HRT 对硫/菱铁矿自养反硝化系统运行性能的影响

张献旭，胡晓玲，张 俐，王弘宇

（1.武汉环投固废运营有限公司，湖北 武汉 430014；2.武汉大学土木建筑工程学院，湖北 武汉 430072；3.湖北省工程咨询股份有限公司，湖北 武汉 430060）

工农业生产的发展以及化肥的大量施用导致了氮化合物在水体中的不良积累及过量排放〔1〕，过量的氮排放将导致水体富营养化，并对人类健康产生潜在危害。通常，水体不发生富营养化的环境阈值约为0.2 mg/L 的总氮（TN）〔2〕，按我国《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）一级A 标准，TN 的最高允许排放质量浓度为15 mg/L。因此，满足一级A 标准的污水处理厂排出的尾水并不能阻止水体的富营养化，并且现在很多污水处理厂都面临出水TN 不能稳定达标的问题。因此，寻求进一步减少污水处理厂尾水总氮排放的低成本技术势在必行。

由元素硫驱动的自养反硝化技术是一种相对高效、经济、安全的脱氮技术〔3〕，适用于缺少碳源的污水处理厂尾水的进一步处理。但是，硫自养反硝化过程是产H+并消耗碱度的过程，而脱氮硫杆菌生长的最适pH 为7，且硫自养反硝化需要无机碳源作为能量来源。

铁在自然界中分布广泛，主要以碳酸盐、氧化物、硫酸盐等铁矿物的形式存在〔4〕。研究发现，菱铁矿（主要成分为FeCO3）能驱动硝酸盐向氮气的转化，相应的反应见式（1）〔5〕。

FeCO3自养反硝化过程会产生碱度和碳酸根，能够缓冲体系pH 的变化，并且可以为系统中的自养微生物提供无机碳源，FeCO3也可作为电子供体参与自养反硝化，此外，若将硫自养反硝化与FeCO3自养反硝化耦合，对于相同的进水-N 负荷还可以减少的生成〔6〕。因此，面对污水处理厂尾水提质增效的实际需求，开展硫/菱铁矿自养脱氮工艺的研究具有极大的理论意义和实际应用意义。

1 材料与方法

1.1 实验装置与运行条件

实验装置如图1 所示，采用圆柱形反应器，材质为有机玻璃，反应器内径为10 cm，高30 cm，反应器内等体积混合填充粒径为2～5 mm 的硫颗粒和菱铁矿颗粒，有效填充高度为25 cm，有效填充体积为1.96 L。反应器采用上向流方式连续进水，实验所用硫颗粒为工业用硫磺颗粒，S 的质量分数为99.9%，所用菱铁矿购自贵州矿山，其主要组分为FeCO3。实验过程中改变反应器的HRT 分别为6、12、18 h，探究反应器对污染物的去除效果、FeCO3自养反硝化的脱氮贡献率及系统的微生物群落变化。

图1 反应装置示意Fig.1 Schematic diagram of reaction device

1.2 进水水质与接种污泥

种泥取自实验室连续运行的自养反硝化反应器（该反应器的初始接种污泥质量浓度为2 040 mg/L）中的硫颗粒及菱铁矿颗粒上附着的膜状污泥。实验过程中反应器的进水为自来水配制的人工合成废水-N 在反应器中的质量浓度为（36.33±0.75）mg/L，废水中其他添加物质为：NaHCO3500 mg/L，KH2PO42.7 mg/L，微量元素1 mL/L。微量元素溶液组 成 为：ZnSO4·7H2O 0.5 g/L，CoCl2·6H2O 0.5 g/L，CuSO4·5H2O 0.1 g/L，CaCl21.0 g/L，MnCl2·4H2O 0.1 g/L，FeCl3·6H2O 0.2 g/L，Na2MoO4·4H2O 0.5 g/L。废水初始pH=（7.0±0.3）。

