缓释碳源填充管式生物反应装置强化脱氮性能及其微生物分布特征

2022-07-31崔贺

环境工程技术学报 2022年4期

崔贺

上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司

随着我国农村生活水平提高和经济发展，农村生活污水产生量逐年增加，对农村水环境安全造成威胁[1-5]。尽管农村生活污水处理设施已在多数农村地区得以广泛应用，但由于农村生活污水排放具有流量小、时变化系数大等特点，加之污水处理设施管理和运行不当，设施尾水普遍存在氨氮（NH4+-N）、硝氮（NO3--N）及总氮（TN）超标等问题，极易导致当地水体污染，甚至引发黑臭现象[6-8]。农村水环境问题已成为当前亟须解决的热点环境问题之一[9-10]。

农村生活污水处理设施尾水氮素超标的主要原因可归结为以下几类[11-14]：1）好氧段硝化不足；2）排泥及污泥回流设施瘫痪；3）碳源不足导致反硝化效率低下。农村生活污水处理设施因其工艺和运行的差异，一般会产生低氨氮高硝氮型、氨氮和硝氮等比例型和高氨氮低硝氮型3种不同氮素赋存形态比例的尾水。为实现尾水达标排放，采用曝气浮床湿地对尾水进行深度净化，已成为当前生活污水末端治理的重要方式[11,14]。然而，在尾水深度净化过程中如何提高反硝化效率，实现硝氮的强化去除，依然是一个难点问题[15-17]。

管式反应器呈管状，具有高长径比，管内流体以推流状态前进，且在流动方向无返混现象，即管内沿程每一点的流体停留时间均相等[18-20]。此外，管式反应器还具有“三传一反”和“浓度递变”的特征，即管内同时发生质量传递、动量传递、热量传递和化学反应4个过程，流体中的反应物浓度沿程递变[21-22]。因此，将管式反应器与曝气浮床湿地进行耦合集成，构建管式生物反应装置（tubular bio-reactor device，TBD）[23]，有助于在管内形成好氧-缺氧环境，从而实现相关污染物的强化脱除。

笔者通过构建中试规模的TBD，考察其对不同氮素赋存形态的农村生活污水的脱氮性能，并采用微生物高通量技术解析管内相关微生物分布特征，以期为削减农村生活污水处理设施尾水的氮排放负荷以及促进农村地区水环境质量改善提供新型水处理技术的参考。

1 材料与方法

1.1 中试规模TBD的构建及运行

1.1.1 装置构建

在上海某高校内的一个圆形水池中构建TBD中试试验装置（图1）。水池直径为7.1 m，深度为1.2 m，容积约50 m3。中试装置以中空的聚氯乙烯（PVC）管为浮体，浮体上方放置10根并联的TBD，其进口均与集水槽出水口连接（图2）。集水槽用于储存农村生活污水处理设施尾水，该尾水通过动力循环设备（射流曝气机或水泵）提升。

图1 TBD中试装置照片Fig.1 Photo of pilot-scale TBD

图2 TBD中试装置构造Fig.2 Structure of pilot-scale TBD

10根TBD均由PE软管（长12 m，直径10 cm，厚度0.3 mm，长径比120）和填充基质（填充率为33%）制成。基质填充方式为棕丝包裹甘蔗渣，棕丝蓬松多孔且具有一定刚度的结构，能够较好地分散并固定甘蔗渣，避免甘蔗渣因水流作用而堵塞堆积。此外，填充基质中的甘蔗渣填充率为8%，TBD沿程不开孔，在TBD管外种植3种常见水生植物（香菇草、黑麦草和水葫芦）。

1.1.2 运行条件

2016年5—7月试运行3个月后正式开始中试试验，依次在3种工况（表1）下运行，每个工况下运行150 d。TBD的进水流量通过集水槽中的水位高度调节，运行时集水槽中的水位高出TBD所在平面1.0 ～ 1.3 m，从而为TBD的进水提供相应压头。运行中每根TBD的平均水流流速为1.5 m/h，平均循环流量为 5.5 L/h，平均水力停留时间为4.75 d。

