張獻旭，胡曉玲，張 俐，王弘宇

（1.武漢環(huán)投固廢運營有限公司，湖北 武漢 430014；2.武漢大學土木建筑工程學院，湖北 武漢 430072；3.湖北省工程咨詢股份有限公司，湖北 武漢 430060）

工農業(yè)生產的發(fā)展以及化肥的大量施用導致了氮化合物在水體中的不良積累及過量排放〔1〕，過量的氮排放將導致水體富營養(yǎng)化，并對人類健康產生潛在危害。通常，水體不發(fā)生富營養(yǎng)化的環(huán)境閾值約為0.2 mg/L 的總氮（TN）〔2〕，按我國《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918—2002）一級A 標準，TN 的最高允許排放質量濃度為15 mg/L。因此，滿足一級A 標準的污水處理廠排出的尾水并不能阻止水體的富營養(yǎng)化，并且現(xiàn)在很多污水處理廠都面臨出水TN 不能穩(wěn)定達標的問題。因此，尋求進一步減少污水處理廠尾水總氮排放的低成本技術勢在必行。

由元素硫驅動的自養(yǎng)反硝化技術是一種相對高效、經濟、安全的脫氮技術〔3〕，適用于缺少碳源的污水處理廠尾水的進一步處理。但是，硫自養(yǎng)反硝化過程是產H+并消耗堿度的過程，而脫氮硫桿菌生長的最適pH 為7，且硫自養(yǎng)反硝化需要無機碳源作為能量來源。

鐵在自然界中分布廣泛，主要以碳酸鹽、氧化物、硫酸鹽等鐵礦物的形式存在〔4〕。研究發(fā)現(xiàn)，菱鐵礦（主要成分為FeCO3）能驅動硝酸鹽向氮氣的轉化，相應的反應見式（1）〔5〕。

FeCO3自養(yǎng)反硝化過程會產生堿度和碳酸根，能夠緩沖體系pH 的變化，并且可以為系統(tǒng)中的自養(yǎng)微生物提供無機碳源，F(xiàn)eCO3也可作為電子供體參與自養(yǎng)反硝化，此外，若將硫自養(yǎng)反硝化與FeCO3自養(yǎng)反硝化耦合，對于相同的進水-N 負荷還可以減少的生成〔6〕。因此，面對污水處理廠尾水提質增效的實際需求，開展硫/菱鐵礦自養(yǎng)脫氮工藝的研究具有極大的理論意義和實際應用意義。

1 材料與方法

1.1 實驗裝置與運行條件

實驗裝置如圖1 所示，采用圓柱形反應器，材質為有機玻璃，反應器內徑為10 cm，高30 cm，反應器內等體積混合填充粒徑為2～5 mm 的硫顆粒和菱鐵礦顆粒，有效填充高度為25 cm，有效填充體積為1.96 L。反應器采用上向流方式連續(xù)進水，實驗所用硫顆粒為工業(yè)用硫磺顆粒，S 的質量分數(shù)為99.9%，所用菱鐵礦購自貴州礦山，其主要組分為FeCO3。實驗過程中改變反應器的HRT 分別為6、12、18 h，探究反應器對污染物的去除效果、FeCO3自養(yǎng)反硝化的脫氮貢獻率及系統(tǒng)的微生物群落變化。

圖1 反應裝置示意Fig.1 Schematic diagram of reaction device

1.2 進水水質與接種污泥

種泥取自實驗室連續(xù)運行的自養(yǎng)反硝化反應器（該反應器的初始接種污泥質量濃度為2 040 mg/L）中的硫顆粒及菱鐵礦顆粒上附著的膜狀污泥。實驗過程中反應器的進水為自來水配制的人工合成廢水-N 在反應器中的質量濃度為（36.33±0.75）mg/L，廢水中其他添加物質為：NaHCO3500 mg/L，KH2PO42.7 mg/L，微量元素1 mL/L。微量元素溶液組 成 為：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，F(xiàn)eCl3·6H2O 0.2 g/L，Na2MoO4·4H2O 0.5 g/L。廢水初始pH=（7.0±0.3）。

1.3 分析項目與方法

實驗所采用的水質檢測方法均參照國家環(huán)境保護總局《水和廢水監(jiān)測分析方法（第4 版）》。采用紫外分光光度法測定-N；采用N-（1-萘基）乙二胺分光光度法測定-N；采用納氏試劑分光光度法測定-N；采用瑞士萬通離子色譜儀882 com?pact IC plus 檢測濃度；采用梅特勒-托利多FE20K pH 計測定pH。