1.3 分析项目与方法

实验所采用的水质检测方法均参照国家环境保护总局《水和废水监测分析方法（第4 版）》。采用紫外分光光度法测定-N；采用N-（1-萘基）乙二胺分光光度法测定-N；采用纳氏试剂分光光度法测定-N；采用瑞士万通离子色谱仪882 com⁃pact IC plus 检测浓度；采用梅特勒-托利多FE20K pH 计测定pH。

为探究HRT 对系统生物种群结构及多样性的影响，在HRT=6、12、18 h 这3 个工况下系统运行稳定时，分别从反应器中部的硫/菱铁矿颗粒上等量剥落生物膜进行Illumina 高通量测序，取出的生物膜样品依次编号为D6（HRT=6 h）、D12（HRT=12 h）、D18（HRT=18 h）。

硫/菱铁矿自养反硝化系统中FeCO3自养反硝化和硫自养反硝化对氮脱除的贡献率的计算方法见式（2）～式（5）〔8〕。

式中：n1——1 个-N 被还原为N2需要的电子数目，取5；

n2——1 个-N 被还 原 为-N 需 要 的 电子数目，取2；

n3——1 个S 被氧化为可提供的电子数目，取6；

C1——进出水-N 差值，g/L；

C2——进出水-N 差值，g/L；

C3——进出水质量浓度差值，g/L；

M1——N 元素的摩尔质量，取14 g/mol；

M2——的摩尔质量，取96 g/mol；

X——系统中污水被处理所需要的电子浓度，mol/L；

XS——硫自养过程中单质硫提供的电子浓度，mol/L；

NS——硫自养反硝化对氮脱除的贡献率，%；

NF——FeCO3自养反硝化对氮脱除的贡献率，%。

2 结果与讨论

2.1 HRT 对系统脱氮性能的影响

HRT=6、12、18 h 时，反应器对氮素的去除效果见图2。

图2 不同HRT 条件下反应器内氮素的变化Fig.2 Variations of nitrogen under different HRT conditions

由图2 可知，当HRT=6、12、18 h 时，在稳定运行阶段，反应器对-N 均有很好的去除效果，平均去除率分别为99.12%、99.48%、99.93%。HRT=6 h和12 h 时，反应器中存在-N 积累，稳定运行阶段 其 出 水 平 均-N 分 别 为3.098、0.743 mg/L；HRT=18 h 时，反应器内几乎无-N 的积累。Wei WANG 等〔2〕的研究表明，当HRT 偏小（HRT=6 h和12 h）时，自养反硝化系统的出水中就会有-N 的积累，与本研究结果类似。Fangmin CHEN 等〔9〕的研究结果表明，S0对-N 的亲和力显著高于对-N 的亲和力，当HRT 较低时，废水与填料没有充足的接触时间，导致-N 的还原速率大于-N 的还原速率-N 被还原为-N 后无法及时被还原为N2，因而产生了-N 的积累。此外，随着HRT 的增大，-N 积累量逐渐上升，当HRT=6、12、18 h 时，反应器在稳定运行阶段的平均出 水-N 分 别 为0.136、0.625、1.182 mg/L，这是因为当HRT 增加，HRT 过长致使反应器中的部分微生物因缺少营养物质而死亡，从而释放出少量N。由图2 还可以看出，当HRT=6、12、18 h 时，硫/菱铁矿自养反硝化系统对总无机氮（TIN）的平均去除率分别为90.30%、95.67%、96.60%。综上，HRT=12 h 时系统对TIN 的去除率达到95%以上，继续增大HRT，系统对TIN 的去除率没有明显的变化，反而会导致-N 的积累，而当HRT=6 h 时，由于-N的积累也会使TIN 去除率降低，因此，HRT=12 h 对于硫/菱铁矿自养反硝化系统的脱氮较为适宜。

