3DBER-S-Fe深度脱氮除磷效果

郝瑞霞， 徐忠强,2， 周彦卿， 范军辉

(1.北京工业大学水质科学与水环境恢复工程北京市重点实验室， 北京 100124；2.云南开发规划设计院， 昆明 650217)



3DBER-S-Fe深度脱氮除磷效果

郝瑞霞1， 徐忠强1,2， 周彦卿1， 范军辉1

(1.北京工业大学水质科学与水环境恢复工程北京市重点实验室， 北京 100124；2.云南开发规划设计院， 昆明 650217)

为强化三维电极生物膜(3DBER)工艺深度脱氮除磷性能，提高污水厂尾水质量，将硫磺和海绵铁作为混合填料，构建硫铁复合填料三维电极生物膜(3DBER-S-Fe)脱氮除磷工艺；在不同ρ(C)/ρ(N)、I和水力停留时间(HRT)运行条件下，探究工艺深度脱氮除磷效果. 分别从反应器填料和阴极上取生物膜，通过Miseq高通量测序，构建细菌16S rRNA基因克隆文库. 结果表明：在运行条件为ρ(C)/ρ(N)=2、I=150 mA和HRT=4 h时，3DBER-S-Fe对总氮和总磷的去除率分别可达85.59%和97.43%；适当增加ρ(C)/ρ(N)、I和HRT均能不同程度提高系统脱氮除磷效率. 在填料和阴极上丰度最大的均为具有硫自养反硝化功能的Thiobacillus，分别占40.62%和44.75%；具有氢自养反硝化功能的Rhodocyclaceae在阴极的分布明显多于填料. 因此，3DBER-S-Fe具有较高的脱氮性能主要是硫自养反硝化和氢自养反硝化共同作用的结果，且氢自养反硝化过程主要发生在阴极.

3DBER-S-Fe；水力停留时间(HRT)；深度脱氮除磷；16S rRNA克隆文库

受目前脱氮除磷技术水平的限制，污水厂生物处理尾水中仍含有较高浓度的氮、磷等植物营养物质，对水环境生态系统构成严重威胁[1]. 然而，城市污水厂尾水中碳源不足，碳氮比(ρ(C)/ρ(N))普遍低于生物反硝化所需的理论值2.86[2]. 因此，研究污水厂尾水中氮、磷的深度去除原理，开发高效经济的同步脱氮除磷新工艺，已成为当前污水资源化领域研究的热点问题.

三维电极生物膜(three-dimensional biofilm-electrode reactor, 3DBER)是在传统二维电极生物膜法基础上发展起来的一种深度脱氮技术. 该系统中同时存在异养反硝化和自养反硝化2种生物脱氮过程；其中，异养微生物可利用有机碳源进行异养反硝化脱氮，自养微生物可利用阴极电解产生的H2进行自养反硝化脱氮，利用碳阳极电解产生的CO2作为无机碳源进行新陈代谢[3-4]. 该工艺可明显减少有机碳源的添加，适合低ρ(C)/ρ(N)二级出水的特点. 然而，传统3DBER仍然存在水力停留时间(hydraulic retention dime，HRT)长、去除效率低和不能同步除磷的缺点[5].

硫自养反硝化过程是硫自养反硝化菌利用无机碳作为碳源合成细胞，以单质硫或硫化物作为硝氮还原的电子供体，该反硝化过程中无需额外添加有机碳源，但该过程中会产生大量H+，导致出水呈酸性[6].

海绵铁具有物理吸附性能好、电化学富集能力强以及水解产物絮凝沉降性能优的特点[7]. 研究结果表明[4,8-9]：微电流刺激和微生物的作用均能够促进海绵铁的腐蚀；海绵铁腐蚀过程中产生的H2能够促进氢自养反硝化过程；海绵铁腐蚀过程中产生的铁离子以及它们的水化物，在沉淀、絮凝、吸附和卷扫等作用下，可以使出水中氮、磷的质量浓度有效降低，但海绵铁腐蚀过程中会产生大量OH-，导致出水呈碱性.