表1 TBD中试装置不同工况下的供试水质及运行条件Table 1 Water quality and operation conditions of pilot-scale TBD in different operating modes

1.2 样品采集及检测方法

1.2.1 水样采集及常规水质指标的检测方法

在TBD中试装置运行期间，每15 d对试验供试尾水进行采样和检测，采样点为水池中心的1个点及靠近水池周边呈等边三角形分布的3个点，取上述4个采样点的混合样，作为TBD对氮去除性能分析的依据。为测试TBD沿程水质分布，在每根TBD进口处（记作0处）、距进口1/4处、距进口1/2处、距进口3/4处、出口处（记作1处）分别进行水样采集，并取10根TBD相应点位的混合样，作为TBD氮形态沿程分布特征，以及影响TBD脱氮性能的理化因素分析依据。

采用溶解氧仪（HACH-HQ30D型）在上述点位原位测量溶解氧（DO）浓度和水温，采用 pH计（HANNA-HI98129型）测量pH。根据《水和废水监测分析方法》中标准方法测定化学需氧量（CODCr）及TN、NH4+-N和NO3--N浓度等指标。

1.2.2 生物膜样品采集及16S rRNA多样性高通量测序方法

2017年11月，在TBD中间（1/2处）及末端采集填充基质（编号分别为Z1和Z2），放入自封袋并立即带回实验室；快速用无菌水振荡处理样本，基质表面附着物脱落后离心分离固体，通过冷链送至生工生物工程（上海）股份有限公司提取DNA和测序。提取DNA后，对16S rRNA基因的V3～V4高变区片段进行PCR扩增，引物序列为515F（GTGCCAGCM GCCGCGGTAA）和909R（CCCCGYCAATTCMTTTR AGT），获取原始序列和数据。继而利用Mothur对原始序列进行校正，去除序列中的嵌合体，得到优化序列；使用 UPARSE 软件[3]（http://drive5.com/uparse/，version 7.1），根据97%的相似度对序列进行OTU聚类并剔除嵌合体，将所有优化序列map至OTU代表序列，选出与OTU代表序列相似性在97%以上的序列，生成OTU表格。进一步利用RDP classifier软件[5](http://rdp.cme.msu.edu/，version 2.2)对每条序列进行物种分类注释，比对Silva 16S rRNA数据库（v138），设置比对阈值为70%。最后计算样品文库覆盖率（Coverage）、Chao 1指数及Shannon多样性指数，并在属水平上统计每个样品的群落组成[24-25]。

2 结果与讨论

2.1 氮的去除性能分析

2.1.1 NH4+-N

中试TBD在不同工况条件下对NH4+-N的去除性能如图3(a)所示。3种工况条件下NH4+-N的去除率具有显著差异性（P＜0.05），且工况3的NH4+-N去除效果最佳。在工况1条件下，运行30 d时水池中NH4+-N浓度从8.81 mg/L降至1.58 mg/L；运行45 d时，NH4+-N的去除率高达93.34%，此后氨氮的去除率保持平稳状态；运行150 d时，NH4+-N去除率达94.54%，此时NH4+-N浓度为0.48 mg/L，低于Ⅱ类水质标准限值（NH4+-N浓度≤0.5 mg/L）。在工况2条件下，初始NH4+-N浓度较低，运行30 d时水池中NH4+-N浓度即从1.60 mg/L降至1.25 mg/L；运行60 d时，NH4+-N浓度降至 0.18 mg/L，去除率为88.78%，此后TBD对NH4+-N的去除率保持平稳状态；运行150 d时，NH4+-N去除率达 89.65%，NH4+-N浓度为 0.16 mg/L，接近Ⅰ类水质标准（NH4+-N浓度≤0.15 mg/L）。在工况3条件下，仅运行15 d，水池中NH4+-N浓度即从12.01 mg/L降至2.73 mg/L，NH4+-N去除率达77%；运行30 d时，NH4+-N浓度降至0.39 mg/L，去除率达 96%；运行150 d时，NH4+-N浓度降至 0.11 mg/L，低于Ⅰ类水质标准限值。

