保障水生态系统安全：二级出水深度处理中的脱氮除磷新技术

保障水生态系统安全：二级出水深度处理中的脱氮除磷新技术

为了保证水生态系统的安全，二级出水作为再生水回用时，需要进行深度脱氮除磷处理。由于二级出水具有碳氮比低的特点，单纯依靠异养微生物进行脱氮往往难以达到理想的效果。另外，在除磷方面，传统的生物除磷工艺不如化学除磷法稳定、有效。因此，在目前的再生水深度处理领域，硫自养反硝化因其无需外加碳源等优势而被广泛用于脱氮；在深度除磷过程中，一些高效的除磷填料如海绵铁也被研究者广泛应用。

目前，已有一些将硫与单质铁混合用于脱氮除磷的研究，研究者们采用不同的工艺方式，从不同角度探究了硫铁复合填料的脱氮除磷效果。在机理上，这些研究大多采用硫自养反硝化脱氮，利用单质铁在失去电子氧化过程中释放出的铁离子与磷酸盐结合形成沉淀进行除磷。研究表明，硫自养反硝化为半级动力学模型，其反应速率与硫颗粒的尺寸和表面积有关，即粒径越小，反应速率越大。同时，粒径越小，越有利于硫和铁混合均匀，提高填料的利用效率。因此，若采用粒径较小的硫铁填料，反应器的脱氮除磷能力将大大提高。

综上所述，本研究针对二级出水水质特点，对硫磺和海绵铁混合颗粒填料进行改进，以硫磺粉和海绵铁粉为有效成分，制备了一种新型硫铁复合填料，并与颗粒混合填料进行了对比，探究其脱氮除磷性能；同时利用高通量测序技术构建了16S rRNA克隆文库，并深入分析了填料表面微生物种群结构，旨在为低碳氮比条件下污水处理厂二级出水深度反硝化除磷提供技术参考。

1 材料与方法 1.1 填料制备

采用硫磺粉、海绵铁粉作为脱氮脱磷有效成分，辅以发泡剂、粘结剂，采用二次粘结、封装的方法制备，延长填料的使用寿命，具体制备过程如下。

(1)取体积比为6:1的硫磺粉、海绵铁粉与一定量的水泥混合均匀，加入一定量的水搅拌均匀，再加入一定比例的发泡剂搅拌发泡，制成粒径为5~8mm的颗粒备用；

(2)将硫磺粉与海绵铁粉按体积比3:1混合均匀，铺于托盘上，取上一步制备好的颗粒放入托盘内摇晃，使其自然粘附于混合粉末上，待粘附停止后取出，室温下放置2天，待其充分固化硬化后即可使用，最终制备出粒径约为6~10mm的复合填料。

1.2 实验装置

本次试验采用两组结构完全相同的生物反硝化滤柱进行对比运行，反应器内径为80 cm，高度为110 cm，支撑层厚度为10 cm。两个反应器内分别装填等质量的新型复合填料和体积比为3:1的硫颗粒与海绵铁颗粒混合填料（粒径约为3~8 mm），有效容积分别为3.2 L和2.7 L。实验装置如图1所示。

图1 实验装置示意图

1.3 实验水质及分析仪器

实验水为人工配制模拟污水厂尾水，即在自来水中添加一定量的KNO3，进水水质特性为：pH=7.0～7.5，ρ（TN）=ρ（NO3--N）=30mg·L-1，TP=1.5mg·L-1。在不同碳氮比条件下，进水COD：TN分别维持在1.5、1.0、0。

分析仪器如表1所示。

表1 实验所用分析仪器

1.4 实验设计

两组反应装置均按照接种、挂膜、驯化的顺序启动，接种污泥来自回流污泥，污泥浓度约为5.6 g·L-1，具体启动方法参考文献，待出水中污染指标达到稳定后，反应装置启动成功。

两个反应器启动成功后，在不同HRT和C/N条件下进行对比运行，确定新型复合填料的最佳运行特性。每天监测进出水的pH、COD、NO3--N、NO2--N、NH4+-N、SO42-、TP、TFe指标，保证每个实验梯度稳定运行时间至少为15天，每次改变工况均保证稳定5天后再监测指标数据。

