CN对3BERS工艺特性及反硝化细菌群落特征的影响

第41卷第5期2015年5月北京工业大学学报JOURNALOFBEIJINGUNIVERSITYOFTECHNOLOGYVol.41No.5May2015ρ(C)/ρ(N)对3BER-S工艺特性及反硝化细菌群落特征的影响郝瑞霞,任晓克,孟成成,王建超,王润众,赵文莉(北京工业大学,北京市水质科学与水环境恢复工程重点实验室,北京100124)摘要:为提高三维电极生物膜工艺脱氮效率,通过运行不同TOC与TN的质量浓度比(ρ(C)/ρ(N))条件下三维电极生物膜-硫自养耦合工艺(3BER-S),并建立基于反硝化特异性基因nirS克隆文库,研究了ρ(C)/ρ(N)对3BER-S运行特性及反硝化细菌群落的影响.结果表明:ρ(C)/ρ(N)对3BER-S工艺的脱氮效率影响较小,不同ρ(C)/ρ(N)条件下的TN去除效率基本稳定在80%以上.ρ(C)/ρ(N)对3BER-S体系内的反硝化细菌种群结构和营养类型均有一定影响.高ρ(C)/ρ(N)条件下,反硝化细菌种类较少,Thauera(陶厄氏菌属)是体系内的优势菌群,脱氮作用以异养反硝化过程为主;当ρ(C)/ρ(N)降低时,反硝化细菌种类增多,硫自养反硝化细菌所占比例升高.总之,由于硫磺单质的加入,弥补了3BER工艺低ρ(C)/ρ(N)时的反硝化作用电子供体不足,使得3BER-S耦合体系在不同ρ(C)/ρ(N)条件下均能保持高效且稳定的脱氮效果.关键词:电极生物膜;单质硫;耦合反硝化工艺;碳氮比;反硝化细菌中图分类号:X703.1文献标志码:A文章编号:0254-0037(2015)05-0755-08doi:10.11936/bjutxb2014080002收稿日期:2014-08-01基金项目:国家自然科学基金资助项目(51378028)作者简介:郝瑞霞(1960—),女,教授,主要从事污水处理及资源化利用方面的研究,E-mail:[e-mail]ρ(C)/ρ(N)RatioonTechnologyCharacteristicsandDenitrifyingBacteriaCommunityfor3BER-SHAORui-xia,RENXiao-ke,MENGCheng-cheng,WANGJian-chao,WANGRun-zhong,ZHAOWen-li(KeyLaboratoryofWaterQualityScienceandWaterEnvironmentRecoveryEngineering,BeijingUniversityofTechnology,Beijing100124,China)Abstract:Inordertoimprovethenitrogenremovalefficiencyofthree-dimension-electrodebiofilmprocess,theeffectsofρ(C)/ρ(N)onoperationcharacteristicsanddenitrifyingbacteriapopulationcommunitycharacteristicsofacoupled3-dimensionalbiofilm-electrodewithsulfurautotrophicdenitrificationtechnology(3DBER-S)wereinvestigatedatdifferentρ(C)/ρ(N)conditions.Theoperatingresultindicatesthatthereisnosignificantimpactofρ(C)/ρ(N)ondenitrificationperformancein3BER-S.AndtheTNremovalefficiencyismorethan80%atdifferentρ(C)/ρ(N)conditions.Moreover,theeffectsofρ(C)/ρ(N)ondenitrifyingbacteriapopulationanddenitrificationnutritiontypesin3BER-Ssystemwerefound.Athighρ(C)/ρ(N)condition,thereislessspeciesofdenitrifyingbacteriain3BER-Ssystem,wheretheThaueraactsasthedominantbacteriaandheterotrophicdenitrificationisthemainprocess.Whentheρ(C)/ρ(N)isreduced,boththedenitrifyingbacteriaspeciesandtheproportionofsulfurautotrophicdenitrificationbacteriaincrease.Inaword,the3BER-Ssystemmaintainshighandstablenitrogenremovalefficiencyatdifferentρ(C)/ρ(N)conditions,becausethesulfurmakesupforthedeficiencyofthedenitrifyingelectronicdonorin3BER-Satlowρ(C)/ρ(N)北京工业大学学报2015年condition.Keywords:biofilm-electrode;elementalsulfur;coupleddenitrificationtechnology;ρ(C)/ρ(N);denitrifyingbacteria电极生物膜反硝化技术是将电化学法与生物法相结合而发展起来的高效、经济、具有竞争性的技术.其基本原理是利用电解产生的氢气为电子供体将硝酸盐转化为氮气,以达到脱氮的目的[1-2].作为一种新兴的废水生物脱氮技术,电极生物膜反硝化技术以其清洁无二次污染、费用低、去除率高等优点[3-5]在反硝化脱氮方面已成为国内外研究热点.