趙子健,程 瑞,何凱雯,胡晶晶,胡瑩瑩,王 振

拔風(fēng)管對(duì)CANON型人工濕地脫氮性能的影響

趙子健,程 瑞,何凱雯,胡晶晶,胡瑩瑩,王 振*

(安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院,安徽 合肥 230036)

以豬場(chǎng)沼液為處理對(duì)象,探究了拔風(fēng)管對(duì)基于亞硝化的全程自養(yǎng)脫氮(CANON)型潮汐流人工濕地(TFCW)氮素轉(zhuǎn)化性能及微生物種群結(jié)構(gòu)的影響.結(jié)果表明,拔風(fēng)管數(shù)量可顯著影響CANON型TFCW中脫氮功能微生物的數(shù)量與活性,進(jìn)而影響其氮素轉(zhuǎn)化速率.在水力負(fù)荷(HLR)￡0.18m3/(m2·d)的前提下,隨著拔風(fēng)管數(shù)量由0增至6,TFCW填料層中的氧環(huán)境逐漸優(yōu)化,促進(jìn)了其中短程硝化性能的提高與厭氧氨氧化菌的富集,進(jìn)而使系統(tǒng)中形成了同步亞硝化、厭氧氨氧化與反硝化耦合反應(yīng)體系,其脫氮效能不斷提高;而當(dāng)拔風(fēng)管數(shù)量>6后,填料層中亞硝酸鹽氧化菌的過(guò)量增殖破壞了短程硝化作用的穩(wěn)定性,厭氧氨氧化作用與反硝化作用隨之受阻,系統(tǒng)脫氮性能復(fù)又有所下降.當(dāng)HLR=0.18m3/(m2·d)且拔風(fēng)管數(shù)量為6時(shí),TFCW中和2種菌屬的相對(duì)豐度分別可達(dá)20.05%和18.38%,而的相對(duì)豐度僅為1.92%,此時(shí)CANON作用可得到較大限度的強(qiáng)化,且可與等菌屬主導(dǎo)的反硝化作用耦合,使系統(tǒng)的TN和NH4+-N去除率分別達(dá)(90.29±3.70)%和(93.30±2.97)%.

潮汐流人工濕地(TFCW)；拔風(fēng)管；基于亞硝化的全程自養(yǎng)脫氮(CANON)；短程硝化；氮素轉(zhuǎn)化

豬場(chǎng)養(yǎng)殖廢水中氮素的脫除是水處理領(lǐng)域的難點(diǎn)[1-2].調(diào)查表明,國(guó)內(nèi)外很多養(yǎng)豬場(chǎng)由于受到資金和技術(shù)等因素的限制,多采用人工濕地(CW)直接處理豬場(chǎng)沼液[3-4],因此提高CW的脫氮能力至關(guān)重要.當(dāng)CW處理低碳氮比(C/N)廢水時(shí),強(qiáng)化其中基于亞硝化的全程自養(yǎng)脫氮(CANON)作用被證實(shí)是一條可顯著提高此工藝脫氮性能的途徑[5-6],由此推測(cè)CANON型CW應(yīng)具備高效脫除豬場(chǎng)沼液中氮素的潛力[7].然而,豬場(chǎng)沼液雖屬低C/N廢水,但其N(xiāo)H4+- N含量高,還含有一定濃度的難降解有機(jī)物[2],如直接引入CANON型CW,系統(tǒng)脫氮效果存在惡化風(fēng)險(xiǎn),極可能因復(fù)氧能力相對(duì)不足而導(dǎo)致短程硝化性能低下.

在CANON反應(yīng)體系中,短程硝化的實(shí)現(xiàn)是確保后續(xù)厭氧氨氧化(ANAMMOX)過(guò)程順利運(yùn)行的前提,如反應(yīng)體系中溶解氧(DO)濃度過(guò)低,會(huì)引起好氧氨氧化微生物豐度及活性的下降,導(dǎo)致短程硝化過(guò)程中NO2--N的產(chǎn)量過(guò)低,進(jìn)而會(huì)使CANON作用受阻,破壞其強(qiáng)度和穩(wěn)定性[8].為了強(qiáng)化CW工藝的復(fù)氧性能,有研究嘗試通過(guò)改進(jìn)系統(tǒng)運(yùn)行方式、優(yōu)化系統(tǒng)構(gòu)型以及布設(shè)曝氣管等措施調(diào)控填料層中的DO[9-10].然而,上述手段的采用均會(huì)不同程度地引起CW系統(tǒng)建設(shè)運(yùn)行費(fèi)用的增加及其操作難度的提高.拔風(fēng)管作為一種強(qiáng)制通風(fēng)設(shè)備,近年來(lái)常被布設(shè)于CW中用于改善其填料層中的氧環(huán)境[11].當(dāng)利用CANON型CW處理豬場(chǎng)沼液時(shí),如能在裝置中布設(shè)適宜數(shù)量的拔風(fēng)管并使其按照特定模式連續(xù)運(yùn)行,應(yīng)可優(yōu)化填料層中的限氧環(huán)境,提高短程硝化作用的強(qiáng)度,使CANON作用在系統(tǒng)中得以強(qiáng)化與穩(wěn)定,最終實(shí)現(xiàn)沼液中氮素的高效脫除.此外,拔風(fēng)管的制作成本及布設(shè)難度均較低,不會(huì)顯著提高CANON型CW的建設(shè)運(yùn)行費(fèi)用及操作難度,亦有助于該技術(shù)的推廣.