2.2 HRT 对系统出水浓度 及pH 的 影响

由图3 可 知，HRT 从6 h 增 加 到12 h 时，反 应 器出水的平均质量浓度从193.14 mg/L 降至181.26 mg/L，而HRT 从12 h 增加到18 h 时，反应器出水的平均质量浓度略微上升至184.14 mg/L；当进水pH 稳定在7.10 左右时，HRT 从6 h 增加到12 h时反应器出水pH 从6.18 上升至6.56，HRT 进一步增加到18 h 时，系统出水pH 相对稳定，为6.58。推测其原因为，当HRT 从6 h 增加到12 h 时，FeCO3自养脱氮对氮脱除的贡献率增加，因此反应器出水浓度减少，pH 上升；而当HRT 进一步增加到18 h 时，FeCO3自养脱氮对氮脱除的贡献率基本不变，因此出水浓度和pH 基本不变。

图3 不同HRT 条件下反应器内及pH 的变化Fig.3 Variations of and pH under different HRT conditions

2.3 HRT 对系统中FeCO3自养脱氮贡献率的影响

HRT=6、12、18 h 时，FeCO3自养和硫自养脱氮对氮脱除的贡献率见图4。

图4 不同HRT 条件下FeCO3自养和硫自养脱氮贡献率Fig.4 The proportions of FeCO3 and sulfur autotrophic denitrifi⁃cation under different HRT conditions

由图4 可知，HRT=6、12、18 h 时，稳定运行阶段FeCO3自养脱氮对氮脱除的贡献率分别为13.64%、20.49%、20.78%。有研究表明，硫自养反硝化产生的H+可能会促进FeCO3中Fe2+的溶出，将微生物在菱铁矿上（固相）的反应扩大至固液两相〔10〕，当HRT从6 h 增加到12 h 时，铁自养反硝化微生物有足够的停 留 时 间 利 用 溶 出 的Fe2+将-N 还 原，因 而FeCO3参与反硝化脱氮对氮脱除的贡献率增加。当HRT 继续增加到18 h 时，FeCO3自养脱氮对氮脱除的贡献率基本不变，说明进一步增加HRT 对FeCO3自养脱氮贡献率的提升没有帮助。FeCO3自养脱氮对氮脱除贡献率的变化规律与2.2 节所探讨的系统出水浓度及pH 的变化相一致，即当FeCO3自养脱氮对氮脱除的贡献率增加时，出水浓度减少，pH 上升。

2.4 HRT 对系统微生物群落的影响

2.4.1 微生物α多样性分析

样品D6、D12、D18 的微生物物种丰富度及多样性指数见表1。

表1 不同HRT 条件下微生物物种丰富度及多样性指数Table 1 Species richness and diversity estimators of microbial populations under different HRT conditions

由表1 可知，HRT=12 h 时，系统内Ace 和Chao 指数最大，此时系统内物种丰度最高，此外其Shannon 指数最大，Simpson 指数较小，说明微生物多样性也较高，这可能源于适宜的HRT 使得系统中的微生物有较充足的营养物质。

样品D6、D12、D18 的韦恩图见图5。

图5 韦恩图Fig.5 Venn diagram

由图5 可知，3 个样本获得的OTU 总数为440，其中，共同所有的OTU 数目为104，占3 个样本总OTU 数目的23.6%，这说明3 个样本的生物多样性存在较大差异，不同HRT 条件下的硫/菱铁矿自养反硝化系统在菌群结构上发生了明显的演替和变化，HRT 的改变对硫/菱铁矿自养反硝化系统的生物多样性有显著影响。

2.4.2 微生物群落结构分析

图6 为样品D6、D12、D18 中微生物组成的门水平分布。

由图6 可知，硫/菱铁矿自养反硝化系统中最主要的菌门为变形菌门（Proteobacteria）、弯曲杆菌门（Campilobacterota）、酸杆菌门（Acidobacteriota）。随着HRT 的增加，Proteobacteria 的相对丰度逐渐增加，在3个样本中分别为85.87%、96.36%、98.73%；而Campi⁃lobacterota 和Acidobacteriota 的相对丰度随着HRT 的增加逐渐降低。Proteobacteria中存在很多典型的硝酸盐还原菌和铁氧化菌〔11〕，系统中Proteobacteria 的相对丰度远大于其他菌门，说明功能菌在系统中逐渐富集。