图3 TBD中试装置在3种工况下对NH4+ -N、NO3- -N和TN的去除性能Fig.3 Removal efficiency of NH4+ -N, NO3- -N and TN in pilotscale TBD with three operating conditions

2.1.2 NO3--N

中试TBD在不同工况条件下对NO3--N的去除性能如图3（b）所示。3种工况条件下NO3--N的去除率具有显著差异性（P＜0.05）。工况1和工况3在0～15 d时NO3--N浓度均呈上升趋势，运行初期NO3--N浓度升高的原因可能是NH4+-N迅速硝化产生大量的NO3--N。在工况1条件下，运行30 d时NO3--N浓度降至2.88 mg/L，去除率为70.07%；运行60d时NO3--N浓度降至0.26 mg/L，去除率为97.27%；此后TBD对NO3--N的去除率趋于稳定。在工况2条件下，运行30 d时NO3--N浓度降至3.23 mg/L，并在第45天达到稳定；运行150 d时NO3--N浓度为1.09 mg/L，去除率达90.97%。在工况3条件下，运行45 d时NO3--N浓度降至0.64 mg/L，此时去除率为90.36%；运行150 d时NO3--N去除率稳定至99.61%，此时NO3--N浓度为0.03 mg/L。

2.1.3 TN

中试TBD在不同工况条件下对TN的去除性能如图3（c）所示。TN浓度在0～45 d显著下降，之后平缓下降。3种工况条件下，TN的去除率具有显著差异性（P＜0.05）。在工况1条件下，运行45 d时TN浓度降至2.02 mg/L，去除率为89.91%；运行150 d时TN浓度降至0.951 mg/L（去除率为95.24%），低于Ⅲ类水质标准限值（TN浓度≤1.0 mg/L）。工况2和工况3条件下的 TN去除趋势与工况1一致，运行150 d时TN去除率分别为89.10%和99.05%，TN浓度分别降至1.64和0.19 mg/L，其中工况3符合Ⅰ类水质标准（TN浓度≤0.2 mg/L）。总体而言，TBD对污水中TN的去除率显著高于Gao等[25]的研究结果（67.7%～84.4%），表明TBD对农村生活污水处理设施尾水具有良好的脱氮性能。

2.2 氮形态沿程分布特征

图4展示了3种工况条件下中试TBD氮浓度沿程变化趋势。工况1和工况2条件下NH4+-N浓度快速下降主要发生在TBD前半段（进口处至管长1/2处），其原因可能是TBD前端的DO浓度较高，保证了良好的好氧环境，有利于NH4+-N的转化。TBD后半段（1/2处至出口处）NH4+-N浓度趋于稳定，其原因主要是该区段较低的DO浓度抑制了硝化作用。

图4 TBD沿程氮浓度分布Fig.4 Variation of nitrogen concentrations along the TBD

NO3--N浓度的变化趋势相对复杂，其在各工况运行的TBD前端（进口处至管长1/4处）均出现了上升，在TBD后半段则明显下降。主要原因是TBD前端较高的DO浓度有利于硝化作用（NH4+-N转化为NO3--N），导致NO3--N浓度上升；而TBD后半段管内环境能够满足好氧反硝化作用和缺氧反硝化的进行，有利于NO3--N的去除。TBD沿程TN浓度在前端的下降幅度相对较小，主要在TBD后半段发生了明显的下降。这是由于TBD前端的硝化作用仅将NH4+-N转化为NO3--N，并未将氮素从水中脱除[26]；而在TBD后半段，微生物的反硝化作用可将NO3--N转化为N2，从而实现污水中氮素的脱除[27]。由此可见，TBD中的反硝化作用是实现尾水氮素去除的关键步骤。

