【中國環(huán)保在線 技術(shù)前沿】在冬季低溫影響下，污水處理廠氮污染物去除效果也容易出現(xiàn)反復。硫自養(yǎng)反硝化法以運行成本低、效率高、工藝簡單等特性受關(guān)注，尤其是在低溫低碳氮比條件下的應用更是突出。本文以顆粒硫磺和黃鐵礦的硫自養(yǎng)反硝化反應器為研究對象，進行詳細數(shù)據(jù)記錄。

污水低溫脫氮：硫自養(yǎng)反硝化法效果顯著

 

　　由于冬季低溫的影響，中國北方污水處理廠常面臨季節(jié)性TN超標的問題。此外，受制于市政污水低碳氮比的水質(zhì)特性，污水處理廠也面臨著異養(yǎng)反硝化不充分而導致的TN超標問題。與異養(yǎng)反硝化相比，硫自養(yǎng)反硝化是以還原態(tài)硫為電子供體，NO3--N為電子受體進行的自養(yǎng)反硝化過程，能夠有效地去除水中的NO3--N.硫自養(yǎng)反硝化因無需外加碳源、運行成本低、污泥產(chǎn)量少、效率高、工藝簡單等優(yōu)點而得到廣泛關(guān)注。目前，Li等將硫自養(yǎng)反硝化工藝應用于低溫、低碳氮比條件下污水處理廠氮污染物的去除，并達到了90%以上的氮去除效果。另一方面，硫自養(yǎng)反硝化過程作為冬季或低碳比條件下的脫氮保障工藝，常面臨季節(jié)性、間歇性運行的操作方式。但是針對硫自養(yǎng)反硝化工藝饑餓忍耐后能力恢復及其對微生物菌群結(jié)構(gòu)影響的研究卻鮮見報道。
 

　　近年來，分子生物學作為有效手段用來研究污水處理過程中微生物群落結(jié)構(gòu)特性，如變形梯度凝膠電泳、克隆文庫和高通量測序等。MiSeq高通量測序以Illumina的測序技術(shù)為基礎(chǔ)，通過可逆終止試劑方法對數(shù)百萬個基因片段同時進行大規(guī)模平行測序，具有分析結(jié)果、高速等特點，被廣泛應用于污水處理過程中微生物結(jié)構(gòu)和多樣性研究。
 

　　本文以顆粒硫磺和黃鐵礦的硫自養(yǎng)反硝化反應器為研究對象，探究反應器在經(jīng)過30 d饑餓忍耐后的恢復情況，并利用MiSeq高通量測序?qū)︷囸I忍耐前后反應器中細菌群落的變化情況進行分析，以期為污水處理廠脫氮保障工藝的季節(jié)性、間歇性運行提供技術(shù)參考。
 

　　1 材料與方法
 

　　1.1試驗裝置
 

　　硫自養(yǎng)反硝化工藝采用降流式生物濾池，試驗裝置示意圖如圖 1所示。反應器為密封的有機玻璃柱，內(nèi)徑140 mm，高度1 170 mm，填充高度500 mm，有效容積5.94 L.進水口距柱底600 mm，沿反應器不同高度處分別設(shè)置取填料口，取填料口距填料頂部的距離分別是100 mm和300 mm。

　　圖 1 試驗裝置示意

 

　　試驗共設(shè)2個反應器(分別記為1號、2號)，1號反應器加入硫磺和白云石的混合物，2號反應器加入黃鐵礦和白云石的混合物。 2個反應器中的填料均按1:1的體積比混合裝填，硫磺、黃鐵礦和白云石的粒徑均為5——10 mm.其中，硫磺/白云石的填充區(qū)域孔隙率為45.9%，黃鐵礦/白云石為44.1%。
 