在HRT=4 h、C/N=1条件下,稳定运行一个月后,提取两个反应器中层填料的生物膜,利用高通量测序技术构建两种填料表面微生物种群16S rRNA基因克隆文库,并对两个系统中的微生物菌群结构进行分析。

2 结果与讨论 2.1 HRT 的影响

HRT是工艺效率的重要指标，其大小也决定了工艺运行成本的大小。因此，在保证相对理想的处理效果的前提下，当碳氮比一定时，缩短HRT对于降低经济成本具有重要意义。

2.1.1 HRT对反硝化效果的影响

在C/N=1.5条件下，考察HRT为8、4、2 h对两反应器反硝化效果的影响，如图2(a)所示。

图2 不同HRT条件下两反应器TN去除率、硫酸盐累积及氧化亚氮和氨氮浓度的变化

如图2（a）所示，随着HRT的缩短，颗粒填料的反硝化能力明显下降，而新型填料的变化趋势比较稳定。当HRT由8 h逐渐缩短至2 h时，颗粒填料的总氮去除率由64.5%下降至约30%，而新型填料在HRT为2 h时总氮去除率仍能达到85%以上，且在整个变化过程中其总氮去除能力始终明显优于颗粒填料。另外还可以看出，当HRT由8 h调整为4 h时，新型填料的总氮去除率不仅没有下降反而呈上升趋势。这是由于停留时间为8 h时系统中氨氮积累较多造成的，如图2(b)所示：亚硝酸和氨氮在两个系统中均有积累，前者随着HRT的降低而增加，后者随着HRT的缩短而减少。当HRT为8 h时，新型填料系统中氨氮积累较多，达到10 mg·L-1以上，而当HRT为4 h时，系统中氨氮迅速降至4 mg·L-1以下，这最终导致4 h停留时间内系统的总氮去除率相对较高。氨氮积累的原因推测与海绵铁的还原作用有关[7]，由于新型填料内部海绵铁颗粒较小，反应速率较高，因此在较长的停留时间下会积累高浓度的氨氮。

硫酸盐积累量的多少能够直接反映硫自养反硝化作用的强弱。从图2(a)可以看出，两个反应器中硫酸盐积累量随着HRT的降低都呈现下降的趋势，但新型填料的硫酸盐积累量明显高于颗粒填料。这说明新型填料体系中硫自养反硝化作用更强，因此新型填料的反硝化能力明显强于颗粒混合填料。

袁颖等在考察不同类型硫源电子供体对硫自养反硝化反硝化效率的影响时发现，当采用单质硫作为电子供体时，体系的反硝化效率受传质效率的影响较大。另外，研究表明，硫的粒径是影响硫自养反硝化速率的重要因素之一，粒径越小，反硝化速率越大。新型填料在制备过程中采用硫粉，粒径相较于硫颗粒大大减小，有效提高了体系中硫自养反硝化速率，从而显著提升了新型填料的反硝化能力。

2.1.2 HRT对除磷的影响

两反应器中总磷去除率随HRT的变化如图3所示。

图3 不同HRT条件下两反应器TP去除率及出水中总铁含量的变化

由图3可知，两种填料的除磷能力均随HRT的缩短而降低，但新型填料的除磷能力始终优于颗粒混合填料。在HRT由8 h缩短至2 h的过程中，新型填料的总磷去除率由91%逐渐降低至69.4%，分别比颗粒混合填料高17.6%、32.7%和26.3%。可见，与颗粒填料相比，新型填料的除磷能力对HRT的缩短具有更好的适应性。

据相关研究，硫铁填料的除磷能力主要与海绵铁的腐蚀有关：硫自养反硝化产酸促进海绵铁的腐蚀，而生成的Fe2+为化学除磷提供了反应物质，从而将磷从系统中去除。此外，范俊辉等研究发现，除了上述过程外，硫与铁发生化学反应生成的FeS能先将磷酸盐吸附到表面，再转化为FePO4沉淀，从而增强除磷效果。因此，出水中的总铁是表征除磷效果的关键因素。