為探究HRT 對系統(tǒng)生物種群結構及多樣性的影響，在HRT=6、12、18 h 這3 個工況下系統(tǒng)運行穩(wěn)定時，分別從反應器中部的硫/菱鐵礦顆粒上等量剝落生物膜進行Illumina 高通量測序，取出的生物膜樣品依次編號為D6（HRT=6 h）、D12（HRT=12 h）、D18（HRT=18 h）。

硫/菱鐵礦自養(yǎng)反硝化系統(tǒng)中FeCO3自養(yǎng)反硝化和硫自養(yǎng)反硝化對氮脫除的貢獻率的計算方法見式（2）～式（5）〔8〕。

式中：n1——1 個-N 被還原為N2需要的電子數(shù)目，取5；

n2——1 個-N 被還 原 為-N 需 要 的 電子數(shù)目，取2；

n3——1 個S 被氧化為可提供的電子數(shù)目，取6；

C1——進出水-N 差值，g/L；

C2——進出水-N 差值，g/L；

C3——進出水質量濃度差值，g/L；

M1——N 元素的摩爾質量，取14 g/mol；

M2——的摩爾質量，取96 g/mol；

X——系統(tǒng)中污水被處理所需要的電子濃度，mol/L；

XS——硫自養(yǎng)過程中單質硫提供的電子濃度，mol/L；

NS——硫自養(yǎng)反硝化對氮脫除的貢獻率，%；

NF——FeCO3自養(yǎng)反硝化對氮脫除的貢獻率，%。

2 結果與討論

2.1 HRT 對系統(tǒng)脫氮性能的影響

HRT=6、12、18 h 時，反應器對氮素的去除效果見圖2。

圖2 不同HRT 條件下反應器內氮素的變化Fig.2 Variations of nitrogen under different HRT conditions

由圖2 可知，當HRT=6、12、18 h 時，在穩(wěn)定運行階段，反應器對-N 均有很好的去除效果，平均去除率分別為99.12%、99.48%、99.93%。HRT=6 h和12 h 時，反應器中存在-N 積累，穩(wěn)定運行階段 其 出 水 平 均-N 分 別 為3.098、0.743 mg/L；HRT=18 h 時，反應器內幾乎無-N 的積累。Wei WANG 等〔2〕的研究表明，當HRT 偏?。℉RT=6 h和12 h）時，自養(yǎng)反硝化系統(tǒng)的出水中就會有-N 的積累，與本研究結果類似。Fangmin CHEN 等〔9〕的研究結果表明，S0對-N 的親和力顯著高于對-N 的親和力，當HRT 較低時，廢水與填料沒有充足的接觸時間，導致-N 的還原速率大于-N 的還原速率-N 被還原為-N 后無法及時被還原為N2，因而產生了-N 的積累。此外，隨著HRT 的增大，-N 積累量逐漸上升，當HRT=6、12、18 h 時，反應器在穩(wěn)定運行階段的平均出 水-N 分 別 為0.136、0.625、1.182 mg/L，這是因為當HRT 增加，HRT 過長致使反應器中的部分微生物因缺少營養(yǎng)物質而死亡，從而釋放出少量N。由圖2 還可以看出，當HRT=6、12、18 h 時，硫/菱鐵礦自養(yǎng)反硝化系統(tǒng)對總無機氮（TIN）的平均去除率分別為90.30%、95.67%、96.60%。綜上，HRT=12 h 時系統(tǒng)對TIN 的去除率達到95%以上，繼續(xù)增大HRT，系統(tǒng)對TIN 的去除率沒有明顯的變化，反而會導致-N 的積累，而當HRT=6 h 時，由于-N的積累也會使TIN 去除率降低，因此，HRT=12 h 對于硫/菱鐵礦自養(yǎng)反硝化系統(tǒng)的脫氮較為適宜。

2.2 HRT 對系統(tǒng)出水濃度 及pH 的 影響

由圖3 可 知，HRT 從6 h 增 加 到12 h 時，反 應 器出水的平均質量濃度從193.14 mg/L 降至181.26 mg/L，而HRT 從12 h 增加到18 h 時，反應器出水的平均質量濃度略微上升至184.14 mg/L；當進水pH 穩(wěn)定在7.10 左右時，HRT 從6 h 增加到12 h時反應器出水pH 從6.18 上升至6.56，HRT 進一步增加到18 h 時，系統(tǒng)出水pH 相對穩(wěn)定，為6.58。推測其原因為，當HRT 從6 h 增加到12 h 時，F(xiàn)eCO3自養(yǎng)脫氮對氮脫除的貢獻率增加，因此反應器出水濃度減少，pH 上升；而當HRT 進一步增加到18 h 時，F(xiàn)eCO3自養(yǎng)脫氮對氮脫除的貢獻率基本不變，因此出水濃度和pH 基本不變。

