Fe复合系统脱氮除磷途径及微生物群落特性

中国环境科学2017,37(4)：1358~1365ChinaEnvironmentalScienceSCSC-S/Fe复合系统脱氮除磷途径及微生物群落特性范军辉1,郝瑞霞1*,LIU2Lei,朱晓霞1,王卫东1,万京京1(1.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；2.DalhousieUniversity,DepartmentofCivilandResourceEngineering,HalifaxCanada)摘要：为提升再生水品质,以玉米芯耦合硫铁填料构造出固相纤维素碳源+硫铁填料复合脱氮除磷系统(简称SCSC-S/Fe复合系统),基于填料生物膜Miseq高通量测序构建了16SrRNA基因克隆文库,结合系统沉积物的X射线衍射(XRD)分析,探讨了该系统对模拟城市污水处理厂低C/N比尾水深度脱氮同步除磷特性及作用途径.结果表明,随温度升高,TN去除率逐渐增大,TP去除率增加不明显,在温度为30℃和水力停留时间HRT=9h时,NO3--N、TN、TP平均去除率分别为99.86%、92.70%和89.15%.固相纤维素碳源反硝化脱氮单元内具有降解纤维素类和反硝化作用类细菌分别占细菌总数的41.37%和54.02%,硫铁复合填料脱氮除磷单元内异养反硝化、硫自养反硝化和氢自养反硝化的细菌占细菌总数的91.53%;XRD结果表明,水中的PO43-主要以FePO4、Fe3(PO4)2·χH2O和Fe3(PO4)3(OH)2等物质形式去除.因此,复合系统脱氮以异养反硝化作用为主,协同硫自养反硝化和氢自养反硝化作用;复合系统具有“化学+生物”双重除磷作用,以化学除磷作用为主.SCSC-S/Fe复合系统实现了低C/N比城市污水处理厂尾水深度脱氮同步除磷的目的.关键词：固相纤维素碳源；硫铁复合填料；深度脱氮除磷；16SrRNA克隆文库中图分类号：X703.5文献标识码：A文章编号：1000-6923(2017)04-1358-08WayofnitrogenandphosphorusremovalandmicrobialcommunitycharacteristicsforSCSC-S/Fe.FANJun-hui1,HAORui-xia1*,LIULei2,ZHUXiao-xia1,WANGWei-dong1,WANJing-jing1(1.KeyLaboratoryofBeijingforWaterQualityScienceandWaterEnvironmentalRecoveryEngineering,BeijingUniversityofTechnology,Beijing100124,China；2.DepartmentofCivilandResourceEngineering,DalhousieUniversity,Halifax,Canada).ChinaEnvironmentalScience,2017,37(4)：1358~1365Abstract：Inordertoimprovethequalityofreclaimedwater,acouplingprocesswithsolidcarbonsourceofcorncobcelluloseandsulfur/spongeironcompositefillerswasintegratedforthefurtherdeepremovalofnitrogenandphosphorusformunicipalwastewatertreatmentplant(WWTP)effluentthatusuallycontainslittleorganiccarbonforheterotrophicdenitrifyingbacteriatoutilize.Basedonthebacteria16SrRNAgeneclonelibraryanalysisbyadoptingthehigh-throughputsequencingtechnologies,boththeeffectandmechanismofthesystem(abbreviatedasSCSC-S/Fe)onnitrogen(N)andphosphorus(P)simultaneousremovalfromsimulatedWWTPeffluentwereinvestigated.TheresultsindicatedthattheTNremovalefficiencyofthesystemincreasedgraduallywiththeincreaseoftemperature,buttheremovalrateofTPdidnotraisedobviously.Undertheconditionof30℃temperatureand9hHRT,theaverageremovalratesofNO3--N,TNandTPwere99.86%,92.70%and89.15%,respectively.Thereweretwomainclassesofbacteriaincludingcellulosedegradationanddenitrificationbacteriawiththetotalbacteriaof41.37%and54.02%separatelyinthesolidcarbonsourceofcorncobcelluloseunit.Andthereweresimultaneousexistenceofheterotrophic,hydrogenandsulfurautotrophicdenitrifyingbacteriaaccountedfor91.53%ofthetotalnumberofbacteriainthesulfur/spongeironcompositefillersunit.X