本研究将硫磺和海绵铁作为混合填料应用于3DBER，构建3DBER-S-Fe复合反硝化脱氮除磷工艺，在增强系统自养反硝化功能的同时，能够使系统具备除磷功能，并能有效缓冲系统pH值，为优势菌属的生长提供适宜的中性环境. 通过Miseq高通量测序，构建细菌16S rRNA基因克隆文库，从微观层面分析微生物种群结构及工艺深度脱氮除磷机理，为提高再生水品质提供技术参考和理论依据.

1 试验装置与方法

1.1 试验装置

本试验反应器采用的是内径25 cm、高度0.6 m、有效容积8 L的生物反硝化脱氮滤柱. 反应器以双层泡沫镍作为阴极，以石墨棒作为阳极；阴阳极板间距约10 cm，其间填充粒径均为5～8 mm的硫磺、海绵铁和活性炭颗粒(体积比为1∶1∶6)构成3DBER-S-Fe. 试验装置见图1.

1.2 试验水质及分析仪器

表1 仪器一览表

1.3 试验方法

按照接种、挂膜和驯化的顺序启动反应器，采用微电流培养驯化方式，具体参考李素梅等[10]提供的反应器启动方法. 待出水各项指标趋于稳定后，即认为完成挂膜和驯化.

2 结果与分析

2.1 ρ(C)/ρ(N)的影响

氢自养反硝化、硫自养反硝化和异养反硝化的共同作用决定了系统的脱氮效率和pH值的波动情况[2]，而pH值又是化学法除磷的重要影响因子[11]. 因此，ρ(C)/ρ(N)对系统脱氮除磷效果有着显著影响.

2.1.1ρ(C)/ρ(N)对3DBER-S-Fe脱氮效果的影响

分析其原因，在碳源为零时，硫铁填料的引入和电流的作用使3DBER-S-Fe系统中具备了一定的硫自养反硝化和氢自养反硝化能力，有效弥补了异养反硝化电子供体不足的劣势，使系统在低碳氮比条件下已达一定的脱氮效率. Sun等[12]研究发现，在反硝化过程中，当有机碳源和硫单质同时存在时，系统首先利用有机碳源，在碳源匮乏时才利用硫单质等电子供体进行自养反硝化. 随着ρ(C)/ρ(N)不断增大，系统中有机碳源相对充足，异养反硝化也获得了更加充足的电子供体，因此，反应器的脱氮效率也随之呈现出逐渐升高的趋势.

2.1.2ρ(C)/ρ(N)对3DBER-S-Fe除磷效果的影响

不同ρ(C)/ρ(N)条件下，3DBER-S-Fe反应器TP去除率波动情况见图3.

由图3可知，在进水TP质量浓度为1.62 mg/L条件下，随着ρ(C)/ρ(N)的增大，3DBER-S-Fe对TP去除率呈现出逐渐上升趋势. 其中，在ρ(C)/ρ(N)=0时，反应器对TP的去除率已达86.38%；当ρ(C)/ρ(N)=3时，反应器对TP的去除效率达到最大，为98.18%. 说明3DBER-S-Fe在低碳氮比条件下已达很高的除磷效率，ρ(C)/ρ(N)的增加能够进一步促进工艺除磷效率的提高.

分析其原因，磷的去除方法主要包括生物除磷法和化学沉淀法两大类，而在本研究的反硝化系统中，生物法除磷主要是反硝化聚磷菌的作用[13]. 在碳源为零时，海绵铁在电流刺激下腐蚀产生的Fe2+及进一步氧化生成的Fe3+和磷酸根结合生成磷酸铁或磷酸亚铁沉淀而将系统中TP去除. 随着pH值增大，化学除磷效率升高[11]；本试验中异养反硝化所占比重随着ρ(C)/ρ(N)的增大逐渐增大，故系统pH值也不断增大. 有研究表明[11]，在反硝化系统厌氧区投加有机碳源能明显提高聚磷菌除磷功能. 故随着ρ(C)/ρ(N)不断增大，3DBER-S-Fe系统的化学除磷和生物除磷功能均得到不同程度的促进，因此，反应器除磷效率也随着ρ(C)/ρ(N)增大呈现出逐渐升高的趋势.