由图3中两个反应器出水中总铁的变化可以看出，新型填料的出水中总铁明显高于颗粒复合填料。其原因在于制备新型填料时所用的有效成分物理状态全部为粉体形式，不仅增加了硫和海绵铁的比表面积，而且使得二者之间的混合更加均匀充分，使得海绵铁更容易受到硫自养反硝化产生的H+腐蚀。同时从图2(a)中可以看出，新型填料体系中硫自养反硝化作用强于颗粒填料体系，这与图3中出水中总铁的变化情况一致。综上所述，采用该方法制备的新型填料可以促进体系中海绵铁的腐蚀过程，从而增强填料的除磷能力。

2.2 C/N的影响

C/N是考察填料脱氮除磷效果的另一个重要参数。根据2.1节中的相关结论，随着HRT的减少，2种填料的脱氮除磷能力均有不同程度的下降。为探究填料脱氮除磷性能对低碳氮比条件的适应性，在HRT=4 h的条件下，对比了C/N为1.5，1.0和0时2种填料脱氮除磷能力的变化。

2.2.1 C/N对反硝化效果的影响

图4为C/N对两种填料反硝化效果的影响。

图4 不同C/N条件下两反应器TN去除率及硫酸盐累积变化

如图4所示，碳氮比的降低对颗粒混合填料体系的脱氮能力影响较大。随着C/N的降低，新型复合填料的总氮去除率由90.5%逐渐降低至70.7%，而颗粒填料体系的总氮去除率则由59%降低至16.2%。可以看出，新型填料对不同碳氮比的含氮废水的脱氮效果明显优于颗粒混合填料，且这种优势在低碳氮比时更为明显。此外，当C/N由1.5降低至1.0时，新型填料的总氮去除率下降并不明显。其原因与氧化亚氮积累和氨氮积累的变化有关，与2.1.1节中的分析类似，这里不再赘述。

由图4可知，随着碳氮比的降低，两个反应器中硫酸盐的积累均呈现增加的趋势，且新型填料体系的硫酸盐积累和增长趋势始终高于颗粒填料体系。这说明在低碳氮比条件下，新型填料体系的硫自养反硝化效率仍然高于颗粒填料体系，进一步验证了等的结论。另外，当C/N由1降至0时，两个反应器的反硝化效率均呈现明显的下降趋势，但新型填料的反硝化效果仍然优于颗粒混合填料。这可能是由于系统中有机碳源的缺乏对生物膜产生的负面影响。这也说明异养反硝化在反硝化过程中的作用不容忽视，且混合反硝化（异养反硝化和自养反硝化共存）的反硝化效率高于单一自养反硝化，这也与相关研究一致。

2.2.2 C/N对除磷的影响

在HRT=4 h条件下，不同碳氮比对填料总磷去除效率的影响及两反应器出水中总铁的变化如图5所示。

图5 不同C/N条件下两反应器TP去除率及出水中总铁的变化

由图5可知，不同碳氮比下，新型填料的除磷能力明显高于颗粒填料，且两种填料的总磷去除率随C/N的降低而提高。其中，当C/N由1降至0时，新型填料的总磷去除率由81.3%提高至96.3%，而颗粒填料的总磷去除率由46.4%提高至54.1%。同时，两个反应器出水总铁浓度分别由3 mg·L-1和1.1 mg·L-1提高至3.5 mg·L-1和1.5 mg·L-1。

根据2.1.2节的分析，在两个系统中，硫自养反硝化与海绵铁除磷之间存在一定的协同效应：硫自养反硝化产酸过程会加速海绵铁的腐蚀，而海绵铁对氢离子的消耗也为硫自养反硝化提供了有利的反应条件。由图4可知，随着进水C/N的降低，两个反应器出水中硫酸盐的积累量均增加，说明两个系统的硫自养反硝化作用均得到加强。此时海绵铁的腐蚀必然会加剧，导致出水总铁浓度升高，填料的除磷能力提高。此外，两种填料除磷效果的对比进一步表明，新型填料在低碳氮比条件下能增强再生水的除磷效果。