目前,國(guó)內(nèi)外通過(guò)布設(shè)拔風(fēng)管強(qiáng)化CW中CANON作用的研究鮮見(jiàn)報(bào)道.本文以處理豬場(chǎng)沼液的CANON型TFCW為試驗(yàn)裝置,考察了潮汐流運(yùn)行模式下拔風(fēng)管布設(shè)數(shù)量對(duì)系統(tǒng)氮素轉(zhuǎn)化性能及微生物種群結(jié)構(gòu)的影響,并對(duì)系統(tǒng)的宏觀運(yùn)行性能和微生物學(xué)特征之間的關(guān)系進(jìn)行了解析,旨在拓展CANON型人工濕地工藝的應(yīng)用范圍,為低C/N廢水的高效低成本處理提供參考.

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置

TFCW反應(yīng)裝置為PVC材質(zhì),長(zhǎng)×寬×高=1.0m× 1.0m×1.2m,構(gòu)型如圖1所示.其中,系統(tǒng)出水管處于裝置底部,進(jìn)水管則位于距裝置底部10cm處,裝置側(cè)壁沿縱向等距設(shè)置有4個(gè)取樣管,以便于填料樣品的采集.各裝置中填充有100cm厚的填料層(孔隙率≈37%),包括底部為20cm厚的礫石承托層(粒徑為5～10cm)、中部為70cm厚的沸石-廢磚塊混合層(兩者體積比為1:1,粒徑為1～3cm)及上部為10cm厚的瓜片石層(粒徑為5～10mm),填料層表面種植蘆葦(),種植密度為16株/m2.

圖1 CANON型TFCW構(gòu)型

前期研究中,TFCW以豬場(chǎng)沼液為進(jìn)水連續(xù)運(yùn)行了86d,其時(shí)系統(tǒng)的水力負(fù)荷(HLR)為0.12m3/ (m2·d),CANON作用在其中得到了一定程度的強(qiáng)化.待各系統(tǒng)趨于穩(wěn)定后,在其填料層中布設(shè)不同數(shù)量的拔風(fēng)管以便強(qiáng)化裝置的復(fù)氧性能.該拔風(fēng)管(PVC材質(zhì))的長(zhǎng)度和內(nèi)徑分別為120,5cm,其四周側(cè)壁沿縱向等距(≈5cm)設(shè)置有5mm的小孔.按照填料層中拔風(fēng)管埋設(shè)數(shù)量的不同可將反應(yīng)裝置分為5組,分別標(biāo)記為:T0(拔風(fēng)管數(shù)量:0)、T1(拔風(fēng)管數(shù)量:2)、T2(拔風(fēng)管數(shù)量:4)、T3(拔風(fēng)管數(shù)量:6)和T4(拔風(fēng)管數(shù)量:9).各系統(tǒng)中拔風(fēng)管的布設(shè)方式如圖2所示.

圖2 拔風(fēng)管平面布設(shè)方式

1.2 運(yùn)行條件

TFCW在試驗(yàn)階段共運(yùn)行188個(gè)周期,根據(jù)HLR的不同將試驗(yàn)階段劃分為3個(gè)時(shí)期,分別為: A[HLR≈0.12m3/(m2·d),時(shí)長(zhǎng)為60個(gè)周期]、B[HLR≈ 0.18m3/(m2·d),時(shí)長(zhǎng)為80個(gè)周期]和C[HLR≈0.35m3/ (m2·d),時(shí)長(zhǎng)為48個(gè)周期],期間TFCW中水溫的變化范圍為(19～25)℃.

在前期試驗(yàn)與本研究中,各TFCW均按照潮汐流模式連續(xù)運(yùn)行,即系統(tǒng)每天運(yùn)行(1/3～1)個(gè)周期,每個(gè)周期由進(jìn)水期(=60min)、淹水期、排水期(=60min)和閑置期組成:周期之初350L污水由進(jìn)水管泵入系統(tǒng)中;而后填料層處于淹水狀態(tài);淹水反應(yīng)結(jié)束后,污水再通過(guò)出水管排出系統(tǒng);裝置隨之進(jìn)入閑置狀態(tài).其中,當(dāng)TFCW的HLR分別為0.12,0.18,0.35m3/ (m2·d)時(shí),其典型周期內(nèi)淹水期和閑置期的時(shí)長(zhǎng)分別為42,28h;28,18h;13,9h.

