丰度分别为R1a(93.79%)、R1b(94.25%)、R2a(93.62%)和R2b(93.06%)。

图5 样本微生物群落结构分析图Fig.5 Structure of Bacterial Communities of Samples

如表2所示，属水平上，在4个样品中共检测出19个与反硝化相关的菌属。其中，系统中存在的硫自养反硝化菌有硫单胞菌属(Sulfurimonas)、硫杆菌属(Thiobacillus)、嗜氢菌科(Hydrogenophaga)，这些菌能利用还原态硫为电子供体还原硝酸盐。由表2可知，这些菌属在SG-S/Fe滤柱中的相对丰度均有增长趋势，各样本中关于硫自养反硝化菌属的总相对丰度分别为R1a(0.033 2%)、R1b(0.068 5%)、R2a(0.160 9%)、R2b(0.42 5%)。其中，R2a>R1a，R2b>R1b。SG-S/Fe滤柱中，硫自养反硝化菌丰度始终大于SG滤柱，表明添加硫铁复合填料促进了硫自养反硝化菌丰度的增长。自养反硝化菌属在各样本中的总相对丰度为R1a(0.171 8%)、R1d(0.151 7%)、R2a(0.232 7%)、R2b(0.742 8%)。其中，R2a>R1a，R2b>R1b，自养反硝化菌在SG-S/Fe滤柱中的总相对丰度增长219.2%，而在SG滤柱中的总相对丰度降低了11.7%。20 d时，自养反硝化菌在SG-S/Fe滤柱中比SG滤柱中多35.4%；40 d时，SG-S/Fe滤柱中比SG滤柱中多389.7%。异养反硝化菌(Dechloromonas)在各样本中的相对丰度为R1a(0.489 9%)、R1b(0.275 2%)、R2a(0.137 6%)、R2b(1.263%)。该菌20 d时在SG-S/Fe滤柱中比SG滤柱中少71.9%，但40 d时SG-S/Fe滤柱中比SG滤柱中多358.9%。2个反应器中，异养反硝化菌总相对丰度在SG-S/Fe滤柱中增长，而在SG滤柱中降低，这是后期SG-S/Fe滤柱脱氮效率高于SG滤柱的原因，可见添加硫铁复合填料促进了异养反硝化菌的增长。因此，添加硫铁复合填料有利于富集自养反硝化菌，强化异养联合自养反硝化作用，提高脱氮效能。