原創(chuàng)論文 | 碳源投加方式對(duì)短程反硝化性能的影響
摘要:短程反硝化是非常有前景的硝酸鹽廢水前處理方法,可為厭氧氨氧化提供必需的底物(NO2--N),而不同碳源投加方式會(huì)影響短程反硝化的性能。在進(jìn)水NO3--N為100mg/L、乙酸鈉為碳源、碳氮比為2的條件下,探究了不同碳源投加方式(1次投加、3次投加、6次投加)對(duì)短程反硝化氮素轉(zhuǎn)化特性及反應(yīng)速率的影響。結(jié)果表明,分次投加碳源可以在短時(shí)間內(nèi)啟動(dòng)高效穩(wěn)定的短程反硝化,且6次投加方式條件下短程反硝化性能最優(yōu)。6次投加碳源(t=0/10/20/30/40/50 min)條件下短程反硝化出水NO3--N、NO2--N平均濃度分別為7.33、60.92mg/L,NO3--N至NO2--N的平均轉(zhuǎn)化率(NTR)為86.55%,NO3--N比還原速率和NO2--N比還原速率分別為26.79、4.14mg/(g·h)。高通量測(cè)序結(jié)果顯示,擬桿菌門(mén)和變形菌門(mén)是短程反硝化系統(tǒng)中的優(yōu)勢(shì)菌門(mén)。在研究過(guò)程中,短程反硝化功能菌屬Thauera豐度逐漸增加,3種投加方式下其相對(duì)豐度分別為0、14.29%、17.11%,說(shuō)明與短程反硝化相關(guān)的優(yōu)勢(shì)菌得到富集。
郭露,碩士研究生,主要從事水污染控制理論與技術(shù)研究。
短程反硝化(PD)是指NO 3--N還原到NO2--N的過(guò)程,相比于完全反硝化過(guò)程可節(jié)約60.10%的外加碳源。有研究表明,通過(guò)控制污泥類(lèi)型、碳源種類(lèi)、碳氮比(C/N值)、pH值、碳源投加方式等條件可以實(shí)現(xiàn)短程反硝化和NO 2--N積累。畢春雪等、張星星等利用不同污泥快速啟動(dòng)了PD,NO 2--N轉(zhuǎn)化率(NTR)分別在80%、70%左右。Ge等研究發(fā)現(xiàn)添加不同碳源時(shí),添加葡萄糖碳源條件下亞硝酸鹽積累率最高,較高C/N值會(huì)獲得更高的NO 2--N積累量。Gong等用乙酸鈉作為碳源時(shí),發(fā)現(xiàn)在C/N值=1.4~3.5時(shí)NO 2--N都能有效積累。Qian等發(fā)現(xiàn)當(dāng)系統(tǒng)pH值從5.0增至9.0時(shí),反應(yīng)器中NTR逐漸升高,而且pH值=9.0時(shí)短程反硝化關(guān)鍵細(xì)菌 Thauera的相對(duì)豐度最高。王淑瑩等研究表明,以污泥發(fā)酵液為碳源,分次投加和1次投加對(duì)短程反硝化系統(tǒng)中NTR的峰值影響不大,但分次投加更有利于NO 2--N穩(wěn)定積累。在反硝化耦合厭氧氨氧化系統(tǒng)中,分次投加污泥發(fā)酵液不會(huì)降低厭氧氨氧化活性。Du等發(fā)現(xiàn),在反硝化氨氧化(DEAMOX)系統(tǒng)中,總氮超過(guò)500mg/L時(shí),分次投加碳源能明顯提升PD過(guò)程的NTR。
目前雖有少部分文獻(xiàn)報(bào)道了碳源投加方式對(duì)PD的影響,但這些研究多是采用短程反硝化-ANAMMOX耦合工藝分析碳源投加方式對(duì)整體脫氮效果的影響,而碳源投加方式對(duì)PD中氮素轉(zhuǎn)化特性和轉(zhuǎn)化速率的影響鮮有研究。因此,筆者采用序批式反應(yīng)器(SBR)處理模擬硝酸鹽廢水,以乙酸鈉為碳源,探究在不同碳源投加方式下PD工藝的啟動(dòng)以及運(yùn)行性能的差異情況,并利用高通量測(cè)序技術(shù)分析不同條件下微生物群落變化,旨在為硝酸鹽廢水的處理提供理論支持。
