趙東風(fēng), 李文斐, 馬文娟, 劉春爽, 賈魁莉

(中國石油大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院,山東青島 266580)

NaCl對(duì)反硝化脫硫工藝運(yùn)行效果的影響

趙東風(fēng), 李文斐, 馬文娟, 劉春爽, 賈魁莉

(中國石油大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院,山東青島 266580)

采用UASB反應(yīng)器研究當(dāng)NaCl質(zhì)量濃度為2～35 g/L時(shí)對(duì)反硝化脫硫工藝以及微生物群落結(jié)構(gòu)的影響。結(jié)果表明:NaCl從2 g/L增加至35 g/L的過程中,提高S∶C∶N至1∶3∶1可以保持高的單質(zhì)硫產(chǎn)率;反應(yīng)器內(nèi)異養(yǎng)反硝化菌屬所占比例隨NaCl質(zhì)量濃度的增加而減小,而自養(yǎng)反硝化菌屬所占比例卻隨之增加;NaCl存在時(shí),有機(jī)物的增加能夠影響亞硝酸鹽還原速率,從而使硫化物氧化停留在單質(zhì)硫階段,且高質(zhì)量濃度NaCl條件下兼性自養(yǎng)反硝化微生物能同時(shí)參與硫化物的氧化、硝酸鹽的反硝化和有機(jī)物的降解,使反硝化脫硫工藝維持較好的處理效果。

反硝化脫硫 ;氯化鈉; 微生物群落結(jié)構(gòu); 影響機(jī)制

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置

采用改進(jìn)的UASB反應(yīng)器[9],其反應(yīng)區(qū)內(nèi)徑5 cm,高80 cm,有效容積1.57 L,總?cè)莘e為3 L。進(jìn)水采用蠕動(dòng)泵從反應(yīng)器底部入口引入,經(jīng)柱內(nèi)污泥區(qū)生物處理后,產(chǎn)物經(jīng)三相分離器,部分回流,其余自三角堰經(jīng)U形管排出,反應(yīng)器內(nèi)生成的氣體自頂部導(dǎo)氣管流出,經(jīng)吸收瓶吸收后排出。

1.2 試驗(yàn)用水

反硝化脫硫工藝啟動(dòng)所用接種污泥來自青島市泥布灣污水處理廠二沉池污泥,初始混合液懸浮物(MLSS)為11.1 g/L,揮發(fā)性懸浮物(MLVSS)為4.9 g/L,接種量為1.5 L。試驗(yàn)用水采用人工配水,其中進(jìn)水硫化物、乙酸鹽和硝酸鹽分別通過投加化學(xué)試劑Na2S·9H2O,CH3COONa和KNO3提供,NaHCO3和K2HPO4分別作為無機(jī)碳源和磷源,反應(yīng)pH為7.5±0.2,溫度(32±1) ℃,水力停留時(shí)間為10 h。

表1 UASB反應(yīng)器各階段運(yùn)行參數(shù)

注:背景鈉質(zhì)量濃度為985 mg/L。

1.3 分析指標(biāo)及方法

反應(yīng)器出水經(jīng)0.45 μm濾膜過濾后分別對(duì)S2-、NO2--N、NO3--N、SO42-以及CH3COO-進(jìn)行檢測(cè)分析[10],其中S2-采用亞甲基藍(lán)分光光度法,NO3--N采用紫外分光光度法,NO2--N采用乙二胺分光光度法,SO42-采用鉻酸鋇分光光度法,CH3COO-采用離子色譜法;通過硫平衡推算法計(jì)算理論上單質(zhì)硫產(chǎn)率?；旌弦簯腋∥?MLSS)和揮發(fā)性懸浮物(MLVSS)測(cè)定采用標(biāo)準(zhǔn)重量法。

1.4 微生物群落動(dòng)態(tài)

ESP課程自產(chǎn)生之日起逐漸受到國際語言教育界的重視,并成為應(yīng)用語言學(xué)之下語言教學(xué)的一個(gè)學(xué)科分支,見圖1。

