基金项目:陕西省自然科学基础研究计划(2020JM-264)
第一作者:仇潇洒(1994-),女,硕士,主要从事污水处理与资源化研究.E-mail:1139535101@qq.com
赵红梅1,2,仇潇洒1,2,薛晓燕2,3 ,张莉平1,2 (1.长安大学 建筑工程学院,陕西 西安 710061; 2.住房与城乡建设部 给水排水重点实验室,陕西 西安710061; 3.长安大学 环境科学与工程学院,陕西 西安710054; )
(1.School of Civil Engineering, Chang 'an University, Xi'an 710061,China; 2.Department of housing and urban-rural development water supply and drainage key laboratory, Xi'an 710061, China; 3.School of Environmental Science and Engineering, Chang'an University, Xi'an 710054, China)
denitrification; Thauera; C/N; nitrite nitrogen; nitrogen nitrate; N2O
DOI: 10.15986/j.1006-7930.2020.03.021
为揭示优化后的缺氧反硝化系统在处理高NO-2和NO-3废水时的脱氮效果和N2O产生情况,采用序批式活性污泥反应器(SBR),研究优化后的污泥系统在初始NO-2-N浓度为300 mg/L和400 mg/L时,不同进水C/N条件下反硝化过程脱氮和N2O产生情况,同时对比初始浓度为500 mg/L、C/N为2时,不同电子受体情况下N2O的产生情况.研究结果表明:反硝化污泥系统优化后,反硝化速率提升了1.29倍,脱氮性能逐渐增强,N2O累计逸出量降低了100倍,污泥系统中的脱氮优势菌群为陶厄氏菌属(Thauera),所占比例从23.5%增加到76.4%; 初始NO-2-N浓度为300 mg/L和400 mg/L时,不同进水条件下,系统均可表现出较强的反硝化能力,反硝化过程中N2O最大转化率仅为0.104%; 初始浓度提高到500 mg/L,C/N为2,以NO-3-N为电子受体时,反应过程NO-2-N最大积累量仅为22.46 mg/L,溶解态N2O始终维持在0.304 mg/L左右,而以NO-2-N为电子受体时,溶解态N2O峰值达到0.765 mg/L,但N2O最大转化率仅为0.066%; 反硝化污泥系统优化后,对高硝氮废水可表现出较强的反硝化能力,同时反硝化过程N2O的产量较低.
To reveal the denitrification effect and N2O production of the optimized anoxic denitrification system in the treatment of high NO-2and NO-3 wastewater,a sequencing batch activated sludge reactor was used to study the production of N2O in the optimized denitrification process under different C/N ratio when the initial NO-2-N concentrations were 300 mg/L and 400 mg/L.Simultaneously, when the initial concentration was 500mg/L and C/N was 2, the production of N2O under different electron acceptors was compared.Results show that after the denitrification sludge system was optimized, the denitrification rate increased by 1.29 times and the denitrification performance was gradually enhanced.Meanwhile,the accumulated N2O emission was reduced 100 times.The proportion of Thauera increased from 23.5% to 76.4%, becoming the major microbial community in the denitrifying system.When the initial concentration of NO-2-N was 300 mg/L and 400 mg/L, the system can show strong denitrification ability under different influent conditions.The maximum conversion rate of N2O was only 0.104%.The C/N was 2 and initial concentration increased to 500 mg/L, the maximum accumulation of NO-2-N was only 22.4 mg/L and the dissolved N2O was maintained at about 0.304mg/L when the NO-3-N was an electron acceptor.When the NO-2-N was an electron acceptor, the dissolved N2O peak value reaches 0.765 mg/L but the conversion rate of N2O is only 0.066%.After the denitrification sludge system was optimized, it can show stronger denitrification ability for high nitrate nitrogen wastewater, and it can reduce the amount of N2O produced in denitrification process.
N2O作为一种能引起温室效应、臭氧层空洞和酸雨等问题的气体物质[1-2],其产生和排放得到了众多关注.在污水生物脱氮过程中有0.05%~25%的含氮化合物会转化为N2O释放到大气中[3],且生物脱氮的硝化和反硝化过程均会产生N2O[4].现有对硝化和反硝化过程中N2O产生机制的研究结果显示,硝化过程N2O的产生机制较反硝化过程复杂,主要与不稳定中间物(NH2OH、NOH)的化学氧化和分解以及自养菌的反硝化作用等有关[8].而反硝化过程N2O的生成量可占总生成量的20%[5],也不容忽视.