0 1
材料與方法
1.1實(shí)驗(yàn)裝置
實(shí)驗(yàn)裝置采用SBR反應(yīng)器,由有機(jī)玻璃制成,有效體積為3L,長(zhǎng)為11cm,寬為11cm,高為40cm,見(jiàn)圖1。在反應(yīng)器上方安裝JJ-1型懸臂式攪拌器,攪拌速度為200r/min,以保持反應(yīng)過(guò)程中的完全混合且溶解氧不超過(guò)0.2mg/L。使用哈希HQ30d溶解氧儀測(cè)定溶解氧,雷弗BT100L型蠕動(dòng)泵控制進(jìn)水和碳源投加,德力西2W040-10型電磁閥進(jìn)行排水。使用YX25L型溫控加熱盤(pán)控制反應(yīng)器內(nèi)溫度在24~25 ℃。
圖1 SBR裝置示意
1.2 實(shí)驗(yàn)方案
SBR每天運(yùn)行2個(gè)周期,每周期進(jìn)水1.5L,排水比為50%。本實(shí)驗(yàn)分為兩個(gè)階段,階段Ⅰ為反應(yīng)啟動(dòng)階段:厭氧攪拌360min(包括進(jìn)水2min),沉淀30min,排水5min;階段Ⅱ?yàn)樘荚赐都臃绞教骄侩A段:厭氧攪拌240min(包括進(jìn)水2min),沉淀30min,排水5min。
整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程進(jìn)水NO 3--N為100mg/L,使用乙酸鈉溶液(COD為25g/L)提供反應(yīng)所需碳源,控制反應(yīng)起始C/N值為2。第Ⅰ階段(第1~10天)分4次投加碳源,即在t=0/1/2/3 h分別投加3 mL乙酸鈉溶液,旨在啟動(dòng)短程反硝化。第Ⅱ階段采用3種碳源投加方式,即1次投加方式(第11~28天,在t=0min時(shí)投加12mL乙酸鈉溶液)、3次投加方式(第29~47天,在t=0/30/60min分別投加4mL乙酸鈉溶液)、6次投加方式(第48~68天,在t=0/10/20/30/40/50 min分別投加2mL乙酸鈉溶液)。3種投加方式各選取3個(gè)周期進(jìn)行單周期連續(xù)取樣。每天監(jiān)測(cè)SBR反應(yīng)器進(jìn)、出水的NO3--N、NO2--N、pH值。
1.3 接種污泥與實(shí)驗(yàn)進(jìn)水
接種污泥取自實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)成熟的全程自養(yǎng)脫氮污泥,接種后SBR反應(yīng)器內(nèi)混合液的MLVSS為1500mg/L,30d排泥1次。
實(shí)驗(yàn)進(jìn)水為人工配制的模擬廢水,主要包括NaNO 3、微生物生長(zhǎng)所需的營(yíng)養(yǎng)元素、微量元素A及B溶液 ,pH值為7.5~8.5。
1.4 分析項(xiàng)目及方法
水樣首先經(jīng)過(guò)0.45μm納濾膜過(guò)濾,然后分別采用N-(1-萘基)-乙二胺分光光度法、紫外分光光度法、PHS-3C型pH計(jì)、馬福爐灼燒重量法測(cè)定NO 2--N、NO3--N、pH值、MLVSS;微生物群落結(jié)構(gòu)采用高通量基因測(cè)序技術(shù)進(jìn)行分析。
NTR、比轉(zhuǎn)化速率參考文獻(xiàn)進(jìn)行計(jì)算。
0 2
結(jié)果與分析
2.1短程反硝化系統(tǒng)的啟動(dòng)
