芦竹-砾石A/O生物滤池对农村污水强化脱氮效能的研究

赵远哲，董伟羊，王海燕,2*，储昭升，闫国凯，常洋，王欢，凌宇，李丛宇

1.中国环境科学研究院环境污染控制工程技术研究中心 2.环境基准与风险评估国家重点实验室，中国环境科学研究院 3.湖泊水污染治理与生态修复技术国家工程实验室，中国环境科学研究院

水体中氮的去除主要通过微生物的硝化和反硝化作用，其中碳源为反硝化脱氮过程提供电子，因此碳源不足往往是反硝化过程的主要限制因素之一[1]。特别是对于低浓度或低碳氮比污水，碳源不足使得生物反硝化作用被严重抑制，大大降低了生物脱氮效率[2]。针对碳源不足的问题，通过外加碳源来提高脱氮效率是行之有效的方法。实际工程中常用的外加碳源有甲醇、乙醇和乙酸等，这些小分子物质容易被反硝化细菌利用，但经济成本相对较高[3-5]，不宜在农村推广。为降低成本，许多专家致力于寻找无毒、廉价的碳源[6-7]。农村地区普遍存在的纤维素类废物，如草类、树木和农作物秸秆等，主要成分为糖类，其来源广泛、数量巨大、成本低廉[8]。Boussaid等[9]以纤维素作为补充碳源成功应用到地下水修复中，此后越来越多的学者选用天然有机物(如麦秸、棉花、报纸、锯末、核桃壳等)[10-15]作为碳源进行强化反硝化脱氮，均取得了很好的效果，并使农业废物得到资源化利用。

芦竹是一种大量生长于中国南方的竹类植物，其竹纤维中含有丰富的多糖类物质，在水的浸泡及微生物分解作用下释放出单糖，可作为反硝化细菌的电子供体强化脱氮。芦竹硬度大且表面粗糙，经过长时间浸泡依然保持形态不发生变化，很适合微生物附着生长，因此可用作生物填料[16]。笔者采用缺氧段填充芦竹的缺氧好氧(AO)生物滤池处理人工模拟低碳氮比农村污水，研究芦竹碳源释放规律和芦竹强化AO生物滤池脱氮的可行性，并采用扫描电镜(SEM)和实时荧光定量聚合酶链式反应(qPCR)等分析脱氮微生物群落，揭示芦竹强化AO生物滤池脱氮的微生物机理，以期为芦竹作为生物滤池外加碳源及微生物载体的实际应用提供理论支持。

1 材料与方法

1.1 试验材料

1.1.1模拟农村污水

试验用水采用人工模拟低碳氮比农村污水，以葡萄糖为碳源，氯化铵为氮源，磷酸二氢钾为磷源，加入1 mLL微量元素溶液补充微生物所需微量元素，用NaHCO3和HCl调节pH至7～8，水质指标如表1所示，微量元素组成如表2所示。

表1 模拟农村污水水质

Table 1 Characteristics of the synthetic rural sewage mgL

表1 模拟农村污水水质

项目CODCrTN浓度NH+4-N浓度NO-3-N浓度NO-2-N浓度PO3-4-P浓度范围48.60～103.0028.32～47.0729.48～45.030～2.090.05～1.651.77～4.08平均值79.47±14.2134.73±3.8734.49±2.081.30±0.420.58±0.242.38±0.46

表2 微量元素组成

Table 2 Ingredients of trace element mgL

表2 微量元素组成

FeCl3·6H2OH3BO4ZnSO4·7H2OMnCl2·7H2OCuSO4·5H2ONaMoO4NiCl2CoCl2·6H2OKI24015012012030655021030

1.1.2生物滤池填料

将收割的芦竹地上茎部分切成2 cm左右的环状，用清水反复冲洗干净后，在太阳下晒干。破碎(800Y破碎机，鸿旭餐具清洗消毒设备有限公司)后，经3和5 mm方形筛筛分，得到3～5 mm的芦竹碎片备用。将粒径为3～5 mm的砾石及5～8 mm的石英砂(莱芜市鲁中石英粉厂)清洗晒干后备用。测得石英砂、砾石、芦竹空隙率分别为45%、46%和60%，芦竹堆积密度为197.8 g/L。