2.3 影响TBD脱氮性能的理化因素分析

2.3.1 DO浓度

TBD中试装置在各工况条件下DO浓度沿程变化规律见图5（a）。可见DO浓度随TBD沿程递减，主要原因是微生物的代谢作用消耗了管内水流中的DO。各工况进水DO浓度差异显著，但TBD末端DO浓度均低于0.5 mg/L，这是由于缓释碳源的加入增强了DO的消耗，有助于末端缺氧环境的形成。TBD中前端DO浓度相对较高，中末端DO浓度则较低，形成了好氧-缺氧（O-A）环境分段，有助于氮的脱除。此外，进水DO浓度较高的工况3的氮去除效果最优，表明高浓度DO进水有利于污水中氮的去除[28]。在TBD中试系统中，NH4+-N的去除速率比NO3--N高，表明该系统的硝化过程比反硝化过程更为快速。而且，TBD的进水DO浓度越高，越有助于NH4+-N的去除。这一结论在TBD进水DO浓度较高的工况1和工况3中得以体现：在2种工况开始运行后30 d内，NH4+-N浓度均降至1.5 mg/L以下，低于Ⅴ类水质标准限值（NH4+-N浓度≤2.0 mg/L）。

2.3.2 C/N

TBD中试装置在各工况条件下碳氮比（C/N）分布见图5（a）。可见C/N随 TBD 沿程递增，主要原因一是甘蔗渣在微生物的分解作用下不断向水中释放碳源，二是反硝化作用使得TBD中氮素浓度不断降低。本研究中C/N较高（＞6），能满足反硝化对碳源的需求，表明缓释碳源的加入有助于C/N的提升和保持。一般而言，好氧反硝化作用适宜的C/N必须大于10，而缺氧反硝化作用的C/N≥6即可保证其顺利进行[29-30]，这是由于好氧反硝化细菌在进行好氧反硝化作用的同时，也会进行有氧呼吸及有机质降解，故好氧反硝化作用比缺氧反硝化作用需要更充足的C/N[31-32]。这也同时解释了为何TBD沿程C/N随着甘蔗渣的释碳作用而不断上升，DO浓度则随着微生物的呼吸和代谢作用逐渐被消耗，从而有利于TBD末端缺氧环境的形成。

图5 3种工况下TBD沿程DO浓度、C/N及运行期间CODCr变化Fig.5 Variation of DO and C/N ratio along the TBD as well as CODCr during the operation period under three operating conditions

2.3.3 碳源

图5（b）展示了3个工况条件下CODCr及增长率随时间的变化规律。各工况条件下受试水体的CODCr在TBD作用下均呈先升后降趋势。TBD系统使用甘蔗渣作为固相缓释碳源，为TBD内微生物的反硝化作用提供了充足的有机质[33]。各工况在0～15 d内CODCr上升，这是由于TBD中填充的甘蔗渣因微生物分解或表面残留的可溶性有机物向水体溶出所致。各工况运行15 d后，CODCr逐渐下降，这是由于TBD体系对有机物的去除速率开始高于碳源的释放速率。其中，工况2在该阶段CODCr下降速率最快，其原因可能是工况2处理的农村生活污水处理设施尾水以NO3--N为主要赋存形态，TBD系统主要进行的是反硝化作用。微生物的异养反硝化作用利用并消耗大量的碳源[34-36]，这导致工况2的CODCr显著下降。此外，各工况CODCr均未超过Ⅴ类水质标准限值（CODCr≤40.0 mg/L），表明TBD能够维持水中有机质浓度的稳定，不会产生碳源过剩的问题。

2.4 TBD沿程微生物分布特征

2.4.1 多样性指数分析

为了揭示TBD的微生物脱氮机理，对采集的生物膜样品进行了16S rRNA高通量测序。消除无效序列和嵌合序列后，2个生物膜样品共获得153 357个高质量序列，当序列以97%相似性划分时，共获得12 013个OTU单元（OTUs）。样本库的覆盖率为95.3%～97.7%，表明该测序可以代表微生物群落的真实情况。表2中微生物丰富度和多样性相关指标存在明显差异，说明 TBD中间和末端的填充基质上微生物的丰富度和多样性差异较大，这也表明TBD中间和末端的环境差异较大，从而导致了微生物群落结构的沿程差异。

表2 TBD生物膜样品的微生物丰度占比和多样性指数Table 2 Microbial richness and diversity index of the biofilm samples from the TBD