2.3 反硝化微生物菌群分析

在HRT=4 h、C/N=1条件下，构建两个反应器中部生物膜样品16S rRNA基因克隆文库，并对两种填料表面微生物菌群进行多样性及分类学分析。将两个样品中的非重复序列在97%的相似性水平上聚类为操作样本单元（OTU），新型填料和颗粒混合填料分别获得142和473个OTU。两个样品的文库覆盖率（C）分别为99.96%和99.99%，表明两个样品的克隆文库结果具有较高的置信度。

2.3.1 微生物物种多样性

在群落生态学中，研究微生物多样性，一般用α多样性等单样本多样性分析来反映微生物群落的物种丰富度和多样性。α多样性称为生境内的多样性，主要关注局部均匀生境中的物种数量，通常用多样性指数和多样性指数来表示。其中，指数反映样本中物种分布的均匀性，其值一般在0~1之间，值越大，物种分布越均匀；指数反映样本中物种的数量，其值一般在1.5~3.5之间，很少超过4，样本物种越多，相应的指数值越大。本研究中新型复合填料和颗粒混合填料的指数值分别为0.199和0.118，指数分别为2.69和3.77。这说明新型复合填料表面微生物种类分布比较均匀，而颗粒状混合填料表面微生物种类数量比较多。

2.3.2 细菌群落结构及组成分析

为了研究两种填料表面微生物的种类及其相对丰度（样品中每种微生物的序列数量），对两种样品进行了分类学分析。将各样品中的代表性序列与Silva数据库中的序列进行同源性比对，绘制属级分类学水平的细菌群落结构丰度图，如图6所示。其中主要功能性细菌属及其占比列于表2中。

图6 样品属水平的菌落丰度

表2 样品中主要功能菌属及其比例

如图6所示，新型复合填料样品中相对丰度最大的属为，占比约为42.66%，而在颗粒混合填料中占比约为10.66%。该属为兼性厌氧化能自养细菌，能够利用硫、硫化物或氢气作为电子供体，以CO2为碳源进行反硝化作用。此外，在两个样品中，还有与硫自养反硝化相关的细菌，占比分别为5.59%和2.92%。该属为专性自养兼性厌氧革兰氏阴性细菌，能够利用硫或硫化物作为电子供体，在厌氧条件下进行反硝化作用。此外，如表2所示，两个反应器中的反硝化菌群均由硫自养反硝化、异养反硝化和部分反硝化聚磷微生物组成。其中，硫自养反硝化菌在两个反硝化系统中均占有主导比例，且在新型填料反硝化系统中占比较大。这进一步表明，本研究制备的新型复合填料可以强化反硝化系统中的硫自养反硝化，从而提高系统的反硝化能力。

另外，从表2中可以看出，两个系统中与除磷相关的微生物分别为、和。从两个系统中具有除磷功能的微生物总量对比可以看出，颗粒混合填料反应器中的生物除磷效果大于新型复合填料，说明该系统中的生物除磷效果相对更大。同时，根据2.2.2节中的分析，新型填料系统中的化学除磷效果相对更强，会迅速降低系统中的总磷浓度。因此推测新型填料表面的不动杆菌含量较低可能与其有关。另外，两个系统中尤其是新型填料中均存在不同比例的可能具有反硝化和聚磷功能的假单胞菌，这也在一定程度上提高了系统的反硝化除磷能力。详情请查阅污水宝商城资料或更多相关技术文献。

3 结论

（1）本研究制备的新型复合填料能强化硝态氮和总磷的去除效果，当HRT=4 h、C/N=1时，该新型填料的氮、磷去除率可达90%以上和81%以上，比颗粒填料分别提高约38%和35%。

（2）新型填料对工况变化的适应性更好，在不同HRT和C/N条件下，其脱氮除磷能力均强于颗粒混合填料，这与其内部硫自养反硝化与海绵铁腐蚀除磷的强协同作用有关。

(3)两个反应器中的反硝化微生物均含有硫自养反硝化种群和异养反硝化种群,且硫自养反硝化种群在新型填料系统中所占比例较大且为系统中的优势种群。