1.3 進(jìn)水水質(zhì)

試驗(yàn)用水取自金寨縣桃?guī)X鄉(xiāng)龍?zhí)洞迥承陆ㄒ?guī)?；i場(chǎng),清欄廢水經(jīng)沼氣池處理后取上清液作為各TFCW的進(jìn)水.進(jìn)水中COD、NH4+-N、NO2--N、NO3--N、TN和TP的濃度分別為(654.24±50.36), (459.98±36.98),(3.21±1.71),(1.75±0.62),(487.60±38.84),(36.64±1.90)mg/L.

1.4 分析方法

1.4.1 水樣采集及分析方法 每周期采集各組裝置進(jìn)出水水樣進(jìn)行分析,水樣分別采集于各裝置的進(jìn)、出水口,樣品設(shè)置3個(gè)平行.水樣中COD、NH4+-N、NO2--N、NO3--N、TN和TP的濃度均參照《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》(第四版)進(jìn)行測(cè)定[13].

1.4.2 填料樣品采集 每隔8～10個(gè)周期自不同位置和深度采集各組裝置中的填料樣品,將其混勻后(≈50g)進(jìn)行后續(xù)相關(guān)分析,每次采集完成后均會(huì)對(duì)損失的填料進(jìn)行補(bǔ)充.

1.4.3 填料樣品氮素轉(zhuǎn)化性能 填料樣品的脫氮性能可用亞硝酸化活性(PPNA)、硝酸化活性(PNA)、反硝化活性(PDA)、短程反硝化活性(PBDA)及厭氧氨氧化比活性(SAA)進(jìn)行衡量,此5項(xiàng)指標(biāo)可分別參照文獻(xiàn)[14-15]進(jìn)行測(cè)定.測(cè)定時(shí),各項(xiàng)指標(biāo)的試驗(yàn)條件同被測(cè)樣品采集時(shí)其所在試驗(yàn)裝置的運(yùn)行狀況.

1.4.4 功能基因定量分析 使用DNA試劑盒(D5625-01,Omega,USA)對(duì)填料樣品中的DNA進(jìn)行提取純化,并對(duì)所得產(chǎn)物的核酸濃度和純度進(jìn)行測(cè)定,而后對(duì)DNA樣品中參與生物脫氮過(guò)程的關(guān)鍵功能基因(即、、、、、、和)進(jìn)行熒光定量PCR測(cè)定.分析所用儀器為Applied Biosystems StepOneTM,采用SYBR Green I熒光染料法進(jìn)行測(cè)試,各功能基因的擴(kuò)增體系、引物種類(lèi)及反應(yīng)條件均參照文獻(xiàn)[16].

1.4.5 基于16S rDNA的Illumina平臺(tái)高通量測(cè)序 在B階段的第79個(gè)周期分別對(duì)5組TFCW進(jìn)行填料樣品采集,采集完成后,先對(duì)樣品進(jìn)行超聲處理[17],隨后采用漩渦混勻儀(Scilogex MX-F)再對(duì)其進(jìn)行渦旋處理,時(shí)間為5min.收集脫落的生物膜存放于-20℃冰箱保存.待實(shí)驗(yàn)全部完成后將所有生物膜樣品送至上海美吉生物科技醫(yī)藥公司進(jìn)行高通量分析測(cè)序.測(cè)序分析后,根據(jù)Barcode序列區(qū)分各個(gè)樣本的數(shù)據(jù),進(jìn)行嵌合體過(guò)濾,得到可用于后續(xù)分析的有效數(shù)據(jù),即Clean reads.為了研究樣品的物種組成多樣性,對(duì)所有樣品的Clean reads進(jìn)行聚類(lèi),以97%的一致性將序列聚類(lèi)成OTUs,然后對(duì)OTUs的代表序列進(jìn)行物種注釋.

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 22.0對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析;采用one-way ANOVA進(jìn)行方差分析(<0.01);采用逐步線(xiàn)性回歸模型構(gòu)建氮素轉(zhuǎn)化速率(因變量)與相關(guān)脫氮功能基因組合(自變量)之間的定量響應(yīng)關(guān)系,而后利用通徑系數(shù)評(píng)價(jià)上述各個(gè)自變量對(duì)因變量的相對(duì)重要性;采用Origin 2018作圖,圖中相關(guān)數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差;文中污染物去除(轉(zhuǎn)化)率、累積率等的計(jì)算方法均參照文獻(xiàn)[18].

2 結(jié)果與討論

2.1 拔風(fēng)管對(duì)TFCW運(yùn)行性能的影響

圖3表明,在相同HLR下,各TFCW的有機(jī)物與TP去除性能均因不同數(shù)量拔風(fēng)管的布設(shè)而得到不同程度的提高.其中,在A～B階段,T0的COD與TP去除率分別為(83.84±2.86)%和(83.09±5.51)%,隨著拔風(fēng)管數(shù)量36,T3和T4的COD及TP去除率可達(dá)(91.33±3.37)%和(93.86 ±1.73)%、(92.51±2.95)%和(93.86±2.58)%;在C階段,各TFCW的有機(jī)物及TP去除效果均因過(guò)高的HLR而下降,但T3和T4的COD及TP去除率[(85.40±2.71)%和(86.92±4.08)%、(84.39±4.25)%和(87.13±3.39)%]仍?xún)?yōu)于另3組系統(tǒng).