圖3 不同HRT 條件下反應器內及pH 的變化Fig.3 Variations of and pH under different HRT conditions

2.3 HRT 對系統(tǒng)中FeCO3自養(yǎng)脫氮貢獻率的影響

HRT=6、12、18 h 時，F(xiàn)eCO3自養(yǎng)和硫自養(yǎng)脫氮對氮脫除的貢獻率見圖4。

圖4 不同HRT 條件下FeCO3自養(yǎng)和硫自養(yǎng)脫氮貢獻率Fig.4 The proportions of FeCO3 and sulfur autotrophic denitrifi?cation under different HRT conditions

由圖4 可知，HRT=6、12、18 h 時，穩(wěn)定運行階段FeCO3自養(yǎng)脫氮對氮脫除的貢獻率分別為13.64%、20.49%、20.78%。有研究表明，硫自養(yǎng)反硝化產生的H+可能會促進FeCO3中Fe2+的溶出，將微生物在菱鐵礦上（固相）的反應擴大至固液兩相〔10〕，當HRT從6 h 增加到12 h 時，鐵自養(yǎng)反硝化微生物有足夠的停 留 時 間 利 用 溶 出 的Fe2+將-N 還 原，因 而FeCO3參與反硝化脫氮對氮脫除的貢獻率增加。當HRT 繼續(xù)增加到18 h 時，F(xiàn)eCO3自養(yǎng)脫氮對氮脫除的貢獻率基本不變，說明進一步增加HRT 對FeCO3自養(yǎng)脫氮貢獻率的提升沒有幫助。FeCO3自養(yǎng)脫氮對氮脫除貢獻率的變化規(guī)律與2.2 節(jié)所探討的系統(tǒng)出水濃度及pH 的變化相一致，即當FeCO3自養(yǎng)脫氮對氮脫除的貢獻率增加時，出水濃度減少，pH 上升。

2.4 HRT 對系統(tǒng)微生物群落的影響

2.4.1 微生物α多樣性分析

樣品D6、D12、D18 的微生物物種豐富度及多樣性指數(shù)見表1。

表1 不同HRT 條件下微生物物種豐富度及多樣性指數(shù)Table 1 Species richness and diversity estimators of microbial populations under different HRT conditions

由表1 可知，HRT=12 h 時，系統(tǒng)內Ace 和Chao 指數(shù)最大，此時系統(tǒng)內物種豐度最高，此外其Shannon 指數(shù)最大，Simpson 指數(shù)較小，說明微生物多樣性也較高，這可能源于適宜的HRT 使得系統(tǒng)中的微生物有較充足的營養(yǎng)物質。

樣品D6、D12、D18 的韋恩圖見圖5。

圖5 韋恩圖Fig.5 Venn diagram

由圖5 可知，3 個樣本獲得的OTU 總數(shù)為440，其中，共同所有的OTU 數(shù)目為104，占3 個樣本總OTU 數(shù)目的23.6%，這說明3 個樣本的生物多樣性存在較大差異，不同HRT 條件下的硫/菱鐵礦自養(yǎng)反硝化系統(tǒng)在菌群結構上發(fā)生了明顯的演替和變化，HRT 的改變對硫/菱鐵礦自養(yǎng)反硝化系統(tǒng)的生物多樣性有顯著影響。

2.4.2 微生物群落結構分析

圖6 為樣品D6、D12、D18 中微生物組成的門水平分布。

由圖6 可知，硫/菱鐵礦自養(yǎng)反硝化系統(tǒng)中最主要的菌門為變形菌門（Proteobacteria）、彎曲桿菌門（Campilobacterota）、酸桿菌門（Acidobacteriota）。隨著HRT 的增加，Proteobacteria 的相對豐度逐漸增加，在3個樣本中分別為85.87%、96.36%、98.73%；而Campi?lobacterota 和Acidobacteriota 的相對豐度隨著HRT 的增加逐漸降低。Proteobacteria中存在很多典型的硝酸鹽還原菌和鐵氧化菌〔11〕，系統(tǒng)中Proteobacteria 的相對豐度遠大于其他菌門，說明功能菌在系統(tǒng)中逐漸富集。

圖6 微生物組成結構的門水平分布Fig.6 Distribution of microbial composition structure at phylum level