1.2 试验装置

2组A/O生物滤池(1#和2#)均采用有机玻璃制成，为圆柱型。好氧段内径为0.11 m；进水区高度为0.1 m；承托层由5～8 mm石英砂填充，高度为0.1 m；填料层高度为0.7 m；好氧柱总高为1.11 m。缺氧段内径为0.07 m；进水区高度为0.1 m；承托层由5～8 mm石英砂填充，高度为0.1 m；填料层高度为0.5 m；缺氧柱总高为0.93 m(图1)。1#生物滤池为对照组，好氧段与缺氧段填料均为3～5 mm砾石，总有效过水体积为5.45 L；2#生物滤池好氧段与1#生物滤池相同，缺氧段用芦竹与砾石(体积比为3∶1)分层填充(芦竹在上，砾石在下)，芦竹与砾石混合空隙率为56%，总有效体积为5.25 L。

1.3 试验设计

1.4 分析方法

1.4.1水质分析方法

表3 水质指标分析方法和主要仪器

1.4.2芦竹碳源静态释放

将3 g芦竹填料和附着了生物膜的砾石填料以体积比3∶1放入500 mL锥形瓶内，加入400 mL去离子水；在室温下培养，每天更换去离子水，1～15 d测定锥形瓶中溶液的CODCr；在第15天和第60天时将瓶中芦竹取出，在105 ℃下烘干24 h，冷却至室温后，称量芦竹干质量。

1.4.3微生物及分子生物学

在生物滤池稳定运行阶段的第45天，取生物膜生长良好的填料进行SEM及qPCR分析。

小孙啊，我说过你不要紧张嘛！你是知道我这个人的，对于群众反映的正确情况我是会好好处理的，所以，我今天特意让你来的目的，就是想告诉你，我们对你还是挺有想法的。周书记说完把眼睛盯住了我。

选取3～5 mm的填料小块，用2.5%中性戊二醛固定，磷酸缓冲液清洗，乙醇梯度脱水，再进行临界点干燥和喷金后，置于SEM下观察[18]。

采用ABI 7500型实时荧光定量PCR仪(Life Technologies，美国)对厌氧氨氧化(ANAMMOX)过程中微生物功能基因(Anammox)基因和反硝化过程中编码硝酸盐还原酶功能基因(narG)、编码cytochrome cd1亚硝酸盐还原酶基因(nirK)、编码copper亚硝酸盐还原酶基因(nirS)和编码N2O还原酶基因(nosZ)的拷贝数进行定量分析，各目的基因的引物序列见表4。

表4 qPCR引物序列

用土壤基因组DNA提取试剂盒(MPBiomedicals，美国)提取生物膜样品的DNA。20 μL的qPCR混合反应物由16.4 μL的2X Taq Plus Master Mix(Vazyme Biotech，美国)，2 μL的模板DNA，0.8 μL的正向引物和0.8 μL的反向引物组成。qPCR的反应条件：95 ℃预变性5 min；在不同温度下(narG和nirS，60 ℃；nirK，54 ℃；nosZ，56 ℃；Anammox，55 ℃)变性30 s，共40个循环；最后，72 ℃延伸40 s。每个样品设3个平行样。用Nano Drop 2000分析仪(Thermo Fisher Scientific，美国)监测构建质粒的数量与质量。以10倍梯度稀释反硝化菌，并对各功能基因重组质粒进行qPCR检测，获得Anammox及各功能基因标准曲线，R2为0.994 9～0.999 9，扩增效率为84.8%～99.7%。

2 结果与讨论

2.1 芦竹CODCr释放和CODCr去除效果

2.1.1芦竹CODCr释放

图2 芦竹CODCr释放结果Fig.2 CODCr release result for Arundo donax

2.1.2CODCr去除效果

2组A/O生物滤池对于CODCr的去除效果如表5所示。从表5可知，当进水CODCr为(79.47±14.21)mg/L时，1#和2#生物滤池出水CODCr分别为(8.90±5.75)和(10.27±4.32)mg/L，均能满足GB 18918—2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级A标准[27]。添加了芦竹的2#生物滤池缺氧段出水CODCr〔(44.62±19.87)mg/L〕明显高于1#生物滤池砾石缺氧段〔(11.81±8.64)mg/L〕(图3)，说明芦竹可明显增大缺氧段中的CODCr。