TFCW的脫氮性能也受到了拔風(fēng)管影響(圖3).在A～B階段,T0對(duì)TN和NH4+-N的去除率分別僅為(50.18±7.73)%和(49.82±8.27)%,其出水中NH4+-N的濃度高達(dá)(229.06±42.54)mg/L.另由圖4可得,此時(shí)T0的PPNA、SAA、PBDA和PDA分別為(3.06± 0.81),(3.99±0.64),(7.16±1.30),(3.45±0.42)mg/(g·h),而其PNA卻處于較低水平[≈(0.23±0.06)mg/(g·h)].隨著拔風(fēng)管數(shù)量由0增至6,TFCW的脫氮性能均有不同程度的提高.其中,T3的PPNA、SAA、PNA、PBDA和PDA較T0分別增至(8.94±1.42),(8.72±1.08), (1.45±0.26), (13.90±0.48),(7.80±0.55)mg/(g·h),其對(duì)TN和NH4+-N的去除率隨之達(dá)(90.29±3.70)%和(93.30±2.97)%.然而,當(dāng)拔風(fēng)管數(shù)量增至9后,T4的NH4+-N轉(zhuǎn)化率[≈(92.05±4.20)%]較T3雖無(wú)明顯變化,但其TN去除率卻驟降至(64.00±3.11)%,此時(shí)系統(tǒng)出水中的氮素以NO--N[≈(138.25 ±24.55)mg/L]為主,其中的NO3--N累積率(NaAR)和NO2--N累積率(NiAR)分別為(73.31±12.85)%和(5.85±2.19)%.相應(yīng)地,T4的PNA增至(4.57±0.73)mg/(g·h),強(qiáng)度為T(mén)3的3.15倍,其SAA卻下降至(4.31±0.90)mg/(g·h).值得注意的是,過(guò)高的HLR也會(huì)惡化5組TFCW的脫氮性能,當(dāng)其在C階段運(yùn)行時(shí),各系統(tǒng)的氮素去除性能均較A、B階段低,呈惡化趨勢(shì).

CW的有機(jī)物和氮素去除效能與其填料層中的氧環(huán)境密切相關(guān)[19].在處理豬場(chǎng)沼液時(shí),T0因復(fù)氧能力不足致使其出水中的NH4+-N累積率始終高于90%,系統(tǒng)脫氮性能欠佳,而適量拔風(fēng)管的布設(shè)可改善此“困境”.當(dāng)拔風(fēng)管數(shù)量由0增至6時(shí),TFCW的COD、TN和NH4+-N去除率不斷提高,考慮到TFCW中已存在一定強(qiáng)度的CANON作用,此時(shí)拔風(fēng)管數(shù)量的增加應(yīng)通過(guò)提高系統(tǒng)的短程硝化性能進(jìn)而強(qiáng)化了其中的CANON作用,最終使其脫氮效能得以提升.而當(dāng)拔風(fēng)管數(shù)量增至9后,T4雖能確保對(duì)有機(jī)物和NH4+-N的高效去除,但其出水中TN和NO--N的濃度復(fù)又升高,推斷9支拔風(fēng)管的布設(shè)過(guò)分強(qiáng)化了填料層中的氧環(huán)境,致使CANON反應(yīng)體系因亞硝酸鹽氧化菌(NOB)的過(guò)量增殖而受損,全程硝化作用得以強(qiáng)化.由于進(jìn)水中偏低的C/N,T4中的反硝化過(guò)程進(jìn)行的不徹底,其脫氮性能隨之降低.填料吸附沉淀作用是CW除磷的主要途徑,則廢磚塊的填充確保了TFCW對(duì)磷素的高效去除[20].另有研究指出,TFCW中厭氧/好氧的交替環(huán)境可強(qiáng)化系統(tǒng)中的生物蓄磷作用[21],鑒于拔風(fēng)管可提高填料層在閑置階段的好氧程度,則其適宜的布設(shè)數(shù)量進(jìn)一步優(yōu)化了TFCW的TP去除率.綜上,適宜數(shù)量拔風(fēng)管可強(qiáng)化TFCW的運(yùn)行性能,當(dāng)HLR￡0.18m3/(m2·d)時(shí),T3可高效處理豬場(chǎng)沼液,系統(tǒng)的COD、TP、TN和NH4+-N去除率分別達(dá)(91.33±3.37)%、(93.86± 1.73)%、(90.29± 3.70)%和(93.30±2.97)%,即其出水中COD、TP、TN、NH4+-N、NO3--N和NO2--N的濃度分別為(56.43±22.55),(2.22±0.61),(47.16± 18.48),(30.58±13.67),(15.57±9.73)和(1.15±0.94)mg/L,滿(mǎn)足《畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB18596- 2001)[22]中的相關(guān)要求.