在反硝化过程中,N2O产生受多方面因素影响,如低C/N值、DO、pH、高浓度NO-2等[6],且多数研究证实,在反硝化过程影响N2O释放的所有因素中,NO-2-N对N2O的产生影响最大[12-14],NO-2-N作为电子受体时微生物 活性降低,反硝化过程也会受到影响[9].此外,碳源浓度对N2O的释放也有显著影响,Itokawa等[15]研究认为C/N低于3.5时污水处理系统中有机氮化物20%~30%会以N2O形式释放.目前,研究表明反硝化过程中高NO-2-N和NO-3-N废水会造成N2O的大量产生.在高浓度NO-3-N条件下,反硝化过程中NO-2-N的积累量会明显增加[10],Alinsafi 等[13]认为反硝化阶段高浓度的NO-2-N不仅会降低反硝化速率而且会抑制Nos酶活性,从而导致N2O大量释放.因此本研究采用SBR反应器,对反硝化污泥系统进行优化,在优化系统稳定后研究其在处理高NO-2-N和NO-3-N废水过程中的脱氮效果和N2O产生情况,以期为生物反硝化脱氮过程N2O的产生及脱氮性能研究提供有价值的参考.
缺氧反硝化污泥的培养采用SBR反应器,试验装置图见图1(a).反应器有效容积为6 L,高35 cm,内径20 cm,采用水浴加热,温度维持在26±2℃.每周期进水2L,进出水量和进出水时间由液位继电器和时控装置控制,反应阶段采用JJ-1型电动搅拌器进行搅拌,转速为110 rpm.SBR反应器每周期3 h,其中进水2 min,搅拌反应140 min,沉淀30 min时间,排水3 min,静置5 min.批式试验采用容积为3 L的圆柱形反应器,搅拌转速为110 rpm,试验温度为26±2℃.试验装置图见图1(b).
SBR反应器运行过程中,试验废水采用人工配制,组分及浓度见表1.培养条件为每周期3 h,其中进水1 min,缺氧搅拌141 min,沉淀30 min,排水3 min,静置5 min,循环运行.第1~第4天进水NO-3-N浓度为60 mg/L,5~6 d升至80 mg/L,此后一直维持在90 mg/L,运行22 d后发现污泥沉降性能差、流失严重,SV30可达78%,系统难以稳定运行,这与Ng等[35]研究结果相似,絮状污泥系统长期在缺氧条件下运行后,污泥浓度极低,难以维持正常运行.因此在重新启动过程中,对反应器运行条件进行优化,保持试验废水浓度不变,通过控制沉淀时间来筛选沉淀性能较好的絮状污泥,在第1~10 d控制沉降时间为15 min来对污泥进行筛选,将沉降性能差的污泥筛选出去,10 d后恢复沉降时间为30 min.在长期运行的110 d内,缺氧反硝化系统始终运行稳定,污泥浓度维持在正常水平.此外,在运行过程中,保持进水C/N为5,为中和反应器内反硝化产生的碱度,需调整进水pH值为6.
反应器接种污泥取自西安市第四污水处理厂A2/O工艺系统,初始污泥浓度为5 200 mg/L,SV30为33%,SVI为63.81,反应器稳定后污泥浓度为5 300 mg/L,SV30为40%,SVI为78.4.
试验用污泥取自经优化后的反硝化SBR反应器,污泥浓度为4 500 mg/L,批式试验废水采用人工配制,以NaAC为碳源,NaNO2和NaNO3为氮源进行反硝化试验.在NO-2-N初始浓度分别为300 mg/L和400 mg/L时,改变C/N为2、3、4,检测反硝化过程NO-2-N的降解及N2O的代谢特征,且当初始浓度为500 mg/L,C/N为2时,对比以NO-2-N和NO-3-N分别为电子受体时系统N2O产生情况.
NO-2-N、NO-3-N、COD、MLSS等采用国标进行测定; 微生物群落采用16S rRNA高通量基因测序进行测定.