圖2反映了反應(yīng)器內(nèi)PD啟動(dòng)過(guò)程中NO 3--N、NO2--N濃度及NTR變化情況。進(jìn)水NO3--N為100mg/L,乙酸鈉為唯一碳源,碳源分4次投入SBR反應(yīng)器中,PD系統(tǒng)經(jīng)過(guò)19個(gè)周期的馴化完成啟動(dòng)。啟動(dòng)可分為兩個(gè)階段:第1~9周期,PD活性增強(qiáng)階段;第10~19周期,PD活性穩(wěn)定階段。第1~9周期,反應(yīng)器出水NO3--N濃度從26.89mg/L降至12.39mg/L,NO2--N濃度從0.75mg/L增加到44.9mg/L,NTR從22.00%升至86.17%,此時(shí)認(rèn)為系統(tǒng)中PD性能逐漸增強(qiáng)。第10~19周期,反應(yīng)器出水NO3--N和NO2--N平均濃度為12.53mg/L和61.41mg/L,NO2--N高積累量得以維持,NTR平均為89.78%、最大為97.09%,說(shuō)明經(jīng)過(guò)19個(gè)周期的馴化,在SBR反應(yīng)器中成功啟動(dòng)了PD系統(tǒng)。
圖2 PD啟動(dòng)階段運(yùn)行狀況
目前,大多數(shù)研究者啟動(dòng)PD采用一次性投加碳源的方法。畢春雪等 在SBR反應(yīng)器中通過(guò)一次性投加乙酸鈉耗時(shí)21d啟動(dòng)了PD,張星星等 采用3種不同的污泥源耗時(shí)9d啟動(dòng)了PD系統(tǒng),且NTR均僅在70%左右。本實(shí)驗(yàn)采用的SBR反應(yīng)器僅經(jīng)過(guò)19個(gè)周期(10d)的運(yùn)行,NTR就達(dá)到89.78%,在短時(shí)間內(nèi)完成了高效穩(wěn)定PD系統(tǒng)的啟動(dòng),因此可以認(rèn)為分次投加碳源有利于SBR反應(yīng)器中PD的啟動(dòng)。
2.2 碳源投加方式對(duì)短程反硝化的影響
2.2.1 氮素轉(zhuǎn)化特性
不同碳源投加方式對(duì)PD系統(tǒng)氮素轉(zhuǎn)化特性的影響如圖3所示。進(jìn)水NO 3--N為100mg/L,一次性投加時(shí),反應(yīng)器出水NO3--N、NO2--N平均濃度分別為17.18、49.24mg/L,NTR平均為75.10%、最大達(dá)到88.62%。前10d反應(yīng)器中NTR稍有波動(dòng),后趨于穩(wěn)定。3次投加方式條件下,反應(yīng)器出水NO3--N、NO2--N平均濃度分別為12.28、58.9mg/L,NTR平均為81.55%,比一次性投加時(shí)高6.45%,NTR最大為88.72%,與一次性投加時(shí)相差不大,說(shuō)明3次投加時(shí)反應(yīng)器出水NTR波動(dòng)不大。6次投加方式條件下,反應(yīng)器出水NO3--N、NO2--N平均濃度分別為7.33、60.92mg/L,NTR平均為86.55%、最高可達(dá)96.14%。
圖3 不同碳源投加方式下PD運(yùn)行狀況
在不同的投加方式下,PD系統(tǒng)出水NO 3--N、NO2--N濃度差異明顯。在其他運(yùn)行條件相同的情況下,隨著碳源投加次數(shù)的增多,SBR反應(yīng)器出水NO2--N濃度、NTR呈上升趨勢(shì),NO3--N剩余量呈下降趨勢(shì),說(shuō)明碳源投加次數(shù)增多有利于提升反應(yīng)器內(nèi)PD活性。碳源分6次投加可以在最大限度上促使NO3--N轉(zhuǎn)化為NO2--N,同時(shí)進(jìn)行完全反硝化的NO3--N比例下降,因此積累了高濃度的NO2--N。少量多次地投加碳源可使反應(yīng)器中的有機(jī)物濃度處于較低水平。在較低的C/N值條件下,硝酸鹽還原酶的活性大于亞硝酸鹽還原酶的活性,NO 3--N優(yōu)先還原為NO2--N,使NO2--N得以積累。