2.2 氮素轉(zhuǎn)化途徑

和的豐度可分別反映出CANON系統(tǒng)中AOB和AnAOB的數(shù)量;的豐度可反映出系統(tǒng)中NOB的數(shù)量;、、、、和分別是參與反硝化過(guò)程(NO3--N→ NO2-- N→NO→N2O→N2)的6種關(guān)鍵基因,其豐度則可反映出系統(tǒng)中反硝化菌的數(shù)量.其中,和是參與反硝化過(guò)程第1步還原反應(yīng)的2種關(guān)鍵基因;和是參與該過(guò)程第2步還原反應(yīng)的2種關(guān)鍵基因;和是參與第3、4步還原過(guò)程的關(guān)鍵基因[16].本文測(cè)定了試驗(yàn)期間各TFCW中脫氮功能基因的豐度,結(jié)合2.1中結(jié)果,利用逐步線(xiàn)性回歸模型(表1)和通徑系數(shù)(圖5)解析了各裝置中每種形態(tài)氮素的轉(zhuǎn)化途徑.

[/(+)]和[/(+)]是與T0中NH4+-N去除速率[(NH4+-N)]呈正相關(guān)的兩個(gè)變量,通徑系數(shù)分別為0.582和0.433.另外,[/ (+)]通過(guò)[/(+)]對(duì)(NH4+-N)的間接通徑系數(shù)為-0.368,而[/(+)]通過(guò)[/(+)]對(duì)(NH4+-N)的間接通徑系數(shù)為-0.470.[/(+)]表明T0中NH4+-N轉(zhuǎn)化的主要途徑為CANON作用,且該作用的強(qiáng)度很大程度上取決于短程硝化作用的強(qiáng)弱.如前所述,短程硝化作用的實(shí)現(xiàn)與穩(wěn)定是CANON工藝高效運(yùn)行的必要條件[8],此結(jié)果證實(shí)了這一點(diǎn).鑒于T0中基因的豐度較低[≈(5.22×103±5.94×102)copies/ g], [/(+)]表明此系統(tǒng)中另有部分NH4+-N通過(guò)短程硝化/反硝化作用去除,且NO2--N→NO應(yīng)是該過(guò)程的限速步驟.由間接通徑系數(shù)推斷,T0中的反硝化菌與AnAOB之間存在對(duì)底物(即NO2--N)的競(jìng)爭(zhēng),導(dǎo)致進(jìn)水C/N可顯著影響系統(tǒng)中的脫氮菌群結(jié)構(gòu).T0的NO3--N去除速率[(NO3--N)]主要受[/(+)]和[/(+)]的影響.由于CANON作用在進(jìn)行過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生NO3--N[23],則前一個(gè)變量與(NO3--N)負(fù)相關(guān),通徑系數(shù)為-0.146,即CANON作用是引起系統(tǒng)中NO3--N累積的主要原因;后一個(gè)變量與(NO3--N)呈正相關(guān),通徑系數(shù)為0.301,表明T0中NO3--N的脫除主要依賴(lài)反硝化過(guò)程,且NO2--N的還原應(yīng)為該過(guò)程的限速步驟.[/(+)]通過(guò)[/(+)]對(duì)(NO3--N)的間接通徑系數(shù)達(dá)0.424,證實(shí)T0中的CANON作用應(yīng)與反硝化作用發(fā)生了耦合.與(NH4+-N)類(lèi)似,影響T0中NO2--N去除速率[(NO2--N)]的變量仍為[/(+)]和[/(+)],且兩者亦均與(NO2--N)呈正相關(guān),相應(yīng)的通徑系數(shù)分別為0.511和0.407.前者表明系統(tǒng)中產(chǎn)生的大部分NO2--N可通過(guò)CANON作用去除;而由后者斷定短程硝化/反硝化作用也是該系統(tǒng)中NO2--N脫除的主要途徑.基于上述結(jié)果可知, T0中形成了同步短程硝化、ANAMMOX與反硝化(SNAD)耦合脫氮體系,進(jìn)水中的氮素可通過(guò)CANON作用和短程硝化/反硝化作用兩種途徑得以脫除.然而,由于豬場(chǎng)沼液中較高的NH4+-N及有機(jī)物濃度,加之T0有限的復(fù)氧能力,使得系統(tǒng)的短程硝化強(qiáng)度偏低,后續(xù)的ANAMMOX作用與反硝化作用隨之受阻,導(dǎo)致T0的脫氮性能不甚理想.

對(duì)于T1和T2,影響其氮素轉(zhuǎn)化速率的變量組均與T0相同,而由通徑系數(shù)可知,隨著系統(tǒng)中拔風(fēng)管數(shù)量的增加,各組變量對(duì)每種氮素去除速率的相對(duì)重要性隨之增加.由此可知,T1和T2中的氮素轉(zhuǎn)化途徑均同于T0,且兩組系統(tǒng)的短程硝化性能因拔風(fēng)管的布設(shè)得到了不同程度的提高,其后續(xù)的ANAMMOX作用與反硝化作用強(qiáng)度隨之得以強(qiáng)化.然而,即便將拔風(fēng)管數(shù)量增至4,T2的短程硝化強(qiáng)度仍偏低(圖4),NH4+-N→NO2--N此時(shí)依然是氮素轉(zhuǎn)化的限速步驟,系統(tǒng)脫氮性能仍待提高.