2.2 电流的影响

2.2.1 电流对3DBER-S-Fe脱氮效果的影响

分析其原因，在低碳氮比、低电流条件下，硫磺和海绵铁的加入有效弥补了异养反硝化和氢自养反硝化不足的劣势，故3DBER-S-Fe在零电流条件下能呈现较高的脱氮效率. 电流的增大进一步促进了氢自养反硝化，且微电流作用还能够促进海绵铁的腐蚀并有效刺激脱氮微生物的活性. 故当电流为150 mA时，3DBER-S-Fe对硝氮去除率可达99%. 而当电流高于最佳电流时，系统中会产生过量的H2，对反硝化产生抑制作用，即所谓的氢抑制效应，使反应器脱氮效率呈现下降趋势.

2.2.2 电流对3DBER-S-Fe除磷效果的影响

不同电流条件下，3DBER-S-Fe反应器TP去除率波动情况见图5.

由图5可知，随着电流的增加，3DBER-S-Fe对TP去除率呈现先升高后降低的趋势. 当电流I=0 mA时，反应器对TP的去除率已达94.59%；当电流上升到150 mA时，反应器对TP的去除效率达到最大，为97.43%；随着电流继续增加到200 mA时，反应器除磷效率反而出现下降趋势. 说明3DBER-S-Fe在低电流下已经达到很高的除磷效率，电流的增加能够进一步增强反应器的除磷性能，过大的电流对系统TP去除效果也有一定程度的抑制作用.

分析其原因，在低电流条件下，硫磺为硫自养反硝化提供了有效的电子供体，系统中硫自养反硝化占据很大比重. 硫自养反硝化过程中产生的H+能够促进海绵铁的腐蚀，使系统发生化学除磷过程，再加上系统中反硝化聚磷菌的生物除磷过程，二者的共同作用使反应器在零电流条件下，也呈现出较高的除磷效果. 电流的增大，在加快海绵铁腐蚀的同时，还刺激了反硝化聚磷菌的活性，强化了系统的除磷效率. 故在电流达到150 mA时，3DBER-S-Fe取得最佳除磷效果. 当电流过大时，硫自养反硝化菌和反硝化聚磷菌的活性均受到抑制，硫自养反硝化过程减弱使海绵铁腐蚀受限，而且过大的电流易使海绵铁发生钝化现象[17]，使系统化学法和生物法对TP的去除作用均受到不同程度的抑制. 故当电流超过最佳电流时，反应器除磷效率出现下降趋势.

2.3 HRT的影响

HRT也是影响工艺脱氮除磷效果的重要因素之一，其大小在一定程度上反映生物处理反应器的运行效率. 从运行成本角度考虑，一般希望处理工艺能够在最短HRT内达到理想的脱氮除磷效果.

2.3.1 HRT对3DBER-S-Fe脱氮效果的影响

2.3.2 HRT对3DBER-S-Fe除磷效果的影响

不同HRT条件下，3DBER-S-Fe反应器 TP去除率波动情况见图7.

由图7可知，随着HRT的增加，3DBER-S-Fe除磷效率呈现出递增趋势. 在HRT=2 h时，反应器除磷效率已达83.81%；随着HRT延长到8 h，反应器对TP去除率达到最大，为99.14%. 其中，在HRT=4 h时，TP去除率达97.43%，进一步证实3DBER-S-Fe反应器能够在较短HRT内取得较高的除磷效率.