從UASB反應(yīng)器中取各階段污泥樣品于-80 ℃下儲(chǔ)存。根據(jù)制造商指令對(duì)每個(gè)樣品使用細(xì)菌基因組DNA提取試劑盒(MO BIO Laboratories公司)提取總基因組DNA,每個(gè)樣本2個(gè)重復(fù),然后利用1%瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè)抽提的基因組DNA并用紫外-可見分光光度計(jì)(NanoDrop 2000,USA)對(duì)其濃度進(jìn)行測(cè)定。以純化后的DNA為模板,采用細(xì)菌16SrDNA V3-V4區(qū)PCR擴(kuò)增引物為通用引物帶338F (5′-ACTCCT ACG GGA GGC AGC AG-3′)和806R (5′-GGACTA CHV GGG TWT CTA AT-3′)對(duì)基因進(jìn)行擴(kuò)增。20 μL擴(kuò)增體系主要包含:FastPfu DNA聚合酶(1 U·μL-1) 0.5 μL,5×PCR Buffer 4.0 μL,模板DNA 1 μL,dNTP(2.5 mmol/L)0.5 μL,無菌水14 μL。擴(kuò)增條件為:95 ℃預(yù)變性2 min,95 ℃變性30 s,55 ℃退火30 s,72 ℃延伸30 s,30個(gè)循環(huán),最后72 ℃延伸5 min。通過2.0%瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè)PCR產(chǎn)物純化效果后采用AxyPrep DNA凝膠萃取設(shè)備收集。將2個(gè)樣品16SrRNA 基因的PCR純化產(chǎn)物等摩爾數(shù)混合,利用上海美吉生物醫(yī)藥科技有限公司Illumina Miseq測(cè)序平臺(tái)進(jìn)行測(cè)序分析。

2 結(jié)果分析

2.1 NaCl對(duì)硫化物的去除及其轉(zhuǎn)化產(chǎn)物的影響

不同NaCl質(zhì)量濃度下硫化物去除效果及其轉(zhuǎn)化產(chǎn)物的變化情況如圖1所示。

由圖1可知,反應(yīng)器啟動(dòng)階段,即NaCl質(zhì)量濃度為0 g/L時(shí),硫化物去除率從第14 d開始增加至100%并保持穩(wěn)定,單質(zhì)硫產(chǎn)率穩(wěn)定在約87%。在NaCl質(zhì)量濃度從2 g/L增加到4 g/L過程中,硫化物去除率一直保持在100%,而出水SO42-的含量從120 mg/L增加至270 mg/L,相對(duì)應(yīng)的單質(zhì)硫產(chǎn)率為從88%下降至65%。實(shí)驗(yàn)在Ⅲb和Ⅲc階段將CH3COO--C質(zhì)量濃度增加至150 mg/L和225 mg/L且隨后一直保持S∶C∶N=1∶3∶1后,出水SO42-的含量逐漸降低,且最終與進(jìn)水SO42-的含量基本相等,單質(zhì)硫產(chǎn)率上升至100%并穩(wěn)定不變。

圖1 NaCl對(duì)硫化物的去除及其轉(zhuǎn)化產(chǎn)物的影響Fig.1 Effects of NaCl on sulfide removal and converted products

2.2 NaCl對(duì)硝酸鹽和乙酸鹽去除的影響

不同NaCl投加量下硝酸鹽和乙酸鹽的去除效果見圖2。

圖2 NaCl對(duì)硝酸鹽和乙酸鹽去除效果Fig.2 Effects of NaCl on removal of nitrate and acetate

由圖2可知,在NaCl質(zhì)量濃度從0 g/L增加至4 g/L的過程中,硝酸鹽和乙酸鹽的去除率下降至約90%,同時(shí)出水中有NO2-檢出,約為15 mg/L。在Ⅲb和Ⅲc階段將CH3COO--C質(zhì)量濃度增加至150 mg/L和225 mg/L并保持不變后,出水NO2-消失,NO3-的去除率恢復(fù)至98%以上且隨著NaCl質(zhì)量濃度的增加保持穩(wěn)定,而CH3COO-的去除率下降至約85%,這可能是提高了CH3COO-基質(zhì)濃度所致[11-12]。

2.3 NaCl對(duì)反硝化脫硫工藝微生物群落結(jié)構(gòu)的影響

分別對(duì)接種污泥以及NaCl質(zhì)量濃度為0、2、10、35 g/L(Ⅰ、Ⅱ、Ⅴ、Ⅶ)4個(gè)階段的污泥取樣(標(biāo)記為樣品1、2、3、4、5)進(jìn)行高通量測(cè)序分析。對(duì)細(xì)菌16sRNA序列在門水平和屬水平上的系統(tǒng)分類如圖3、4所示。