溶解态N2O采用丹麦Unisence微电极系统测定,微电极系统矫正完毕后,将电极探头插入待测溶液中,连接微电极电脑显示同时刻水中溶解态N2O电压数值.溶解态N2O 浓度和 N2O释放速率的关系可通过线性方程式表示:
re=-KCN2O
式中:re为N2O释放速率[mg/(L·min)]; K为N2O传质系数,1/min; CN2O为溶解态N2O浓度,mg/L.
因污泥混合液中微生物活性高,会发生N2O的产生和消耗反应,故污泥混合液中N2O传质系数不易测算,可用蒸馏水中传质系数近似代替[17].本试验测得传质系数K为0.001/min.单位体积任意时段内N2O释放量等于相同时段内N2O释放速率积分,N2O释放量可用下式计算:
Q=-V∫t2t1redt
式中:Q为t1~t2时间段反应器内的 N2O 释放量,mg/L; V为反应器有效容积,L; re为N2O释放速率.
反硝化污泥系统共运行110 d,运行30 d后污泥系统达到稳定.优化过程中脱氮性能变化如表2所示,活性污泥微生物菌群分布变化情况如图2所示.
表2 反硝化系统优化过程脱氮效率变化
Tab.2 Nitrogen removal efficiency change during denitrification system optimization
表2显示,反硝化SBR反应器优化过程中NO-x-N和COD去除率最终分别达到100%和92.3%,且反硝化速率逐渐升高,NO-2-N峰值浓度及达到峰值所需时间逐渐越少,反应器运行至第35天的比反硝化速率分别是第6天和第15天的1.29倍和1.05倍,说明反硝化系统脱氮能力增强,同时反硝化脱氮过程中N2O逸出量下降至0.000 15 mg/L,系统得到优化.
从图2可以看出,活性污泥优化过程中变形菌门(Proteobacteria)均占微生物总量的70%及以上,运行到第35 d增加了22.4%,达到92.5%.而开始占比达12.8%的绿弯菌门(Chloroflexi)在运行过程中逐渐被淘汰,拟杆菌门(Bacteroidetes)也由5.7%降至3.2%.研究显示Proteobacteria普遍存在于污水处理系统中,对污水脱氮除磷具有重要作用[29].肖慧慧等[30]研究了14个污水处理厂活性污泥细菌种群结构组成同样发现,活性污泥系统中占比最多的为变形菌门和拟杆菌门,比例分别为40%~70%和36%~65%.而本研究中拟杆菌门占比较少,微生物群落主要以Proteobacteria为主.
在微生物属水平上,Thauera的变化最为显著,所占比例由23.5%升至76.4%,成为反硝化系统的优势菌群.Liang等[31]研究显示,Thauera属于β-变形菌纲,而β-变形菌纲是变形菌门中的主要菌群,可直接影响生物脱氮效率.大量研究表明,陶厄氏菌属中多种菌株具有卓越的反硝化能力,对系统反硝化脱氮能力有较大贡献[7].杨华等[11]对Thauera中某种细菌的脱氮功能基因进行检测,发现其含有nirS、nosZ基因序列.Pishgar等[32]培养的好氧颗粒污泥中陶厄氏菌占到了34~42%的比例.Kinh等[33]培养的生物膜系统和Yang等[34]研究的空气单室生物原电池(AC-SCMFC)脱氮系统中,陶厄氏菌比例分别最高可达42.2%和74%.本研究中Thauera占比可达76.4%,使反硝化脱氮系统被优化.利用优化后的反硝化污泥,在NO-2-N初始浓度为300 mg/L和400 mg/L,C/N分别为2、3、4时,检测反硝化过程COD、NO-2-N和N2O的浓度变化.试验数据分析结果见表3.初始浓度为300 mg/L时的各物质浓度变化情况见图3.
由图3可知,当NO-2-N初始浓度为300 mg/L时,系统对NO-2-N降解速率较快,30 min内平均降解速率分别为388.48、700.97、551.19 mg·(L·h)-1,当NO-2-N初始浓度提高到400 mg/L时,与300 mg/L时相比,反硝化速率整体下降18.79% ~ 30.98%,但均在C/N为3时反硝化速率最快,且均在C/N为2时对COD去除率较高,提高C/N后COD去除率下降.理论上,反硝化单位质量NO-2-N需消耗1.72单位质量COD[18].因此,在本研究培养的污泥系统中,C/N提高1.74倍有助于NO-2-N降解速率的上升,但达到2.33倍会产生15.60~25.08%的负效应.