表5 AO生物滤池对CODCr的去除效果

Table 5 CODCr removal efficiency of the AO biofilters

表5 AO生物滤池对CODCr的去除效果

项目CODCr∕(mg∕L)进水出水去除率∕%1#生物滤池79.47±14.218.90±5.7588±72#生物滤池79.47±14.2110.27±4.3286±6

图3 AO生物滤池缺氧段出水CODCrFig.3 CODCr concentrations in the anoxic column effluent of two AO biofilters

2.2 氮污染物去除效果

表6 AO生物滤池对的去除效果

Table removal efficiency of two AO biofilters

表6 AO生物滤池对的去除效果

项目NH+4-N浓度∕(mg∕L)进水出水去除率∕%1#生物滤池34.49±2.083.38±0.7290±22#生物滤池34.49±2.081.18±2.3397±7

图4 AO生物滤池对TN的去除效果Fig.4 TN removal efficiency of two AO biofilters

图5 AO生物滤池出水浓度 concentrations of effluent of two AO biofilters

表7 碳源释放试验中芦竹质量变化

图6 AO生物滤池对去除效果 removal efficiency of two AO biofilters

2.4 不同填料上的生物膜形态

图7为缺氧段芦竹及砾石填料附着生物膜的SEM。从图7可以看出，芦竹表面粗糙，适合于微生物附着生长。无论是砾石填料还是芦竹填料上，生物膜都以短杆菌为主，微生物反硝化过程中典型的反硝化假单胞菌属(Pseudomonaceae)和色杆菌属(Chromobacterium)均呈短杆状[37]，故从SEM微生物形态上推测为脱氮短杆菌。1#生物滤池缺氧段砾石填料生物膜相对稀薄松散，2#生物滤池缺氧段砾石填料生物膜结构较为密实；而2#生物滤池缺氧段芦竹上附着的生物膜最均匀紧凑，且黏性物质也最少，体现出芦竹作为微生物载体的优越性。刘秀红等[38]以甲醇为外加碳源处理中试反硝化生物滤池污水厂二级出水，滤料表面生物膜几乎全部为短杆菌，并由黏性物质联结；Shen等[39]在反硝化生物填充床中发现，生物膜上短杆菌是主要菌群。这些研究结果均与本试验一致。

2.5 AO生物滤池缺氧段脱氮菌功能基因拷贝数

图7 AO生物滤池缺氧段填料表面SEMFig.7 SEM images of the filter media in the anoxic column of two AO biofilters

表8 AO生物滤池缺氧段填料生物膜中脱氮功能基因拷贝数

Table 8 Copy numbers of nitrogen removal genes in filter media biofilms of the AO biofilters’ anoxic columns g-1

表8 AO生物滤池缺氧段填料生物膜中脱氮功能基因拷贝数

项目narGnosZnirSnirKAnammox1#生物滤池缺氧段1.09×1099.45×1078.43×1087.91×1083.74×1022#生物滤池缺氧段3.73×1091.20×1085.06×1093.64×10101.47×103

3 结论

(1)芦竹静态碳源释放试验发现，初期(第1、2 天)CODCr平均释放量很大，为39.20和5.92 mg/(g·d)；后13 d，CODCr释放趋于稳定，平均CODCr释放量为0.98 mg/(g·d)。

(3)A/O生物滤池缺氧段填料上的生物膜都以短杆菌为主，相比1#生物滤池缺氧段砾石填料上较稀薄的生物膜，2#生物滤池缺氧段砾石填料上黏性物质较多且生物膜结构较为密实；2#生物滤池缺氧段芦竹上附着的生物膜最密实，且黏性物质也最少，表明芦竹是一种良好的微生物载体。

(4)2#生物滤池缺氧段中微生物的几种反硝化脱氮功能基因(narG、nosZ、nirS和nirK)和ANAMMOX功能基因(Anammox)拷贝数均高于1#生物滤池缺氧段，除narG基因外，其余基因均高出1～2个数量级。