2.2.2 典型周期轉(zhuǎn)化速率
圖4展示了不同碳源投加方式下SBR反應(yīng)器中PD典型周期內(nèi)NO 3--N、NO2--N濃度及NTR變化情況。各條件下典型周期實(shí)驗(yàn)次數(shù)為3次。一次性投加時(shí),在前60min,反應(yīng)器出水NO3--N濃度由64.63mg/L降至28.15mg/L,NO2--N濃度從12.68mg/L升至41.72mg/L,60min時(shí)NTR達(dá)到峰值80.09%。在后續(xù)180min反應(yīng)時(shí)間內(nèi),NO2--N僅增加了3.94mg/L,NO3--N僅減少了9.45mg/L。3次投加時(shí),反應(yīng)器出水氮素濃度變化主要在前90min內(nèi),NO3--N在0~90 min和90~240min的濃度分別下降了43.39、7.37mg/L,NO2--N則分別增加了30.83、4.21mg/L,但NTR峰值仍出現(xiàn)在60min時(shí),為72.46%。6次投加時(shí),在前60min完成了大部分NO2--N的積累,反應(yīng)器出水NO2--N增加了33.80mg/L,NO3--N減少了39.90mg/L,60min時(shí)NTR最大為84.50%。3種投加方式下反應(yīng)器內(nèi)NO3--N減少量均大于NO2--N積累量,二者差值越小,說(shuō)明反應(yīng)器內(nèi)NO2--N的還原量越少,NTR越高。
圖4 PD典型周期內(nèi)氮素濃度、NTR變化曲線(xiàn)
此外,3種投加條件下SBR反應(yīng)器出水NO 3--N、NO2--N濃度及NTR變化趨勢(shì)基本相似。在反應(yīng)前期,反應(yīng)器出水NO3--N濃度隨著反應(yīng)的進(jìn)行而逐漸降低,NO2--N濃度不斷積累升高。這是因?yàn)樵诜磻?yīng)初期,硝酸鹽還原菌的底物NO3--N和碳源充足,硝酸鹽還原酶可結(jié)合的電子供體與受體增加,NO3--N可快速轉(zhuǎn)化為NO2--N。反應(yīng)一段時(shí)間后,反應(yīng)器中NO3--N、NO2--N濃度變化不大,是因?yàn)榉磻?yīng)后期NO3--N和碳源濃度較低,反應(yīng)變慢,NO3--N和NO2--N變化不明顯,因此二者濃度及NTR比較穩(wěn)定。有研究表明,當(dāng)C/N值大于3(超過(guò)了完全反硝化所需要的碳源量)時(shí)出水NO 2--N濃度隨反應(yīng)的進(jìn)行而先增加后減少。而本實(shí)驗(yàn)中C/N值為2,且通過(guò)分次投加降低了反應(yīng)期間碳源濃度,使反應(yīng)器中不明顯發(fā)生完全反硝化,才成功在反應(yīng)后期穩(wěn)定積累NO2--N濃度。3種碳源投加方式下,反應(yīng)器中的NTR呈微弱的先上升后下降的趨勢(shì),且均在60min時(shí)達(dá)到最大值。經(jīng)比較可知,6次投加方式下反應(yīng)器出水NO2--N濃度和NTR都達(dá)到最高水平。
在前4次取樣時(shí)間內(nèi),反應(yīng)器內(nèi)NO 3--N減少量和NO2--N積累量與時(shí)間呈線(xiàn)性關(guān)系,R2>0.95。典型周期內(nèi)的PD反應(yīng)速率可由擬合后的二者濃度變化以及污泥濃度MLVSS來(lái)確定,結(jié)果如圖5所示。
圖5 不同碳源投加方式下PD典型周期內(nèi)的比反應(yīng)速率