2.4 3DBER-S-Fe系统中微生物菌群结构分析

在ρ(C)/ρ(N)=2、I=150 mA、HRT=4 h运行条件下，维持3DBER-S-Fe稳定运行1个月，然后分别从反应器填料(第3极)和阴极上中间位置采集生物膜样品，按照Ezup柱式基因组DNA抽提试剂盒说明书提供的操作步骤提取DNA. 将提取出的2组DNA移交北京某生物公司进行Miseq高通量测序，并构建细菌16S rRNA基因克隆文库.

2.4.1 16S rRNA基因多样性及克隆文库覆盖率

物种多样性指数是指应用数理统计方法求得表示物种的种类和个体数量的数值. 物种多样性主要以α多样性、β多样性、γ多样性3个空间尺度来测定. 其中，α多样性主要关注局域均匀生境下的物种数目. 常用Shannon-Weiner指数(H)和Simpson指数(D)反映样本中微生物α多样性. 其中：Shannon-Wiener指数反映群落种类丰富度；Simpson指数反映每个种类分布的均匀度. 文库的覆盖率(C)表示克隆文库中包含的微生物种类占样品全部微生物种类的百分比，覆盖率反映克隆文库可代表样品中微生物群落结构的置信度[6,18-19].

Shannon-Wiener指数(H)计算公式为

(1)

Simpson指数(D)计算公式为

(2)

文库覆盖率(C)的计算公式为

(3)

式中：ni为第i个种的个体数目；n1为仅包含1个阳性克隆子的OTU的数目；N为克隆文库中所有种的个体总数. 其中：H值越大，表明样本中物种量越大；D值越大，表明物种种类分布越均匀；C值越大，说明该克隆文库可代表样品中微生物群落结构的置信度越高[6,20]. 本研究中填料和阴极的Shannon-Wiener指数(H)分别为3.592和3.522，Simpson指数(D)分别为0.061和0.083；覆盖率(C)分别达99.85%和99.86%. 说明本研究样本中填料上分布的物种量较大，而阴极上物种种类分布较均匀，且该克隆文库可代表样品中微生物群落结构的置信度比较高.

2.4.2 菌群结构特征分析

将序列按照97%相似性对非重复序列聚类为一个操作分类单元(operational taxonomic units, OTU). 将每个OTU代表序列与Silva库比对，进行分类学分析，做样本群落结构分析图(见图8)，并将主要菌属的功能及其丰度列于表2中.

表2 样本中主要菌属的功能及其丰度

由图8和表2可知，在3DBER-S-Fe系统中，填料和阴极上群落丰度最大的均为Thiobacillus，分别占40.62%和44.75%.Thiobacillus为革兰氏阴性菌，在厌氧条件下能以硫单质或硫化物为电子供体进行自养反硝化脱氮[21-23]. 由于系统中添加了一定比例的硫磺颗粒，故其填料和阴极上生长了大量的Thiobacillus，从而使系统的硫自养反硝化能力得到增强.

其次，在阴极上丰度最大的为Rhodocyclaceae，占13.59%，明显大于其在填料上的丰度(5.04%). 以Thauera为代表的Rhodocyclaceae微生物多以苯酸盐、乙酸盐或乙醇等有机物或H2为电子供体进行反硝化脱氮[5,24]，且反硝化聚磷菌也主要分布于Rhodocyclaceae中[25]. 在3DBER-S-Fe系统中，海绵铁腐蚀和阴极电解是产生H2的2个主要来源，由于具有氢自养反硝化功能的Rhodocyclaceae在阴极的分布明显多于填料上的，说明系统中阴极电解产生的H2明显多于海绵铁腐蚀产生的H2. 可见，氢自养反硝化过程主要发生在阴极.