2.4.2 优势菌群丰度占比分析

TBD中试装置生物膜样品中门水平和属水平微生物优势群落组成如图6所示。由图6(a)可知，TBD中变形菌门（Proteobacteria）、拟杆菌门（Bacteroidetes）和浮霉菌门（Planctomycetes）占比较大。样品Z1、Z2中Proteobacteria的丰度占比较高，分别为73.5%和77.4%；其次是Bacteroidetes，占比分别为8.6%和5.3%；Planctomycetes的占比分别为3.6%和3.0%。

Proteobacteria、Bacteroidetes和Planctomycetes包含典型的氮素去除微生物，这在不同的废水处理过程中均有发现[37-38]。Proteobacteria在天然和人工湿地中普遍存在，并含有参与碳、氮循环的大量细菌[39-40]。Bacteroidetes被证明与富含纤维素的有机废物如植物残留物和农业废物以及污泥的降解有关[41-42]。Planctomycetes则被认为是最多样化的菌门分支。

由图6（b）可知，中试TBD后半段的优势菌属差异较大（P＜0.05）。TBD长度1/2处的优势菌属主要是柠檬酸杆菌属（Citrobacter）、不动杆菌属（Acinetobacter）、根瘤菌属（Rhizobium）和绿脓杆菌属（Pseudomonas），它们均被报道具有好氧反硝化功能[43]。TBD末端的优势菌属主要是热单胞菌属（Thermomonas）、小梨形菌属（Pirellula）、金黄杆菌属（Chryseobacterium）和黄色类固醇杆菌（Steroidobacter）。相关研究表明，Thermomonas和Steroidobacter可进行缺氧反硝化作用[44]，TBD中充足的 C/N（10 ～ 15）及较适宜的DO浓度（1.5 ～ 3.5 mg/L）有利于上述菌属的生长富集。而Pirellula和Chryseobacterium被报道可分解大分子有机物[45]。大分子有机物的降解需要充足的时间，造成其在TBD末端富集。由此可见，TBD沿程富含碳源且好氧-缺氧分段的环境因子分布特征促进了好氧反硝化细菌和缺氧反硝化细菌在其沿程上的依次分布。

图6 TBD生物膜样品在门水平及属水平的丰度占比Fig.6 Abundance of biofilm samples of the TBD at the phylum and genus level

2.4.3 脱氮相关菌属分析

表3展示了中试TBD运行末期的反硝化相关菌属丰度占比，主要包括好氧反硝化菌属和缺氧反硝化菌属，表中所列菌属均被报道过具有好氧反硝化或缺氧反硝化功能。由表3可知，Z1中好氧反硝化菌属较多，如Citrobacter、Acinetobacter、Rhizobium和Pseudomonas，其丰度占比合计为40.5%，表明TBD系统较高的进水DO浓度有利于好氧反硝化菌属的富集和生长。值得注意的是，Z1中也发现了2.0%的缺氧反硝化相关菌属，其原因可能是TBD中间填充基质的生物膜中形成了好氧-缺氧的微环境。Z2以缺氧反硝化细菌为主（19.0%），如Thermomonas、Steroidobacter和Hyphomicrobium，其丰度占比明显高于Z1，这可能与TBD末端较低的DO浓度有关。由此推断，TBD末端的缺氧环境能够促进缺氧反硝化菌属的生长和富集。较低的DO浓度不利于好氧菌的富集[41]，这也解释了为何TBD末端的好氧反硝化菌属丰度占比较低。有研究表明，好氧反硝化细菌在缺氧环境下也能够进行反硝化作用，但其生长速率明显低于好氧环境[46-47]。而缺氧反硝化细菌更适宜在DO浓度较低的环境中生长[48]，这也解释了为何缺氧反硝化菌在TBD末端成为主要优势菌属，且丰度占比达19%。Z1和Z2在上述2类菌属丰度占比上的显著差别，与2.3节所述的TBD沿程DO浓度分布具有明显相关性，且与TBD沿程不同形态氮的去除规律一致：TBD前端NH4+-N的削减较明显，后端NO3--N的削减较显著。综上，TBD好氧反硝化-缺氧反硝化的分段式菌属分布特征可能是其具有较高氮素去除性能的主要原因。