在3種投加方式中,6次投加時(shí)NO 3--N比還原速率、NO2--N比積累速率最大,分別為26.79、22.65mg/(g·h),3次投加方式的NO3--N比還原速率、NO2--N比積累速率最小,分別為19.42、13.95mg/(g·h)。此外,無(wú)論何種投加方式,NO3--N比還原速率遠(yuǎn)大于NO2--N比還原速率。一次性投加時(shí),NO3--N比還原速率是NO2--N比還原速率的4.82倍,3次、6次投加時(shí)分別為3.55、6.47倍。6次投加方式的NO3--N比還原速率與NO2--N比還原速率相差最大,NO2--N得以更好地積累,與在該條件下PD系統(tǒng)具有較高的NTR相一致。由此可以認(rèn)為,NO3--N比還原速率大于NO2--N比還原速率是NO2--N積累的直接原因,這與王淑瑩等、Cao等 的研究結(jié)果相似。
2.3 微生物群落分析
利用16SrDNA高通量測(cè)序進(jìn)一步了解不同運(yùn)行條件下反應(yīng)器中微生物群落結(jié)構(gòu)的變化情況。seed取自反應(yīng)器運(yùn)行第1天(接種污泥)、R1取自反應(yīng)器運(yùn)行第16天(1次投加方式)、R3取自反應(yīng)器運(yùn)行第35天(3次投加方式)、R6取自反應(yīng)器運(yùn)行第57天(6次投加方式)。4個(gè)污泥樣品的Coverage值分別為98.80%、97.68%、99.60%、99.74%,有較高的樣本文庫(kù)覆蓋率,說(shuō)明本次測(cè)序有效。Shannon值用來(lái)表征微生物群落的多樣性,其數(shù)值越大,多樣性越高。seed、R1、R3、R6的Shannon值分別為5.69、8.02、6.19、7.10,說(shuō)明R1比其他樣品的物種多樣性要高,即seed、R3、R6中微生物的專(zhuān)一性更高,功能細(xì)菌的優(yōu)勢(shì)更強(qiáng)。
SBR反應(yīng)器中各時(shí)期污泥樣品門(mén)水平、屬水平的微生物群落豐度見(jiàn)圖6。從圖6(a)可知,4個(gè)污泥樣品中分別檢測(cè)出9、11、18、15種已知菌門(mén),有6種主要菌門(mén)(相對(duì)豐度>1.0%),分別為擬桿菌門(mén)(Bacteroidetes)、變形菌門(mén)(Proteobacteria)、綠彎菌門(mén)(Chloroflexi)、厚壁菌門(mén)(Firmicutes)、浮霉菌門(mén)(Planctomycetes)和Patescibacteria菌門(mén)。按照豐度由高到低排序,seed中優(yōu)勢(shì)菌門(mén)為擬桿菌門(mén)(84.08%)、厚壁菌門(mén)(14.86%);R1中優(yōu)勢(shì)菌門(mén)為擬桿菌門(mén)(70.50%)、厚壁菌門(mén)(25.60%)以及 Patescibacteria菌門(mén)(1.59%);R3中優(yōu)勢(shì)菌門(mén)為擬桿菌門(mén)(38.49%)、變形菌門(mén)(32.73%)、綠彎菌門(mén)(22.35%)、浮霉菌門(mén)(4.28%);R6中優(yōu)勢(shì)菌為變形菌門(mén)(47.71%)、綠彎菌門(mén)(22.62%)、擬桿菌門(mén)(22.35%)、浮霉菌門(mén)(4.96%)。可以發(fā)現(xiàn),R3、R6中出現(xiàn)了seed、R1中沒(méi)有的綠彎菌門(mén),綠彎菌門(mén)是含有綠色素的兼性厭氧細(xì)菌,可以分解糖類(lèi)物質(zhì)并進(jìn)行脫氮 。擬桿菌門(mén)的豐度逐漸降低,變形菌門(mén)的豐度逐漸升高,R6中變形菌門(mén)占47.71%,此豐度與已有文獻(xiàn) 中活性污泥變形菌門(mén)的豐度相近。污水處理中常見(jiàn)的反硝化菌屬大多屬于變形菌門(mén),變形菌門(mén)可以在降解有機(jī)物的同時(shí)脫氮除磷,因此,高豐度變形菌門(mén)是PD系統(tǒng)中高NTR的保證。