影响电极生物膜工艺反硝化效果的因素主要有ρ(C)/ρ(N)、电流、温度、HRT、硝酸盐负荷和进水pH值等[6].其中,ρ(C)/ρ(N)是影响脱氮系统脱氮效果的一个重要因子[7-8].许多研究[9-11]表明,ρ(C)/ρ(N)较高时,体系内存在大量异养反硝化菌,此时碳源充足,硝酸盐去除率较高;而ρ(C)/ρ(N)较低时,由于异养菌没有充足的碳源,并且自养反硝化菌生长缓慢,反硝化效果较差.对城市污水二级出水而言,其主要特点是碳源不足,硝酸盐含量高[12],当采用三维电极生物膜脱氮工艺时,若要保证较高的总氮去除效率,仍然需要补充少量的有机碳源,且投加量不易控制;此外,该工艺的影响因素较多,脱氮机理尚不成熟.因此影响了其在二级出水深度脱氮处理方面的应用.针对上述问题,本文在对以活性炭和硫磺混合物为填料的电极生物膜反应器接种并培养驯化后,研究了ρ(C)/ρ(N)对该体系运行特性影响,并且运用基于反硝化特异性基因nirS克隆文库的方法,对3BER-S系统中的反硝化细菌的组成进行分析,探讨运行特性与反硝化群落结构之间的关系,从而为该工艺在二级出水深度脱氮方面的应用提供理论依据.1材料与方法1.1试验装置及试验用水采用连续升流式反硝化生物滤池反应器,图1为试验装置原理图.反应器内径25cm,高度140cm,有效容积22L.以石墨棒作为阳极,置于滤柱的正中央,以内夹聚丙烯腈活性炭纤维的双层泡沫镍作为阴极沿滤柱内壁布置.在反应器外壁包裹一层厚度为1.5cm的保温棉,以维持反应器内部温度恒定.3BER-S滤柱的阴极和阳极之间充满体积比为8：1的颗粒活性炭和硫磺颗粒的均匀混合物(活性炭颗粒的粒径为5~8mm,硫磺颗粒的粒径为3~5mm);反应器承托层高度为10cm;填料高度为96cm.本实验采用CH3COONa、KNO3和KH2PO4人工配水,模拟城市污水厂二级出水水质,其中ρ(NO-3-N)=35±2mg/L,HRT=12h,温度维持在=15~18℃,ρ(TOC)/ρ(TN)分别为1.07、0.71、0.36.用1mol/L的盐酸和1mol/L氢氧化钠溶液调节配水的pH,使pH值维持在7.0~7.5.稳定运行期间每天检测出水中NO-3-N、NO-2-N、SO2-4、TOC和TN的浓度及pH值.稳定运行1个月后,采集滤柱下端的生物膜样品,在-20℃低温冰箱中保存.注:1—直流电源;2—阳极;3—阴极;4—填料(3BER-S:颗粒活性炭+硫磺颗粒,3BER:颗粒活性炭);5—取样口;6—承托层(石英砂);7—布水板;8—出水口;9—反冲洗水管;10—蠕动泵.图13BER-S反应器示意图Fig.1Schematicdiagramof3BER-S1.2试剂与仪器设备Ezup柱式基因组DNA抽取试剂盒(上海生工);SanPrep柱式DNA胶回收试剂盒(上海生工);PCR试剂盒(Takara);DNA克隆试剂盒(Takara).电泳仪(JUNYI);离心机(中科中佳);凝胶成像仪(Bio-rad);PCR仪(杭州晶科);TOC/TN分析仪(JenamultiN/C3100);pH计(上海三信PHS-657第5期郝瑞霞,等:ρ(C)/ρ(N)对3BER-S工艺特性及反硝化细菌群落特征的影响3C);离子色谱仪(Metrohm861).COD:联华科技分析仪测定;pH:PHS-3C型PH计测定(上海三信);NO-3-N、NO-2-N和SO2-4:Metrohm861离子色谱仪测定;NH+4-N:722分光光度计测定;TN:TOC/TN分析仪测定(JenamultiN/C3100).1.3试验方法使用Ezup柱式基因组DNA抽取试剂盒提取基因组DNA.应用反硝化细菌nirS基因特异性引物[13]nirS1F:CCTA(C/T)TGGCCGCC(A/G)CA(A/G)T和nirS6R:A(C/G)(A/G)CGTTGAACTT(A/G)CCGGT进行PCR扩增.PCR扩增产物使用DNA凝胶回收试剂盒进行回收.对回收片段按Takara公司提供的pMD18-TVector说明进行连接,然后导入感受态细胞JM109中,加入适量液体LB培养基,37℃水浴恒温震荡培养60min,之后将培养液涂布于氨苄/X-Gel/IPTG平板上,37℃倒置培养15~18h进行蓝白菌落筛选.挑取少许白菌落,以M13-47:CGCCAGGGTTTTCCCAGTCA-CGAC和RV-M:GAGCGGATAACAATT-TCACACAGG为正反引物进行菌落PCR.提取57个阳性克隆菌落送测序,测序由上海生工完成.测序后,首先运用ContigExpress软件对测序结果进行拼接.然后运用DNAMAN软件对拼接完成的序列划分操作单元,在每个操作单元中选取一个代表序列输入NCBI网站,在GenBank数据库中进行BLAST同源性检索,并提交到GenBank获得登录号及相关信息,进行功能分析和生物信息学分析.2结果与分析2.13BER-S工艺的运行特性2.1.1脱氮效果不同ρ(C)/ρ(N)条件下3BER-S对TN的去除率变化情况如图2所示.由图2可以看出,在不同进水ρ(C)/ρ(N)条件下,3BER-S出水TN质量浓度稳定在5mg/L左右,TN去除率基本维持在80%以上,表明3BER-S的脱氮效果稳定,随ρ(C)/ρ(N)降低无明显变化.Zhao等[14]通过批式试验发现,混养型(异养反硝化和自养反硝化同时存在)反硝化工艺的脱氮效率要高于单一的自养反硝化工艺和异养反硝化工艺,并且证明了自养反硝化细菌和异养反硝化细菌同时存在可以有效提高电极生物膜工艺的脱氮效率.3BER-S同样属于混养型反硝化工艺,由于硫磺图2不同ρ(C)/ρ(N)条件下3BER-S的出水TN质量浓度和TN去除率Fig.2EffluentTNconcentrationandTNremovalrateof3BER-Satdifferentρ(C)/ρ(N)ratios的加入,该