T3的(NH4+-N)主要受3變量影響.其中, [/(+)]與(NH4+-N)正相關(guān)且通徑系數(shù)為0.656,結(jié)合T3中較低的基因豐度[≈(1.48× 104±2.56×103)copies/g][24],此變量表明短程硝化/反硝化作用依然是此系統(tǒng)中NH4+-N轉(zhuǎn)化的主要途徑. [/(+)]和(/)也均與(NH4+-N)呈正相關(guān)且相應(yīng)的通徑系數(shù)分別為1.310和1.209,前者表明系統(tǒng)中部分NH4+-N的轉(zhuǎn)化依賴(lài)于CANON作用,且該作用的強(qiáng)弱此時(shí)取決于AnAOB豐度與活性的高低;而由后者可知,當(dāng)拔風(fēng)管數(shù)量增至6后,T3的復(fù)氧性能進(jìn)一步提高,該系統(tǒng)的短程硝化作用已不再是氮素轉(zhuǎn)化的限速步驟,此時(shí)反而應(yīng)注意因NOB過(guò)量增殖而導(dǎo)致的系統(tǒng)脫氮性能的下降.研究指出,CANON型CW中過(guò)量增殖的NOB會(huì)和好氧氨氧化微生物競(jìng)爭(zhēng)填料層中有限的DO,不利于NH4+-N的氧化,且此類(lèi)微生物還會(huì)將NO2--N進(jìn)一步氧化成NO3--N,阻礙ANAMMOX作用的進(jìn)行[25].[/(+)]和[(+)/]是影響T3中(NO3--N)的兩個(gè)變量,前者與(NO3--N)呈負(fù)相關(guān)且通徑系數(shù)為-0.316,表明CANON作用仍是引起系統(tǒng)中NO3--N積累的主要原因;后者與(NO3--N)呈正相關(guān)且通徑系數(shù)為0.723,預(yù)示著T3中生成的NO3--N可通過(guò)反硝化作用脫除.另可知,基因能促進(jìn)系統(tǒng)中NO3--N的累積,考慮到基因可參與硝酸鹽異化還原成銨(DNRA)過(guò)程[26],則推測(cè)T3中應(yīng)存在一定強(qiáng)度的DNRA作用,此作用可將系統(tǒng)中累積的NO3--N還原為可生物再利用的銨鹽,有助于提高系統(tǒng)的TN脫除能力.然而,基因主導(dǎo)的DNRA作用對(duì)T3中氮素轉(zhuǎn)化的貢獻(xiàn)應(yīng)較小.究其原因,應(yīng)歸因于較低的基因豐度以及進(jìn)水中失調(diào)的C/N[27].影響(NH4+-N)的3個(gè)變量同樣也顯著影響著(NO2--N).其中,(/)與(NO2--N)負(fù)相關(guān)且通徑系數(shù)為-1.016,表明短程硝化會(huì)造成系統(tǒng)中NO2--N的累積;[/(+)]和[/(+)]均與(NO2--N)正相關(guān)且通徑系數(shù)分別為0.757和0.850,由此可見(jiàn)NO2--N可通過(guò)CANON作用或短程硝化/反硝化作用得以脫除.上述結(jié)果表明,隨著拔風(fēng)管布設(shè)數(shù)量增至6,T3的短程硝化性能因其復(fù)氧能力的提高而進(jìn)一步增強(qiáng),從而彌補(bǔ)了其在處理豬場(chǎng)沼液時(shí)NH4+-N氧化能力不足的短板,該系統(tǒng)中的CANON作用與短程硝化/反硝化作用均得到了較大限度的強(qiáng)化,其脫氮性能隨之達(dá)到最佳.

與T3類(lèi)似,[/(+)]和(/)是與T4中(NH4+-N)呈正相關(guān)的2個(gè)變量,但其相應(yīng)的通徑系數(shù)較T3分別降至0.908和0.951;(NH4+-N)此時(shí)還與[/(+)]呈顯著正相關(guān),通徑系數(shù)為1.007.上述3變量也顯著影響著T4的(NO2--N),其中,[/(+)]和[/(+)]均與(NO2--N)呈正相關(guān)且相應(yīng)的通徑系數(shù)分別為0.479和1.314;而(/)與(NO2--N)呈負(fù)相關(guān)且通徑系數(shù)為-1.781.由于T4中基因的豐度已達(dá)(8.30×104±1.02×104)copies/g,推斷NOB的過(guò)量增殖造成了T4中短程硝化作用的失穩(wěn),亦在一定程度上抑制了AnAOB的活性與豐度,從而削弱了CANON作用的強(qiáng)度,使得部分NH4+-N的去除途徑演變?yōu)槿滔趸?反硝化作用.T4的(NO3--N)受到[/ (+)]和[(+)/]的顯著影響,其與兩變量的相關(guān)關(guān)系同于T3.此外,(NO3--N)還與(/bacteria)呈負(fù)相關(guān),相應(yīng)的通徑系數(shù)可達(dá)-0.309.該結(jié)果表明,隨著T4中NOB豐度的提高,此類(lèi)微生物對(duì)NO2--N的氧化作用以及CANON作用均會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)中NO3--N的積累,且NOB的過(guò)量增殖會(huì)對(duì)CANON作用的強(qiáng)度及穩(wěn)定性產(chǎn)生負(fù)面影響;另一方面,T4中NO3--N的脫除可通過(guò)反硝化過(guò)程和DNRA過(guò)程兩種途徑實(shí)現(xiàn),系統(tǒng)中NaAR的提高在一定程度上強(qiáng)化了兩種作用的強(qiáng)度.綜合上述結(jié)果斷定,當(dāng)拔風(fēng)管數(shù)量為9時(shí),T4的NH4+-N氧化效能仍可維持在較高水平,但此系統(tǒng)過(guò)高的復(fù)氧能力卻引起了NOB的過(guò)量增殖,由此打破了短程硝化、ANAMMOX與反硝化3種作用之間的平衡,加之進(jìn)水中偏低的C/N,致使T4中的NO3--N出現(xiàn)積累,脫氮性能較T3有所下降.