圖7 為3 個樣本D6、D12、D18 在屬分類水平下的熱圖。

圖7 微生物屬水平熱圖Fig.7 Heatmap of microbial compositions at genus level

由圖7 可知，樣品D6 中的主要菌屬有Thiobacil?lus、Sulfurimonas、Ferritrophicum、Comamonas、unclassi?fied_o_Burkholderiales和Geothrix，各菌屬相對豐度分別為74.46%、11.19%、3.12%、1.93%、1.30%、1.12%。樣品D12 中的主要菌屬有Thiobacillus、Comamonas、Thiomonas、Ferritrophicum、Thermomonas，各菌屬相對豐度分別為82.35%、3.94%、1.62%、1.14%、1.12%。樣品D18 中的主要 菌屬有Thiobacillus、Comamonas，相對豐度分別為93.70%、1.68%。

Thiobacillus和Sulfurimonas屬 于Proteobacteria 菌門，是典型的硫自養(yǎng)反硝化細菌〔1，12〕。研究發(fā)現(xiàn)，某些種類的Thiobacillus也可以使用Fe（Ⅱ）作為電子供體〔13〕，因此可以利用硫和Fe（Ⅱ）的Thiobacillus可能在系統(tǒng)脫氮中發(fā)揮重要作用。作為硫/菱鐵礦自養(yǎng)反硝化系統(tǒng)中相對豐度最大的菌屬，隨著HRT的增加，Thiobacillus的相對豐度從74.46%逐漸增加至93.7%，表明HRT 的增加有利于其生長繁殖；與此相反，隨著HRT 的增加，Sulfurimonas的相對豐度降低，說明Thiobacillus比Sulfurimonas更容易利用硫和FeCO3作為電子供體，相同的現(xiàn)象在Ruihua LI 等〔14〕對磁黃鐵礦-硫-石灰石自養(yǎng)反硝化生物濾池的研究中也被發(fā)現(xiàn)。Thiomonas是一種在很多硫自養(yǎng)反硝化系統(tǒng)中被檢測到的自養(yǎng)硫化物氧化細菌〔15〕。Ferritrophicum也屬于Proteobacteria 菌門，是一種可以利用硝酸鹽作為電子受體氧化Fe（Ⅱ）和硫化物的細菌〔16-17〕。Thermomonas是一種異養(yǎng)反硝化細菌，在進水沒有有機物的情況下，可以利用細菌分泌和死亡后釋放的有機物〔18〕作為碳源，其同時也被報道是一種自養(yǎng)反硝化細菌，能夠在缺乏有機物條件下利用無機碳源將硝酸鹽還原為氮氣〔19〕。Comamonas經常在氧化Fe（Ⅱ）還原硝酸鹽的環(huán)境中被檢測到〔20-21〕。HRT=18 h 時，還存在內源反硝化細菌unclassified_f_Coma?monadaceae〔22〕，進一步證明過長的HRT 使得系統(tǒng)中的微生物缺乏營養(yǎng)物質。綜上，同時存在的自養(yǎng)、異養(yǎng)和內源脫氮細菌保證了系統(tǒng)高效穩(wěn)定的脫氮性能，另外，系統(tǒng)中存在的鐵還原菌Geothrix對Fe（Ⅱ）和Fe（Ⅲ）的循環(huán)也起到了重要作用〔13〕。

3 結論

（1）改變硫/菱鐵礦自養(yǎng)反硝化組合系統(tǒng)的HRT，探究HRT 對硫/菱鐵礦自養(yǎng)反硝化系統(tǒng)運行性能的影響，結果表明，在進水-N 為36 mg/L 時，當HRT 由6 h 增加到12 h，系統(tǒng)的TIN 去除率從90.30%增加到95.67%，F(xiàn)eCO3自養(yǎng)反硝化脫氮對氮脫除的貢獻率由13.64%增加至20.49%，出水質 量 濃 度 從193.14 mg/L 降 至181.26 mg/L，pH 從6.18 上升至6.56；當HRT 進一步增加到18 h 時，系統(tǒng)脫氮效果及FeCO3自養(yǎng)脫氮貢獻率受到的影響較小，反而會導致-N 的積累。因此，HRT=12 h 對于硫/菱鐵礦自養(yǎng)反硝化系統(tǒng)較為適宜。

（2）Proteobacteria 菌門的Thiobacillus菌屬是系統(tǒng)中占據(jù)絕對優(yōu)勢的自養(yǎng)反硝化細菌，同時還存在Sulfurimonas、Ferritrophicum、Thermomonas、Geothrix等功能細菌保證了系統(tǒng)的脫氮性能與Fe 的循環(huán)。