由圖3可知,樣品1、2、3、4、5中主要有9個(gè)細(xì)菌門類,其中1、3、4三個(gè)群落均表現(xiàn)出了較高的生物多樣性,這五個(gè)群落最明顯的差異在于Proteobacteria(變形菌門),Firmicutes(厚壁菌門)和Bacteroidetes(擬桿菌門)分別在各自群落中所占比例的不同。此三個(gè)門類的細(xì)菌總和分別占菌落總序列數(shù)的84.71%(樣品1),96.21%(樣品2),95.59%(樣品3),97.44%(樣品4)和97.70%(樣品5)。此外,Chloroflexi(綠彎菌門)在樣品“5”中的含量最少(0.44%),在樣品“1”中的含量最高(2.12%)。

圖3 測(cè)序序列在門水平上的分布Fig.3 Distribution of DNA sequence at gate level

由圖4可知,接種污泥(樣品1)群落微生物菌屬種類較豐富,分布較為均勻,主要菌屬有Chitinophagaceae(11.48%)、Xanthomonadales(9.08%)、Thauera(6.39%)和Piscinibacter(7.10%),其中Chitinophagaceae、Xanthomonadales和Thauera為典型的異養(yǎng)反硝化菌屬;Piscinibacter為典型的自養(yǎng)反硝化菌屬。

反應(yīng)器啟動(dòng)完成后(樣品2,NaCl質(zhì)量濃度為0 g/L),污泥內(nèi)微生物多樣性有所降低,這可能是因?yàn)槲勰辔⑸镌诤琒、N、C的特定污染物廢水中馴化的結(jié)果。其中主要的異養(yǎng)反硝化菌屬有Thauera(39.24%)、Thermomonas(22.50%);主要的自養(yǎng)反硝化菌屬有Arenimonas(9.32%)。與接種污泥相比,異養(yǎng)反硝化菌Thauera、Thermomonas所占比例大幅增加。

當(dāng)NaCl質(zhì)量濃度為2、10和35 g/L時(shí),反硝化脫硫反應(yīng)器內(nèi)微生物類群分別為Thauera、Thermomonas、Arenimonas和Azoarcus;NaCl質(zhì)量濃度從2 g/L增加到10 g/L進(jìn)而增加到35 g/L的過程中,典型的異養(yǎng)反硝化微生物Thauera和Thermomonas所占比例逐漸降低,分別從30.65%和22.50%降低至15.18%和0%;而典型的自養(yǎng)反硝化微生物Azoarcus所占比例大幅增加,從0%增加至37.13%,Arenimonas所占比例變化不大,穩(wěn)定在約9%。

圖4 測(cè)序序列在屬水平上的分布Fig.4 The distribution of DNA sequence at the genus level

2.4NaCl對(duì)反硝化脫硫工藝影響的機(jī)制

反硝化脫硫(DSR)工藝之所以將硫化物氧化停留在單質(zhì)硫階段,主要因?yàn)樽责B(yǎng)反硝化微生物發(fā)生R1途徑的代謝速率大于乙酸鹽還原硝酸鹽為亞硝酸鹽的速率;而自養(yǎng)反硝化微生物發(fā)生R2途徑的代謝速率卻要小于異養(yǎng)反硝化微生物發(fā)生R3途徑的代謝速率[13-16]。當(dāng)NaCl質(zhì)量濃度增加到4 g/L(階段Ⅲa)時(shí),雖然體系中硫化物去除率保持100%不變,但硝酸鹽和乙酸鹽去除率下降至90%且有NO2-檢出,同時(shí)SO42-的含量從120 mg/L增加至270 mg/L,單質(zhì)硫產(chǎn)率下降至65%,這可能是因?yàn)楫?dāng)體系內(nèi)有NaCl存在時(shí),減緩了異養(yǎng)微生物的代謝速率(R2途徑)而使得R3途徑更容易發(fā)生,從而使單質(zhì)硫因進(jìn)一步被氧化為SO42-而產(chǎn)率降低。在此條件下,進(jìn)一步增加進(jìn)水乙酸鹽至225 mg/L (階段Ⅲc)后,硝酸鹽去除率增加至98%以上且不再有NO2-檢出,同時(shí),SO42-的含量降低至80 mg/L,單質(zhì)硫產(chǎn)率上升至100%,這可能是因?yàn)橐宜猁}濃度的增加使R2途徑代謝速率變快,從而促進(jìn)了單質(zhì)硫的積累。