由表2还可以看出，填料和阴极上具有硫自养反硝化功能的细菌所占比例之和分别为59.76%和51.39%，具有氢自养反硝化功能的细菌所占比例之和分别为20.75%和21.53%，具有异养反硝化功能的细菌所占比例之和分别为8.29%和18.96%，说明该系统中反硝化脱氮作用所占比重为：硫自养反硝化>氢自养反硝化>异养反硝化. 进一步验证了3DBER-S-Fe系统在低碳氮比条件下取得如此高的脱氮效果主要是硫自养反硝化和氢自养反硝化共同作用的结果.

3 结论

1) 3DBER-S-Fe在ρ(C)/ρ(N)=0、I=0 mA、HRT=2 h的条件下，即可取得较高脱氮除磷效果；适当ρ(C)/ρ(N)、I和HRT的增加均能够不同程度促进3DBER-S-Fe脱氮除磷效率的提高.

3) 通过16S rRNA基因多样性分析发现，3DBER-S-Fe系统中，填料上分布的物种量较大，而阴极上物种种类分布较均匀，且该克隆文库可代表样品中微生物群落结构的置信度在99.5%以上.

4) 在3DBER-S-Fe系统中，填料和阴极上群落丰度最大的均为具有硫自养反硝化功能的Thiobacillus，分别占40.62%和44.75%；具有氢自养反硝化功能的Rhodocyclaceae在阴极的分布明显多于填料上的，说明系统中阴极电解产生的H2明显多于海绵铁腐蚀产生的H2. 可见，3DBER-S-Fe呈现较高的脱氮性能主要是硫自养反硝化和氢自养反硝化共同作用的结果，且氢自养反硝化过程主要发生在阴极.

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(责任编辑 梁 洁)

Advanced Nitrogen and Phosphorus Removal of Three-dimensional Biofilm-electrode Reactor With Sulfur/Sponge Iron Mixed Fillers

HAO Ruixia1, XU Zhongqiang1,2, ZHOU Yanqing1, FAN Junhui1

(1.Beijing Key Laboratory of Water Quality Science and Water Environment Recovery Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China；2.Yunnan Development Programming Design Institute, Kunming 650217, China)

In order to strengthen the efficiency of the advanced nitrogen and phosphorus removal process of three-dimensional biofilm-electrode reactor(3DBER)and improve the quality of secondary effluent from wastewater treatment plant, a three-dimensional biofilm-electrode reactor with sulfur/sponge iron mixed fillers (3DBER-S-Fe) composite denitrification and phosphorus removal process was constructed using sulfur/sponge iron mixed fillers, studies were conducted under differentρ(C)/ρ(N)，Iand hydraulic retention time (HRT) conditions to explore the effects on the performance of advanced removal of nitrogen and phosphorus. Finally, biofilms were taken from the fillers and cathode to build the bacterial 16S rRNA gene clone library by adopting the high-throughput sequencing technologies. Results show that under the condition ofρ(C)/ρ(N)=2，I=150 mA and HRT=4 h， the total nitrogen (TN) and total phosphorus (TP) removal rate of 3DBER-S-Fe can reach to 85.59% and 97.43% respectively. Furthermore, the removal efficiency of nitrogen and phosphorus is strengthened by properly increasing anyone of the three conditions. The largest proportion isThiobacillusbacteria that can use elemental sulfur as its electron donor which separately accounts for 40.62% and 44.75% of the bacterial community on the fillers and cathode, and the proportion of Rhodocyclaceae bacteria which can use elemental hydrogen as its electron donor reaches more on the latter. Therefore, the result of high nitrogen removal efficiency of the 3DBER-S-Fe mainly depends on the interaction of hydrogen autotrophic denitrification and sulfur autotrophic denitrification, and the process of hydrogen autotrophic denitrification mainly occurrs on the cathode.

3DBER-S-Fe；hydraulic retention time (HRT)；advanced nitrogen and phosphorus removal; 16S rRNA gene clone library

2016- 01- 18

国家自然科学基金资助项目(51378028)

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: haoruixia@bjut.edu.cn

X 703

A

0254-0037(2016)12-1880-08

10.11936/bjutxb2016010045