從圖6(b)可知,R3、R6新增了前兩個(gè)樣品中未檢測(cè)出的反硝化菌屬 Thauera,相對(duì)豐度分別為14.29%、17.11%。 Thauera是PD研究中實(shí)現(xiàn)NO 2--N積累的功能菌屬。Du等的研究接種已馴化成功且穩(wěn)定運(yùn)行的反硝化污泥,發(fā)現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)后期Thauera是PD工藝中的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)菌屬,相對(duì)豐度為67.25%。而本實(shí)驗(yàn)接種污泥為實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)成熟的全程自養(yǎng)脫氮污泥,反應(yīng)后期才出現(xiàn) Thauera,條件的優(yōu)化使與PD相關(guān)優(yōu)勢(shì)菌得到富集,這與6次投加時(shí)效果最優(yōu)的結(jié)論一致。
圖6 微生物群落分析
0 3
結(jié)論
①在常溫(24~25 ℃)下,當(dāng)進(jìn)水NO3--N為100 mg/L、C/N值=2時(shí),碳源分次投加,可以在短時(shí)間(10d)內(nèi)啟動(dòng)高效穩(wěn)定的PD系統(tǒng)。
②6次投加方式下SBR反應(yīng)器中PD運(yùn)行效能最好。6次投加方式下出水NO3--N、NO2--N平均濃度分別為7.33、60.92 mg/L,NTR平均為86.55%,NO3--N比還原速率最大[26.79mg/(g·h)],NO2--N比還原速率最。4.14mg/(g·h)]。
③碳源投加次數(shù)增多有利于提升SBR反應(yīng)器內(nèi)PD的活性,促進(jìn)反應(yīng)器出水NO2--N的積累,可為后續(xù)ANAMMOX脫氮提供充足的基質(zhì)。
④擬桿菌門(mén)和變形菌門(mén)是PD系統(tǒng)中的優(yōu)勢(shì)菌門(mén),在3次投加和6次投加的污泥中出現(xiàn)的新菌屬Thauera是眾多已報(bào)道PD研究中實(shí)現(xiàn)NO 2--N積累的功能菌屬,Thauera的富集能維持PD系統(tǒng)的穩(wěn)定。
本文的完整版刊登在《中國(guó)給水排水》2022年第3期,作者及單位如下:
碳源投加方式對(duì)短程反硝化性能的影響
郭露1,2,汪曉軍1,2,3,秦嘉富1,2,陳振國(guó)3,4
該文標(biāo)準(zhǔn)著錄格式:
郭露,汪曉軍,秦嘉富,等.碳源投加方式對(duì)短程反硝化性能的影響[J].中國(guó)給水排水,2022,38(3):74-80.
GUO Lu,WANGXiaojun,QIN Jiafu,et al.Effect of carbon source dosing mode on partial denitrification performance[J].China Water & Wastewater,2022,38(3):74-80(in Chinese).
編輯:任瑩瑩
制作:文 凱
審核:李德強(qiáng)
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