圖5 DSR過程代謝途徑Fig.5 Metabolic pathways of DSR

NaCl質(zhì)量濃度從2 g/L增加到35 g/L過程中,盡管自養(yǎng)反硝化微生物所占比例由13.12%增加到74.70%,異養(yǎng)反硝化微生物所占比例由86.88%降低到25.30%,但反應(yīng)器仍能保持良好的運(yùn)行效果,硝酸鹽去除率超過90%,乙酸鹽去除率超過85%,硫化物去除率為100%,去除的硫化物主要以單質(zhì)硫形式存在,單質(zhì)硫產(chǎn)率超過65%,這可能是由于反應(yīng)器內(nèi)微生物群落中存在一定的兼性自養(yǎng)反硝化微生物[13],當(dāng)進(jìn)水中無NaCl或NaCl質(zhì)量濃度較低時(shí),兼性自養(yǎng)反硝化菌只參與硫化物的氧化和硝酸鹽的反硝化,不參與有機(jī)物的降解,此時(shí)有機(jī)物降解主要由異養(yǎng)反硝化微生物完成;但當(dāng)NaCl質(zhì)量濃度較高時(shí),兼性自養(yǎng)反硝化菌同時(shí)參與硫化物的氧化、硝酸鹽的反硝化和有機(jī)物的降解,使得異養(yǎng)反硝化微生物所占比例減少的狀態(tài)下,反硝化脫硫工藝的仍能維持較好的處理效果。

3 結(jié) 論

(1)NaCl質(zhì)量濃度從2 g/L增加至35 g/L的過程中,對(duì)反應(yīng)器中硫化物的去除率無明顯影響,但當(dāng)NaCl質(zhì)量濃度增加至4 g/L,體系中S∶C∶N=1∶1∶1時(shí),單質(zhì)硫產(chǎn)率下降至65%,硝酸鹽和乙酸鹽的去除率下降至約90%;提高進(jìn)水乙酸鹽的濃度至S∶C∶N=1∶3∶1后,隨著NaCl質(zhì)量濃度增加,硝酸鹽去除率恢復(fù)至98%以上,單質(zhì)硫產(chǎn)率提高至100%,而高濃度的乙酸鹽使得乙酸鹽去除率降低至85%。

(2)反硝化脫硫工藝污泥中主要的自養(yǎng)反硝化微生物有Piscinibacter、Arenimonas、Azoarcus,主要的異養(yǎng)微生物有Thauera、Xanthomonadales、Chitinophagaceae和Thermomonas,當(dāng)NaCl質(zhì)量濃度由2 g/L增加到35 g/L時(shí),異養(yǎng)微生物所占比例由86.88%下降至25.30%,而自養(yǎng)微生物所占比例由13.12%增加到74.70%。

(3)當(dāng)體系中S∶C∶N=1∶1∶1時(shí),由于NaCl質(zhì)量濃度的增加減緩了異養(yǎng)微生物的代謝速率而使得自養(yǎng)反硝化代謝途徑更容易發(fā)生,因此導(dǎo)致單質(zhì)硫進(jìn)一步被氧化為SO42-而產(chǎn)率降低,提高S∶C∶N=1∶3∶1,可以加快異養(yǎng)微生物的代謝速率,維持高的單質(zhì)硫產(chǎn)率。

(4)反應(yīng)器內(nèi)微生物群落中存在一定的兼性自養(yǎng)反硝化微生物,使得隨著NaCl質(zhì)量濃度的增加,異養(yǎng)反硝化微生物所占比例減少的狀態(tài)下,這些兼性自養(yǎng)反硝化微生物能同時(shí)參與硫化物的氧化、硝酸鹽的反硝化和有機(jī)物的降解,從而使反硝化脫硫工藝維持較好的處理效果。

[1] EFFLER S W, BROOKS C M, AUER M T, et al. Free ammonia and toxicity criteria in a polluted Urban Lake[J]. J Water Pollut Control Fed, 1990,62:771-779.

[2] PETER F, VENKATRAGHAVAN V. Coupled anaerobic/aerobic treatment of high-sulfate wastewater with sulfate reduction and biological sulfide oxidation[J]. Wat Sci Tech, 1996,34:359-366.

[3] CADENA F, PETERS R W. Evaluation of chemical oxidizer for hydrogen sulfide control[J]. J Water Pollut Control Fed, 1988,60:1259-1263.

[4] NG K K, SHI X Q, TANG M K Y, et al. A novel application of anaerobic bio-entrapped membrane reactor for the treatment of chemical synthesis-based pharmaceutical wastewater[J]. Sep Purif Technol, 2014,132(1/2):634-643.

[5] SHI X Q, LEFEBVRE O, NG K K, et al. Sequential anaerobic-aerobic treatment of pharmaceutical wastewater with high salinity[J]. Bioresour Technol, 2014,153(3):79-86.

[6] BERISTAIN-CARDOSO R, TEXIER A C, SIERRA-ALVAREA R, et al. Effect of initial sulfide concentration on sulfide and phenol oxidation under denitrifying conditions[J]. Chemosphere, 2009,74:200-205.