图6 微生物组成结构的门水平分布Fig.6 Distribution of microbial composition structure at phylum level

图7 为3 个样本D6、D12、D18 在属分类水平下的热图。

图7 微生物属水平热图Fig.7 Heatmap of microbial compositions at genus level

由图7 可知，样品D6 中的主要菌属有Thiobacil⁃lus、Sulfurimonas、Ferritrophicum、Comamonas、unclassi⁃fied_o_Burkholderiales和Geothrix，各菌属相对丰度分别为74.46%、11.19%、3.12%、1.93%、1.30%、1.12%。样品D12 中的主要菌属有Thiobacillus、Comamonas、Thiomonas、Ferritrophicum、Thermomonas，各菌属相对丰度分别为82.35%、3.94%、1.62%、1.14%、1.12%。样品D18 中的主要 菌属有Thiobacillus、Comamonas，相对丰度分别为93.70%、1.68%。

Thiobacillus和Sulfurimonas属 于Proteobacteria 菌门，是典型的硫自养反硝化细菌〔1，12〕。研究发现，某些种类的Thiobacillus也可以使用Fe（Ⅱ）作为电子供体〔13〕，因此可以利用硫和Fe（Ⅱ）的Thiobacillus可能在系统脱氮中发挥重要作用。作为硫/菱铁矿自养反硝化系统中相对丰度最大的菌属，随着HRT的增加，Thiobacillus的相对丰度从74.46%逐渐增加至93.7%，表明HRT 的增加有利于其生长繁殖；与此相反，随着HRT 的增加，Sulfurimonas的相对丰度降低，说明Thiobacillus比Sulfurimonas更容易利用硫和FeCO3作为电子供体，相同的现象在Ruihua LI 等〔14〕对磁黄铁矿-硫-石灰石自养反硝化生物滤池的研究中也被发现。Thiomonas是一种在很多硫自养反硝化系统中被检测到的自养硫化物氧化细菌〔15〕。Ferritrophicum也属于Proteobacteria 菌门，是一种可以利用硝酸盐作为电子受体氧化Fe（Ⅱ）和硫化物的细菌〔16-17〕。Thermomonas是一种异养反硝化细菌，在进水没有有机物的情况下，可以利用细菌分泌和死亡后释放的有机物〔18〕作为碳源，其同时也被报道是一种自养反硝化细菌，能够在缺乏有机物条件下利用无机碳源将硝酸盐还原为氮气〔19〕。Comamonas经常在氧化Fe（Ⅱ）还原硝酸盐的环境中被检测到〔20-21〕。HRT=18 h 时，还存在内源反硝化细菌unclassified_f_Coma⁃monadaceae〔22〕，进一步证明过长的HRT 使得系统中的微生物缺乏营养物质。综上，同时存在的自养、异养和内源脱氮细菌保证了系统高效稳定的脱氮性能，另外，系统中存在的铁还原菌Geothrix对Fe（Ⅱ）和Fe（Ⅲ）的循环也起到了重要作用〔13〕。

3 结论

（1）改变硫/菱铁矿自养反硝化组合系统的HRT，探究HRT 对硫/菱铁矿自养反硝化系统运行性能的影响，结果表明，在进水-N 为36 mg/L 时，当HRT 由6 h 增加到12 h，系统的TIN 去除率从90.30%增加到95.67%，FeCO3自养反硝化脱氮对氮脱除的贡献率由13.64%增加至20.49%，出水质 量 浓 度 从193.14 mg/L 降 至181.26 mg/L，pH 从6.18 上升至6.56；当HRT 进一步增加到18 h 时，系统脱氮效果及FeCO3自养脱氮贡献率受到的影响较小，反而会导致-N 的积累。因此，HRT=12 h 对于硫/菱铁矿自养反硝化系统较为适宜。

（2）Proteobacteria 菌门的Thiobacillus菌属是系统中占据绝对优势的自养反硝化细菌，同时还存在Sulfurimonas、Ferritrophicum、Thermomonas、Geothrix等功能细菌保证了系统的脱氮性能与Fe 的循环。