-raydiffraction(XRD)analysisshowedthatPO43–wasremovedmainlybytheformofFePO4,Fe3(PO4)2·χH2OandFe3(PO4)3(OH)2.Inthesystem,thenitrogenwasremovedmainlybyheterotrophicdenitrificationwithauxiliaryhydrogenandsulfurautotrophicdenitrification,andthephosphoruswasremovedbymainchemicalreactionandalittlebiologicaluptakeofphosphate.SCSC-S/FesystemrepresentsapromisingmethodforsimultaneousandimprovedNandPremovalfromWWTPeffluent.收稿日期：2016-08-02基金项目：国家自然科学基金资助项目(51378028)*责任作者,教授,[e-mail]4期范军辉等：SCSC-S/Fe复合系统脱氮除磷途径及微生物群落特性1359Keywords：solidcarbonsourceofcorncobcellulose；sulfur/spongeironcompositefillers；deepremovalofnitrogenandphosphorus；16srRNAgeneclonelibrary城市污水处理厂尾水存在C/N比低、脱氮同步除磷困难等问题.固相纤维素碳源具有来源广泛、价格低廉和脱氮效果好等优点,广泛应用于低C/N比污水及地下水反硝化脱氮过程中[1-3].有研究表明[4-5],与果壳、稻草和棉花等其他纤维素类农作物相比,经碱处理后的玉米芯具有碳源释放持久、微生物附着性好、反硝化效果好等优点,更适合作为反硝化滤池的填料碳源.但碳源释放量和反硝化脱氮效果随时间而下降,并且无法达到脱氮同步高效除磷的目的.硫磺和海绵铁混合而成的硫铁复合填料在低C/N比尾水深度脱氮除磷方面具有独特的优势[6-8].其中,海绵铁腐蚀产生的H2和Fe2+可以作为反硝化脱氮的电子供体[9-11],协同作为硫自养反硝化电子供体的硫磺[12],共同弥补低C/N比尾水反硝化脱氮过程中的电子供体不足.此外,海绵铁腐蚀产生的Fe2+、Fe3+及其水解产物Fe(OH)3、FeOOH对PO43-具有较强的吸附沉淀能力,最终以FePO4、多核羟基磷酸铁等形式将磷去除[8,13-14].因此,硫铁复合填料可以实现低C/N比尾水深度除磷同步脱氮的目的.本研究针对低C/N比尾水深度脱氮除磷问题,将碱处理后的玉米芯与硫铁复合填料有机结合组成固相纤维素碳源+硫铁脱氮除磷复合系统(SCSC-S/Fe),分析该系统在不同温度下强化低C/N比尾水深度脱氮除磷的性能.通过构建细菌16SrRNA基因克隆文库来分析系统中微生物种群结构特性;并结合X射线衍射(XRD)对反应器中沉积物进行分析,探讨了该系统脱氮除磷途径及作用机制.以期为污水处理厂尾水深度脱氮除磷提供技术参考.1实验装置与方法1.1实验装置实验装置如图1所示.SCSC-S/Fe复合系统由有机玻璃材质串联的A、B两柱组成,柱子内径19cm,高度100cm,有效容积分别为5L和5.3L.A柱为反硝化脱氮滤柱,填充由尼龙丝网包裹着氢氧化钠处理过的玉米芯,填充高度为45cm.B柱为硫铁填料脱氮除磷滤柱,上层装有高度为50cm质量比为2:3的粒径为2~3mm硫磺和粒径3~5mm海绵铁复合填料;下层用粒径为5~8mm的石灰石填装作为过滤层,有效高度为40cm.A柱水流方式采用上向流,B柱水流方式采用下向流.接种污泥来自北京某污水处理厂回流污泥.1水池3进水口5预处理的玉米芯6连接口8海绵铁和硫磺9石灰石11反冲洗进水口2水泵4鹅卵石7取样口10出水口1234511109876图1SCSC-S/Fe实验装置示意Fig.1SchematicdiagramofSCSC-S/Fe1.2实验水质与分析方法表1分析项目与仪器Table1Indicatorsandanalysisapparatus项目分析仪器NO3--N/NO2--N/SO42-Metrohm861离子色谱仪(瑞士万通)NH4+-N/TP/TFe722可见分光光度计(上海欣茂)TNJenamultiN/C3100(德国耶拿)CODcrCOD快速测定仪(连华科技)pH值PHS-3CpH计(上海三信)生物膜提取中科中佳HC-2518离心机DNA提取生工生物(上海)有限公司DNA试剂盒DNA验证凝胶成像仪(Bio-bad)XRD德国BRUKED8ADVANCE型X射线衍射仪实验用水为在自来水中加入KNO3、KH2PO4模拟城市污水处理厂尾水中的TN和TP含量,并用1mol/L的HCl调节pH值.该水质特征为:ρ(TN)=ρ(NO3--N)=33~36mg/L,ρ(TP)=1.4~1.6mg/1360中国环境科学37卷L,pH=6.8~7.2.分析项目及仪器见表1.1.3实验方法在15℃条件下启动反应器,具体参考李素梅等[15]提供的反应器启动方法.待出水水质各项指标稳定后,启动过程完成.控制水力停留时间HRT=9h不变,设定3个温度梯度:15,25,30℃.每次变更条件,调整一周后再开始取样检测,实验稳定运行4个月.文中图的时间横坐标已将变更后调整的一周时间扣除.试验过程中A柱未添加玉米芯填料,B柱在变更条件后进行一次反冲洗,控制反冲洗流速200mL/min,反冲洗时间2h.当温度为30℃条件结束后,在反冲洗之前提取反应器中间部分填料表面生物膜.检测项目包括进出水NO3--N、NO2--N、NH4+-N、SO42-、TN、TP、TFe、COD和pH值.2结果与分析2.1不同温度下系统脱氮除磷效果2.1.1系统脱氮效果从图2可知,该系统TN、NO3--N平均去除率随温度升高而升高,在15,25,30℃条件下,系统