　　1.2 進水水質(zhì)和接種污泥
 

　　本試驗用水為人工模擬污水廠尾水，水質(zhì)指標為： NO3--N濃度為30 mg˙L-1，NH4+-N濃度為2 mg˙L-1，TP濃度為1 mg˙L-1，COD濃度為18——23 mg˙L-1，pH為6.8——7.2.接種污泥取自高碑店污水處理廠二沉池回流污泥。
 

　　1.3 反應器運行方式
 

　　反應器在低溫下運行85 d (1月2日至3月26日)，主要分為穩(wěn)定期、饑餓期和恢復期：穩(wěn)定期(1——30 d)，正常進水，反應器穩(wěn)定運行，平均溫度為12℃；饑餓期(31——60 d)，停止進水，反應器處于饑餓狀態(tài)，平均溫度12.8℃；恢復期(61——85 d)，恢復進水，反應器進入恢復期，平均溫度為14℃。饑餓期結(jié)束后及恢復期采集反應器中的污泥樣品(1號饑餓期A1、恢復期A2；2號饑餓期B1、恢復期B2) 進行MiSeq高通量測序分析，分析反應器饑餓期及穩(wěn)定期細菌群落的變化情況。
 

　　1.4 測試指標和方法1.4.1 水質(zhì)指標的測定
 

　　反應器運行期間，定期采樣進行水質(zhì)指標的測定，檢測項目包括硝酸鹽氮(NO3--N)、亞硝氮(NO2--N)、總氮(TN)、總磷(TP) 等。其中NO3--N采用紫外分光光度法測定；NO2--N采用N-(1-萘基)-乙二胺分光光度法測定；TN采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法測定；TP采用鉬酸鹽分光光度測定。試驗所用分光光度計為HACH DR5000紫外可見分光光度計。生物量采用脂磷法測定。
 

　　1.4.2 微生物多樣性的測定
 

　　DNA的提取與PCR的擴增：為了探究系統(tǒng)的細菌群落，在反應的饑餓期和恢復期進行取樣。采用E. Z. N. A. Soil DNA試劑盒(美國Omega公司)，按照試劑盒說明書提供的操作步驟提取。提取的DNA用1%瓊脂凝膠電泳進行檢測。 PCR的擴增區(qū)域為16S rRNA的V3-V4區(qū)，細菌16S rRNA擴增引物采用通用引物(338F/806R)。引物名稱和引物序列分別是338F (ACTCCTACGGGAGGCAGCAG) 和806R (GGACTACHVGGGTWTCTAAT)。 PCR反應體系： Forward primer (10 μmol˙L-1)，2 μL；Reverse primer (10 μmol˙L-1)，2 μL；dNTPs (2.5 mmol˙L-1)，4 μL；10×PCR buffer，5 μL；Pyrobest DNA Polymerase (2.5 U˙μL-1)，0.3 μL；補充ddH2O至50 μL.反應程序：先95℃預熱5 min；然后進行25個循環(huán)(95℃變形30 s，56℃退火30 s，72℃延伸40 s)，后72℃延伸10 min.用AxyPrepDNA凝膠回收試劑盒(Axygen公司) 回收PCR產(chǎn)物，經(jīng)Tris-HCl洗脫后，用2%瓊脂糖凝膠電泳檢測。根據(jù)電泳結(jié)果。將PCR產(chǎn)物用QuantiFluorTM -ST (Promega公司) 進行定量，按照每個樣品的測序量要求，進行相應比例的混合。
 

　　MiSeq文庫構(gòu)建與測序：用高通量測序平臺Illumina MiSeq對擴增產(chǎn)物進行MiSeq高通量測序。測序得到的PE reads根據(jù)overlap關(guān)系進行拼接，同時過濾掉低質(zhì)量的reads，區(qū)別樣品后進行OUT聚類分析和物種分類學分析。
 

　　生物多樣性和分類學分析：首先將序列按照彼此的相似性歸為操作分類單元(OTU)。按照97%相似性進行OUT聚類，采用RDP classifier對97%相似水平的OUT代表序列進行分類學分析。利用MOTHUR軟件對樣品覆蓋率(coverage percentage)，ACE，Chao豐富指數(shù)以及Shannon多樣性指數(shù)進行計算。同時為了保證分析的高可信度，根據(jù)SILVA106庫中的參考序列對OUT進行種屬鑒定，種屬比對的可信度閾值設(shè)定為80%.
 