表1 TFCW中氮素轉(zhuǎn)化速率與脫氮功能基因的定量響應(yīng)關(guān)系

2.3 微生物群落組成

由圖6(a)可知,變形菌門(mén)(Proteobacteria)和浮霉菌門(mén)(Planctomycetota)是各生物膜樣品中相對(duì)豐度較高的2個(gè)菌門(mén).其中,Proteobacteria在各樣本中的占比均>20%;而Planctomycetota的含量隨拔風(fēng)管數(shù)量的增加呈先增加后降低的趨勢(shì):當(dāng)拔風(fēng)管數(shù)量由0增至6,此菌門(mén)的相對(duì)豐度由11.22%增至26.40%;當(dāng)拔風(fēng)管數(shù)量增至9,隨著樣品中硝化螺旋菌門(mén)(Nitrospirota)的相對(duì)豐度增至6.46%, Planctomycetota的相對(duì)豐度降至20.64%.研究指出[28],大部分AOB(如、等)屬Proteobacteria; AnAOB共有5個(gè)屬9個(gè)菌種,均屬于Planctomycetota;NOB則屬于Nitrospirota.由此可見(jiàn),各TFCW中均形成了CANON反應(yīng)體系,且該作用的強(qiáng)度隨拔風(fēng)管數(shù)量的適當(dāng)增加而不斷提高,但當(dāng)拔風(fēng)管數(shù)量>6后,系統(tǒng)中NOB的過(guò)量增殖對(duì)Proteobacteria和Planctomycetota產(chǎn)生脅迫,在一定程度上抑制了CANON作用的強(qiáng)度.此外,反硝化菌主要存在于Proteobacteria,酸桿菌門(mén)(Acidobacteriota)中的部分功能菌亦具備還原NO--N和N2O的能力[29],故各系統(tǒng)均具備一定的反硝化能力.

圖6(b)表明,TFCW中與CANON反應(yīng)直接相關(guān)的菌屬為和.其中,是上述系統(tǒng)中檢出的唯一AnAOB,未發(fā)現(xiàn)其他研究中報(bào)道的、和[30].此結(jié)果與Hu等[31]和Gonzalez等[32]的研究結(jié)論一致,且兩者均認(rèn)為在CANON系統(tǒng)中只有一種AnAOB會(huì)成為優(yōu)勢(shì)菌種,其種類(lèi)取決于裝置構(gòu)型及其設(shè)定的工況參數(shù).也是各系統(tǒng)中唯一檢出的AOB.相較于與,該菌屬更易于在CANON系統(tǒng)中生長(zhǎng)[33].是紅環(huán)菌科()的一個(gè)反硝化菌屬,被認(rèn)為是促進(jìn)CANON系統(tǒng)脫氮效率進(jìn)一步提高的關(guān)鍵微生物[34],此菌屬在各樣品中較高的相對(duì)豐度[(12.42～15.88)%]體現(xiàn)出各TFCW較強(qiáng)的反硝化能力.與圖6(a)相呼應(yīng),硝化螺旋菌屬()在樣品中的相對(duì)豐度隨著拔風(fēng)管數(shù)量>6而顯著增至4.77%,表明T4的NO2--N氧化性能較其他系統(tǒng)明顯增強(qiáng).

圖6 各樣本中主要菌門(mén)和菌屬相對(duì)豐度

將上述功能菌屬在各樣品中的相對(duì)豐度與相應(yīng)條件下反應(yīng)裝置的脫氮性能相結(jié)合(圖7),可進(jìn)一步證實(shí):當(dāng)拔風(fēng)管數(shù)量由0增至6時(shí),TFCW中氧環(huán)境的逐步改善可在不斷提高相對(duì)豐度的同時(shí)將的含量控制在較低水平,系統(tǒng)短程硝化性能的改善增加了的相對(duì)豐度并強(qiáng)化了CANON作用的強(qiáng)度,隨之使系統(tǒng)的TN去除率得以提高.而當(dāng)拔風(fēng)管數(shù)量>6后,在TFCW中過(guò)量增殖,由于該菌屬同存在底物競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系,導(dǎo)致AnAOB相對(duì)豐度降低,系統(tǒng)脫氮效率隨之下降.在試驗(yàn)期間,由于較高豐度的存在,各TFCW始終具備一定的反硝化能力,該作用有效地促進(jìn)了系統(tǒng)中NO--N(尤其是NO3--N)的脫除.