表3 不同NO-2-N初始浓度对比试验数据
Tab.3 Comparison of experimental data of different NO-2-N initial concentrations
图3 NO-2-N为300 mg/L时COD、NO-2-N和N2O的变化
Fig.3 Variations of COD、NO-2-N and N2O when NO-2-N is 300 mg/L
Schulthess等[19]研究发现,通常污泥系统对NO-2非常敏感,在反硝化过程中,高浓度的NO-2不仅会降低反硝化速率,而且会引起N2O的积累.ItokawaH等[20]认为,在高浓度的NO-2系统中,不论污泥系统的碳源是否充足,都会产生大量N2O.Alinsafi等[21]发现,反硝化系统中加入高浓度NO-2后N2O排放量会迅速增加.且有大量研究表明,较高的NO-2浓度对N2O还原酶(Nos)的活性有抑制作用[22].Dong等[23]研究指出,以NO-2-N为电子受体的反硝化过程N2O转化率为7%~13%,尚会来[24]等研究以NO-2-N为氮源的反硝化过程N2O转化率为0.12%~2.72%,分别是本研究中N2O最大转化率的125倍和26倍.可以看出,优化后反硝化系统可有效提升反硝化速率,同时对温室气体N2O的代谢能力也有较大提升.
分别以NO-3-N和NO-2-N为反硝化氮源,在初始浓度均为500 mg/L,C/N为2时进行反硝化试验,试验进行3次取平均值.各指标历时变化见图4,数据分析结果见表4.
表4 不同电子受体情况下反硝化系统中各参数变化
Tab.4 Changes of various parameters in denitrification system under different electron acceptor conditions
由图4可知,C/N为2,以NO-3-N为电子受体,初始浓度为500 mg/L时,污泥系统在0~25min内COD、NO-3-N均快速降解,同时有少量NO-2-N生成,峰值为22.46 mg/L,溶解态N2O变
图4 不同电子受体时COD、NO-3-N、NO-2-N和N2O的变化情况
Fig.4 Changes of COD, NO-3-N, NO-2-N and N2O in different electron acceptors
Schalk-Otte等[26]通过研究发现,C/N值下降会有更多的N2O产生,进水中的氮有32%~64%转化为N2O,其中反硝化占15%.吴永涛[27]等研究亚硝酸型反硝化过程表明,N2O释放量随总碳源的增加呈略微减少的趋势,转化率在0.2%~1.61%,是本研究中N2O释放量的2~16倍.李鹏章等[28]研究认为较高的NO-2-浓度会使N2O还原酶的活性降低,N2O无法及时还原造成积累.而本研究利用优化后的反硝化系统,在不同反硝化氮源条件下,即使初始浓度达到500 mg/L,并未显示出NO-2对N2O还原过程的强烈抑制作用,两种氮源反硝化条件下,其N2O产生量均保持在较低水平,当然以NO-3-N为氮源时,N2O的逸出量和转化率相比要略低一些.
(1)反硝化SBR反应器优化后NOx--N去除率可达到100%,比反硝化速率提高了1.29倍,脱氮效率有较大提升.活性污泥微生物群落结构主要由变形菌门(Proteobacteria)组成,所占比例从70.1%增加到92.5%,Thauera占微生物总量比例从23.5%增加到76.4%,使反硝化系统被优化.
(2)NO-2-N初始浓度为300 mg/L和400 mg/L,C/N为2、3、4时,系统均表现出较强的反硝化能力,C/N为3时反硝化速率较快.系统中N2O产生量和逸出量均较低,N2O最大转化率仅为0.104%,说明系统优化后反硝化脱氮能力增强,在处理高NO-2-N废水时其N2O产生量也较低.
(3)在高NO-3和NO-2环境下,前者溶解态N2O始终维持在0.304 mg/L左右,且反应过程NO-2-N产量较低,而后者虽然波动值达到0.765 mg/L,但进水中的氮最大仅有0.066%转化为N2O,说明反硝化系统富集Thauera优化后可大幅提升系统还原N2O的能力,同时降低对NO-2的敏感度,NO-2对N2O的还原能力影响很小.