[7] LEE D J, WONG B T, ADAV S S. Azoarcus taiwanensis sp. nov, a denitrifying species isolated from a hot spring[J]. Appl Microbiol Biotechnol, 2014,98(3):1301-1307.

[8] WONG B, LEE D J. Denitrifying sulfide removal and carbon methanogenesis in a mesophilic, methanogenic culture[J]. Bioresour Technol, 2011,102(12):6673-6679.

[9] 劉春爽,李甲國,閆來洪,等.廢水中硫化物、硝酸鹽和氨氮生物同步去除及其機(jī)制[J].化工學(xué)報(bào),2015(2):779-784.

LIU Chunshuang, LI Jiaguo, YAN Laihong, et al. Simultaneous biological removal of nitrate, sulfide and ammonia from wastewater and its mechanism[J]. CIESC Journal, 2015(2):779-784.

[10] American Public Health Association. APHA (1998) standard methods for the examination of water and wastewater[S]. Washington D C: American Public Health Association, 1998.

[11] LEE D J, WONG B T. Denitrifying sulfide removal by enriched microbial consortium: Kinetic diagram[J]. Bioresoupce Technology, 2014,164:386-393.

[12] 郜爽. 高碳氮比條件下反硝化脫硫效能及微氧強(qiáng)化生物產(chǎn)硫研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué),2013.

GAO Shuang. Study of denitrifying sulfide removal process and enrichment of elemental sulfur reclamation under micro-aerobic condition from wastewater of high carbon to nitrogen ration[D]. Harbin: Harbin Institute of Technology, 2013.

[13] GOMMERS P J F, BULEVELD W, KUENEN G. Simultaneous sulfide and acetate oxidation in a denitrifying fluidized bed reactor-Ⅰ[J]. Water Research,1988,22(9):1075-1083.

[14] GOMMERS P J F, BULEVELD W, ZUIDERWIJK F J M, et al. Simultaneous sulfide and acetate oxidation in a denitrifying fluidized bed reactor-Ⅱ[J]. Water Research, 1988,22(9):1085-1092.

[15] JESUS R A, ELIAS R F, JORGE G. Simultaneous biological removal of nitrogen, carbon and sulfur by denitrification[J]. Water Research, 2004,38:3313-3321.

[16] LEE D J, PAN X L, WANG A J, et al. Facultative autotrophic denitrifiers in denitrifying sulfide removal granules[J]. Bioresource Technology, 2013,132:356-360.

(編輯 劉為清)

EffectofNaClondenitrifyingsulfideremovalprocess

ZHAO Dongfeng, LI Wenfei, MA Wenjuan, LIU Chunshuang, JIA Kuili

(CollegeofChemicalEngineeringinChinaUniversityofPetroleum,Qingdao266580,China)

The UASB reactor was used to investigate the effects of NaCl on denitrifying sulfide removal process performance and microbial community structure when concentration of NaCl ranges from 2 g/L to 35 g/L in this study. The results show that high production rate of S in the process could be maintained by increasing the ratio of S∶C∶N up to 1∶3∶1 when concentration of NaCl is increased from 2 g/L to 35 g/L. It is also found that with the increase of NaCl concentration, the proportion of heterotrophic denitrification bacteria decreases instead of the proportion of autotrophic denitrification bacteria increases. When there is NaCl, the increase of organic compounds could influence the reduction rate of nitrite, which keeps the sulfide oxidation at the elemental sulfur stage. Also, the autotrophic denitrification microorganism can simultaneously participate in the sulphide oxidization, denitrification of nitrate, and degradation of organic compounds at high NaCl concentration, which lead to the good results of the denitrifying sulfide removal process.

denitrifying sulfide removal; NaCl; microbial community structure; influencing mechanism

2016-09-13

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(21307160)；山東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(ZR2013EEQ030)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)(16CX02040A)

趙東風(fēng)(1968-)，男，教授，博士，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)榘踩c環(huán)保節(jié)能。E-mail: zhaodf@vip.sina.com。

1673-5005(2017)05-0176-05

10.3969/j.issn.1673-5005.2017.05.022

X 703.1

A

趙東風(fēng),李文斐,馬文娟,等.NaCl對(duì)反硝化脫硫工藝運(yùn)行效果的影響[J].中國石油大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2017,41(5):176-180.

ZHAO Dongfeng, LI Wenfei, MA Wenjuan, et al. Effect of NaCl on denitrifying sulfide removal process[J].Journal of China University of Petroleum (Edition of Natural Science),2017,41(5):176-180.