圖7 樣本中細(xì)菌群落在屬水平上相對(duì)豐度與反應(yīng)器脫氮性能的變化

3 結(jié)論

3.1 拔風(fēng)管數(shù)量可顯著影響CANON型TFCW的脫氮效果,當(dāng)HLR￡0.18m3/(m2·d)時(shí),T3可高效處理豬場(chǎng)沼液,其COD、TP、TN和NH4+-N的去除率分別可達(dá)(91.33±3.37)%、(93.86±1.73)%、(90.29±3.70)%和(93.30±2.97)%.

3.2 當(dāng)HLR￡0.18m3/(m2·d)時(shí),隨著拔風(fēng)管數(shù)量由0增至6,TFCW的亞硝酸化活性由(3.06±0.81)增至(8.94±1.42)mg/(g·h),系統(tǒng)中CANON作用的強(qiáng)度逐步增強(qiáng),并形成了SNAD耦合反應(yīng)體系;而當(dāng)拔風(fēng)管數(shù)量>6時(shí),TFCW的硝酸化活性驟增至(4.57± 0.73)mg/(g·h),填料層中NOB的過(guò)量增殖破壞了短程硝化作用的穩(wěn)定性,ANAMMOX作用與反硝化作用隨之受阻.

3.3 當(dāng)HLR=0.18m3/(m2·d)且拔風(fēng)管數(shù)量為6時(shí), TFCW中和的相對(duì)豐度分別為20.05%和18.38%,的相對(duì)豐度僅為1.92%,此時(shí)CANON作用得以強(qiáng)化,且其可與等菌屬主導(dǎo)的反硝化作用耦合進(jìn)行高效脫氮.

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Effect of air duct on nitrogen removal performance of a constructed wetland system with CANON process.

ZHAO Zi-jian, CHENG Rui, HE Kai-wen, HU Jing-jing, HU Ying-ying, WANG Zhen*

(School of Resources and Environment, Anhui Agricultural University, Hefei 230036, China)., 2022,42(3)：1191～1201

This study was conducted to explore the effects of air duct on nitrogen transformation mechanisms and the associated microbiological characteristics in a tidal flow constructed wetland (TFCW) with CANON process when treating digested swine wastewater. The results showed that, the air duct number significantly affected quantities and activities of the functional microbes in the TFCWs. Correspondingly, nitrogen transformation rates in the systems fluctuated at the different five numbers of air duct. On the premise that the hydraulic loading rate (HLR) was no more than 0.18m3/(m2·d), the redox microenvironment gradually optimized in the bed of the TFCW as the air duct number increased from 0 to 6, which was conductive to the enhancement of nitritation and the enrichment of ANAMMOX bacteria (AnAOB). Subsequently, the simultaneous nitrification, ANAMMOX, and denitrification (SNAD) processes occurred in the TFCW, resulting in the improvement of nitrogen removal in the system. However, as the air duct number was more than 6, the stabilization of nitritation in the TFCW was impaired partly owing to the proliferation and increased activities of nitrite oxidizing bacteria (NOB), and then the ANAMMOX process and the denitrification process were both inhibited with the nitrogen removal performance of the system declined. Regarding to the TFCW operating with HLR of 0.18m3/(m2·d), as the air duct number was 6, the relative abundances of(the major bacteria of AOB) and(the major bacteria of AnAOB) could respectively reach up to 20.05% and 18.38% in the system, while the relative abundances of(the major bacteria of NOB) was at a low level of 1.92%. Correspondingly, the CANON process was enhanced effectively in the system, and this process could be coupled with the denitrification process dominated by(the major bacteria of denitrifiers) with the relative abundance of 15.18%, resulting that the TN and NH4+-N removal rates of the TFCW were (90.29±3.70)% and (93.30±2.97)%, respectively.

tidal flow constructed wetland (TFCW);air duct;complete autotrophic nitrogen removal over nitrite (CANON);partial nitrification;nitrogen transformation

X703.1

A

1000-6923(2022)03-1191-11

趙子健(1998-),男,天津人,安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)碩士研究生,主要從事污水生物資源化處理與回用技術(shù)研究.發(fā)表論文3篇.

2021-07-12

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51508002);安徽省重點(diǎn)研究與開(kāi)發(fā)計(jì)劃資助項(xiàng)目(202004h07020024,201834040011);安徽省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2008085ME162);中國(guó)科學(xué)院城市污染物轉(zhuǎn)化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金資助項(xiàng)目(KLUPC-KF-2020-5)

*責(zé)任作者, 副教授, zwang@ahau.edu.cn