　　2 結(jié)果與討論
 

　　2.1反應器運行情況
 

　　穩(wěn)定期、饑餓期和恢復期的硫自養(yǎng)1號和2號反應器進出水水質(zhì)的變化情況如圖 2所示。進水NO3--N、NO2--N、TN和TP平均濃度分別為30.00、0.01、35.88和1.00 mg˙L-1.穩(wěn)定期，反應器在低溫下(12℃) 運行30 d后，1號反應器出水NO3--N、NO2--N、TN和TP濃度分別為1.78、0.03、2.87和0.91 mg˙L-1，TN去除率為91.9%，1號反應器具有較高的脫氮效果。 2號反應器出水NO3--N、NO2--N、TN和TP濃度分別為11.32、0.11、13.10和0.14 mg˙L-1，TN和TP去除率分別為63.49%和86.41%. 2號反應器具有同步脫氮除磷的效果。

　　圖 2 饑餓前后反應器NO3--N、NO2--N、TN、TP的變化

 

　　反應器穩(wěn)定運行后，停止進水，進入饑餓期。經(jīng)過30 d的饑餓忍耐后，反應器在低溫下(14℃) 恢復進水，進入恢復期。由圖 2可以看出，饑餓忍耐后，1號反應器出水NO3--N增加到27.87 mg˙L-1，2號反應器出水NO3--N增加到26.56 mg˙L-1.但隨著反應器的恢復，出水NO3--N濃度逐漸降低，1號反應器經(jīng)5 d的恢復(第65 d)，出水NO3--N和TN濃度分別為0.38 mg˙L-1和2.37 mg˙L-1，去除率分別為98.8%和93.6%；2號反應器經(jīng)11 d的恢復(第71 d)，出水NO3--N和TN濃度分別為10.51 mg˙L-1和12.91 mg˙L-1，去除率為66.40%和65.57%.其次，在恢復期2個反應器的出水NO2--N濃度均呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，恢復初期均出現(xiàn)NO2--N的積累。由圖 2可知，1號反應器恢復期第3 d (第63 d) 出水NO2--N濃度為2.17 mg˙L-1；2號反應器恢復期第5 d(第65 d)，出水NO2--N濃度為0.37 mg˙L-1.隨著反應器穩(wěn)定運行，終1號反應器NO2--N濃度下降到0.1 mg˙L-1以下，2號反應器有0.1 mg˙L-1 NO2--N的積累量。此外，饑餓忍耐未對2號反應器TP的去除效果產(chǎn)生明顯的影響。原因如下，2號反應器對磷的去除主要是通過黃鐵礦中的鐵與磷結(jié)合形成鐵磷沉淀物及鐵的氧化物和氫氧化物對磷有吸附作用，饑餓條件下并未明顯影響這一物理化學過程。結(jié)果表明，與1號反應器相比，2號反應器的恢復時間略長，但2個反應器都能在低溫、短期內(nèi)恢復到正常處理效果。
 

　　饑餓期(第60 d) 及恢復期(第85 d) 反應器不同高度處微生物量的變化如表 1所示。從中可知，1號和2號反應器饑餓忍耐后不同高度處微生物量均低于恢復期。分析原因，主要是饑餓期間反應器中部分微生物對饑餓環(huán)境的忍耐能力差，裂解死亡；部分細菌因營養(yǎng)物質(zhì)缺乏而進入休眠狀態(tài)，不能進行生長繁殖。反應器恢復進水后，生物膜的活性和生長可得到不同程度的恢復，使得微生物量有所增加，同時反硝化性能得以恢復。

　　表 1 饑餓忍耐前后反應器不同高度處生物量的變化/nmol˙g